DE2538999C3

DE2538999C3 - Bindemittelkomponente für Polyurethan-Bindemittel

Info

Publication number: DE2538999C3
Application number: DE19752538999
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr. 1000 Berlin Kamlander
Original assignee: Lignotock Verfahrenstechnik GmbH
Current assignee: Lignotock Verfahrenstechnik GmbH
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1981-10-22
Also published as: ATA562076A; CH622534A5; AT352396B; DE2538999A1; DE2538999B2

Description

Es ist bekannt, zum Binden pulver-, faser-, span- oder granulatförmiger Stoffe nach Preß- bzw. Heißpreßverfahren Bindemittel auf der Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen, Phenol-Formaldehyd-Harzen oder Melaminharzen zu verwenden. Auch wurde schon vorgeschlagen, Epoxyharze und Polyurethan-Systeme (Polyol-Polyisocyanat-Systeme) zu verwenden. Die Verwendung von Polyurethan-Systemen (PU-Systemen) als Bindemittel war bisher in vielen Fällen unwirtschaftlich, weil große Mengen Polyol und Isocyanat benötigt wurden, um bei damit gebundenen Materialien vergleichbare Festigkeiten wie mit anderen Bindemitteln zu erreichen.

PU-Systeme haben jedoch ganz spezielle Vorteile, da die Isocyanatkomponente durch ihre hohe Reaktionsfähigkeit mit protonenaktiven Gruppen an vielen Oberflächen chemische Bindungen eingeht und dadurch hervorragende Verklebungen ergibt. PU-Systeme lassen sich daher bekanntlich zum Verbinden der verschiedensten Materialien verwenden. Außer dem relativ hohen Preis standen aber bisher noch zwei rein technische Hindernisse einer breiteren Verwendung von PU-Systemen als Bindemittel entgegen.

Es ist Stand der Technik, daß z. B. bei der Spanplattenfertigung der eingesetzte Leim (meistens ein Harnstoff-Formaldehyd- oder ein Phenolharz) optimal fein verdüst werden muß, um hohe Festigkeiten zu erreichen. Es ist aus der Fachliteratur bekannt, daß die Festigkeit von Spanplatten eine Funktion der Tröpfchengröße des zugedüsten Leimes ist (»Technologie der Spanplatte«, Deppe & Ernst. Holz-Zentralblatt Verlags GmbH, Stuttgart, Seite 128). Das deutlich erkennbare Maximum liegt danach bei einer Tröpfchengröße <10μιη. Die Tröpfchengröße ist einer experimentellen Überprüfung leicht zugänglich, da die Tröpfchen auf Glasplatten aufgefangen und unter dem Mikroskop vermessen werden können. In der techni sehen Praxis werden jedoch Tröpfchengrößen unter 100 μτη nur selten erreicht.

Höhermolekulare Polyolverbindungen sind auf Grund der vielen Wasserstoffbrückenbindungen dickflüssig, ja sogar zähflüssig und lassen sich auch durch Temperaturerhöhung nur unwesentlich dünnflüssiger

machen. Es ist also nicht möglich, diese höherviskosen

Flüssigkeiten direkt fein genug zu verdüsen. Gerade dies ist jedoch eine unabdingbare Notwendigkeit für einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz. An sich im Einzelfall verwendbare organische Lösungsmittel wie Aceton sind aus Gründen des Brandschutzes, der Kosten und des Umweltschutzes für die technische Praxis nicht sinnvoll.

Es ist ferner bekannt daß man die Eigenschaften von

durchgehärteten Zweikomponentensystemen durch geeignete Auswahl der einzelnen Komponenten in einem weiten Bereich variieren kann. Es ist dazu notwendig, etwa bei PU-Systemen die Isocyanatkomponente aus mehreren verschiedenen Isocyanaten zu mischen oder auch für die Polyolkomponente nicht ein einheitliches Polyol, sondern ein Gemisch aus mehreren Polyolen zu verwenden. Je nach Kettenlänge und/oder Verzweigungen der einzelnen Polyole lassen sich bekanntlich die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten und durchreagierten Systems in weiten Bereichen einstellen.

Diese bekannte und viel benutzte Variationsmöglichkeit ist aber auf dem PU-Gebiet mit der Schwierigkeit verbunden, daß sich nur wenige Polyole miteinander mischen lassen. In dem Kunststoffhandbuch »BAYER Kunststoffe«, 3. Ausgabe, Leverkusen 1963, Seite 60, ist diese Tatsache in einem besonderen Absatz hervorgehoben.

Es wurde nun gefunden, daß die beiden oben skizzierten grundsätzlichen Schwierigkeiten, die einer Verwendung von PU-Systemen als Bindemittel für pulver-, faser-, span- oder granulatförmige Stoffe bisher zum Teil entgegenstanden, dadurch überraschenderweise vermieden werden können, daß man die Polyolkomponente kolloidal in Wasser als flüssiger Trägerphase löst.

Aus der DE-OS 23 30 601 ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethan in fein verteilter Form bekannt, bei dem Bindemittelkomponenten eingesetzt werden, die aus mindestens einem in einer flüssigen, gegenüber den Reaktanten inerten Trägerphase dispergierten Polyol und ggf. grenzflächenaktiven Mitteln und/oder Stabilisatoren bestehen.

Als Trägerphasen sind lediglich organische Lösungsmittel bzw. Kohlenwasserstoffe oder halogenierte Kohlenwasserstoffe, nicht jedoch wäßrige Medien, angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bindemittelkomponenten für PU-Bindemittel anzugeben, die hinreichend niedrigviskos sind, daß sie sich bei der Verwendung fein verdüsen lassen, aber keine organisehen Lösungsmittel enthalten, und auch den Einsatz von Polyolgemischen erlauben.
Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß ein Wasseranteil in der Polyolkomponente die Reaktion des Polyols mit dem Isocyanat nicht stört, wenn das Polyol kolloiddispers in Wasser dispergiert ist. Ferner wurde bisher davon ausgegangen, daß z. B. Holzspäne oder Holzstaub einen in sehr engen Grenzen liegenden Feuchtigkeitsgehalt besitzen müssen, um zu qualitativ befriedigenden Teilen verpreßt werden zu können. Die erfindungsgemäße PU-Bindemittelkomponente, deren Wassergehalt sich in einem weiten Bereich in einfacher Weise verändern läßt, gestattet es nun, durch eben diesen einstellbaren Wassergehalt die Gesamtfeuchtigkeit im beleimten Preßgut genau einzuhalten. Die Messung der Feuchte im Preßgut vor der Beleimung ist etwa durch Dekametrie, also durch Messung der Dielektrizitätskon-

stante des Materials, schnell und einfach möglich.

Im Zuge von Versuchen, deren Ziel es war, die Bindemitteimengen herabzusetzen und die Wasserempfindlichkeit von PU-Bindemitteln kennenzulernen, wurde gefunden, daß sich Polyole in Wasser kolloidal 5 lösen lassen. Diese Lösungen sind leicht opalisierend, zeigen den Tyndalleffekt und besitzen besonders bei höherem Wasseranteil eine sehr niedrige Viskosität. Sie bestehen zu etwa 5 bis 45% und insbesondere 10 bis 30% aus Polyol und zu etwa 0,02 bis 2,5% aus einem grenzflächenaktiven Mittel, wobei der Rest Wasser ist Derartige kolloidale Lösungen von an sich wasserunlöslichen Polyolen lassen sich nun auf Grund ihrer niedrigen Viskosität sehr einfach verdüsen und z. B. mit pulver-, faser-, span- oder granulatförmigem Mahlgut gleichmäßig vermischen. Die passende Menge an Polyisocyanat kann der kolloidalen Polyollösung vor, während oder vorzugsweise nach dem Vermischen aiit dem zu verbindenden Mahlgut zugegeben werden, z. B. ebenfalls durch Verdüsen. Danach kann in an sich bekannter Weise unter erhöhter Temperatur und Druck zu beliebigen Formteilen verpreßt werden.

Beim Heißpressen können keine brennbaren Dämpfe entstehen, weil keine brennbaren Lösungsmittel verwendet werden. Der Wassergehalt des Bindemittels schließt zudem Staubexplosionen weitgehend aus. Das mit der Polyollösung behandelte staub-, faser-, span- oder granulatförmige Gut ist längere Zeit lagerfähig.

Es hat sich sogar als günstig erwiesen, die wäßrige Polyollösung einige Zeit auf das zu bindende Material Jo einwirken zu lassen, weil dabei der Wasseranteil der ,Lösung in die zu verbindenden Partikel hineindiffundiert. Das führt dazu, daß das höhermolekulare Polyol an der Oberfläche dieser Teilchen in aufkonzentrierter Form zurückbleibt und mit dem hinzukommenden Polyisocyanat reagieren kann.

Die an Preßteilen ermittelten Werte etwa der Biegefestigkeit beweisen die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Bindemittelsystems. Trotz der bekannten Streuung der Meßwerte von Biegebruchversuchen läßt eine statistische Untersuchung mit einem Bestimmtheitsmaß von /·² = 0,91 den Schluß zu, daß die Abhängigkeit der Biegebruchlast vom Bindemittelanteil einer logarithmischen Beziehung folgt (Bruchlast= a + b, Bindemittelgehalt Vo). Die Konstante a hat einen Wert von ca. 2 bis 25, die Konstante b von etwa 8 bis 25 (Biegebruch nach DIN 52 352, Proben 50 mm breit und 10 mm dick).

Die im Bereich von 2 bis 10 Gew.-% PU-Anteil gemessenen Festigkeiten zeigen, daß bereits bei einem PU-Anteil von etwa 5% die für Qualitätsspanplatten notwendigen Biegefestigkeiten erreicht werden können. Die anwendungstechnischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bindemittelkomponente mit der kolloidalen Lösung des Polyols gestatten es, überraschend viele verschiedenste Materialien in Pulver-, Faser-, Span- oder Kornform miteinander zu verbinden. Hierbei können grenzflächenaktive Mittel und Schutzkolloide ebenfalls einen Einfluß ausüben, der allerdings bisher noch nicht näher untersucht wurde. So gelingt es z. B., den in der Spanplattenindustrie als Abfallmaterial anfallenden feinkörnigen Schleifstaub homogen zu hochwertigen Platten zu verpressen. Auch landwirtschaftliche Abfallprodukte, wie z. B. zerkleinertes Stroh, Preßrückstände der Olivenölgewinnung, sogar mit einem bestimmten Restfettanteil, Kakaobohnenschalen, Reiskleie oder etwa Holzrindenabfälle lassen sich ohne Schwierigkeiten verbinden und z. B. durch Heißpressen

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40 nach an sich bekannten Verfahren zu den verschiedensten Gegenständen, wie Platten, Profilen oder Formteilen flach-, strang- oder formpressen. Auch anorganische Materialien, z. B. Ziegel- oder Schlackenstaub, lassen sich gut verbinden, wobei anzunehmen ist, daß in diesem Fall die Isocyanatkomponente auch mit den Hydroxylgruppen in der Oberfläche der anorganischen Teilchen reagiert

Als Polyole kommen alle in der PU-Chemie für Klebstoffe eingesetzten Polyole in Frage, z. B. lineare oder verzweigte hydroxylgruppenhaltige Polyester oder auch lineare oder verzweigte hydroxylgruppenhaltige Polyäther. Besonders vorteilhaft sind Polyäther mit einem Anteil an endständigen, also primären OH-Gruppen, da diese primären OH-Gruppen mit Isocyanat schneller reagieren als Wasser.

Ein geeigneter linearer Polyester ist ein solcher aus Adipinsäure und Diäthylenglycol, ein geeigneter schwach verzweigter Polyester ist ein solcher aus Adipinsäure, Diäthylenglycol und Triol; als Beispiel für einen verzweigten Polyester ist ein solcher aus Adipinsäure, Phthalsäure, Butylenglycol und Triol zu nennen.

Ein handelsüblicher linearer Polyäther ist ein solcher aus Propylenglycol und Propylenoxid, ein verzweigter Polyäther z. B. ein solcher aus Trimethylolpropan und Propylenoxid oder aus Amin und Propylenoxid. Auch Polyäther mit primären OH-Gruppen, die entstehen, wenn gegen Ende der Polymerisationsreaktion an Stelle von Propylenoxid mit Äthylenoxid umgesetzt wird, sind verwendbar.

Als Beispiel eines Polyäthers, der sich gut dazu eignet, gezielt die Vernetzungsdichte zu erhöhen, sei ein mit Amin gestartetes Polyol genannt

Als Isocyanatkomponente eignen sich aliphatische oder aromatische Di- bzw. Polyisocyanate; Beispiele sind

Hexamethylen-1,6-düsocyanat, Toluylen-2,4- bzw. -2,6-diisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat,
Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, sowie Triphenylmethan-4,4',4"-triisocyanat

Als Isocyanatkomponente haben sich insbesondere

Hexamethylen-1,6-diisocyanat, Toluylen-2,4- und Toluylen-2,6-diisocyanat, Naphthalin-l,4-diisocyanat und Triphenylmethan-4,4',4"-triisocyanat

bewährt.

Auch die Liste der verwendbaren Netzmittel, die zur Herstellung der kolloidalen Lösungen geeignet sind, ist überaus groß. Sie umfaßt außer ionischen und nichtionischen grenzflächenaktiven Mitteln, bzw. Schutzkolloiden auch Substanzen wie Ligninsulfonat, Dextrin und Methylcellulose, die sämtlich als Dispergierhilfen bzw. Stabilisatoren bekannt sind.

Im folgenden wird die Herstellung einer erfindungsgemäßen Bindemittelkomponente an einem Beispiel erläutert.

Beispiel

200 g eines verzweigten hydroxylgruppenhaltigen Polyesters aus Adipinsäure und Triol/Butylenglycol 1 :1 werden mit 6 g Lithiumstearylsulfonat unter kräftigem Dispergieren der beiden Flüssigkeiten mit einem Homogenisierrührer vermischt. Diesem Gemisch werden wieder unter kräftigen Dispergieren je nach dem

Feuchtigkeitsgehalt des zu beleimenden Materials zwischen 500 und 1000 g Wasser langsam zugesetzt. Es resultiert eine dünnflüssige kolloidale Lösung, die sich leicht verdüsen und mit dem zu verpressenden pulver-, faser-, span- oder granulatförmigen Material homogen vermischen läßt.

Im Hinblick auf die technischen Eigenschaften der Preßteile kann es ferner günstig sein, stall eines Polyols Gemische mehrerer kolloidal gelöster Polyole zu verwenden, die sich im Reinzustand nicht mischen lassen.

Claims

Patentansprüche:

1. Bindemittelkomponente für Polyurethan-Bindemittel, bestehend aus mindestens einem in einer flüssigen, gegenüber den Reaktanten inerten Trägerphase dispergierten Polyol und ggf. grenzflächenaktiven Mitteln und/oder Stabilisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Trägerphase Wasser ist und

— das Polyol darin in kolloiddispersem Zustand vorliegt.

2. Bindemittelkomponente nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 5 bis 45 Gew.-% Polyol und 0,02 bis 2,5 Gew.-% grenzflächenaktive Mittel, wobei der Rest aus der Trägerphase besteht.

3. Verwendung der Bindemittelkomponente nach einem der Ansprüche 1 und 2 zum Verbinden von pulver-, faser-, span- oder granulatförmigen Stoffen unter Druck- und Wärmeeinwirkung.