-
Verfahren zur Herstellung von schwerentflammbaren Spanplatten In der
Literatur sind zahlreiche Flammschutzchemikalien beschrieben, die ganz allgemein
für die Flammschutzbehandlung von zellulosischen und lignozellulosischen Materialien
brauchbar sind. Unter diesen Chemikalien sind vielleicht am besten bekannt Borsäure,
Natriumtetraborat, Ammoniumsulfat, Ammoniumsulfamat, Ammoniumphosphat, Zinkchlorid
oder ihre Kombinationen.
-
So ist beispielsweise bereits ein Verfahren zur Herstellung schwerentflammbarer
Holzspanplatten bekannt. Als Flammschutzmittel kommt dabei Borsäure zur Anwendung,
die den Holzspänen nach deren Trocknung vor oder nach der Beleimung in Granulat
oder Pulverform in Mengen von 3 bis 15 01o zugesetzt wird.
-
Ferner ist die Verwendung von Borsäure in Mengen zwischen 5 und 30
Gewichtsprozent als Flammschutzmittel zur Herstellung nicht entflammbarer Holzspanplatten
bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird pulverisierte Borsäure mit flüssigem Kunstharz
vermischt und dann Wasser zugesetzt. Die so erhaltene Suspension wird hierauf mit
Holzspänen vermischt und der entstandene Brei zu Platten verarbeitet.
-
Keine der Chemikalien, die üblicherweise dazu benutzt werden, lignozellulosische
Materialien schwerentflammbar zu machen, sind für einen Einsatz bei der Herstellung
von Spanplatten völlig befriedigend, da bisher keine mit dem Herstellungsverfahren
von Spanplatten vereinbarende Möglichkeit zur Anwendung dieser Chemikalien gefunden
worden ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auf
die Holzspäne eine mit einer anorganischen Säure angesäuerte Lösung eines Alkali-oder
Erdalkaliborats aufgebracht wird.
-
Dieses Verfahren gestattet es, die Flammschutzbehandlung zu einem
integralen Bestandteil des Herstellungsverfahrens der Spanplatten zu machen. Das
Alkaliborat kann dabei ganz oder teilweise durch Erdalkaliborate ersetzt werden.
-
Gegenüber dem genannten Stand der Technik bietet das erfindungsgemäße
Verfahren bedeutende Vorteile.
-
Die Verwendung von Boraten an Stelle von Borsäure bringt eine erhebliche
Senkung der Herstellungskosten mit sich, da ja Borsäure bekanntlich erst aus Boraten
auf chemischem Weg hergestellt werden muß. Das entscheidende Merkmal des Verfahrens
ist jedoch die Tatsache, daß die Holzspäne nicht mit fester Borsäure, sondern mit
einer wäßrigen, mit einer anorganischen Säure angesäuerten Lösung eines Alkali-
und/oder Erdalkaliborats vermischt werden. Dieses Verfahren bringt eine einfachere
und wirksamere Durchmischung von Flammschutzmaterial und Holzspänen mit sich, so
daß die so hergestellten Spanplatten merklich verbesserte Flammschutzeigenschaften
haben.
-
Die zur Herstellung schwerentfiammbarer Spanplatten gemäß der Erfindung
angewendeten Verfahren werden in den nachstehenden Beispielen erläutert. In diesen
Versuchen wurden Labor-Spanplatten aus Holzspänen hergestellt, die mit Hilfe eines
mechanischen Zerkleinerungsgerätes aus Espen-Pappel-Holzstücken erhalten wurden.
Die Späne hatten einen Feuchtigkeitsgehalt von 5°/0.
-
Das zur Herstellung der Platten verwendete Kunstharz gehörte zum
Harnstoff-Formaldehyd-Typ und enthielt 600/o Harzfeststoffe. Das Harz wurde in einer
Menge von 70/, Feststoffen verwendet, bezogen auf das Gewicht der fertigen Platten.
Der benutzte Katalysator war Ammoniumhydroxyd, Ammoniumsulfat und Wasser in einem
Gewichtsverhältnis 4: 2: 4. Zusammen mit dem Kunstharzbinder wurde geschmolzenes
Wachs in einer Menge von 20/o des Plattengewichtes eingesetzt.
-
Die Flammschutzeigenschaften der gemäß den nachfolgenden Beispielen
hergestellten Spanplatten wurden abgeschätzt, indem die Platten einer modifizierten
Version des Schlyter-Testes unterworfen wurden, wobei wie folgt verfahren wurde:
Zwei
Probetafeln (23 x 76 cm) wurden in einem Metallrahmen senkrecht angeordnet, wobei
die zu untersuchenden Oberflächen parallel gehalten und einander zugekehrt wurden.
Der Abstand zwischen den beiden Oberflächen war 51 mm, und die untere Kante einer
Platte wurde zur Erzielung eines guten Zuges 102 mm oberhalb der unteren Kante der
anderen Platte angeordnet. Ein Bunsenbrenner, der mit einer Schlitzdüse versehen
und an eine Propangasleitung angeschlossen war, wurde zum Entflammen benutzt. Der
Brenner wurde so eingestellt, daß er eine gelbe Flamme ergab, und die Gaszufuhr
wurde auf etwa 56,6 1 pro Stunde reguliert. Die Enffiammperiode war 10 Minuten.
-
Die Höhe der Flamme auf den Testtafeln wurde während der Entflammperiode
in Abständen von einer Minute aufgezeichnet. Die Flammenausbreitung (das Kriterium
des Flammschutzes) wurde als Unterschied zwischen der tatsächlichen maximalen Flammenhöhe
und einer Standard-Flammenhöhe bestimmt. Die Standard-Flammenhöhe wurde erhalten,
indem der Test unter Verwendung zweier Asbesttafeln an Stelle der untersuchten Platten
durchgeführt wurde.
-
Beispiel 1 Ein Ansatz von 3320 g Espen-Pappel-Holzspänen wurde in
einen mechanischen Mischer eingebracht.
-
Eine wäßrige Lösung, die 65 g Salzsäure und 255 g Natriumtetraborat
(beides auf wasserfreier Basis) in 1190 g Wasser enthielt, wurde bei einer Temperatur
von 7S"C auf die Späne gesprüht. Die Flammschutzmischung hatte das Molverhältnis
(Mol Salzsäure zu Mol Natriumtetraborat) von 1,3, und die Lösung hatte einen pH-Wert
von 5,8, bei einer Temperatur von 75°C gemessen. Die nassen Späne wurden auf einen
Feuchtigkeitsgehalt von 5% getrocknet, und zwar bei etwa 121°C in einem Trockkner
mit Luftumwälzung. Die trockenen Späne wurden dann mit 468 g des flüssigen Kunstharzes
sowie mit 26,5 g Katalysator und 80 g geschmolzenem Wachs besprüht Eine Platte (56
x 61 X 2 cm) wurde aus diesem Material durch Pressen in einer dampfbeheizten hydraulischen
Presse hergestellt. Die Temperatur der Presse betrug 149°C und der anfängliche Druck
21 kp je Quadratzentimeter; er wurde zu einem bestimmten Zeitpunkt des Pressens
auf etwa 8 kp je Quadratzentimeter verringert. Die gesamte Preßzeit war
71/2 Minuten.
Die fertiggestellten Platten wurden dann zwecks Untersuchung bei 50% relativer Feuchtigkeit
und einer Temperatur von 23°C konditioniert.
-
Beispiel 2 Ein Ansatz von 3160 g Holzspänen wurde nach der oben erläuterten
Methode mit 2000 g eines Flammschutzmittels behandelt, das 164 g wasserfreie Phosphorsäure
und 276 g wasserfreies Natriumtetraborat enthielt. Das Flammschutzmittel hatte ein
Molverhältnis (Phosphorsäure zu Natriumtetraborat) von 1,2, und die Lösung hatte
einen pH-Wert von 5,8, bei einer Temperatur von 75°C gemessen. Die behandelten Späne
wurden nach den im Beispiel 1 angegebenen Verfahrensstufen weiterbehandelt.
-
Beispiel 3 Ein Ansatz von 3160 g Holzspänen wurde nach dem Verfahren
vom Beispiell mit 1830g eines Flammschutzmittels behandelt, das 152 g Salpetersäure
und 288 g Natriumtetraborat auf wasserfreier Basis enthielt. Das Flammschutzmittel
hatte ein Molverhältnis (Salpetersäure zu Natriumtetraborat) von 1,7, und die Lösung
hatte einen pH-Wert von 6,3, gemessen bei einer Temperatur von 75"C. Die Späne wurden
nach den im Beispiel 1 angegebenen Verfahrensstufen weiterbehandelt, mit der Ausnahme,
das aus dem Material Platten von 8 mm Dicke hergestellt und die Preßzeit auf 3112
Minuten verkürzt wurde, eine Zeit, die gewöhnlich zum Pressen von Platten dieser
Dicke angewandt wird.
-
Beispiel 4 Ein Ansatz von 3120 g Spänen wurde nach dem Verfahren
vom Beispiel 1 mit 1460 g eines Flammschutzmittels behandelt, das 150 g Salzsäure
und 330 g Natriummetaborat, beides auf wasserfreier Basis, enthielt.
-
Das Flammschutzmittel hatte ein Molverhältnis (Salzsäure zu Natriummetaborat)
von 1,6, und die Lösung hatte bei 75°C einen pH-Wert von 5,8. Die Späne wurden nach
den im Beispiel 1 angegebenen Verfahrensstufen weiterbehandelt.
-
Die bei der Abschätzung der Flammschutzeigenschaften der Spanplatten
erhaltenen Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen II und m zusammengefaßt.
-
Tabelle I
| Menge de |
| Behandlungsbedingungen |
| Flammschutz- |
| Flammen- Dicke der Senkrechte |
| Ver- mittels in |
| Mol- Konzen- ausbreitung Platte Zugfestigkeit |
| Mittel pH der |
| suchs- der Platte |
| Verhältnis*) tratin**) |
| Lösung bei |
| Säure zu g/100 g (Gewichts- |
| der Zugabe |
| alkaliborat Lösung prozent) (cm) (mm) (kp/cm2) |
| 1 unbehandelte Platte - - - - 127 19 7,3 |
| 2 ubehandelte Platte - - - - - 8 8,5 |
| 3 HCl - Na2B4O7 1,3 12 5,8 7 22,9 19 6,6 |
| 3 HCl - Na2B4O7 1,3 21 5,8 8 40,6 19 6,9 |
| 4 HCl - Na2B4O7 1,0 21 6,8 11 20,3 19 8,2 |
| 5 H3PO4-Na2B4O7 1,2 22 5,8 11 33,0 19 6,5 |
| 6 HNG3 - Na2B4O7 1,7 24 6,3 11 38,1 8 9,3 |
| 7 HCl - NaBO2 2 1,8 21 5,8 8 40,6 19 7,1 |
| 8 HCl - NaBO2 2 1,6 33 5,8 12 25,4 19 8,1 |
*) Die Moverhältnisse sind auf die nächste erste Dezimalstelle abgerundet.
-
**) Die Lösungskonzentration und die Mengen an Flammschutzmittel in
der Plate ins auf die nchste ganze Zhal angerundet.
-
Tabelle 11
| Menge an |
| Behandlungsbedingungen |
| Ver- mittel in der |
| ausbreitung |
| Verhältnis pH-Wert Platte |
| suchs- Mittel Konzentration |
| der Lösung |
| Nr. HCl g/100 g Lösung Gewichts- |
| jei bei der Zugabe prozent (cm> |
| 1 unbehandelt - - - nichts 127* |
| 9 HCl-Na2B4O7 1,7 13 5,8 4 61,0 |
| 10 HCl-Na2B4O7 1,4 22 5,8 4 83,8 |
| 11 HCl-Na2B4O7 1,2 32 5,8 4 96,5 |
| 12 HClNa2B407 1,7 13 5,8 8 30,5 |
| 13 HCl-Na2B4O7 1,3 12 6,8 8 27,9 |
| 14 HCl-Na2B4O7 1,4 22 5,8 8 40,6 |
| 15 HCl-Na2B4O7 1,3 21 6,3 7 35,6 |
| 16 HCl-Na2B4O7 1,2 32 5,8 8 71,1 |
| 17 HCl-Na2B4O7 1,3 31 5,3 8 76,2 |
| 18 HCl - Na2B407 1,3 22 5,8 11 20,3 |
| 19 HCl-Na2B4O7 1,3 31 5,3 11 38,1 |
*) Die unbehandelte Spanplatte wurde nur 5 Minuten an Stelle der sonst angewandten
10 Minuten entflammt, da das Feuer nicht mehr unter Kontrolle gehalten werden konnte,
nachdem die Platte solange der Flamme ausgesetzt war.
-
Tabelle III
| Konzen- Konzen- Wert Eigenschaften der Platten |
| Nr säure g/100 g bei der Falmmen- Dicke der Festrigkeit |
| Lösung Zugabe schutz**) Platte (mm) (kpcm2)***) |
| 20 HCl-Na2B4O7 0,9 31 6,8 gut 19 4,0 |
| 21 HCl-Na2B4O7 1,07 31 6,3 gut 19 6,9 |
| 22 HCl - Na2B407 1,19 21 6,3 gut 19 7,4 |
| 23 HCl - Na2B4O7 1,28 12 6,8 gut 19 7,1 |
| 24 HCl-Na2B4O7 1,31 31 5,3 gut 19 7,8 |
| 25 HCl - Na2B4O7 1,31 21 5,8 gut 19 7,1 |
| 26 HCl-Na2B4O7 1,44 12 6,3 gut 19 6,0 |
| 27 HCl - Na2B4O7 1,47 21 5,3 gut 19 5,8 |
| 28 HCl-Na2B4O7 1,7 12 5,3 gut 19 4,8 |
| 29 H3P04 - Na2B4O7 0,14 24 8,3 sehr schlecht 11 2,4 |
| 30 H3PO4 - Na2B4O7 0,44 25 7,0 sehr schlecht 11 5,0 |
| 31 H3PO4 - Na2B4O7 0,80 26 6,1 gut 11 8,1 |
| 32 H3PO4-Na2B4O7 1,00 26 3,6 gut 11 7,7 |
| 33 H3P04 - Na2B4O7 1,20 26 5,3 gut 11 6,0 |
| 34 H3PO4 - Na2B4O7 1,48 26 4,7 gut 11 5,6 |
| 35 H3PO4-Na2B4O7 2,50 28 2,8 gut 11 4,6 |
| 36 HCl(NaBO2) 2 1,48 33 6,8 ziemlich gut 19 6,0 |
| 37 HCl-(NaBO2) 2 1,55 33 6,3 ziemlich gut 19 8,2 |
| 38 HCl(NaBO2) 2 1,55 23 6,8 gut 19 8,1 |
| 39 HCl(NaBO2) 2 1,65 23 6,3 gut 19 7,5 |
| 40 HCl(NaBO2) 2 1,80 23 5,4 gut 19 6,1 |
| 41 HCl(NaBO2) 2 1,98 13 5,8 gut 19 5,2 |
*) Die Konzentration ist auf die nächste ganze Zahl abgerundet.
-
**) Klassifikation der Flammschutzeigenschaften: Gut: Schlyter-Elammenausbreitung
152 bis 381 mm in 10 Minuten; ziemlich gut: Schlyter-Flammenausbreitung 406 bis
635 mm in 10 Minuten; sehr schlecht: Schlyter-Flammenausbreitung über635mm innerhalb
5 Minuten.
-
***) Die Werte der Zugfestigkeit beziehen sich auf eine Platte mit
einem spezifischen Gewicht von 0,63.
-
Die in den Tabelle, II und III ausgeführten Ergebnisse werden im
nachstehenden besonders diskutiert.
-
Tabelle I Die Angaben dieser Tabelle zeigen klar, daß das chemische
System eines mit einer anorganischen Säure
angesäuerten Alkaliborats ein sehr wirksames
Mittel ist, um einer Spanplatte Flammschutzfestigkeit zu verleihen. Man ersieht
aus der Tabelle, daß die unbehanndelte Platte eine Flammenausbreitung von über 127
mm hatte, während die behandelten Platten viel niedrigere Werte zeigten. Die Tabelle
gibt Werte für vier Systeme
an, nämlich Salzsäure - Natriumtetraborat,
Phosphorsäure - Natriumtetraborat, Salpetersäure - Natriumtetraborat und Salzsäure-
Netriummetaborat, also sämtlich Systeme, die sich allgemein als mit anorganischen
Säuren angesäuerte Alkaliborate klassifizieren lassen. In die Tabelle sind weite
Veränderungen in Nebenbedingungen aufgenommen worden, um die allgemeine Flexibilität
des chemischen Systems zu zeigen, beispielsweise hinsichtlich der chemischen Gesamtkonzentration
(die zwischen 12 und 33 °/0 verändert wurde) und dem Molverhältnis zwischen Säure
und Alkaliborat (das zwischen 1,3 und 1,7 verändert wurde) sowie der tatsächlichen
Menge an Flammschutzchemikalien, die von der fertigen Platte zurückgehalten waren
(im Bereich von 7 bis 120/o).
-
Tabelle II Die Daten von Tabelle II zeigen ein umgekehrtes Verhältnis
zwischen der Konzentration der Lösung des angesäuerten Alkaliborates, dort durch
Salzsäure-Natriumtetraborat dargestellt, und den Werten der Flammenausbreitung.
Die Daten wurden in drei Grup pen angeordnet; einer ersten Gruppe mit 401, Flammschutzchemikalien
in der fertigen Platte, einer zweiten mit 801o und einer dritten Gruppe mit 110/o.
-
Man kann sehen, daß die Flammschutzeigenschaften der fertigen Platte
sich bei jeder einzelnen Zugabemenge umgekehrt zu der Konzentration der Lösung der
Flammschutzchemikalien verhalten. Vorzugsweise soll sie Lösungskonzentration unter
400/o und am besten im Bereich zwischen 6 und 25°/o liegen.
-
Besonders wichtig und wertvoll ist, daß eine Konzentrationshöhe existiert,
die der fertigen Platte ausgezeichnete Eigenschaften verleiht, ohne an das Gesamtverfahren
der Spanplattenherstellung irgendwelche unerwünschten Anforderungen zu stellen.
-
Tabelle III Die Beispiele in dieser Tabelle zeigen den Zusammenhang
zwischen dem Molverhältnis von Säure und Alkaliborat und den physikalischen Festigkeitseigenschaften
der flammgeschützten Spanplatte. Zur Veranschaulichung der Festigkeitseigenschaften
wurde die Zugfestigkeit herangezogen.
-
Tabelle III zeigt, daß ein sehr definierter hoher Spitzenwert in
der Zugfestigkeit bei einem Molverhältnis erscheint, das für jedes einzelne Säure-Borat-System
charakteristisch ist. Dieses Maximum liegt bei einem Salzsäure-Natriumtetraborat-Molverhältnis
von 1,0 bis 1,5, bei einem Salzsäure-Natriummetaborat-Molverhältnis von 1,6 bis
1,8 und bei einem Phosphorsäure-Natriumtetraborat-Molverhältnis von 0,8 bis 1,2.
Außerhalb dieser Bereiche von Säure-Natrium-
borat-Molverhältnissen fällt die Zugfestigkeit
der flammgeschützten Spanplatten unter die annehmbare Norm.
-
Es sei bemerkt, daß das Molverhältnis und die Lösungskonzentration
den pH-Wert der Lösung bestimmen.