DE2163061B2 - Verfahren zur Verbesserung der Lagerstabilität von Aminoplast-Leimharzen - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Lagerstabilität von Aminoplast-LeimharzenInfo
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Description
RiR1NR2
besitzt, worin Ri für die Reste
20
oder
-CH2CH2OH
-CH2CHOH-CH3
-CH2-CH2-CH2OH
25
steht und R2 Wasserstoff oder die gleiche Struktur
wie Ri bedeutet
30
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Lagerstabilität von Harnstoff-Formaldehyd-
Leimharzen, die in Form ihrer wäßrigen Lösungen durch Kondensation von Harnstoff und Formaldehyd in
einem Molverhältnis von 1 :1,2 bis 1 :2,3 und gegebenenfalls untergeordneter Mengen modifizierender Mittel bei einem pH-Wert von 4 bis 6,5 hergestellt worden
sind.
Aminoplast-Leimharze besitzen als die wichtigsten Bindemittel für die Holzverleimung große Bedeutung;
sie sind leicht zugänglich, einfach zu verarbeiten und verhalten sich chemisch der Cellulose des Holzes
gegenüber weitgehend indifferent.
Obwohl die Herstellung vor allem von Harnstoff-Formaldehyd-Leimharzen schon lange betrieben
wird, wird die Herstellung dieser Harze in Form der handelsüblichen wäßrigen Lösungen immer noch so
verbessert. Die Verbesserungen beziehen sich nicht nur auf verfahrenstechnische Vereinfachungen, sondern
auch auf die Leimeigenschaften der Harze selbst.
Dabei kommt der Lagerstabilität der wäßrigen Harzlösungen besondere Bedeutung zu, da der Kondensationsvorgang, d. h. die Reaktion zwischen Harnstoff,
gegebenenfalls auch Melamin, und Formaldehyd sich zwar im wesentlichen unter der katalytischen Wirkung
von Säuren oder Basen und bei höherer Temperatur vollzieht, aber auch nach Neutralisation und bei
Raumtemperatur nicht völlig unterbunden werden kann. Die Kondensation schreitet in der neutralen Lösung und
bei Raumtemperatur immer noch merklich fort und führt zur Erhöhung der Viskosität der Lösungen.
Die technische Weiterverarbeitung der Harzlösungen ist nur bis zu einer bestimmten Viskosität möglich; wenn
eine verdünnte Leimharzlösung (etwa bei einer Konzentration von 50% Trocken rückstand) nach
Zugabe von üblichen Zuschlägen wie Emulsionen und Harterlösungen zur Herstellung von Spanplatten
verdüst und gleichmäßig auf den Spänen verteilt werden soil, darf schon die Viskosität der z. B. 70prozentigen
(konzentrierten) Leimharzlösung eine gewisse Höhe nicht überschreitea Diese »Grenzviskosität«, die ein
Maß für die Verarbeitbarkeit einer Leimlösung sein kann, ist nach Produktart und Verarbeitungsweise
verschiedea
65prozentige Harzlösungen sind z. B. noch für die
Spanplattenherstellung brauchbar, wenn sie eine Viskosität von bis zu 5000 cP besitzen; für die Sperrholzverleimung sind bis zu 20 00OcP zulässig. Entsprechend
gelten für 55prozentige Lösungen Grenzwerte von 400 bzw. 200OcP.
Für die Praxis wird man daher, um eine Veränderung bzw. Verbesserung der Lagerstabilität beurteilen zu
können, die Zeit verfolgen, innerhalb welcher unter bestimmten Lagerbedingungen jeweils die Viskosität
erreicht wird, bei der die Verarbeitung gerade noch möglich ist Der Vergleich dieser Zeiten ermöglicht
dann die Beurteilung der Veränderung der Lagerstabilität.
Die Lagerstabilität kann durch die Herstellungsweise der Harze bzw. den dabei erzielten chemischen Aufbau
der Kondensate beeinflußt werden und hängt auch ab von der Konzentration der Harzlösungen und der
Temperatur während der Herstellung und Lagerung.
Zum Beispiel haben Produkte mit geringerer Konzentration ebenso eine erhöhte Lagerfähigkeit wie
solche mit einem höheren Verhältnis von Formaldehyd zu Harnstoff und längere bzw. höhere thermische
Belastung der Lösungen ist sowohl bei der Herstellung wie bei der Lagerung von Nachteil.
Leimharze, die zur Herstellung moderner Holzwerkstoffe, wie Span- und Sperrholzplatten dienen, sollen
möglichst wenig Formaldehyd enthalten; sie werden — möglichst konzentriert — auch in die Tropen versandt
bzw. dort gelagert und verarbeitet und sie sollen schließlich eine solche Struktur haben, daß sie bei
geeigneten Verarbeitungskonzentrationen die richtige Viskosität bzw. den richtigen Kondensationsgrad haben.
Schließlich sollen sie unter der Einwirkung von Druck und Wärme, also in einer Heizpresse, möglichst rasch
aushärten. Eine ausreichende Lagerstabilität besitzt eine Harzlösung, wenn sie sich bei Raumtemperatur 4 bis 6
Monate lang ohne Beeinträchtigung ihrer Verarbeitungseigenschaften hält und auch bei Temperaturen von
30 bis 400C eine Verarbeitung innerhalb von 6 bis 8 Wochen noch möglich ist. All dies scheint mit der
Erzielung ausreichender oder gar guter Lagerstabilität schlecht vereinbar.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Harnstoffharzlösungen nachträglich Formaldehyd bindende Mittel
zuzusetzen, z. B. Ammoniak, Harnstoff, Amine oder Sulfite, jedoch verschlechtern diese nicht nur die
Lagerstabilität, sondern auch in manchen Fällen die Leimeigenschaften, wie Wasserfestigkeit usw., so daß
man mit solchen Zusätzen letztlich nichts gewinnt.
Auch der Zusatz von Aminen zu Harnstoff-Formaldehydkondensaten ist in allgemeiner Form, z. B. aus
U11 m a η η, Enzyklopädie der techn. Chemie, Bd. 3
(3. Aufl.), S. 480 bekannt, wobei Alkanolamine erwähnt werden.
Aus dem Zusammenhang der Beschreibung ergibt sich jedoch, daß es sich dabei stets um größere Mengen
handeln muß, die zugesetzt werden, da angegeben ist, daß dies der Geruchsverbesserung dienen soll.
Hierzu muß man wissen, daß Formaldehydkondensate im nicht ausgehärteten (Lösungs-)Zustand La.
wenigstens 0,5 bis 1% freien Formaldehyd enthalten, da die Kondensationsreaktion einem Gleichgewicht zustrebt
Angesichts der Molverhältnisse ergibt sich, daß wirksame Geruchsverbesserung Zusätze von Aminen in
einer Menge von mehreren Prozent erfordern.
Es wurde nun gefunden, daß man die Lagerstabilität der eingangs bezeichneten Harnstoff-Formaldehyd-Leimharze
erheblich, d. h. um wenigstens 50 bis 100%
verbessern kann, wenn man nach der Kondensation, gegebenenfalls Einengung der Lösungen auf einen
Feststoffgehalt von 50 bis 65% und Abkühlung auf weniger als 40° C den pH-Wert mittels Alkalihydroxidlösung
auf wenigstens 7,5 einstellt und — bezogen auf den Feststoffgehalt der wäßrigen Harzlösung — 0,05 bis
03 Gewichtsprozent eines Alkanolamins zusetzt, das die
allgemeine Formel
R1R1NR2
besitzt, worin Ri für die Reste
oder
-CH2CH2OH
-CH2CHOH-CH3
-CH2CHOH-CH3
-CH2-CH2-CH2OH
25
steht und R2 Wasserstoff oder die gleiche Struktur wie
Ri bedeutet.
Erfindungsgemäß geeignete Amine sind also z. B. Diäthanolamin, Triäthanolamin, Dipropanolamin und
Tripropanolamin, wobei die letzteren in zwei isomeren Formen vorkommen können. Bevorzugt wird Triäthanolamin
verwendet, ähnlich verhält sich Diäthanolamin.
Die Herstellung der für die Anwendung der Erfindung geeigneten Harze ist weitgehend bekannt und braucht
daher nur kurz erwähnt zu werden: Man kondensiert Harnstoff und Formaldehyd, gegebenenfalls in Gegenwart
untergeordneter Mengen anderer Stoffe wie z. B. Melamin in wäßriger Lösung im Molverhältnis von
1 :1,2 bis 1 :2,3, insbesondere 1 :1,3 bis 1 :1,8 z. B. bei
einer Temperatur zwischen 70 und 1000C, wobei die Lösung durch Zugabe von z. B. Ameisensäure auf pH 4
bis 6,5 eingestellt wird.
Je nach Konzentration der Ausgangsstoffe erhält man eine 40- bis 55prozentige Harzlösung (Feststoffgehalt,
bestimmt als Trockenrückstand), der im allgemeinen für den Versand noch ein Teil des Wassers unter
vermindertem Druck entzogen wird. Die Kondensation so wird im allgemeinen so weit geführt, daß die (noch nicht
aufkonzentrierte) Harzlösung bei Raumtemperatur nicht mehr beliebig mit Wasser verdünnbar ist.
Die Wasserverdünnbarkeit, auch Wasserverträglichkeit genannt, ist dem Fachmann geläufig als empirisches
Maß für den Kondensationsgrad von Formaldehyd-Harzen. Man versteht darunter die relative
Wassermenge, die einer gegebenen Menge der Harzlösung bei Raumtemperatur maximal zugesetzt werden
kann, ohne daß Entmischung eintritt. Geringere Wasserverdünnbarkeit weist dabei auf einen höheren
Kondensationsgrad hin. Die vom Kondensationsgrad und der Temperatur abhängige Entmischung von
Kondensaten und »schlechten« Lösungsmitteln ist im übrigen aus den Handbüchern der makromolekularen
Chemie bekannt.
Die Wasserverdünnbarkeit ist dem Verwendungszweck angepaßt und kann 1 :10 bis 1 :0,5 betragen.
Die Viskosität ist ebenfalls ein Maß für den Kondensationsgrad des Harzes und natürlich von der
Konzentration der Lösung abhängig. Leimharze weisen unmittelbar nach der Herstellung bei einer Konzentration
von 65% üblicherweise eine Viskosität zwischen 80 und 80OcP auf.
Nach der Erfindung wird der wäßrigen, gekühlten und neutralisierten Harzlösung eines der erwähnten Amine,
eine Mischung solcher Amine oder auch ein technisches Gemisch, das eines der Amine in genügender Konzentration
enthält in einer solchen Menge zugesetzt daß die Lösung etwa 0,05 bis 0,5%, insbesondere 0,05 bis
0,15% des Amins, bezogen auf ihren Trockenrückstand, enthält
Der erfindungsgemäße Zusatz nach der Kondensation und nach der Neutralisation ist nicht mit der
bekannten Maßnahme zu verwechseln, den pH-Wert der Harzlösungen bzw. der Reaktionsgemische vor oder
während der Kondensation mit z. B. Triäthanolamin einzustellen, wie dies etwa in der US-Patentschrift
20 16 199 (Seite 2, rechte Spalte, Zeilen 52 ff.) oder in der französischen Patentschrift 7 15154, Seite 3, Zeile 5,
beschrieben ist. In diesen Fällen werden die Amine in das Harz miteinkondensiert und sind nicht in der
erfindungsgemäßen Weise wirksam.
Der Zusatz verbessert die Lagerstabilität im allgemeinen
um wenigstens 50%, d. h. Lösungen, deren natürliche Lagerfähigkeit bei gegebener Temperatur
z. B. 6 bis 8 Wochen beträgt, erreichen bei gleicher Temperatur nunmehr eine Lagerfähigkeit von 10 bis
12 Wochen. Wählt man zum Vergleich unterschiedliche Temperaturen, vergleicht also etwa Raumtemperatur
mit einer höheren Temperatur, so ist die Verbesserung noch augenfälliger: Lösungen, die ohne Zusatz bei
Raumtemperatur 6 Wochen gelagert werden können, sind nach Zusatz des Amins ebenso lange bei 40° C
lagerfähig.
Die nach der Erfindung stabilisierten Leimharze können in üblicher Weise verarbeitet werden; z. B.
können Modifizierungsmittel, die dem Schutz gegen Thermiten- oder Pilzbefall, der Hydrophobierung oder
ähnlichen Zwecken dienen, zugesetzt werden. Das Harz kann auch z. B. in bekannter Weise durch Versprühen in
ein lösliches, trockenes Pulver überführt werden.
Auch die Härtung der erfindungsgemäß stabilisierten Leimharze bei der Verleimung von Holzwerkstoffen,
z. B. von Spanplatten unterscheidet sich nicht vom Stand der Technik. Sie kann z. B. durch die katalytische
Wirkung von Ammoniuinchlorid oder ähnlichen Katalysatoren,
vornehmlich unter gleichzeitiger Wärme- bzw. Heißdampfwirkung vorgenommen werden.
Zu 1Ou kg einer wäßrigen Lcimharzlösung aus Harnstoff und Formaldehyd mit einem Trockenrückstand
von 55% und einem pH von 8,95, die im Molverhältnis Harnstoff: Formaldehyd 1 :1,8 sauer bis
zu einer Wasserverträglichkeit von 1 :2,5 kondensiert worden war, fügt man nach Abkühlung auf Raumtemperatur
100 g Triäthanolamin zu und vermischt gründlich. Der pH-Wert erhöht sich nur unerheblich von 8,95 auf
9,3. Vergleicht man den Viskositätsverlauf der bei 400C
gelagerten Proben mit dem der unbehandelten Harzlösung, so zeigt sich: Bei gleicher Ausgangsviskosität von
140 cP erreicht die unbehandelte Probe nach 48 Tagen, die behandelte Probe erst nach 77 Tagen eine Viskosität
von 170OcP, mit welcher eine Verarbeitung noch gut möglich ist.
Der Zusatz bewirkt also eine Verlängerung der möglichen Lagerzeit um 60%.
100 kg einer nach der Vorschrift der deutschen Patentschrift 18 10 925 hergestellten hochreaktiven
Leimlösung erfahren nach Zusatz von 200 g Diäthanolamin bei 30° C eine Verbesserung der Lagerfähiglcdt um
175%. Die mit Amin versetzte Probe erreicht nach 2 Wochen 3000 cP, während die unbehandelte Probe
bereits auf 8400 cP angestiegen war.
Ein Harnstoffharzleim, der Harnstoff und Formaldehyd im Mol verhältnis 1 :1,5 enthält, und einen
Trockengehalt von 72% sowie eine Viskosität von
280OcP besitzt, erreicht bei Lagerung bei 25° C nach
6 Wochen eine Viskosität von 17 60OcP; das gleiche Produkt erreicht nach Zugabe von 0,2% Diäthanolamin
in dieser Zeit nur eine Viskosität von 8200 cP.
100 kg eines im Molverhältnis 1 :1,4 kondensierten
Leimharzes werden mit 200 g technischem Diäthanolamin versetzt und bei 30° C im Vergleich zu einer
ίο unbehandelten Probe gelagert Die Viskosität der
unbehandelten Probe nach einer Lagerung bei 30° C steigt nach 5 Wochen von 450 cP auf 3000 cP; die mit
Diäthanolamin versetzte Probe erhöht unter den gleichen Bedingungen ihre Viskosität nur auf 800 cP und
erreicht den Wert von 3000 cP erst nach 9 Wochen.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Verbesserung der Lagerstabilität von Harnstoff-FormiJdehyd-Leimharzen, die in Form ihrer wäßrigen Lösungen durch Kondensation von Harnstoff und Formaldehyd in einem Molverhältnis von 1:1,2 bis 1:23 und gegebenenfalls untergeordneter Mengen modifizierender Mittel bei einem pH-Wert von 4 bis 6,5 hergestellt worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der Kondensation, gegebenenfalls Einengung der Lösung auf einen Feststoffgehalt von 50 bis 65% und Abkühlung auf weniger als 400C den pH-Wert mittels Alkalihydroxidlösung auf wenigstens 7,5 is einstellt und, bezogen auf den Feststoffgehalt der wäßrigen Lösung, 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Alkanolamins zusetzt, das die allgemeine Formel
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