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B e s c h r e i b u n g
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Verfahren zur Herstellung eines nicht-klebrigen Harnstoff/Formaldehyd-Harzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nicht-klebrigen Harnstoff/Formaldehyd-Harzes.
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Harnstoff/Formaldehyd-Harze sind besonders geeignet zur Herstellung
von Faserplatten aus Lignocellulosematerial.
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Bisher ist es üblich, daß der Hersteller solcher Faserplatten ein
Harnstoff/Formaldehyd-Prekondensat bezieht und das Harz aus diesem Prekondensat
selbst herstellt.
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Harnstoff/Formaldehyd-Prekondensate sind im Handel erhältlich als
Formaldehyd-Lösungen mit hoher Konzentration, die mit Harnstoff stabilisiert sind
und zur Herstellung von Harnstoff/Formaldehyd-Harzen geeignet sind.
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Das Prekondensat wird-mit Harnstoff (oder Harnstoff und Melamin) umgesetzt
um ein Harz zu erhalten, das angewandt wird, um die Lignocellulose-Fasern (vorzugsweise
Weichholz wie Pinierr; Eukalyptus-; Pappe holz und ähnliches; es können jedoch auch
andere Hölzer und Produkte wie Bagasse, Stroh usw. angewandt werden)zu imprägnieren
und die imprägnierten Fasern
werden anschließend in eine Presse
geführt, wo unter Einwirkung von Hitze und Druck die Faserplatte hergestellt wird.
Dieses Verfahren besitzt jedoch verschiedene Nachteile.
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Der Hauptnachteil ist die hohe Instabilität, da die auf diese Weise
hergestellten Harze weniger als 48 h stabil sind.
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In zweiter Linie werden die Fasern nicht gleichmäßig imprägniert,
da die Instabilität des Harzes bedeutet, daß der Polymerisationsgrad mit der Zeit
zunimmt, wodurch es unmöglich wird, gleichmäßige Imprägnierungsbedinguflgen einzuhalten.
Diese ungleichmäßigc Imprägnierung führt zum Entstehen von Harz flecken auf der
Oberfläche der Faserplatten, was (neben dem ungleichmäßigen Aussehen der Faserplatte)
zu Problemen beim Aufbringen von Farben, Lacken, Klebefolien usw. führt aufgrund
der unterschiedlichen Absorption der Bereiche mit trockenen Harzflächen im Vergleich
mit Bereichen, auf denen keine derartigen Flecken vorhanden sind.
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In dritter Linie treten Probleme beim Transport der imprägnierten
Fasern auf, da die ungleichmäßige Imprägnierung und die starke KlebrXkeit des angewandten
Harzes zur Bildung von Klumpen aus miteinander verbundenen Fasern führt, wodurch
ernste Probleme in den Transportsystemen (Luft oder mechanisch) auftreten, mit deren
Hilfe die imprägnierten Fasern zu der Presse geführt werden.
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Es ist auch unmöglich, die Imprägnierung durchzuführen bevor die Fasern
getrocknet sind, da das Harz schnell härtet und es können nur trockene Fasern imprägniert
werden (d.h. nachdem sie durch eine Trockenvorrichtung
gegangen
sind), da der Durchgang der imprägnierten Fasern durch eine Trockenvorrichtung zu
einem vorzeitigen Gelieren führt, bevor das Material die Presse erreicht, wodurch
eine Faserplatte mit schlechten mechanischen Festigkeiten entsteht.
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Um diese Probleme zu lösen, betrifft die Erfindung ein Verfahren,
das im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Behandlung einer Formaldehyd-Quelle mit einer starken organischen Base, um den pH-Wert
auf einen Wert zwischen 7,0 und 8,0 einzustellen;Zugabe von Harnstoff, bis das Molverhältnis
Formaldehyd : Harnstoff 1,9 bis 2,35 beträgt; Erhitzen zum Siedepunkt; Einstellen
des pH-Wertes mit einer Säure, vorzugsweise Ameisensäure auf 5,0 bis 6,3; Abbrechen
der Polymerisationsreaktion mit Hilfe einer anorganischen Base, wenn das Produkt
die gewünschte Viskosität erreicht hat; Zugabe einer weiteren Menge Harnstoff zu
dem Produkt beim Abkühlen, so daß das Formaldehyd-Harnstoff-Molverhältnis 1,38 bis
1,70 beträgt und Einstellen des pH-Wertes auf 8,0 bis 8,5, wobei ein Harz mit einem
Feststoffgehalt von 64 bis 66 % und einer Viskosität bei 25 OC von 150 bis 300 mPa-s
entsteht.
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Die starke organische Base ist vorzugsweise Triisopropanolamin, Triäthylamin
und/oder Diäthylamin.
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Die Erfindung umfaßt ferner die Zugabe von anorganischen Salzen aus
der Gruppe von Alkalihalogeniden, Erdalkalihalogeniden und Alkalisulfaten während
der Herstellung zur Verbesserung der Stabilitätseigenschaften.
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Es ist auch möglich-, einen Teil des Harnstoffs (1 bis 15 %) durch
die entsprechende stöchiometrische Menge eines Produktes mit ähnlichem chemischen
Verhalten, vorzugsweise Melamin oder Dicyandiamid zu ersetzten.
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Die folgenden Eigenschaften wurden mit einem erfindungsgemäß hergestellten
Harz erzielt: Niedere Viskosität in dem oben angegebenen Bereich; Nicht-Klebrigkeit;
Stabilität bei Raumtemperatur für mehr als 2 Monate.
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Gegebenenfalls kann das Harz angewandt werden zur Herstellung von
Imprägniermitteln mit unterschiedlichen Mengen an Beschleunigern und Verzögerern,
wodurch es möglich wird, Gemische mit unterschiedlichen Gelzeiten zu erhalten und
damit die Möglichkeit besteht, die Fasern je nach Wunsch vor oder nach dem Trocknen
zu imprägnieren.
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Die mit einem entsprechend katalysierten Harnstoff/ Formaldehyd-Harz
imprägnierten Lignocellulosefasern werden mit Hilfe von Luft oder mechanisch zu
einer Presse mit heißen Platten geführt (die mit Hilfe von Dampf, o1 oder Hochfrequenzstrom
erhitzt sind), wo sie zur Herstellung der Faserplatten Druck und Hitze ausgesetzt
werden.
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Die Eigenschaften des Harnstoff/Formaldehyd-Harzes sollten so sein,
daß eine gleichmäßige Imprägnierung der Fasern mit einem möglichst geringen Harzverbrauch
erzielt wird, wobei günstige mechanische
Eigenschaften der Faserplatte
erhalten werden. Das Verhalten der Fasern, die imprägniert werden sollen im Bezug
auf die Harzabsorption,unterscheidet sich von dem bisher bekannten Verhalten von
Holzspänen oder Teilchen (Herstellung von Faserplatten mit Harnstoff/Formaldehyd-Harzen
oder Leimen) und derjenigen von Sperrholz (Herstellung von Sperrholz ebenfalls mit
Harnstoff/Formaldehyd-Harzen oder Leimen) Die Kombination von Eigenschaften, die
für das Harz erforderlich sind, um die Fasern gleichmäßig zu imprägnieren, wird
erhalten durch entsprechende Einstellung (correction conjugation) bestimmter Faktoren
während der Harzherstellung. Derartige Faktoren sind im wesentlichen: Molverhältnis
Formol : Harnstoff zu Beginn-und gegen Ende der Harzherstellung; pH-Wert und Temperatur
bei der Reaktion; Viskositát-des fertigen Harzes.
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Um bestimmte Eigenschaften (Harzstabilität, mechanische Eigenschaften
der fertigen Spanplatte) zu verbessern, können bei der Herstellung des Harzes anorganische
Salze,wie Alkali- oder Erdalkalihalogenide oder Alkalisulfate, angewandt werden
in Mengen, die variieren können zwischen
| Gewicht des anorganischen Salzes |
| 0,17 |
Gewicht des trockenen Harzes Die Gelzeit des mit Katalysator versetzten Harzes sollte
so eingestellt werden, daß:
Eine vorherige Gelbildung während des
Transports (oder Transports und Trocknen in bestimmten Fällen) zu der Presse vermieden
wird; die Preßzeit so kurz wie möglich wird, so daß eine maximale Wirtschaftlichkeit
der Presse erzielt werden kann, während die erhaltenen Faserplatten gleichzeitig
eine gute Qualität besitzen.
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Dem Harz wird vor der Imprägnierstufe ein Katalysator zugesetzt, wobei
üblicherweise Ammoniumsalze starker Säuren verwendet werden, obwohl andere schwach-saure
Produkte ebenfalls verwendet werden können.
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Die Fasern können mit dem Harz im trockenen oder feuchten Zustand
imprägniert werden. In beiden Fällen ist ein Abmessen erforderlich, um die Anteile
an Faser und Harz zu steuern. Üblicherweise wird das folgende Gewichtsverhältnis
angewandt: Gewicht des trockenen Harzes - = 0,07 - 0,11 Gewicht der trockenen Fasern
Es können beliebige handelsübliche Produkte,wie wässrige Lösungen mit unterschiedlichen
Formaldehyd-Konzentrationen oder Harnstoff/Formaldehyd oder Paraformaldehyd-Prekondensate
als Formaldehyd-Quelle zur Herstellung der Harze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
angewandt werden.
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Die oben erwähnten Prekondensate besitzen im allgemeinen die folgenden
Eigenschaften: Konzentration an aktivem Harnstoff+Formaldehyd: 60 bis 85 t;
Molverhältnis
Formaldehyd : Harnstoff 4 : 1 bis 6 : 1.
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Diese Prekondensate besitzen den Vorteil, daß sie eine hohe Konzentration
an Formaldehyd enthalten und gleichzeitig sehr stabil sind (mehr als 6 Monate) und
durch ihre Herstellung die Herstellung von Harnstoff/Formaldehyd-Harzen wesentlich
ver einfacht wird.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1 Zu 100 kg eines Harnstoff/Formaldehyd-Prekondensats mit
einem Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff von 5 und einer Konzentration an aktivem
Harnstoff + Formaldehyd von 70 % (50 % Formaldehyd und 20 % Harnstoff), pH 7,5,
wurden 32 kg kalter Harnstoff zugegeben, so daß das Molverhältnis Formaldehyd Harnstoff
1,92 : 1 wurde und das Gemische wurde zum Siedepunkt erhitzt.
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Das Gemisch wurde 35 min unter Rückfluß erhitzt und der pH-Wert mit
Triisopropanolamin auf 8,0 eingestellt. Die gleiche Wirkung kann mit anderen Basen
wie Triäthylamin und Diäthylamin .erzielt werden.
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Anschließend wurde der pH-Wert mit Ameisensäure auf 6,0 eingestellt,
wobei der pH-Wert und die Viskosität in bestimmten Zeitabständen untersucht wurden.
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Die Polymerisationsreaktion wurde durch Zugabe von Natriumhydroxid
abgebrochen, als die Viskosität des
Gemisches bei 25 Oc: 400 mPas
erreicht hatte.
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Das Gemisch wurde dann auf 65 OC gekühlt und weitere 20 kg Harnstoff
zugegeben, um das Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff auf 1,39 : 1 einzustellen.
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Nach dieser Zugabe wurde das Produkt auf 20 OC gekühlt und der pH-Wert
schließlich mit Natriumhydroxid auf 8,0 eingestellt.
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Das so erhaltene Harz (152 kg) besaß einen Feststoffgehalt von 65
% und eine Viskosität bei 25 °Cvon 225 mpa.s.
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Beispiel 2 Der pH-Wert von 120 kg einer 50 %-igen (Gewicht) wässrigen
Formaldehyd-Lösung wurde mit Triisopropylamin auf 8,0 eingestellt und dann wurden
unter Erwärmen 57 kg Harnstoff zugegeben, so daß das Molverhältnis Formaldehyd :
Harnstoff 2,10 wurde und das Gemisch wurde zum Siedepunkt erhitzt.
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Das Gemisch wurde 20 min unter Rückfluß erhitzt und anschließend der
pH-Wert mit Ameisensäure auf 5,5 eingestellt. Der.pH-Wert und die Viskosität wurden
in regelmäßigen Zeitabständen untersucht.
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Die Polymerisationsreaktion wurde durch' Zugabe von Natriumhydroxid
abgebrochen, als die Viskosität des Gemisches bei 25 OC 70 mPa s erreicht hatte.
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Das Gemisch wurde dann auf 65 OC gekühlt und weitere 20 kg Harnstoff
zugegeben, um das Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff auf 1,53 : 1 einzustellen.
Das Produkt wurde nach dieser Zugabe gekühlt.
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Das überschüssige Wasser wurde im Vakuum abdestilliert und das Harz
auf 20 OC gekühlt und der pH-Wert auf 8,0 eingestellt.
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Das so erhaltene Harz (175 kg) besaß einen Feststoffgehalt von 65
% und eine Viskosität bei 25 OC von 225 mPaws.
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Beispiel 3 Der pH-Wert von 150 kg einer 36,6, %-igen (Gewicht) wässrigen
Formaldehyd-Lösung wurde mit Hilfe von Triisopropanolamin auf 8,0 eingestellt. Dann
wurden 47 kg kalter Harnstoff zugegeben, so daß das Molverhältnis Formaldehyd :
Harnstoff 2,34 : 1 wurde und das Gemisch wurde zum Siedepunkt erhitzt. Das Gemisch
wurde 35 min unter Rückfluß erhitzt und anschließend der pH-Wert mit Ameisensäure
auf 5,0 eingestellt. Der pH-Wert und die Viskosität wurden in regelmäßigen Zeitabständen
untersucht.
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Die Polymerisationsreaktion wurde durch Zugabe von Natriumhydroxid
abgebrochen, als die Viskosität des Gemisches bei 25 OC 20 mpa.s.erreicht hatte.
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Das Gemisch wurde dann auf 65 oC gekühlt und weitere 18 kg Harnstoff
zugegeben, so daß das Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff 1,70 : 1 wurde. Das
Produkt wurde nach dieser Zugabe gekühlt.
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Das überschüssige Wasser wurde im Vakuum abdestilliert und das Harz
auf 20 0C gekühlt und der pH-Wert auf 8,0 eingestellt.
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Das so erhaltene Harz (etwa 151 kg) besaß einen Feststoffgehalt von
65 % und eine Viskosität bei 25 OC von 225 mPa-s.
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Beispiel 4 106 kg Harnstoff/Formaldehyd-Prekondensat mit einem Molverhältnis
Formaldehyd : Harnstoff von 5 und einer Konzentration an aktivem Harnstoff + Formaldehyd
von 80 % (57 % Formaldehyd und 23 % Harnstoff) wurden auf 65 OC erwärmt. Der pH-Wert
wurde durch Zugabe von -Triäthylamin auf 8,0 eingestellt.
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Anschließend wurden 6 kg Kaliumchlorid in dem Prekondensat mit der
erforderlichen Menge. Wasser (18 kg? gelöst, um den Feststoffgehalt des Harzes auf
dem normalen Wert von 65 % zu halten und die Menge an anorganischem Salz, die zugesetzt
wurde war so, daß das Molverhältnis an organisches Salz : Formaldehyd 0,042 : 1
betrug.
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Nachdem das Kaliumchlorid vollständig gelöst war (60 OC) wurden 26
kg Harnstoff zugegeben, so daß das Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff 2,34 :
1 wurde und is Gemisch wurde zum Siedepunkt erhitzt.
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Das Gemisch wurde unter Rückfluß erhitzt und der pH-Wert und die Viskosität
wurden in regelmäßigen Zeitabständen untersucht. Der pH-Wert wurde mit Ameisensäure
auf 6,0 gehalten.
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Die Polymerisationsreaktion wurde durch Zugabe von Natriumhydroxid
abgebrochen, als die Viskosität des Gemisches 400 mPa-s erreicht hatte.
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Das Gemisch wurde auf 65 °C gekühlt und weitere 18 kg Harnstoff zugegeben,
so daß das Molverhältnis Formaldehyd : Harnstoff 1,70 : 1-betrug. Nach dieser Zugabe
wurde das Produkt auf 20 °C gekühlt und der pH-Wert schließlich auf 8,0 eingestellt.
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Das so erhaltene Harz (168 kg) besaß einen Feststoffgehalt.von 65
% und eine Viskosität bei 25 °C von 225 mPa s.