DE2949769A1

DE2949769A1 - Kompositmaterial

Info

Publication number: DE2949769A1
Application number: DE19792949769
Authority: DE
Inventors: Jun William Charles Arney
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-12-12
Filing date: 1979-12-11
Publication date: 1980-06-19
Also published as: GB2039514B; JPS5735107B2; CA1129271A; GB2039514A; DE2949769B2; JPS5579148A; US4212928A

Description

PATENTANWÄLTE

Dipwng. P. WIRTH ■ Dr. V. SCH MIE D-KOWARZIK Dipi.-ma. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL

SO 24 SIEGFRIEOSIRASSE B TELEFON (08.) ^ _MONCHEN „

SK/SK

C-12281-G

Union Carbide Corporation

270 Park Avenue

New York, N.Y. 10017 / USA Kompositmaterial

030025/0796

Holz ist das Konstruktionsmaterial für unzählige, für den
modernen Wohnbereich verwendete Gegenstände. Aus Gründen
der Zweckmäßigkeit, Gesundheit, Formgebung, Dauerhaftigkeit, allgemeinen Ästhetik usw., wird die Holzoberfläche oft
einer oder mehrerenFinischingbehandlungen, wie Beizen,
Grundieren, Lazieren ("glace coating"), Lackieren ("top
coating") usw. unterworfen. Die erfolgreiche Anwendung
dieser Behandlungen hängt jedoch von der richtigen Überflä- { ehe ab, auf welche die überzüge aufgebracht werden. Die j natürliche Holzoberfläche ist für ein optimales Verhalten
des anschließend aufgebrachten Überzuges gewöhnlich zu ι rauh und zu porös. Zur Beseitung dieses Problems wurde von ■■ der Fachwelt ein Materialgebilde bzw. Kompositrriaterial ge- !

is schaffen, das auf der Holzoberfläche gebildet wird. Das j Kompositmaterial besteht aus einer Holzcelluloseschicht j auf der Oberfläche des Gegenstandes, der in eine auf die '

Oberfläche aufgebrachte Nitrocelluloseniatrix eingebettet
ist. Das Kompositmaterial wird gebildet durch Aufbringung i eines in organischen Verdünnungsmittel gelösten Nitrocellu- ^! losepolymeren auf die natürliche Holzoberfläche mit anschlie ßendem Trocknen an der Luft oder ,in einem Ofen. Dieses Holz-; cellulose/Nitrocellulose-Komposit, das so gebildet wurde, ! dient dann als zu überziehende Oberfläche. Diese neue Ober- J fläche läßt sich gut sandbehandeln und hinterläßt eine j glatte, praktisch nicht-poröse, sandbehandelte Oberfläche,
die für das gute Verhalten der anschließend aufgebrachten
überzüge notwendig ist.

Dieses Verfahren zum Verändern eines natürlichen Holzes
zwecks besserer Annahme von Finischbehandlungen hat zahlreiche immer wichtiger werdende Nachteile. Da das Nitrocellulosepolymere in einem organischen Verdünnungsmittel
gelöst auf die natürliche Holzoberfläche aufgebracht werden

muß, werden beim anschließenden Trocknen große Mengen an
organischem Lösungsmittel an die umgebende Atmosphäre freigesetzt, was ernstliche Probleme durch Brennbarkeit und .;

030025/0796

Α 9^97

Explosionsgefahren sowie für die Gesundheit der Werktätigen durch Lösungsr/iitteldärapfe am Arbeitsplatz und für die Öffentlichkeit mit sich bringt, wenn diese Dämpfe an die Umwelt entlüftet werden. Weiter hat der Verlust des immer teurer werdenden, organischen Lösungsmittels in der Trocknungsstufe dieses Verfahren der Holzbehandlung wirtschaftlich immer unattraktiver gemacht. Maßnahmen zur Kontrolle dieser Probleme, wie Ventilatoren und Leitungen zur Regelung oder Verteilung der Dämpfe und Rückführung zwecks Einfangen des Lösungsmittels sind kostspielig und energieintensiv.

Als Antwort auf diese Probleme wurde von der Fnchwelt versucht, Latexiiberzüge in Wasser zu schaffen, um die Verwendung großer Mengen organischen Lösungsmittel zu vermeiden. Es sind verschiedene derartige Systeme entwickelt worden, die sich Jedoch alle zur Behandlung von natürlichem Holz als unbefriedigend erwiesen haben, weil das versiegelte Holzsubstrat bisher schlecht sandzubohandeln war. Der durch

die Sandbehandl''ng derartiger behandelter Oberflächen gebilj dete Staub klebt bzw. schmilzt schnell auf dem Sandbehand-. lungsmittel (wie Sandpapier) und macht das Mittel in sehr kurzer Zeit wertlos.

Daher würde ein Cellulose-Polymer-Komposit von großem Vorteil sein, das man als Oberfläche von natürlichem Holz durch Aufbringung eines in Wasser enthaltenen, polymeren Materials auf die natürliche Holzoberfläche bilden könnte und das _M eine neue Oberfläche ergäbe, die durch ihre guten Sandbearbeitungseigenschaften zu einem glatten, nicht-porösen überzug bzw. Finisch ohne schnelle Zerstörung des Sandbehandlungi mittels abgesendet werden könnte.

Es wurde nun gefunden, daß bestimmte, im folgenden definierte polymere Mischungen, die in Wasser dispergiert werden, auf natürliche Holzoberflächen aufgebracht werden können ,und zusammen mit dem Holz ein Kompositmaterial bilden, das eine

030025/0796

0 »

neue Holzoberfläche mit überraschend guten Sandbehandlungseigenschaften liefert und nach Sandbehandlung zu einer glatten, nicht-porösen Oberfläche ein gutes Verhalten der anjschließend bei Finischbehandlungen aufgebrachten Überzüge ergibt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Holzcellulose/Polymer-Komposit, das auf der Oberfläche eines einer «o Finischbehandlung zu unterwerfenden Gegenstandes gebildet wird, sowie auf das Verfahren zur Herstellung dieses Komposites.

Der Holzcelluloseanteil des Komnosites ist die Oberfläche is irgendeines, aus irgendeinem natürlichen Holzmaterial, einschließlich weiche Hölzer, wie Kiefer, Fichte, Balsa usw., und Harthälzer, wie Walnuß, Eiche, Kirsche usw., gebildeten Gegenstandes. Diese Gegenstände können fabrizierte HoIzstücke, wie Möbel, Furniere, Sperrholzplatten, Türen, verschiedene, zugeschnittene Bretter, wie Hartspanplatten, ("hardboards"), Holzmehlplatten ("particle board") oder Preßplatten aus Holznebenprodukten, sowie einfache Bretter, j wie Bauholz, Fußbodenfliesen, "Millwork" usw., umfassen.

Der Polymeranteil des Komposits wird als wässriger Latex mit einer Gewichtszusammensetzung von etwa 50 bis etwa 60 % Methylmethacrylat, etwa 35 bis etwa 45 % Äthylacrylat, etwa 1 bis etwa 8 % Methacrylsäure und 0 bis etwa 1 % Pentaerythrittriacrylat mit etwa 65 % Tetraacrylatgehalt

μ verwendet.

Der wässrige Latex wird hergestellt, indem man zuerst eine Vormischung der Monomeren bildet und 0,4 Gew. -% AEROSOL OT^ zufügt. Ein Rührreaktor wird mit 5 Teilen deionisiertem Wasser pro Teil Monomerenmischung beschickt. Der Reaktorinhalt wird unter Rühren auf 70⁰C gebracht, und die Hälfte der Monomerenmischung wird in den Reaktor gegeben. Nach 10 Minuten wird 0,01 Teil Ammoniumpersulfat pro Teil gesamte

030025/0796

MonomereniTiischung als 5-%ige Wasserlösung eingeführt. Wenn die exotherme Reaktion nachläßt, wird die restliche Konome· renmischung mit ausreichender Geschwindigkeit in den Reaktor gegeben, um die Temperatur auf 70 bis 75°C zu halten. Nach beendeter Zugabe wird der Reaktorinhalt eine Stunde auf 75 + 5°C gehalten.

Der wässrige Latex wird auf die natürliche Holzaberfläche nach jedem üblichen Uberzugsverfahren aufgebracht, wie Aufsprühen, direktes oder Umkehrwalzenüberziehen, Aufstreichen, Vo-rhangüberziehen, Fluten, Fließüberziehen, Eintnuchüberziehen usw. Nach Aufbringung auf die Celluloseoberfläche dringt der aufgebrachte überzug etwas in die obere Oberfläche des Cellulosegegenstandos ein, während ein Teil des Material auf der Oberfläche verbleibt. Dann wird die flüchtige wässrige Phase durch Trocknen bei Zimmer- oder erhöhter Temperatur entfernt.
i

I₂O Die zum Trocknen des Holzgegenstandes notwendige Zeit j variiert und hängt von der Dicke des Überzugs, der Trocknungstemperatur, der Holzart und,,anderen, üblichen Faktoren ab.

j₂₅ Das Holzcellulose/Polymer-Komposit ist die Oberfläche des Holzgegenstandes, auf die etwa 0,025 bis etwa 0,25 mm des obigen Latex aufgebracht wurden.

Bekanntlich umfaßt der wässrige Latex oberflächenaktive 3Q Mittel und Katalysatoren, die seine Herstellung aus der Monomerenraischung erleichtern. Gegebenenfalls können auch zahlreiche andere bekannte Zusätze im Latex zur Verbesserung verschiedener Aufbring- und Endverwendungseigenschaften mitverwendet werden. So können Glykoläther oder andere Kolösungsmittel zur Verminderung der Filmbildungstemperatur der Latexteilchen, Zinkstearat oder andere Absandhilfen zur Verringerung der Reibung und Mineralpigmente . oder Streckmittel zwecks Füllung und/oder Deckkraft anwesend sein. Weiterhin können im System auch Entschäumungsmittel,

030025/0796

29i'976S

Biozide, Dickungsmittel, Antigefriermittel, Keutralisierungs mittel und andere in der Uberzugsindustrie bekannte Zusätze zweckmäßig sein. Art und Menge des oder der zur wässrigen LatexdJspersion zugegebenen Zusätze hängen vom beabsichtigten Endverwendungszweck, der verwendeten Holzart und anderer bekannten Variablen ab.

In einer typischen Ausführungsform wird ein wässriger Latex >o nach bekannten Verfahren durch Umsetzung von Methylmeth-' acrylat, Äthylacrylat, Methacrylsäure und Pentaerythrittriacrylat gebildet. Diesem Latex werden der Monobutyläther j von DiMthylenglykol und Zinkstearat zugefügt, und das erhaltene (Jberzugspräparat wird auf die HolzoberfHache aufge-'i5 bracht, getrocknet, gesandet und einer Finischbehandlung unterworfen.

Die vorliegende Erfindung ist vielseitig verwendbar und geeignet, wann immer ein Versiegelungsmittel vor einer Finischbehandlung, wie Beizen, Grundieren, Lazieren, Lackierungen usw., auf natürliches Holz aufgebracht wird.

Die vorliegende Erfindung hat gegenüber bisher verfügbaren Verfahren der Holzversiegelung zwecks Vorbereitung für j

die Finischbehandlung zahlreiche Vorteile. Da das erfindungsfgemäße System keine großen Mengen organischer Lösungsmittel erfordert, ergeben sich entscheidende Vorteile durch verminderte Brennbarkeit und Explosionsgefahr, Gesundheits- und Umweltprobleme sowie Kosten,ebenso wie ökologische Vorteile. V/eiter zeigen die erfindungsgemäßen Präparate eine mindestens ebenso gute wenn nicht bessere Sandbearbeitbarkeit als solche, die früher durch Verwendung der bisher verfügbaren Versiegelungsmittel gebildet wurden.

Es war völlig überraschend und unerwartet festzustellen, daß das Holzcellulose/Polymer-Komposit, das auf der Oberfläche von natürlichem Holz durch Aufbringung einer Wasserlatexdispersion aus Methylmethacrylat, Äthylacrylat, Meth-

030025/0796

acrylsäure und Pentaerythrittriacrylat und Trocknenlassen gebildet wird, solch gute Sandbehandlungseigenschaften haben und eine abgesandtete Oberfläche liefern würde, die ebenso verträglich oder verträglicher ist als die durch Verwendung der derzeit verfügbaren Versiegelungsmittel und anschließendes überziehen zwecks Finischbehandlung hergestellte Oberfläche.

Zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und zum Vergleich mit üblichen, derzeit verwendeten Versiegelungsmitteln wurden zwei überzüge A und 13 hergestellt, überzug A ist ein typisches, zur Z?it verwendetes Versiegelungsmittel, während überzug B eine Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen

ts in Wasser enthaltenen polymeren Latexkompositanteils ist. Die beiden überzüge hatten die folgende Zusammensetzung: überzug A

18,8 Gew.-% Nitrocellulose, Kokosnußalkyd und Weichmacher, gelöst in einem Toluol-, Isopropanol- und Methylisobutylketonverdünnungsmittel.
überzug B

41 Gew.-Joige wässrige Dispersion.,eines Latexpolymeren (Polymergewichtszusammensetzung: 57 % Methylmethacrylat, 38 % Äthylacrylat, 4,8 % Methacrylsäure und 0,2 % Pentaerythrittriacrylat), der 10 Teile des Monobutyläthers von Diäthylenglykol und 4 Teile Zinkstearat pro 100 Teile Polymeres zugefügt sind. Die beiden überzüge wurden, wie in den folgenden Beispielen gezeigt, auf cellulosische Holzoberflächen aufgebracht.

Beispiel 1_

Zwei Bretter aud reischichtem Birkensperrholz wurden unter Verwendung eines mit Nr. 30 Draht umwickelten Tiefziehstabes mit überzug Λ bzw. B überzogen. Die nassen Bretter wurden 1 Minute in einem Druckluftofen mit einer Lufttemperatur von 200⁰C getrocknet. Vier Stücke aus 2,54 cm χ 5,1 cm 400 grit Sandpapier wurden genau gewogen und dann an einem Metallbock von 900 g Gewicht angebracht. Dann wurde das ■ Gewicht in solcher Weise an einem reziprozierenden Motor*

030025/0796

angebracht, daß sich Block und angebrachtes Papier in horizontaler Richtung vor und zurück bewegten und dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Bewegungen pro Minute einen Veg von 2,54 χ 10,2 cm bedeckten. Beim Auflegen auf ein Holzbrett lieferte diese Vorrichtung eine reproduzierbare Sandbearbeitungsv/irkung. Wach 50 Bewegungen wurde jedes Stück Sandpapier entfernt und gewogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I Üb er ZUf A Überzug B Test 1 'fest 2 Test 1 Test 2" Papiergewicht; g

vor Sandbehandl. 0,64700 0,55445 0,57966 0,59835 nach Sandbehandl. 0,64675 0,55571 O.57F95 0,59795 Gewichtszunahme (0,00025) 0,00126 (0,00071) (0,00040) (Verlust)

Die auf Überzug A verwendeten Sandpapiere zeigten eine durchfschnittliche Gewichtserhöhung von etwa 0,10 %, während, die auf überzug B verwendeten Sandpapiere eine etwa 0,10-^ige durchschnittliche Gewichtsabnahme zeigten. Eine Untersuchung der Papiere zeigte, daß überzug A. eine sichtbare Akkumulierung von Abscheidun^en auf dein Papier gebildet hatte, was die Gewichtszunahme erklärte; dagegen bildete Überzug B keinerlei Ablngerung, was zu einem Gewichtsverlust führt, da die Snndkörnung normalerweise vom Papier abgerieben wird. Auf jedem Brett wurde das Zentrum der gesandeten Flächen unter einem Elektronenmikroskop untersucht. Bei 100-facher Vergrößerung zeigte sich kein sichtbarer Unterschied der

3ü Oberflächenglätte zwischen der mit überzug A bzw. B überzogenen Oberfläche. Dies zeigt, daß man erfindungsgemäß überzogene Kompositgegenstände mit ausgezeichneten Sandbehandlungseigenschaften erhält, indem die wirksame Lebensdauer des Sandpapieres durch die Vermeidung von Ablagerungen auf dem Papier verlängert und weiter eine ebenso glatte, sandbehandelte Oberfläche erhalten wird wie bei Verwendung eines derzeit üblichen Versiegelungsmittels.

030025/0796

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 beschriebene Sandbehandlungsvorrichtung wurde in der dort angegebenen Weise verwendet, wobei Jedoch s ein foärrneelement zwischen das Papier und den Metallblock gegeben wurde. Dann wurden verschiedene Proben wie beiden wie in Beispiel 1 überzogenen und verwendeten Bretter abgesandet. Nach 50 Bewegungen auf dem Überzug A enthaltenden Brett wurde eine Temperaturerhöhung von 12,2°C gemessen.

Nach 50 Bewegungen auf dem überzug B enthaltenden Brett betrug die Temperaturerhöhung nur 10,2⁰C, d.h. eine um 16 % geringere Temperaturerhöhung. Dieses Beispiel veranschaulicht die ausgezeichneten Sandbehandlungseigenschaften der erfindungsgemäßen Gegenstände, indem die niedrigere

is Temperaturerhöhung eine geringere Hemmung/au? dem Papier widerspiegelt, was zu einem leichteren, manuellen Absanden und zur vermindertem Energieanforderung beim mechanischen Sanden führt.
Bei spiel 3_

Ein ähnliches Stück Birkensperrholz wie in Beispiel 1 wurde auf einer Seite mit Überzug A und anf der anderen mit überzug B versiegelt; die Überzüge wurden mit Bürste bzw. Pinsel aufgebracht. Das Brett wurde 1 Stunde unter normalen Bedingungen getrocknet und dann mit 400 grit Sandpapier auf beiden Seiten abgesandet. Dann wurde überzug A mit der Bürste als klarer oberer überzug auf beiden Seiten aufgebracht und über Nacht trocknen gelassen. Auf beiden Seiten wurde der Prozentsatz an reflektiertem, bei 60° einfallendem Licht mit den folgenden Ergebnissen bestimmt: mit überzug A versiegelte Seite 35 + 1 %

mit Überzug B versiegelte Seite 35 + 1 % Dieses Beispiel zeigt, daß man eine erfindungsgemäße Oberfläche erhält, die einen oberen überzug mit einem Nitrocelluloselack der derzeit üblichen Art annimmt.

030025/0798

- AA £949769

Beispiel 4

Drei als I, II und III markierte Sperrholzbretter wurden der Länge nach in zwei gleiche Hälften geteilt. Die obere ⁵ Oberfläche der Bretter war wie folgt:

I Kiefer

II Eiche

III Walnuß

Eine Hälfte jedes Brettes wurde mit Überzug A, die andere mit überzug B überzogen. Die Bretter wurden über Nacht trocknen gelassen und dann mit 400 grit Papier glatt gesandet. Ein No. 30 Tiefziehstab wurde zum Aufbringen eines äwssrigen Latexüberzuges der folgenden Zusammensetzung verwendet:
is 100 g Präparat, enthaltend

45 Gew.-% Ä'thylacrylat

45 Gew.-% Styrol ·

5 Gew.-% 2-Hydroxyäthylacrylat 5 Gew.-# Methacrylsäure

Dann wurden die Bretter 1 Minute ein einen bei einer Lufttemperatur von etwa 150⁰C arbeitenden Druckluftofen gegeben. Die Ergebnisse der Glanzwerte (60° Reflektanz) sind in Tabelle II gezeigt.
Tabelle I

Holzbrett Reflektanz; #'

halb mit A versiegelt halb mit B versiegelt

I 25 35

II 35 45

III 65 80

Dieses Beispiel zeigt, daß man erfindungsgemäß eine Oberfläche erhält, die mit anschließend aufgebrachten Decküberzügen auf Wasserbasis verträglicher ist als ein übliches, Nitrocelluloseversiegelungsmittel.

030025/0796

Claims

Patentansprüche

1,- Kompositmaterial, umfassend Holzcellulose und als Versiegelungsmittel ein Polymeres aus

(a) 50 bis 60 Gew.-% Methylmethacrylat,

(b) 35 bis 45 Gew.-% Äthylacrylat,

(c) 1 bis 8 Gew. -% Methacrylsäure und

(d) ο bis 1 Gew.-% Pentaerythrittriacrylat.
2.- Vorfahren zur Bildung eines Kompositmaterials gemäß

j 10 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Überzug

I auf einer wässrigen Dispersion eines polymeren Präparates

! gemäß Anspruch 1 auf eine natürliche Holzoberfläche auf-

j bringt und anschließend trocknen läßt. I Der Patentanwalt*

j 15 / ι ,, ·

! if-

A„v

030025/0 7 96

ORIGINAL INSPECTED