DE10261569A1

DE10261569A1 - Kombinationswerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendungen

Info

Publication number: DE10261569A1
Application number: DE2002161569
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Bauch; Detlef Krug; Margot Dr. Scheithauer
Original assignee: IHD Institut fuer Holztechnologie Dresden gGmbH
Current assignee: INSTITUT FUER HOLZTECHNOLOGIE DRESDEN GGMBH, 01217
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-22
Also published as: AU2003294646A1; WO2004058465A1; EP1575744A1; EP1575744B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kombinationswerkstoff. Dabei ist vorgesehen, dass der Werkstoff aus einer Mischung von nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikeln und schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausgehärteten Zustand unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung thermisch vernetzende Bindemittel auf der Bais von Amino- und/oder Phenoplastharzen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kombinationswerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Werkstoff, der Holzfasern oder Holzspäne oder beides enthält.
Holzwerkstoffe wie Spanplatten, Platten mit orientierten Langspänen (OSB), Hochdichte Faserplatten (HDF) und Mitteldichte Faserplatten (MDF) werden gegenwärtig aus relativ hochwertigen Holzsortimenten unter Zugabe von dem späteren Verwendungszweck angepassten Bindemitteln üblicherweise im Trockenverfahren hergestellt. Durch spezielle Zusätze können den Werkstoffen Eigenschaften, wie reduzierte Wasseraufnahme und dadurch verminderte Dickenquellung, Schwerentflammbarkeit und/oder bedingte Resistenz gegenüber biologischen Schädigungen verliehen werden. Für die industrielle Holzwerkstoffherstellung werden Bindemittelrezepturen auf der Basis von Harnstoff-Formaldehydharz (UF), Melamin-Harnstoff-Formaldehydharz (MUF), Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehydharz (MUPF), Phenol-Formaldehydharz (PF) oder polymeren Diisocyanaten (PMDI) eingesetzt. Zur Verbesserung der Wasserabweisung werden bis zu 1,5 % Hydrophobierungsmittel (z. B. Paraffin) zugesetzt. Der Feststoffanteil der Bindemittel beträgt bei den UF-, MUF-, MUPF- oder PF-Harzen 5 bis 20 %, bei den PMDI-Klebstoffen etwa 2 bis 6 %, jeweils bezogen auf atro Holzpartikelmasse /Deppe, Ernst 1996: MDF – Mitteldichte Faserplatten, DRW-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterdingen; Deppe, Ernst 2000: Taschenbuch der Spanplattentechnik, 4. Auflage, DRW-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterdingen/.
In jüngster Zeit wurden auch Lösungen erarbeitet, um in Werkstoffen auf der Basis von Fasern oder Partikeln die üblicher Weise eingesetzten Harze durch Lackkoagulate oder Pulverlackabfälle zu ersetzen, beispielsweise für Dämmmatten oder Türverkleidungselemente im Automobil ( DE 3936974 C1 ), Faservlies-Formteile ( DE 4441765 A1 ) oder Holzpartikelwerkstoffe ( DE 10129750 A1 ).
DE 4441765 A1 offenbart eine Bindemittelzusammensetzung zur Herstellung von Faservlies-Formteilen, die zumindest 70 Gew.-% Pulverlackabfälle und bis zu 30 Gew.-% Phenolharz umfasst. Die Faservlies-Formteile werden hergestellt, indem Faservliese in Formwerkzeugen mit dem Bindemittel chemisch gebunden werden. Dazu werden die Bindemittel zu den Faservliesen zugegeben, wobei das Aushärten des Bindemittels während der Formgebung der Faservliese zu Formteilen in einem heißen Formwerkzeug durch den Einsatz von Heißdampf beschleunigt werden kann. Der Heißdampf kann mit einem Druck von 1 bis 15 bar in das Formwerkzeug eingebracht werden.
DE 101 29 750 A1 offenbart einen Werkstoff aus Holzpartikeln, Bindemittel und Zuschlagsstoffen, wobei es sich bei dem Bindemittel um Pulverlackabfälle handelt. Ein beispielhafter Pulverlackabfall ist eine Zusammensetzung, die 50 Gew.-% Polyester und 50 Gew.-% Epoxidharz enthält. Der Werkstoff wird gemäß den Beispielen in DE 101 29 750 A1 unter Anwendung einer Presstemperatur von 180 °C und einem spezifischen Pressdruck von 2,5 N/mm² hergestellt.
WO 02/100616 offenbart einen Verbundwerkstoff, der mindestens 50 Gew.-% eines Holzwerkstoffes in Form von Holzpartikeln und höchstens 50 Gew.-% Pulverlack enthält, wobei der Pulverlack als Hauptkomponente ein Duroplast enthält und als Bindemittel zwischen den Holzpartikeln fungiert. Der Pulverlack kann ein Rückstand sein, der bei der Sprühlackierung oder der Pulverlackherstellung angefallen ist. Der Verbundwerkstoff kann ferner ein Bindemittel enthalten, das in dem Pulverlack verteilt ist. Bei dem Bindemittel kann es sich um ein Duroplast handeln. Der Werkstoff wird hergestellt, indem die Holzpartikel mit dem Pulverlack vermischt werden, das Gemisch erhitzt wird und anschließend geformt und ausgehärtet wird. In dem beispielhaften Verfahren betragen die Aushärtungstemperatur 180 °C, der Pressdruck 80 bar und die Presszeit 20 min.
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass für die Herstellung der Werkstoffe wegen der zur Vernetzung der Substitute erforderlichen Wärmeenergie höhere Presstemperaturen und/oder unwirtschaftlich lange Presszeiten erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kombinationswerkstoff anzugeben, der verbesserte Eigenschaften gegenüber bekannten Holzwerkstoffen aufweist, wobei gleichzeitig eine Substitution herkömmlicher Bindemittel durch kostengünstigere erfolgen soll. Insbesondere soll der Einsatz von polyolefinen Kunststoffen zu einer Verbesserung der Feuchtebeständigkeit des Holzwerkstoffs führen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 12 sowie 14 bis 21.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Kombinationswerkstoff vorgesehen, der aus einer Mischung von nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikeln und schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausgehärteten Zustand unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino- und/oder Phenoplastharzen und/oder Isocyanat-Klebstoffe enthält.
Als nicht schmelzbare Partikel können organische Fasern eingesetzt werden, wobei lignocellulosehaltige Fasern bevorzugt sind. Alternativ können als nicht schmelzbare Partikel Holzfasern oder Holzspäne und/oder Kohlenstoff- oder Glasfasern eingesetzt werden. Darüber hinaus können als nicht schmelzbare Partikel anorganische Fasern wie Mineralfasern und/oder Metallfäden eingesetzt werden.
Die schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikel können aus pulverförmigen oder körnigen Polyolefinen bestehen. Die Polyolefine sind vorzugsweise Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polystyrol, Polyamide, Polycarbonate, Polyvinylchlorid, Acryl- und Methacrylpolymerisate, ABS oder äquivalente Copolymerisate.
Die pulverförmigen oder körnigen Polyolefine sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zerkleinertes Recyclingmaterial, wobei das zerkleinerte Recyclingmaterial zweckmäßigerweise einen Reinheitsgrad von mindestens 65, vorzugsweise 90 % aufweist.
Die schmelzbaren duroplastischen Kunststoffpartikel bestehen bevorzugt aus thermisch aushärtenden pulverförmigen oder körnigen Harzen wie Acrylaten, Epoxidharzen, gesättigten Polyestern und Polyurethanen oder aus Mischungen dieser Harze.
Als schmelzbare duroplastische Kunststoffpartikel in einem vorgehärteten Zustand können ferner Pulverlacke oder Pulverlackabfälle eingesetzt werden.
Die zur Verstärkung eingesetzten Bindemittel sind zweckmäßigerweise Produkte auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harz, Melamin-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz oder Mischkondensate dieser Harze oder Isocyanat-Klebstoffe oder Mischungen dieser Bindemittel.
Der Masseanteil der zur Verstärkung eingesetzten duroplastischen Bindemittel sollte 1 bis 20 %, besonders bevorzugt 4 bis 15 % betragen. Der Masseanteil der nicht schmelzbaren Partikel sollte 20 bis 80 %, vorzugsweise 40 bis 80 % betragen. Ferner kann der erfindungsgemäße Kombinationswerkstoff Additive zur Verbesserung der Fließeigenschaften und/oder Hydrophobierung, der Brandhemmung, der biociden Eigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit und Beschleunigung des Vernetzungsprozesses enthalten.
Vorzugsweise ist der Werkstoff im Pressverfahren hergestellt, ggf. im Extrusionsverfahren.
Der erfindungsgemäße Kombinationswerkstoff weist verbesserte Eigenschaften auf. Von besonderer Bedeutung ist die verringerte Hygroskopie der erfindungsgemäßen Werkstoffe, die Holzfasern oder Holzspäne enthalten.
Nach Maßgabe der Erfindung ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kombinationswerkstoffes vorgesehen, bei dem die nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikel getrocknet, mit den zur Verstärkung eingesetzten thermisch vernetzenden Bindemitteln und den schmelzbaren thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln gemischt und anschließend in einer Presse erwärmt und verdichtet werden, wobei die Presstemperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffpartikel und oberhalb der Schmelz- und Reaktionstemperatur der thermohärtenden Bindemittel liegt und die Pressdauer mindestens so lang wie die Vernetzungsdauer der Bindemittel ist.
Zweckmäßigerweise werden die Polyolefine vor dem Einmischen zu Körnungen, Pulvern, Flakes, Schnipseln oder Agglomeraten zerkleinert.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden vorzerkleinerte, lignocelluloshaltige Ausgangsmaterialien mit den thermoplastischen Kunststoffen gemeinsam zerfasert.
Die Zugabe der thermoplastischen Kunststoffe kann vor und/oder während der Zerfaserung in einem Refiner erfolgen.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann als Platten oder als gepresste oder extrudierte Formteile im Innen- und Außenbereich verwendet werden. Insbesondere kann er als tragende und aussteifende Elemente, Schall- und/oder Wärmedämmelemente, Fußbodenelemente, Fassadenelemente, Decken- und Wandverkleidungen, Türen und Fenster und Gartenmöbel verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachstehend anhand von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein unter industrieüblichen Kochereinstellungen (Temperatur 175 °C, Verweilzeit 4 min) hergestellter Kiefernholzfaserstoff für MDF in Tiefträsqualität wird mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz mit einem Festharzanteil von 4 Masse-% sowie einem Zusatz von 1 Masse-% Paraffindispersion (Anteile jeweils bezogen auf atro Holzfasern) beleimt. Im Anschluss erfolgt eine homogene Vermischung der beleimten Holzfasern mit pulverförmigen Polyolefinen (Recyclingmaterial) mit einem Anteil von 150 Masse-%, bezogen auf atro Holzfasern. Nach der Trocknung in bekannter Weise folgen die Faservliesbildung, das Vorverdichten und das Verpressen mit Presszeitfaktoren von 15 s/mm sowie Presstemperaturen von 240 °C zu 4 mm dickem, ein schichtigem MDF. Vergleichend wurden auch Platten ohne Recyclingmaterial hergestellt. Nach Klimatisierung im Normalklima 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte wurden die folgenden, wesentlichen Materialkennwerte ermittelt:
Beispiel 2
Industrieanalog hergestellte Deckschichtspäne aus Kiefernholz werden nach Trocknung auf Feuchtegehalte von etwa 2 % mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz mit einem Festharzanteil von 4 Masse-% sowie einem Zusatz von 1 Masse-% Paraffindispersion (Anteile jeweils bezogen auf atro Holzspäne) beleimt. Danach erfolgt eine homogene Vermischung der beleimten Späne mit pulverförmigen Polyolefinen (Recyclingmaterial) mit einem Anteil von 150 Masse-%, bezogen auf atro Holzspäne. Im Anschluss an die Vliesbildung und Vorverdichtung werden die Spanmatten, die eine sehr gute Kaltklebrigkeit aufweisen, mit Presszeitfaktoren von 15 s/mm sowie Presstemperaturen von 240 °C zu 4 mm dicken, einschichtigen Feinspanplatten verpresst. Zum Vergleich wurden auch Platten ohne Polyolefin-Zusatz hergestellt. Nach Klimatisierung im Normalklima 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte wurden die folgenden, wesentlichen Materialkennwerte ermittelt:

Claims

Kombinationswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff aus einer Mischung von nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikeln und schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausgehärteten Zustand unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino- und/oder Phenoplastharzen und/oder Isocyanat-Klebstoffe enthält.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht schmelzbare Partikel organische Fasern eingesetzt sind.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht schmelzbare Partikel Holzfasern oder Holzspäne und/oder Kohlenstoff- oder Glasfasern eingesetzt sind
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht schmelzbare Partikel anorganische Fasern wie Mineralfasern und/oder Metallfäden eingesetzt sind. 5 Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikel aus pulverförmigen oder körnigen Polyolefinen bestehen.
Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Polyolefine Polyethylen, Polyethylentherephthalat, Polypropylen, Polystyrol, Polyamide, Polycarbonate, Polyvinylchlorid, Acryl- und Methacrylpolymerisate, ABS oder äquivalente Copolymerisate sind.
Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen oder körnigen Polyolefine zerkleinertes Recyclingmaterial sind.
Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zerkleinerte Recyclingmaterial einen Reinheitsgrad von mindestens 65 % hat.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzbaren duroplastischen Kunststoffpartikel aus thermisch aushärtenden pulverförmigen oder körnigen Harzen wie Acrylate, Epoxidharzen, gesättigten Polyestern und Polyurethanen oder aus Mischungen dieser Harze bestehen.
Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als schmelzbare duroplastische Kunststoffpartikel in einem vorausgehärteten Zustand Pulverlacke oder Pulverlackabfälle eingesetzt sind.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verstärkung eingesetzten Bindemittel Produkte auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harz, Melamin-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz oder Mischkondensate dieser Harze oder Isocyanat-Klebstoffe oder Mischungen dieser Bindemittel sind.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil der zur Verstärkung eingesetzten duroplastischen Bindemittel 1 bis 20 % beträgt.
Werkstoff nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil der nicht schmelzbaren Partikel 20 bis 80 % beträgt.
Werkstoff nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er Additive zur Verbesserung der Fließeigenschaften und/oder Hydrophobierung, der Brandhemmung, der biociden Eigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit und Beschleunigung des Vernetzungsprozesses enthält.
Werkstoff nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er im Extrusionsverfahren hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikel getrocknet, mit den zur Verstärkung eingesetzten thermisch vernetzenden Bindemitteln und den schmelzbaren thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln gemischt und anschließend in einer Presse erwärmt und verdichtet werden, wobei die Presstemperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffpartikel und oberhalb der Schmelz- und Reaktionstemperatur der thermohärtenden Bindemittel liegt und die Pressdauer mindestens so lang wie die Vernetzungsdauer der Bindemittel ist,
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyolefine vor dem Einmischen zu Körnungen, Pulver, Flakes, Schnipsel oder Agglomeraten zerkleinert werden.
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass vorzerkleinerte, lignocelluloshaltige Ausgangsmaterialien mit den thermoplastischen Kunststoffen gemeinsam zerfasert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der thermoplastischen Kunststoffe vor und/oder während der Zerfaserung in einem Refiner erfolgt.
Werkstoff nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er als Platten oder als gepresste oder extrudierte Formteile im Innen- und Außenbereich verwendet wird.
Werkstoff nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er als tragende und aussteifende Elemente, Schall- und/oder Wärmedämmelemente, Fußbodenelemente, Fassadenelemente, Decken- und Wandverkleidungen, Türen und Fenster und Gartenmöbel verwendet wird.