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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines vom Ansehen und der Haptik her holzähnlichen Werkstoffes bzw. Holzimitats mit geringem Gewicht.
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Die bekannten Kunststoffhölzer sind bzw. werden aus einer Mischung aus Holz und PE/PP (Polyethylen/Polypropylen) oder PVC (Polyvinylchlorid) hergestellt (sog. ”WPCs” = ”Wood Plastic Composites”). Diese Werkstoffe werden vorwiegend ohne eine abschließende Oberflächenbehandlung beispielsweise für die Herstellung von Bodendielen im Außenbereich verwendet. Die bekannten Kunststoffhölzer haben ein hohes Gewicht. Außerdem können sie nicht oder nur mit größerem Aufwand lackiert werden. Des weiteren haben sie den Nachteil, dass sie sich wegen des PE-Anteils sehr plastisch anfühlen. Aus diesen Gründen sind die bekannten Kunststoffhölzer für die Möbelherstellung kaum geeignet, schon gar nicht für Massiv-Möbel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen holzähnlichen Werkstoff mit geringem Gewicht vorzuschlagen, der die aufgezeigten Nachteile vermeidet, und der aus Gründen der Schonung der Umwelt, im besonderen des Waldes, primär den Einsatz von Holz grundsätzlich vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein durch Extrusion einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestelltes geschäumtes Holzimitat wie es in Anspruch 10 definiert ist.
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Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats enthält ein Gemisch aus 30–40 Gew.-% PVC-Harz (PVC = Polyvinylchlorid), 30–40 Gew.-% Pulver aus Reisschalen bzw. -hülsen und/oder Erdnuss-Schalen bzw. -hülsen mit einer Teilchengröße von 0,42–0,25 mm (40–60 mesh) und 1–2 Gew.-% mindestens eines Schaumbildners.
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Die Bezeichnung ”mesh” kennzeichnet die Maschenweite bei Sieben und dient damit als Maß für die Angabe von Partikel- bzw. Korngrößen. Je kleiner der mesh-Wert, desto größer ist die Teilchengröße des zu beschreibenden Schüttguts. Für die Umrechnung von mesh-Werten in Maschenweiten in mm gibt es Tabellen, beispielsweise vom US Bureau of Standards.
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Das verwendete PVC-Material unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Insbesondere kann auch PVC-Recyclingmaterial verwendet werden. Beispielsweise eignet sich eine PVC-Harz-Suspension mit einem K-Wert von 60–70. Unter dem K-Wert versteht man eine Zahl, die aus Messungen der Viskosität verdünnter Lösungen eines Polymers berechnet wird und ein Maß für den Polymerisationsgrad bzw. die Molekülgröße ist. Der K-Wert wird zur Harzspezifikation verwendet.
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Die verwendeten Reisschalen bzw. Erdnuss-Schalen unterliegen ebenfalls keinen besonderen Beschränkungen, insbesondere nicht in bezug auf bestimmte Reis- oder Ernuss-Sorten. Reissschalen ergeben bessere Ergebnisse und sind daher bevorzugt. Sie lassen sich sehr gut pulverisieren und optimal mit dem PVC-Harz vermischen. Außerdem enthalten sie weniger Lignin (nur etwa 5%) und bleichen daher unter Witterungseinfluss (Sonne, Regen) weniger oder garnicht aus.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats sind das PVC-Harz und das Reis- und/oder Erdnuss-Schalenpulver etwa im Verhältnis 50:50 gemischt. Die Mischungsreihenfolge ist dabei generell beliebig.
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Der verwendete Schaumbildner (auch als Schäumer, Treibmittel oder Blähmittel bezeichnet) unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Es können beliebige im Handel erhältliche Schaumbildner verwendet werden. Schaumbildner sind z. B. Tenside oder andere grenzflächenaktive Stoffe, die neben der Grenzflächenaktivität auch ein gewisses Filmbildungsvermögen besitzen und so die Bildung von Schaum in Flüssigkeiten durch Einblasen von Gas fördern. In anderen Fällen beruht die Schaumbildung auf chemischen Reaktionen, die unter Gasentwicklung ablaufen, beispielsweise bei der Polyurethan-Verschäumung oder der Zersetzung von Azo-Verbindungen. Beispielsweise eignen sich die unter dem Markennamen Tracel® von der Firma Tramaco GmbH in Pinneberg vertriebenen Treibmittel für die PVC-Extrusion. Die zuzusetzende Menge ergibt sich aus den Herstellerinstruktionen oder wird vom Fachmann durch einfache Routineversuche bestimmt. Je mehr Schaumbildner verwendet wird, desto leichter wird das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat. Es ist klar, das nicht zuviel Schaumbildner zugesetzt wird, so dass vermieden wird, das die mechanische Stabilität des geschäumten Holzimitats beeinträchtigt wird. Für die Erfindungszwecke eignen sich beispielsweise 1–2 Gew.-% Schaumbildner.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats ist/sind dem Gemisch aus PVC-Harz und/oder Reis- und/oder Erdnuss-Schalenpulver und mindestens einem Schaumbildner auch noch einer oder mehrere der folgenden Zusatzstoffe bzw. Additive beigemischt: chemische(r) Binder auf Thermoplastkunststoffbasis (z. B. Poly(meth)acrylat), Farbpigment(e) (z. B. Kreide, Titandioxid, Rußschwarz, rotes Eisenoxid, Ocker), Schmier- bzw. Gleitmittel (z. B. Fettsäuresalze wie Calciumstearat, Fettsäureester, Fettsäureamide, Paraffinwachse, Polyethylenwachse, mikrokristallines Parafin), Calciumcarbonat und PVC-Verarbeitungshilfsmittel (”processing aids”) (z. B. Wärme- und Witterungsstabilisatoren, Antioxidantien, Alterungsschutzmittel, Lichtstabilisatoren, Ultraviolettabsorber, Antistatikmittel). Die vorgenannten Zusatzstoffe sind im Fachhandel erhältlich. Die zusätzlichen Komponenten können gleichzeitig mit dem PVC-Harz und dem Reis- bzw. Erdnussschalenpulver und dem mindestens einen Schaumbildner oder auch in mehreren Stufen damit vermischt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats enthält ein Gemisch aus 30–40 Gew.-%, beispielsweise 31–37 Gew.-%, PVC-Harz, 30–40 Gew.-%, beispielsweise 33–36 Gew.-%, Reis- und/oder Erdnuss-Schalenpulver mit einer Teilchengröße von 0,42–0,25 mm (40–60 mesh), 1–2 Gew.-% Schaumbildner, 8–12 Gew.-%, beispielsweise 7–9 Gew.-%, chemische(r) Binder auf Thermoplastkunststoffbasis, 0,5–1 Gew.-% Farbpigment(e), 2–4 Gew.-% Schmier- bzw. Gleitmittel, 12–18 Gew.-%, beispielsweise 11–15 Gew.-%, Calciumcarbonat und 8–12 Gew.-% PVC-Verarbeitungshilfsmittel.
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Der chemische Binder auf Thermoplastkunststoffbasis hat beispielsweise die Funktion, Feuchtigkeit oder Lösungsmittel von Naturstofffasern zu entfernen und verbindet bzw. vernetzt sich stark mit dem ”nonwoven web” bzw. Netzwerk aus Naturstofffasern. PVC-Verarbeitungshilfsmittel (”PVC processing aids”) können die Verschmelzung (”Fusion”) beschleunigen, die Schmelzstärke bw. Zähigkeit der Schmelze (”melt strenght”) verbessern, Oberflächendefekte eliminieren und das ”place out” verringern. Außerdem können sie im Produktionsprozess die Metallablösungseigenschaften verstärken. Geeignete Binder und Verarbeitungshilfsmittel sind dem Fachmann auf dem Gebiet der PVC-Verarbeitung geläufig und im Handel in großer Auswahl verfügbar.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Herstellung eines geschäumten Holzimitats haben die PVC-Harzteilchen und das Reis- bzw. Erdnuss-Schalenpulver etwa die gleiche Korngröße.
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Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat ist durch Extrusion einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung herstellbar. Das durch Extrusion erhaltene Produkt hat z. B. die Form einer Platte oder ist z. B. ein Profil.
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Das angewendete Extrusionsverfahren unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Es können beliebige handelsübliche Extruder eingesetzt werden. Die Bedienung erfolgt nach den Herstellerinstruktionen. Dem Fachmann ist klar, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung unter den Extrusionsbedingungen (z. B. Temperatur und Druck) ausreichend homogenisiert und verflüssigt werden muß, so dass sie durch die Extruderdüse gepresst werden kann. Geeignete Extrusionsbedingungen sind entweder die vom Hersteller spezifizierten oder werden vom Fachmann durch einfache Routineversuche ermittelt. Die Geometrie der verwendeten Extrusionsdüse bestimmt bekanntermaßen die Form bzw. das Profil des erhaltenen Extrusionsprodukts. Das durch Extrusion erhaltene Produkt kann beispielsweise die Form einer Platte haben oder ein Profil sein.
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Beispielsweise wird das PVC-Harz in einem Hochgeschwindigkeitsmischer mit getrocknetem Reisschalenpulver (Teichengröße 40–60 mesh, Feuchtigkeitsgehalt z. B. 0,5 bis 1,0%) und optional Füllstoff (z. B. Calciumcarbonat) 5 min bei 125–140°C vermischt. Der mindestens eine Schaumbildner und die optionalen Additive wie Farbpigment, Stabilisator, Verarbeitungshilfsmittel, Gleitmittel (z. B. Epoxy-Soyaöl, Wachs) werden in einem kleinen Mischer/Blender 10 min durchmischt und dann in den Hochgeschwindigkeitsmischer zu dem Gemisch aus PVC-Harz/Reisschalenpulver/Füllstoff gegeben. Dann wird das gesamte Gemisch weitere 10 min homogen durchmischt. Schließlich wird das Gemisch in einem Kühltank ca. 30 min abkühlen gelassen und dann mit einem Doppel- bzw. Zwillingsschneckenextruder bei einer geregelten Temperatur im Bereich von beispielsweise 150–210°C oder 160–175°C zu dem erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitat als Endprodukt extrudiert. Der zugesetzte Schaumbildner schäumt unter den eingesetzten Extrusionsbedingungen, so dass sich im Extrusionsprodukt homogen verteilt gas(luft)gefüllte Poren bilden. Dadurch wird die Dichte und als Folge davon das Gewicht des Extrusionsproduktes verringert.
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Vorzugsweise wird nach der Extrusion die auf der Oberfläche des Extrusionsprodukts gebildete Kunststoffhaut entfernt. Dadurch entsteht die sehr holzähnliche Haptik und Optik des erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitats. Durch die Entfernung der Kunststoffhaut hat das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat auch eine gute Rutschfestigkeit. Der Farbton des geschäumten Holzimitats kann durch die in der zu seiner Herstellung verwendeten Zusammensetzung enthaltenen Farbpigmente gesteuert werden. Praktischerweise wird kein intensiver Farbton eingestellt, sondern ein vergleichsweise eher blasserer. Der endgültige gewünschte Farbton wird dann durch Lackieren oder Lasieren des aus dem geschäumten Holzimitat hergestellten Produkts eingestellt. Dadurch erspart man sich die Herstellung und Lagerung einer Vielzahl von geschäumten Holzimitaten mit unterschiedlichen Farbtönen.
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Beispielsweise kann die Kunststoffhaut durch Abschleifen entfernt werden. Das Abschleifen kann z. B. mit einem Schleifmaterial wie Sand- oder Schleifpapier mit einer Körnung im Bereich von 24 bis 60 durchgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung eines elektrisch betriebenen Handschleifers. Bei der Körnung steht ein kleinerer Zahlenwert für eine gröbere Körnung und ein höherer Zahlenwert für eine feinere Körnung. Eine Körnung von 24 ist eher grob und eignet sich z. B. zum Entfernen von Leim- oder Lackschichten, während eine Körnung von 60 eher mittel ist und beispielsweise zum groben Vorschleifen roher Holzflächen verwendet wird. Die geeignete Körnung wählt der Fachmann nach Maßgabe der praktischen Gegebenheiten bzw. des zu erzielenden Effekts.
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Alternativ kann die Kunststoffhaut auch auf andere Weise entfernt werden, beispielsweise durch Abhobeln oder Sandstrahlen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitats wird dessen Oberfläche, ggf. nach einer entsprechenden Vorbehandlung (z. B. Grundierung), lackiert oder lasiert bzw. geölt. Zum Lackieren eignen sich beispielsweise wasserbasierte einkomponentige Lacke. Für die Extrembenutzung eignen sich besonders zweikomponentige Lacke.
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Je nach Pigmentierung und Oberflächentönung lassen sich verschiedene Holzoptiken und -haptiken realisieren, z. B. von Tropenholz wie Burma Teak, Siam Teak, Java Teak oder Aged teak.
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Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat kann als Baumaterial, Fußbodenmaterial, Wandmaterial, Deckenmaterial mit geringem Gewicht, für die Herstellung von Vollprofilen mit geringem Gewicht, für Schwellen, Furniere, Fensterflügel, Zäune, Möbel, Fassaden, Fahrzeuge oder Gehäuse für elektrische Geräte mit geringem Gewicht verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat bzw. der erfindungsgemäße geschäumte Ersatzwerkstoff für Holz hat eine sehr holzähnliche Optik wie auch Haptik, und bietet gegenüber den allermeisten Holzarten in vielerlei Hinsicht wesentlich verbesserte Eigenschaften.
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Aufgrund der polaren Eigenschaften des verwendeten PVCs kann die Oberfläche des erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitats problemlos geölt, lasiert oder lackiert werden, so dass sich der neue Werkstoff besonders eignet für die Herstellung von Möbeln, Zäunen, Furnieren und sogar für Ständer von Sonnenschirmen. Die polaren Eigenschaften erlauben auch eine leichte Verklebbarkeit und verleihen antistatische Eigenschaften. Konventionelle Holz/PE-Composite (WPCs) sind wegen der nichtpolaren Eigenschaften von PE nicht oder nur sehr schwer lackierbar, nicht verklebbar und nicht antistatisch.
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Durch seine Stabilität, Formbeständigkeit und absolute Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen wie Regen ist der erfindungsgemäße geschäumte Werkstoff den konventionellen Holz/PE-Compositen (WPCs) und auch vielen Holzarten weit überlegen. Aus dem erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitat hergestellte Profile sind nahezu wasserdicht. Das verwendete PVC ist nicht hygroskopisch und nimmt kein Wasser auf und verhindert so das Eindringen von Wasser durch eine Verletzung der Oberfläche, so dass keine Unterwanderung von aufgetragenen Lackschichten erfolgt und keine Lackabplatzungen auftreten. Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat ist daher auch dimensionsstabil, so dass eine Verformung auf natürlichem Wege (z. B. durch Aufquellen oder Schwinden) nicht möglich ist. Konventionelle Holz/PE-Composite quellen dagegen unter Feuchtigkeitseinfluß. Lacke haften nicht mehr, weil das eindringende Wasser diese unterwandert und dadurch ablöst.
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Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat eignet sich daher besonders für Möbel, die im maritimen Bereich, in Meeres- und Seenähe oder in Nassbereichen (z. B. Schwimmbad) eingesetzt werden, oder als Outdoor-Parkett oder Schiffsdeck. Pilzbefall oder Insektenbefall tritt nicht auf.
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Aufgrund der hervorragenden Festigkeit ist das Einschlagen von Nägeln oder das Eindrehen von Schrauben in das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat wie bei üblichen Holzmaterialien möglich. Auch die maschinelle Bearbeitung ist problemlos, so dass einfaches Durchschneiden mit einer Säge, Bohren, Fräsen, Schleifen oder sogar Sandstrahlen möglich ist. Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat reißt nicht und splittert nicht, und Schnittabfälle sind zu 100% recyclebar.
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Die Reis- und/oder Erdnuss-Schalen fungieren als eine Art ”aktiver Füllstoff” und verleihen dem erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitat für die meisten Anwendungsgebiete verbesserte Bearbeitungseigenschaften. Die thermische Ausdehnung ist geringer und es wird die Konsistenz und Haptik von Naturholz erzielt, wodurch das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat konventionellen ”Wood Plastic Composites” oder auch reinem PVC überlegen ist.
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Konventionelle Holz/PE-Composite neigen wegen des hohen Ligningehalts im verwendeten Holz durch den Einfluss von Sonne und Regen, die das Lignin zersetzen, zum Vergrauen und Vergilben und sind dadurch schnell unansehnlich. Das erfindungsgemäße geschäumte Holzimitat enthält dagegen sehr wenig Lignin, so dass es nicht vergilbt.
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Auch andere Eigenschaften des erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitats wie Schall- oder Wärmedämmung sind den charakteristischen Eigenschaften von natürlichem Holz ähnlich.
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Weitere Vorteile sind die günstigeren Herstellungskosten (auf die Fläche bezogen) und eine verbesserte Isolation.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen geschäumten Holzimitats kann dem Gemisch aus PVC-Harz, Erdnuss- und/oder Reisschalenpulver und mindestens einem Schaumbildner auch in gewissem Maße recycletes erfindungsgemäßes Holzimitat, z. B. Schnittabfälle, beigemengt werden, was z. B. geschehen kann, wenn solches zur Entsorgung zur Verfügung steht.