DE1642188C3 - Verfahren zur Herstellung kunststoffimprägnierten Holzes - Google Patents
Verfahren zur Herstellung kunststoffimprägnierten HolzesInfo
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Description
bestrahlt, wobei das Holz etwa 25 °/o Kunststoff seines In den USA hat man bereits die versuchsweise
Trockengewichtes aufnimmt. Damit kann das Auf- Produktion kunststoffbehandelten Holzes unter Verquellen
des Holzes um etwa 4O°/o herabgesetzt wer- wendung von MMA trotz der Tatsache aufgenomden
(3 Tage im Wasserbad). men, daß das Erzeugnis teuer ist und daß PMMA
Seitdem befaßt man sich in vielen Ländern einge- 55 in vielen organischen Lösungsmitteln (CCl4, CHCl3,
hend mit dem Problem, für die Kunststofftränkung Trichloräthylen) löslich und somit z. B. für die Hervon
Holz Vinylmonomere zu verwenden. Es sind bis- stellung von Werkzeugteilen· ungeeignet ist.
her zu diesem Fragenkompler etwa 30 Veröffent- Ferner ist aus der US-PS 30 29 159 ein Verfahren
lichungen erschienen. Die einschlägigen Abhandlun- zur Herstellung kunststoffimprägnierten Holzes begen
sind von J. K. Miettinen in einem in der 60 kannt, bei dem trockenes Holz einem Vakuum ausZeitschrift
»Kemian Teollisuus« (23, 1966, S. 1084 gesetzt, in ein flüssiges Harzmaterial mit einem Gebis
1088) erschienenen Artikel sowie von J. K. halt an polymerisierbarem Polyester, Styrol und 0,1
Miettinen und T. A u t i ο in der Zeitschrift bis 2,0 Gewichtsprozent organischem Peroxid einge-
»Teknisk Forum« (19/1966) beschrieben worden und taucht und unter Normaldruck getränkt wird, wolassen
sich in zwei Gruppen einteilen: 65 nach man durch Erhitzen härtet. In der CH-PS
1. Untersuchungen, bei denen versucht wurde, in 4 65 192 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem
der Zellulose des Holzes Vernetzungen zustande zu Holz mit einer Mischung aus Styrol und einem olebrineen.
führten zu dem Ergebnis, daß nur bei Ver- finischen Monomeren getränkt und durch Einwirkung
energiereicher Strahlung ein Copolymerisat gebildet wird, wobei man als Strahlungsquelle eine Kobalt-60-Quelle
verwendet. Diese Verfahren haben jedoch noch nicht befriedigt, zumal keine Polymerisationsverzögerer
verwendet werden.
Innerhalb der letzten 2 Jahre wurden in den USA Verfahren entwickelt, bei denen Styrol und ungesättigte
Lacke und Farben auf Polyestergrundlage mittels Elektronenstrahlung gehärtet werden. Da diese
Stoffe keine Lösungsmittel enthalten, kann der Härtungsprozeß sogar innerhalb weniger Sekunden ablaufen.
Zum Beispiel beim Fließbandverfahren der Autoindustrie ist dies ein großer Vorteil, können
doch auf diese Weise die sonst recht beträchtlichen Lack-Trocknungsschäden völlig vermieden werden.
Über die Anwendung dieser Stoffe auf die Behandlung von Hob. finden sich in der Literatur keine Hinweise.
Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zur Herstellung kunststoffimprägnierten Holzes vorgesehen,
nach dem das trockene Holz einem Vakuum ausgesetzt, danach in ein flüssiges Harzmaterial mit einem
Gehalt an polymerisierbarem Polyester und Styrol oder Methylmethaciylat eingetaucht und unter Druck
in Gegenwart eines organischen Peroxids in einer Menge von 0,2 bis 2 Gewichtsprozent getränkt wird,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß .als Polymerisationsverzögerer «-Pinen in einer Menge
von weniger als 5°/o dem Harz während des Tränkprozesses zugemischt wird und daß das Harz bei
einer Temperatur von 40 bis 600C in an sich bekannter
Weise unter Anwendung von Elektronenstrahlung oder radioaktiver Strahlung ausgehärtet
wird.
Vorzugsweise werden flüssige Harzmaterialien mit 35 bis 95 % Polyester eingesetzt.
Bei der Elektronenstrahlung kann mit 1 bis 5 Mrad und bei der radioaktiven Strahlung mit 0,5 bis
1,5 Mrad gearbeitet werden.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß
die Gemische aus handelsüblichen Polyestern mit Styrol oder Methylmethacrylat gegenüber den anderen
Gemischen aus Monomeren viele Vorteile bieten. Die Polymeriiationswärme von handelsüblichem
Polyester (welcher 35 °/o Styrol enthält) liegt bei nur
330 bis 420kJ/kg, und für die Bestrahlung genügt eine Dosis von 0,2 bis 0,3 Mrad. Zwar ist er ais
solcher für die Tränkung von Holz zu viskos, setzt man ihm jedoch 25 bis !50% Styrol oder dessen Gemisch
mit MMA zu, so erhält man ein Monomerengemisch, dessen Viskosität das Tränken gut ermöglicht,
jedoch hoch genug liegt, um ein Fließen vom oder im Holz während der Polymerisierungsphase zu
verhindern.
Der entscheidende Punkt ist jedoch, daß der Polyester die für Styrol notwendige Strahlungsdosis
stark herabsetzt. Während reines Styrol 10 bis 15 Mrad erfordert, genügt bei einem Gemisch aus
handelsüblichem Polyester und 25 bis 50% Styrol eine Dosis von 0,5 bis 1,5 Mrad. Ein solches Gemisch
liefert ein äußerst festes Produkt, welches in bezug auf Festigkeit und Dimensionsstabilität durchaus mit
MMA-behandelteni HoIk verglichen werden kann, jedoch
diesem gegenüber noch den großen Vorteil hat, daß es nahezu unlöslich in organischen Lösungsmitteln
ist.
Nachstehend wird an Hand eines Beispiels die Fertigung kunststoffbehandelten Holzes ausführlich geschildert.
Die Schilderung fußt auf durchgeführten Versuchen, die jedoch nicht das gesamte mögliche
Anwendungsgebiet der Erfindung widerspiegeln.
Die Herstellung kunststoftbehandelten Holzes gescbieht
in drei Phasen: Vorbehandlung, Tränkung und Bestrahlung. Da das Produkt auf jeden Fall
ziemlich teuer ist (selbst bei industrieller Arbeitsweise
5- bis lOmal teurer als dieselbe Raumeinheit Holz),
empfiehlt es sich im allgemeinen, das Holz bereits
ίο vor dem Tränken so zuzuschneiden, daß es seiner
endgültigen Form bereits nahekommt.
Das ofentrockene Holz (Feuchtigkeitsgehalt 8 bis 10%) wird in einen Vakuumbehälter eingebracht.
Nachdem die Luft evakuiert ist (der Luftsauerstoff verhindert die Polymerisation), spült man 1 bis 2 mal
mit Stickstoff, leitet flüssiges Monomeres in den Behälter, bis alle Hölzer damit bedeckt sind, und stellt
Normaldruck oder einen Stickstoffdruck von 1 bis 8 atü her und läßt z. B. 1 bis 4 Stunden einwirken,
ao Unter Normaldruck füllen sich die Holzporen etwa zur Hälfte: Birke nimmt etwa 50% Kunststoff, Kiefer
etwa 70% ihres Trockengewichtes auf. Bei Überdruck nimmt Birke ungefähr 70 bis 100%, Kiefer
sogar 150% Monomere auf Basis Holztrockengewicht auf. Ist ein genügend hoher Sättigungsgrad erreicht,
wird das überflüssige Monomere in einen Tank abgelassen, das Holz schnell in Plastbeutel oder einen
Metallbehälter gebracht, dort unter Stickstoff gesetzt, hermetisch abgeschlossen und bestrahlt. Im Rahmen
der durchgeführten Versuche fand die Bestrahlung in dicht zugeschweißten Polyäthylenbeuteln oder Metallbehältern
und bei Zimmertemperatur statt. Zur Bestrahlung diente eine Gammazelle, die Dosierung betrug
etwa 40 bis 40 Krad/Std.
Ursprünglich enthält diese als Strahlungsquelle eine Kobalt-60 (10 000 Curie) enthaltende Platte von
etwa 15 X 30 cm2. Die Platte besteht aus einem Stahlrahmen
mit 24 radioaktiven Kobaltstäben. Methylmethacrylat benötigt eine Strahlungsdosis von etwa
1,2 Mrad, die es mit der genannten Einrichtung in etwa 20 bis 25 Stunden erhält. Dabei werden 96 bis
98% des Monomeren zu festem Kunststoff polymerisiert. Beim Eindringen der Gammastrahlen in das
Monomere entstehen sogenannte freie Radikale, welche den Polymerisationsprozeß in Gang bringen.
Am heftigsten verläuft die Reaktion etwa 4 bis 5 Stunden nach deren Beginn, wobei mit Methylmethacrylat
eine Temperaturspitze von etwa 80 bis 90° C
erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt sind jedoch erst ungefähr 80% des Monomeren polymerisiert. Aus
Methylmethacrylat bildet sich in den Holzporen ein klarer, harter und witterungsbeständiger Kunststoff.
Die von Kobalt-60 ausgesendete Gammastrahlung (Energie 1,17 bis 1,33 MeV) ist von außerordentlich
hoher Durchschlagkraft, so daß auch dicke Werkstücke bis in den Kern einer gleichmäßigen Strahlungsdosis
ausgesetzt sind. Das Werkstück ist dabei nach der halben Bestrahlungsdauer um 180° zu drehen
oder sonst in geeigneter Weise zu bewegen.
Die Eigenschaften kunststoftbehandelten Holzes:
Die Eigenschaften des Produktes sind in erster Linie von drei Faktoren abhängig: der Holzart, dem
Kunststoff und dem Tränkungsgrad. Es können nahezu alle Holzarten verwendet werden, Laubhöizer
sind jedoch im allgemeinen leichter zu tränken. Die amerikanischen Untersuchungen erstreckten sich auf
über 20 Holzarten. Dabei zeigte sich, daß die aller-
härtesten Hölzer, wie z.B. Teak, Jakaranda und Nußbaum, so wenig Monomere aufnehmen (etwa 15 bis
20% des Trockengewichtes), daß keine nennenswerte Verbesserung der Eigenschaften zu erreichen ist Die
besten Erfolge Beßsn sich im allgemeinen mit mittel- S
harten und harten Laubhöizcrn erzielen, wie z. E.
Birke, Esche, Eiche, Ahorr und Ulme. Für die erfindungsgemäßen Versuche fanden hauptsächlich Birke,
Espe, Kiefer und Fichte Verwendung. Die besten Resultate lieferte Birke, die schwächsten Fichte.
r».«e Art des Kunststoffes ist ein weiterer Faktor,
der für die Qualität des Enderzeugnisses von entscheidender Bedeutung ist. Die meistverwendeten Kunststoffe
sind einschließlich ihrer Polymerisationswärme in der Tabelle aufgeführt.
Die wichtigsten Monomeren für die Kunststoffbehandlung von Holz einschließlich deren Polymerisationswärme,
ao
Monomere oder Oligomere kJ/kg
Methylmethacrylat (MMA) 550
Vinylacetat (VA) 1000
Styrol (S) 710
Styrol-Acrylnitril-Gemisch a5
Styrol-Acrylnitril-Gemisch a5
(60 bis 40%) (60 S/40 A) 950
Acrylnitril (A) 1100
Vinylchlorid*) (VC) 1130
Polyester (PE) enthaltend 35% S) 330 bis 420
Polyester (PE) enthaltend 35% S) 330 bis 420
*) Bei Zimmertemperatur gasförmig (Sdp. —14° C).
Am besten ist bisher die Verwendungsmöglichkeit von MMA erforscht, als dessen Vorzüge leichte PoIymerisierbarkeit
mittels Gammastrahlen, geringe Warmeentwicklung,
ausgezeichnete Festigkeit und Witterungsbeständigkeit und ein ansprechendes Äußeres
zu nennen sind. Als Nachteile sind die Lösbarkeit in technischen Lösungsmitteln (unter anderem CCl4,
CHCl3) und der hohe Preis zu werten, außerdem leichtes Erweichen bei Wärmeeinwirkung. Acrylkunststoffe
sind im allgemeinen fest, formhaltend, klar und witterungsbeständig. Die Vorzüge der Vinylkunststoffe
sind dagegen unter anderem deren Biegsamkeit, chemische Stabilität und geringe Feuchtigkeitsaufnahme.
Styrolgemische liefern zähe, in hohem Grade wärmebeständige Kunststoffe mit guten elektrischen
Eigenschaften. Vinylkunststoffe haben eine hohe Polymerisationswänme; Styrol ist außerdem in
reinerForm nur schwer durch Gammastrahlen zu polymerisieren. Das Styrol/Acrylnitril-Gemisch 60% S/
40% A liefert ein festes und hartes Erzeugnis mit hohem Erweichungspunkt und geringer Wasserabsorption.
Versuche ergaben gute Ergebnisse für Polyester- und Styrolgemische. Der beträchtlichste Nachteil
der Polyester liegt in ihrer hohen Viskosität (gewöhnlich 5 bis 20 Poise). Dagegen lassen sie sich
außerordentlich leicht mittels Gammastrahlen polymerisieren und liefern ein Produkt von vorzüglicher
Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln.
Außerdem sind sie billig. Es konnte festgestellt werden, daß eine Zugabe von etwa 40 bis 50%
Moihylmethacrylat oder Styrol die Viskosität der Polyester in einem Maße herabsetzt, daß sich derartige
Gemische dann zum Imprägnieren von Holz eignen. Styrolgemiscbe polymerisieren relativ leicht;
bei einem Gehalt von 25 bis 50% Styrol reicht eine Dosis von etwa 0,5 bis 1,5 Mrad zum Erreichen einer
98- bis 100%igen Polymerisation aus. Die Versuche lieferten gute Stabilitätszunahmen. In deu USA wurden
mit Vinylchlorid vielversprechende Erfolge erzielt, allerdings ist das Arbeiten mit diesem Stoff
ziemlich umständlich, da es sich bei Zimmertemperatur in gasförmigem Zustand befindet (Sdp. —14° C).
Nachteilig wirken sich auch die hohe Polymerisationswärme und der Umstand aus, daß sich das Polymere
im flüssigen Monomeren niederschlägt. Das Mischen mit MMA ist möglich.
Der dritte Faktor von entscheidendem Einfluß auf die Qualität des Produktes ist der Kunststoffgehalt.
Es scheint, daß mindestens 30 bis 40% Kunststoff (auf Basis des Holzgewichts) ins Holz zu bringen
sind; das Optimum dürfte bei etwa 100% auf Basis des Holz-Trockengewichts liegen (= 50% vom Gewicht
des Endproduktes). Die etwa gleichgroße Menge nimmt z. B. auch Birke bei langanhaltender Behandlung
unter Normaldruck auf (Voraussetzung ist eine gründliche Evakuierung). Steigt der Kunststoffgehalt
über 100%, so ist keine nennenswerte Stabilitätszu nähme mehr zu verzeichnen; lediglich Gewicht und
Monomerenverbrauch steigen an.
Die Verwendung von Strahlung bei der Herstellung kunststoffbehandelten Holzes gestaltet sich einfach
und leicht. Sie ist ein absolut sicherer Katalysator, der auch die stärksten Balken gleichmäßig durchdringt
und eine homogenere Qualität garantiert, als sich allgemein mit chemischen Katalysatoren erzielen
läßt. Das Monomere braucht nicht von seinem Inhibitor befreit zu werden. Da der Preis des Monomeren
z. B. bei Verwendung von Methylmethacrylat ungefähr die Hälfte der gesamten Produktionskosten
ausmacht, kommt diesem natürlich eine große wirtschaftliche Bedeutung zu. Die Strahlung katalysiert
die Reaktion bereits bei Zimmertemperatur — im Bedarfsfall auch bei noch niedrigeren Temperaturen
— und die Reaktionsgeschwindigkeit läßt sich beliebig durch die Intensität der Strahlung, die Temperatur,
besondere Strahlungskatalysenbeschleuniger und Hemmstoffe regulieren. Durch einen geeigneten
Verzögerungsstoff (z. B. Pinen oder Dipenten) soll die Temperaturspitze unter 130° C gehalten werden,
da bei dieser Temperatur das Holz zu dunkeln und die Qualität des Produktes nachzulassen beginnt.
Ideal könnte ein Verfahren sein, bei dem eine kleine Menge Peroxid sowie Terpen, Abietinsäure oder ein
ähnliches preiswertes prophbares Nebenprodukt der Holzveredelungsindustrie zur Dämpfung eines zu
stürmischen Verlaufes der chemischen Reaktion verwendet wird und bei dem die Reaktion bei Zimmertemperatur
mittels Bestrahlung nur in Gang gesetzt wird, das Produkt jedoch dann im Lager — bedarfsfalls
unter Erwärmung in der Endphase — zur »Reife« gebracht wird. Man benötigt dazu lediglich
eine recht bescheidene Strahlungsquelle, vor allem wenn noch ein Beschleuniger der Strahlungswirkung
verwendet wird, hat aber doch den Vorteil zur Verfügung, die Reaktionsgeschwindigkeit regulieren zu
können. Zum Beispiel bewirken 10% CCl4 (Tetrachlorkohlenstoff)
im Styrol bereits ein Sinken der benötigten Strahlungsdosis auf die Hl
Claims (1)
16 42 183
Z
«
wendung hydroxylhaltiger Lösuagsmitel, wie z.B.
Patentanspruch: einem Gamisch aus Methanol und einem Monome
ren, ein Teil des Monomeren (Styrol) vom Holz äui-
Verfahren zur Herstellung kunststofSmprä- genommen wird. Hod gins (Kemian Teollisuus 23,
gnierten Holzes, nach dem das trockne Hölzernem s 1966, S. 1084 bis 1088, Hinweis 5) hat festgestellt,
Vakuum ausgesetzt, danach in ein flüssiges Harz- daß dabei das Aufquellen des Holzes dessen Festigmaterial
mit einem Gebalt an polymerisierbarem keit in stärkerem Umfange herabsetzt als die Bildung
Polyester und Styrol oder Methylmethacrylat ein- von Vernetzungen diese zu steigern vermag. Es
getaucht und unter Druck in Gegenwart eines scheint denn auch, daß man allgemein von der Veroiganischen
Peroxids in einer Menge von 0,2 bis io wendung aufquellend wirkender Stoffe abgekom-2
Gewichtsprozent getränkt wird, dadurch ge- men ist.
kennzeichnet, daß als Polymerisationsver- 2. In erster Linie die Untersuchungen von LA.
zögerer a-Pinen in einer Menge von weniger als Kent, der relativ trockenes Holz (Feuchtigkeit
5 «/ο dem Harz während des Tränkprozesses züge- unter lO°/o) mit einem trockenem Monomeren, bemischt
wird und daß das Harz bei einer Tempe- i5 sonders mit Methylmethacrylat (MMA) imprägnierte,
ratux von 40 bis 60° C in an sich bekannter Weise welches bereits bei einer Dosis von 1,2 Mrad polyunter
Anwendung von Elektronenstrahlung oder merisiert. Das dabei entstehende Polymere dringt
radioaktiver Strahlung ausgehärtet wird. zwar nicht eigentlich ins Holz ein, füllt jedoch des
sen Poren aus und erhöht dadurch vor allem den ao Härtegrad und die Dimensionsstabilität des Holzes,
verbessert jedoch auch andere physikalische Eigenschaften. Die Arbeiten wurden von der USA-Atomenergiekommission
unterstützt und als sogenannte
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur offene Rapporte veröffentlicht. MMA bietet zwar den
Herstellung kunststoffimprägnierten bzw. -getränkten 25 Vorteil geringer Polymerisationswärme (550 kJ/kg),
Holzes unter Anwendung von Strahlungspolymerisa- leichter Polymerisierbarkeit durch Bestrahlung und
tion und soll dazu dienen, die Fertigung von kunst- Klarheit sowie Stabilität und Witterungsbeständigkeit
stoffgetränktem Holz sowohl technisch als auch öko- des entstehenden Polymeren, ist jedoch die teuerste
nomisch vorteilhafter zu gestalten, als dies nach bis- Verbindung unter den üblichen Vinylmonomeren.
her bekannten Verfahren möglich ist. 30 Im Rahmen der genannten Untersuchungen ver-
Schon seit Jahrzehnten werden — mit unterschied- wendete Kent neben MMA auch andere Vinyllichem
Erfolg — Versuche unternommen, die Eigen- und Acrylmonomere. Vinylacetat polymerisiert leicht
schäften des Holzes, vor allem die Stabilität und die (1 bis 1,2 Mrad), liefert jedoch kein besonders festes
Empfindlichkeit gegenüber feuchtigkeitsbedingten Ver- Produkt. Ein Gemisch aus Styrol und Acrylnitril
formungserscheinungen, in positiver Weise zu beein- 35 polymerisiert bereits bei etwa 2 Mrad; das Produkt
flüssen. In den dreißiger Jahren wurde versucht, ist stabil und witterungsbeständig, die Monomer-Phenol-Formaldehydharze
ins Holz einzutränken und mischung hat jedoch den Nachteil hoher Reaktionseinzupolymerisieren,
die erhaltenen Resultate waren wärme (1000 kJ/kg).
jedoch nicht gerade vielversprechend. Auch die Verwendung der zwei billigsten Vinyl-
Bekannt sind die US-PS 3077 417, 30 77 418, 40 monomeren, Vinylchlorid (VC) und Styrol (S), ist
30 77 419 und 30 77 420, welche sich auf die Erhö- mit besonderen schwerwiegenden Nachteilen verbunhung
der Dimensionsstabilität des Holzes durch das den. VC ist zwar billig, seine Reaktionswärme jedoch
Zustandebringen von Vernetzungen bzw. Kreuzver- hoch (1170kJ/kg). Außerdem ist es bei Zimmerbindungen
in demselben mittels eines Kunststoff- temperatur in gasförmigem Zustand (Sdp. —14° C),
polymerisates beziehen. Die erste der erwähnten Pa- 45 erfordert also teure druckbeständige Imprägnierungstentschriften
betrifft vor allem die Verwendung von anlagen. Der Verwendung von Styrol sind Grenzen
Acrylverbindungen, die letzte die Verwendung ver- gesetzt durch die hohe benötigte Strahlungsdosis
schiedener Epoxy-Derivate. Das Holz wird mit einer (über 10 Mrad), die hohe Polymerisationswärme
25°/oigen Lösung des Kunststoff monomeren in Methyl- (710 kJ/kg) und die geringe Beständigkeit des Proalkohol
imprägniert und mit einer Dosis von 10 Mrad 50 duktes gegenüber Tageslicht.
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