DE2506346C2 - Verfahren zum Verpressen von festen Holzfaserstoffmaterialien - Google Patents

Verfahren zum Verpressen von festen Holzfaserstoffmaterialien

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verpressen von festen Holzfaserstoffmaterialien bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines auf eine Oberfläche des Materials aufgebrachten Bindungsmittels.
Dieses Verleimen von.Holzfaserstoffmaterialien, wie Holz, wird in großem Umfange großtechnisch, beispielsweise für die Herstellung von Lagenholz, Sperrholz, Faserplatten und Spanplatten, angewandt. Bisher wurden als Bindungsmittel meist Harnstoff- oder Phenol-Formaldehydharze verwendet die auf der Oberfläche des Werkstoffs ausgebreitet oder in anderer Weise darauf aufgetragen werden, in das Holzgefüge eindringen und bei erhöhten Temperaturen die Verleimung bewirken. Es wurden bereits Verfahren vorgeschlagen, bei denen die Verbindung durch eine chemische Reaktion zwischen Reagentien und dem Holz selbst hergestellt wird, jedoch haben diese Verfahren keinen Eingang in die Technik gefunden. Es ist daneben aus der DE-PS 87 478 bekannt, Furnieroberflächen mittels eines Klebstoffes oder einer Klcbmasse zu verbinden, indem deren Konsistenz so verändert wird, daß sie gerade noch plastisch und verarbeitungsfähig sind, um die Furniere sofort ohne Trocknen des Bindungsmittels heiß verpressen zu können. Ein Auftragen mit dem Pinsel ist hierbei allerdings wegen der Konsistenz dieser Bindungsmittel nicht mehr möglich, wie auch kein Eindringen bzw. Einsinken in das Holz erfolgt, sondern durch das Bindungsmittel eine Zwischenschicht gebildet wird.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, nicht eine durch ein im wesentlichen mechanisches Verfahren gebildete Zwischenschicht zum Verbinden von Holzmaterialien zu erzeugen, sondern ein chemisches Verfahren verfügbar zu machen, mit dem feste Holzfaserstoffmaterialien bei erhöhten Temperaturen zu einem Formteil verpreßt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs geschilderten Art, das dadurch gekennzeichnet ist daß ein Bindungsmittel verwendet wird, iis wenigstens ein Kohlenhydrat sowie eine Säure, die die Hydrolyse des Kohlenhydrats zu katalysieren vermag, in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das im Bindungsmiiiei enthäiicfie Köhlenhydrai, enthält.
Dieses Verfahren ist auf die Herstellung von Laminaten, Lagenholz, Sperrholz, Faserplatten und Spanplatten ohne Verwendung der üblichen Klebstoffe anwendbar.
Es wird angenommen, daß die Verbindung durch chemische Umwandlung der Kohlenhydrate, die auf die Holzoberfläche aufgebracht werden, und der Kohlenhydrate und des Lignins, die in einer Lage des Holzes
jo vorhanden sind, zustandekommt.
Holz ist bekanntlich eine hochpolymere Substanz mit komplizierter Struktur, die aus drei Klassen von Verbindungen, nämlich Kohlenhydraten, Lignin und extrahierbaren Stoffen besteht. Das hauptsächliche Kohlenhydrat. wie Cellulose, ist ein aus Glucoseeinheiten aufgebautes Polysaccharid. Lignin ist eine komplizierte Phenolverbindung, deren Struktur noch nicht völlig aufgeklärt worden ist Über den Charakter der Bindung zwischen den Kohlenhydraten und dem Lignin ist nicht viel bekannt, jedoch scheint das Lignin, allgemein gesprochen, die Rolle eines Bindemittels für die Cellulosenmikrofibrillen zu spielen. Die Aufgabe der extrahierbaren Stoffe scheint vielfältig zu sein, jedoch ist ihre Aufgabe, das Holz gegen Krankheiten zu schützen, wahrscheinlieh die wichtigste.
Die chemischen Reaktionen, die bei dem erfindungsgemäß verwendeten Bindungsmittel stattfinden, sind noch nicht völlig geklärt. Theoretisch können mehrere Reaktionssysteme gleichzeitig vorliegen. Das wichtigste Reaktionssystem scheint jedoch der hydrolytische Abbau ier Polysaccharide und des Lignins durch die Wirkung der Säure vid die Repolymerisation ihrer Abbauprodukte zu sein.
Die Einwirkung von Säuren auf Polysaccharide hat eine Hydrolyse unter Bildung der die Polysaccharide bildenden Monosaccharide und eine anschließende weitere Umwandlung der gebildeten Monosaccharide zur Folge. So werden Xylosen zu Furfurol und Glucose und Mannose zu Hyiiroxymethylfurfurol dehydratisiert Diese Furane sind äußerst reaktionsfähig und wandeln sich weiter in eine große Vielfalt von chemischen Verbindungen, im Falle von Glucose hauptsächlich in Lävulinsäure sowie in schlecht definierte polymere Humine um. Die verschiedensten Mechanismen für Polymerisationsreaktionen der Hydrolysenprodukte wurden zur Erklärung ihrer Bildung vorgeschlagen.
Die Einwirkung starker Säuren auf Lignin hat die Kondensation verschiedener Typen zur Folge. In milden
sauren Medien findet ein teilweiser hydrolytischer Abbau des LJgnins zu verschiedenen Produkten statt Die Ausbeuten sind jedoch auf Grund der gleichzeitig ablaufenden Polymerisation der Abbauprodukte gering. In sauren Medien ist eine Kupplung der Abbauprodukte von Kohlenhydrat und Lignin theoretisch möglich.
Es wird angenommen, daß alle oder einige der vorstehend genannten Reaktionen beim Verfahren gemäß der Erfindung beteiligt sind.
Es wurde gefunden, daß die Festigkeit der erfindungsgemäßen zwischen Holzstücken gebildeten Bindungen wenigstens mit der bisher unter Verwendung von Klebstoffen erreichten Festigkeit der Bindungen vergleichbar ist
Zur Herstellung von Sperrholz ist es lediglich erforderlich, eine Oberfläche eines Holzfurniers mit einem flüssigen Träger zu bedecken, der das Kohlenhydrat und die Säure enthält, die Oberfläche mit der Oberfläche eines anderen Furniers, auf das das Bindungsmittel aufgebracht sein kaufte in Berührung zu bringen und die Lagen in einer üblichen Presse bei erhöhter Temperatur zu pressen.
Es ist auch möglich, das flüssige Gemisch, das das Kohlenhydrat und die Säure enthält, vor dem Auftrag auf den zu verbindenden Werkstoff zu kochen und hierdurch die Kohlenhydrate in Zwischenprodukte vom Furantyp umzuwandeln. Vorzugsweise wird 30 bis 90 Minuten bei 100° bis 130° C gekocht Das Kochen hat eine Farbänderung nach braun oder schwarz zur Folge. Diese Farbänderung zeigt den Grad der chemischen Umwandlung der Hjhlenhydrate an. Die gekochte Mischung kann in der gleichen Weise w?° eine ungekochte Mischung auf die Holzoberfläche aufgebracht werden, worauf unter Einwirkung von Wärmr und Druck gepreßt wird. Das Kochen kann in Fällen, in denen kürzere Preßzeiten erforderlich sind, vorteilhaft sein.
In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, Holzfurniere oder Holzteilchen oder -späne, die von dem flüssigen Bindungsmittel bedeckt sind, vor dem Pressen kurzzeitig der Einwirkung erhöhter Temperatur auszusetzen. Durch dieses vorherige Erhitzen wird eine teilweise chemische Umwandlung der Kohlenhydrate bewirkt, wodurch die Preßdauer verkürzt oder die erforderliche Preßtemperatur gesenkt werden kann. Das vorherige Erhitzen kann bei Temperaturen bis 140° C während einer Zeit bis etwa 15 Minuten erfolgen.
Das Bindungsmittel kann einen flüssigen Träger, der mit dem Holzzellstoff nicht reagiert, z. B. Wasser, Äthylalkohol und andere Lösungsmittel, enthalten. Im allgemeinen können die Dämpfe aus dem Träger während des Pressens leicht aus der Presse entweichen. Das Mittel kann ferner andere chemische Reagentien enthalten, die die Abbindereaktion beeinflussen, d. h. die Reaktion in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen, die sehr unterschiedlich sein können, beschleunigen oder ihr Ausmaß vermindern. Diese Reagentien können dem flüssigen Träger zusammen mit dem Kohienhydrat und den Säuren in der gewünschten Menge zugesetzt werden. Natürlich können auch Gemische verschiedener Kohlenhydrate sowie Gemische verschiedener Säuren in einem Träger verwendet werden.
Überschüssige Mengen der Kohlenhydrate und des Säurekatalysators, die auf die Holzoberfläche aufgebracht werden, beeinflussen nicht die Wirksamkeit des Abbindens, sind jedoch unwirtschaftlich. Es ist lediglich erforderlich, daß genügend Kohlenhydrat und Säure vorhanden sind, um die Abbindereaktion in der Presse unter Einwirkung von Wärme und Druck zu bewirken.
Die erforderliche Mindestmenge des Kohlenhydrats und der Säure ist verschieden in Abhängigkeit vom pH-Wert des Holzes und der Kohlenhydrate, der Art und Reaktionsfähigkeit des Kohlenhydrats, der Temperatur, dem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes, der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit und andere Faktoren.
Die Hydrolyse von polymeren Kohlenhydraten wie Cellulose, Hemicellulosen und Stärke zu monomeren Einheiten ist auf Grund der verschiedenen Reaktionsge schwindigkeiten verschiedener Kohlenhydrate ein nicht homogener Prozeß. Es kann angenommen werden, daß auch die Geschwindigkeiten der Umwandlung einfacher Zucker wie Glucose, Xylose und Saccharose in Verbindungen vom Furantyp und ihrer Kondensation unter- schiedlich sind Daher kann die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb sehr weiter Grenzen variieren.
Die verwendete optimale Menge des Kohlenhydrats ist verschieden in Abhängigkeit von der Art des Holzes, der Reaktionsfähigkeit oder von anderen Eigenschaften des verwendeten Kohlenhydrats, von der Oberflächenrauhigkeit des Holzes und den gewünschten Preßbedingungen.
Nur ein Film des Bindungsmittels braucht aufgetragen zu werden. Dies kann zweckmäßig durch Aufstrei- chen, Spritzen oder Auftrag mit der Rolle erfolgen. Im allgemeinen wird das Bindungsmittel in einer Menge verwendet, durch die 20 bis 320 g Kohlenhydrat pro m2
Fläche aufgebracht werden. Wenn beispielsweise Holzlaminate oder Lagenholz
aus Furnieren der Douglasfichte hergestellt werden, ein Gemisch von Saccharose und Stärke im Verhältnis von 1 :1 als Kohlenhydrat und Schwefelsäure als Katalysator in Wasser als Träger verwendet und 7 Minuten bei 12 bar und einer Temperatur von 160°C gepreßt wird, genügt eine Kohlenhydratmenge von etwa 54 g/m2. Die Mindestmenge des Kohlenhydrats unter diesen Bedingungen kann 27 g/m2 betragen. Die bevorzugte Menge der Schwefelsäure als Katalysator in diesem Fall würde etwa 1 bis 2% der Menge des KohlenhyLirats betragen.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß die verschiedensten Kohlenhydrate einschließlich Cellulose, Hemicellulosen, Zucker, z. B. Glucose und Saccharose, Stärke, Weizen- oder Maismehl, Melassen verschiedenen Ursprungs und Gemische von Kohlenhydraten ver- wendet werden können. Billige Melassen stellen eine interessante Möglichkeit dar. Als Säuren eignen sich beispielsweise Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure und Essigsäure. Die vorhandene Säuremenge beträgt im allgemeinen
so 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Kohlenhydrat Das bevorzugte Mengenverhältnis hängt von der Art des KohLnhydrats und der Säure ab. Vorzugsweise wird die Säure in der Mindestmenge verwendet, die notwendig ist, um die Umwandlung des Kohlenhydrats in die Ver bindungen vom Furantyp und ihre Polymerisation zu katalysieren. Ein großer Überschuß der Säure kann die Festigkeit des Holzes im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Im Falle von Salzsäure, die eine starke Säure ist beträgt die Menge, die notwendig ist, um die Umwandlung eines Gemisches von Saccharose und Stärke im Verhältnis von 1 :1 zu katalysieren, etwa 1 bis 2 Gew.-%. bezogen auf das Kohlenhydrat Bei schwachen Säuren, z. B. Essigsäure oder Phosphorsäure, würde eine höhere Menge als bei Salzsäure erforderlich sein. Polymere Kohlen- hydraic, z. B. Cellulose, erfordern zur Umwandlung in Verbindungen vom Furantyp eine größere Säuremenge als einfachere Kohlenhydrate, z. B. Glucose oder Saccharose, bei gegebener Reaktionsgeschwindigkeit
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Kohlenhydratgemisch aus Zuckern und Stärken, z. B. Saccharose und Weizenmehl, verwendet. Aus noch nicht geklärten Gründen wird mit diesen Gemischen eine festere Verbindung als mit einfachen Kohlenhydraten, z. B. nur mit Zuckern oder nur mit Stärken, erzielt Es ist vorteilhaft, Zucker und Stärken zu verwenden, die ungefähr die gleiche Abbaugeschwircdigkeit haben. Einfache Kohlenhydrate werden auf Grund ihrer höheren Abbaugeschwindigkeit den polymeren Kohlenhydraten vorgezogen. Preis und Verfügbarkeit sind jedoch wahrscheinBch der wichtigste Faktor bei der Entscheidung, welcher Rohstoff verwendet werden soll. Niedrigsiedende Säuren werden hochsiedenden Säuren vorgezogen, weil sie während des Preßvorganges vom Holz entfernt werden, wodurch die Möglichkeit, daß die Säure den abgebundenen Holzzellstoff während einer langen Lagerzeit angreift, praktisch ausgeschlossen wird.
Die PreSbedingungen sind sehr unterschiedlich und hängen von Variablen, wie der Art des Kr-hlenhydrats, der Art des Holzes und Art und Menge des Katalysators sowie den Anforderungen an das Produkt ab. Wie dies bei jedem System der Fall ist, ist die Preßdauer um so länger, je niedriger die Temperatur ist und umgekehrt Die Preßtemperatur darf nicht über der Temperatur liegen, bei der der Holzfaserstoff verkohlt Ebenso darf der Druck nicht über dem Wert liegen, bei dem der Holzfaserstoff zerdrückt wird. Bevorzugt wird eine Temperatur im Bereich von 140° bis 2000C und ein Druck im Bereich von 5 bis 25 bar. Die Preßdauer, die unter diesen Bedingungen erforderlich ist, beträgt im allgemeinen 03 bis 2 Minuten pro mm Dicke.
Die Erfindung ist auf alle Verfahren des Verbindens von Holz, z. B. für die Herstellung von Sperrholz, Faserplatten und Spanplatten aus Holzspänen und Sägemehl, Lagenholz und anderen flächigen Verbundprodukten aus Holz anwendbar. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, z. B. Faserplatten und Spanplatten, wird in der gSeichen Weise wie bei der Herstellung von Sperrholz gearbeitet mit dem Unterschied, daß der feinteilige Holzfaserstoff vom Träger, der das Kohlenhydrat und die Säure enthält, gut bedeckt wird, was durch Aufsprühen und Mischen erreicht werden kann, worauf die Platte gefon.it und in der Presse verpr-aBt wird.
A. usführungsformen der Erfindung werden in den folgenden Beispielen beschrieben. In diesen Beispielen beziehen sich die Prozentsätze auf das Gewicht.
Beispiel 1
50
Furniere aus Douglas-Fichte, die eine Größe von 130 cm im Quadrat und eine Dicke von 2,5 mm und einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 4% hatten, wurden einseitig mit einer wäßrigen Lösung, die 25% Saccharose, 25% Stärke und 1% Schwefelsäure enthielt, in einer Menge von etwa 180 g Lösung pro m2 Fläche gestrichen. Nach dem Auftrag der Lösung wurde ein dreilagiges Sperrholz durch Heißpressen in einer üblichen Presse für 7 Minuten unter einem Druck von 12 bar bei einer Temperatur von 1700C hergestellt. Die Scherfestigkeit bei 20 Proben wurde mit 1,57 N/mm2 ermittelt. Dieser Wert ist mit der Scherfestigkeit ähnlicher Produkte vergleichbar, die mil einem Klebstoff auf Basis von Phenol-Formaldehydharz verleimt worden sind. Die Scherfrstigkeit nach 4 Stund??) in siedendem Wasser, anschließendem 20stündigem Trocknen bei 530C und weiteren 4 Stunden in siedendem Wasser betrug 0,79 N/mm2.
Beispiel 2
Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß die mit der gleichen Trägerlösung gestrichenen Furniere vor dem Pressen in einem Ofen 5 Minuten bei 1400C gehalten wurden, wo bei die Oberflächen der Furniere sich dunkel färbten, und die Preßdauer auf 5 Minuten verkürzt wurde. Die Festigkeitseigenschaften waren ungefähr die gleichen wie in Beispiel 1.
Beispiel 3
Eine wäßrige Lösung, die 25% Saccharose, 25% Weizenmehl und 1% Schwefelsäure enthielt wurde gekocht bis sie sich dunkel färbte. Dies erforderte etwa 30 Minuten. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung zur Herstellung von Sperrholzplatten aus Douglas-Fichte unter den in Beispiel 2 genannten Bedingungen verwendet. Die Festigkeitseigenschafteii waren ungefähr die gleichen wie in den vorherigen Beispielen.
Beispie! 4
Spane aus Douglas-Fichte mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 4% wurden mit einer wäßrigen Lösung besprüht die 25% Saccharose, 25% Stärke und 1% Schwefelsäure enthielt Die Lösung wurde in einer Menge von etwa 10% des Holzgewichts verwendet Die besprühten Späne wurden zu einer Platte geformt, die in eine Heißpresse, deren Preßplatten bei einer Temperatur von 1700C gehalten wurden, überführt und 7 Minuten zu einer Spanplatte verpreßt wurde. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden Prüfungen zur Bestimmung der inneren Bindefestigkeit durchgeführt Hierbei wurde eine innere Bindefestigkeit von etwa 0,5 N/mm2 festgestellt Dieser Wert liegt über den Anforderungen der Normen. Die Bindefestigkeit war nach 4stündigem Kochen unverändert.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß der Auftrag einer geringen Menge Kohlenhydrat und Säure auf die zu verbindenden Flächen zur Ausbildung einer Bindung unter Einwirkung von Wärme und Druck fuhrt Die Bindefestigkeit ist mit der mit üblichen Klebstoffen erzielbaren Bindefestigkeit vergleichbar, und die erhaltenen Verklebungen sind wasserfest. Der wirtschaftliche Vorteil eines solchen Systems ist groß, weil die verwendete Menge des Kohlenhydrats nur etwa V3 der Klebstoffmenge beträgt, die unter den gleichen Bedingungen verwendet würde. Die Kosten der Kohlenhydrate, die in diesem Abbindesystem geeignet sind, z. B. Melacsen, machen nur etwa '/3 bis '/5 des Preises der am häufigsten verwendeten Klebstoffe, z. B. der Kunstharzleime auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd- oder Phenolformaldehyd-Harzen aus.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verpressen von festen Holzfaserstoffmaterialien bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines auf eine Oberfläche des Materials aufgebrachten Bindungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bindungsmittel verwendet wird, das wenigstens ein Kchlenhydrat sowie eine Säure, die die Hydrolyse des Kohlenhydrats zu katalysieren vermag, in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das im Bindungsmittel enthaltene Kohlenhydrat, enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bindungsmittel verwendet wird, das als Kohlenhydrate Cellulose, eine Hemicellulose, einen Zucker und/oder eine Stärke enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bindungsmitiel verwendet wird, das wenigstens einen Zucker und wenigstens eine Stärke enthält
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß ein Bindungsmittel verwendet wird, das als Säure Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure oder Essigsäure enthält
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß ein Bindungsmittel verwendet wird, das einen flüssigen, mit Holzfaserstoff nicht reagierenden Träger enthält
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmittel auf die Oberfläche des Materials in einer Menge, die 20 bis 320 g Kohlenhydrat/m2 Oberfläche entspricht, aufgebracht und bei einer Temperatur von 140°C bis 2000C und unter einem Druck von 5 bis 25 bar mit dem Material verpreßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das Bindungsmittel vor dem Auftrag auf die Oberfläche erhitzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Holzfaserstoff feinteiliges Holz oder Holzfurniere verwendet werden.
DE2506346A 1974-02-22 1975-02-14 Verfahren zum Verpressen von festen Holzfaserstoffmaterialien Expired DE2506346C2 (de)

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