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"Bindemittelkomposition"
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Die Erfindung betrifft eine Bindemittelkomposition auf der Basis modifizierter
Phenolharze, die jedoch neben organischen auch anorganische Komponenten enthält.
Die erfindungsgemäße Bindemittelkomposition kann in den meisten Anwendungsgebieten
Verwendung finden, in denen üblicherweise Phenolharze als Bindemittel eingesetzt
werden. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition
ist die Herstellung von Sperrholz und Spanplatten; weitere beispielhafte Anwendungsgebiete
sind die Papierimprägnierung für Laminate sowie die Herstellung von Mineralwolle-Matten
oder -Platten. Die Erfindung bezweckt die Bereitstellung eines - im Vergleich zum
Stand der Technik - besseren beziehungsweise preisgünstigeren Bindemittels. Diese
Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Bindemittelkomposition
außer Phenol und Formaldehyd auch Chlorlignin und Alkalimetallsilikat enthält, wie
nachstehend näher erläutert ist.
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Bindemittel auf der Basis abgebauter und modifizierter Lignine aus
den Sulfitlaugen der Zellstoffindustrie sind bereits seit längerem zum Leimen von
beispielsweise Spanplatten verwendet worden (Adhäsion (1979) Seite 334). Es hat
sich jedoch gezeigt, daß diese abgebauten und modifizierten Lignine zwar ein gewisses
Bindevermögen aufweisen, welches jedoch für die meisten Anwendungszwecke unzureichend
ist. Man hat deshalb vorgeschlagen, diese auf abgebautem und modifiziertem Lignin
basierenden Polymere mit gebräuchlichen synthetischen Harzen zu kombinieren, insbesondere
mit Phenol- und Aminoharzen (Adhäsion (1979) Seite 368).
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Auch ist es bereits versucht worden, Phenol, Sulfitlignin und Formaldehyd
miteinander umzusetzen und so das Lignin auf chemischem Wege dem Phenolharz einzuverleiben.
Dies führte in manchen Fällen zu brauchbaren Bindemitteln, in denen das Sulfitlignin
in erster Linie den Rohstoffpreis des Produktes herabsetzen sollte (DD-PS 134 363).
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Ferner ist bereits auf verschiedene Weise versucht worden, brauchbare
Bindemittel auf Basis von sogenanntem Sulfatlignin herzustellen (DE-OS 27 58 572).
Im Vergleich zur Verwendung von Sulfitlignin ergaben sich jedoch hierbei Schwierigkeiten,
die dazu geführt haben, daß solche, auf Sulfatlignin basierende Mittel heutzutage
nur in sehr geringem Umfange Verwendung finden.
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Es ist ferner bekannt, aus Chlorlignin erhaltene Produkte als Bindemittel
einzusetzen. Chlorlignin resultiert bei der Chlorbleiche von Zellstoff als ein verunreinigender
Bestandteil der Bleichablauge. Oblicherweise umfaßt die Chlorbleiche des Zellstoffs
neben mehreren Chlorbleichstufen zwei Behandlungsstufen mit Alkalien.
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Die Ab lauge der auf die erste Chlorbleichstufe folgenden ersten Alkalisierungsstufe
enthält bereits etwa 80 % des Lignins der ungebleichten Masse. Diese Ablauge enthält
ferner andere organische als auch anorganische Stoffe.
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Unter den anorganischen Stoffen seien in erster Linie Natriumchlorid
sowie andere Chloride genannt; unter den organischen Stoffen findet man in erster
Linie Ligninabbauprodukte sowie Kohlenhydrate aus der Hemicellulose des Zellstoffs.
Diese in der Ablauge enthaltenden Stoffe weisen ein durchschnittliches Molekulargewicht
von unter 1 000 auf und lassen sich beisnielsweise durchvUltrafiltration von den
in der Ablauge enthaltenden hochmolekularen Stoffen abtrennen. Zu diesen hochmolekularen
Inhaltsstoffen der Ablauge zählen in erster Linie chlorierte Ligninprodukte, die
im Zusammenhang mit der Erfin-dung nachfolgend als Chlorlignin bezeichnet werden.
Das bei der vorstehend erwähnten Ultrafiltration erhaltene Konzentrat (Retentat)
hochmolekularer Produkte besteht hauptsächlich aus Chlorlignin. Die Durchführung
der Ultrafiltration und deren Anwendung in der Zellstoffindustrie sind beispielsweise
in der Revue A.T.I.P.
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(Association Technique de l'Industrie Papetière, Paris), Volume 28,
(1974) Nr. 1, beschrieben.
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Aus der schwedischen Patentanmeldung SE-PA 78 13 359-2 ist es bekannt,
Chlorlignin mit einem Molekulargewicht von mehr als 1 000 als Bindemittel zum Zusammenfügen
von zellstoffhaltigen Materialien, alleine oder in Mischung mit synthetischen Leimkomponenten,
wie Carbamidharzen oder anderen stickstoffhaltigen Harzen, Phenol-Formaldehydharzen
oder dergleichen zu verwenden. Hierbei erreicht man in erster Linie durch eine Kombination
von Chlorlignin mit Phenolharzen eine gewisse Bindewirkung.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß in den meisten Fällen
eine
bessere Bindung mit dem reinen Phenolharz als mit dem Chlorlignin-modifizierten
Phenolharz resultiert.
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Dies gilt auch, wenn das Chlorlienin zuvor mit Formaldehyd vorkondensiert
wurde.
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Gemäß der schwedischen Patentanmeldung SE-PA 80 06 100-5 hat man ferner
ein Bindemittel vorgeschlagen, das alkalibehandeltes Chlorlignin enthält. Diese
Vorbehandlung des Chlorlignins mit Alkali führt zu einer wesentlichen Verbesserung
der Eigenschaften des Bindemittels. Die Vorbehandlung des Chlorlignins erfolgt hierbei
mit starken Alkalien, wie NaOH, wobei die Behandlungsbedingungen innerhalb weiter
Grenzen schwanken können. So kann die Be-0 handlungstemperatur beispielsweise zwischen
50°C und etwa 1000C liegen, wobei 80 bis 1000C bevorzugt werden, während der p-H-Wert
der Reaktionslösung etwa 10 bis 13,5, vorzugsweise etwa 11 bis 13, beträgt. Die
Dauer der Alkalibehandlung wird der Temperatur und dem pH-Wert angepaßt und beträgt
zweckdienlicherweise etwa 0,5 bis 3 Stunden. Niedrigere Temperaturen und pH-Werte
bedingten längere Behandlungszeiten und umgekehrt. Falls hierbei ein salzfreies
Bindemittel erwünscht ist, kann das Bindemittel nach der Alkalibehandlung einer
Ultrafiltration unterworfen werden. Das nach der Alkalibehandlung erhaltene Produkt
kann alleine als Bindemittel Verwendung finden. Bedeutend bessere Ergebnisse erhält
man jedoch, wenn man das alkali-behandelte Chlorlignin mit einem Phenol- oder Aminharz
kombiniert. Hierbei wird das Chlorlignin mit einem Phenol oder Amin, beispielsweise
Phenol beziehungsweise Melamin, und mit einem Aldehyd, beispielsweise Formaldehyd
oder Paraformaldehyd, kondensiert, wobei eine Kondensation mit Phenol und Formaldehyd
bevorzugt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere
und noch preisgünstigere Binde-
mittelkomposition mit ausgezeichneten
Klebeeigenschaften für insbesondere zellstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise
Sperrholz und Spanplatten, bereitzustellen.
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Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend eine Bindemittelkomposition
auf der Basis einer wäßrigen Lösung organischer und anorganischer Komponenten, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß sie a. eine aus einem Mischkondensat von alkalibehandeltem
Chlorlignin, Phenol und Formaldehyd bestehende organische Komponente und b. eine
aus einer wäßrigen Lösung von Alkalimetallsilikat bestehende anorganische Komponente
enthält.
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Oberraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß die erfindungsgemäße
Bindemittelkomposition. - im Vergleich zum Stand der Technik - eine vergleichbar
gute beziehungsweise höhere Festigkeit der damit gebundenen, insbesondere zellstoffhaltigen
Materialien sowohl nach dem Verpressen als auch nach dem Kochwechseltest bedingt.
Zudem zeichnet sich die erfindungsgemäße Bindemittelkomposition durch besondere
Preiswürdigkeit aus.
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Das Gewichtsverhältnis von organischer Komponente zu anorganischer
Komponente kann in der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition im Bereich von 99
: 1 bis 2 : 1 schwanken. Bevorzugt ist jedoch ein Gewichtsverhältnis von organischer
Komponente zu anorganischer Komponente im Bereich von 5 : 1 bis 3 : 1.
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Die als anorganische Komponente b. verwendete Alkalimetallsilikatlösung
besteht vorzugsweise aus einer wäßrigen Natriumsilikatlösung und/oder einer wäßrigen
Kaliumsilikatlösung, wobei eine Natriumsilikatlösung wegen des geringeren Preises
bevorzugt wird. Generell
kann das Mischungsverhältnis zwischen Natriumsilikat-und
Kaliumsilikatlösung jedoch innerhalb breiter Grenzen variieren. Vorzugsweise enthält
die Alkalimetallsilikatlösung einen Zusatz von bis zu 3 Gewichtsprozent Li2SiO3,
bezogen auf die gesamte Alkalimetallsilikatlösung, da ein solcher Zusatz die Wasserbeständigkeit
der Bindemittelkomposition im Kochtest erhöht. Generell kann hier auch ein höherer
Zusatz an Lithiumsilikat gewählt werden; aus wirtschaftlichen Gründen wird jedoch
der vorstehend angegebene Bereich bevorzugt.
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Im Sinne der Erfindung finden insbesondere solche Alkalimetallsilikatlösungen
Verwendung, die ein Molverhältnis SiO2 : Me20, mit Me = Na und/oder K, im Bereich
von 1 : 1 bis 4 : 1 aufweisen. Erfindungsgemäß ist jedoch ein Molverhältnis SiO2
: Me20 von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1 bevorzugt, da in diesem Bereich die besten Ergebnisse
hinsichtlich der erzielten Bindefestigkeit resultieren.
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Demgegenüber bedingt die Verwendung einer Alkalimetallsilikatlösung
mit einem höheren Molverhältnis, beispielsweise von 3,3 : 1, im allgemeinen weniger
gute Ergebnisse. So weist beispielsweise die Wasserbeständigkeit der fertigen Leimfuge
nicht die gleiche hohe Qualität auf.
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Dies- ist umso überraschender, da üblicherweise alkalischer eingestellte
Alkalimetallsilikatlösungen, das heißt sol--che mit einem niederen Molverhältnis,
eine geringere Wasserfestigkeit bedingen. Oberraschenderweise ist im Falle der erfindungsgemäßen
Bindemittelkomposition jedoch gerade das Gegenteil zu verzeichnen, das heißt, die
besten Ergebnisse hinsichtlich der Wasserbeständigkeit resultieren bei Molverhältnissen
von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1.
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Generell gilt jedoch, daß für die Zwecke der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition
Alkalimetallsilikatlösungen mit Molverhältnissen im Bereich von 1 : 1 bis 4 : 1
Verwendung finden können.
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Die erfindungs gemäß eingesetzten Alkalimetallsilikatlösungen weisen
einen SiO2-Gehalt von 20 bis 35 Gewichtsprozent, insbesondere von 30 bis 35 Gewichtsprozent,
auf.
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Wie bereits ausgeführt, besteht die organische Komponente der erfindungsgemäßen
Bindemittelkomposition aus einem Mischkondensat von alkalibehandeltem Chlorlignin,
Phenol und Formaldehyd. In diesem Mischkondensat kann das Gewichtsverhältnis von
Phenol zu Chlorlignin von 99 : 1 bis 20 : 80 betragen. Im Sinne der Erfindung ist
jedoch ein Gewichtsverhältnis von Phenol zu Chlorlignin im Bereich von 70 : 30 bis
45 : 55 bevorzugt. Der Anteil an Formaldehyd im Mischkondensat wird zweckmäßigerweise
in Übereinstimmung mit den im Mischkondensat enthaltenen -Mengen an Phenol und Chlorlignin
ausgewählt. Erfindungsgemäß ist jedoch ein Gewichtsverhältnis von Formaldehyd zu
Phenol/Chlorlignin im Bereich von 1 : 5 bis 1 : 1 bevorzugt.
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Die Alkalibehandlung des Chlorlignins erfolgt zweckmäßigerweise wie
vorstehend im Zusammenhang mit der SE-PA 80 06 100-5 beschrieben. Zur Herstellung
des Mischkondensats werden im allgemeinen die gleichen Herstellungsmethoden angewandt,
wie sie auch bei der Herstellung üblicher Phenolharze Verwendung finden; das heißt,
pH-Werte im Bereich von 8 bis 13,5 , Temperaturen im Bereich von 60 bis 1000C, wobei
eine Endviskosität des Mischkondensats bei 200C und 40 % Trockengehalt von 100 bis
5 000 mPa-s resultiert. Im Sinne der Erfindung ist es bevorzugt, daß man die Alkalibehandlung
des Chlorlignins und die Mischkondensation von alkalibehandeltem Chlorlignin, Phenol
und Formaldehyd in einer Stufe durchführt. Hierbei resultiert im wesentlichen das
gleiche Produkt, wie es auch bei einem 2-stufigen Verfahren erhalten wird, das heißt,
einem Verfahren, bei dem zunächst das Chlorlignin in einer ersten Stufe einer Alkalibehandlung
unterworfen und anschließend das erhaltene Produkt mit Phenol und
Formaldehyd
kondensiert wird. Die so erhaltene organische Komponente weist im allgemeinen einen
Trockengehalt von 30 bis 60 Gewichisprozent auf.
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Die organische und die anorganische Komponente der erfindungsgemäßen
Bindemittelkomposition werden unmittelbar vor der Verwendung der Bindemittelkomposition
oder aber bereits im voraus homogen miteinander vermischt.
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Im letzteren Falle kann die fertige Komposition als homogene Mischung
bis zu einigen Wochen gelagert werden.
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Im Hinblick auf die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition
zur Herstellung von Sperrholzplatten werden dieser zweckmäßigerweise an sich bekannte
Streckmittel, beisnielsweise Kokosschalenmehl und/oder Maisschrot und/oder Weizenmehl,
zugefügt. Derartige Zusätze dienen insbesondere zum Ausgleichen von Welligkeiten
bei Furnieren.
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Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Bindemittelkomposition
erheblich preisgünstiger als herkömmliche Phenolharz-Bindemittel. Zudem resultiert
aufgrund des Gehaltes an Alkalimetallsilikaten eine gewisse Verbesserung der Flammfestigkeit
der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition hergestellten
Erzeugnisse, wie beispielsweise Sperrholz- und Spanplatten.
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Generell läßt sich die erfindungsgemäße Bindemittelkomposition für
alle Zwecke einsetzen, in denen üblicherweise Phenolharze als Bindemittel Verwendung
finden, beispielsweise auch zur Herstellung von Mineralwolleprodukten, wie Matten
oder Platten, und Laminaten. Da sich der Trockengehalt der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition
in den gleichen Bereichen wie der üblicher Phenolharz-Bindemittel einstellen läßt,
können auch zur Herstellung der verleimten Produkte die gleichen Verfahren und Vorrichtungen
sowie die gleichen Preßzeiten und Preßtemperaturen Verwendung finden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger nicht begrenzender Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß die Eigenschaften der
mit der erfindungsgemäßen Bindemittelkomposition hergestellten Produkte mit denen
Phenolharz-verleimter Erzeugnisse durchaus vergleichbar sind, beispielsweise in
Bezug auf die Wetterbeständigkeit von Sperrholz nach DIN 68 705 und DIN 53 225.
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Beispiel 1 Herstellung der Bindemittelkomposition: 4 Gewichtsteile
aer organischen Komponente, bestehend aus einem alkalibehandelten Chlorlignin/Phenol-Formaldehydkondensat
(Feststoffgehalt 42 Gewichtsprozent, Viskosität 400 mPabs, Gewichtsverhältnis Phenol
zu Chlorlignin = 60 : 40, Gewichtsverhältnis Formaldehyd zu Chlorlignin/Phenol =
0,4 : 1), wurden vorgelegt und mit einem Gewichtsteil Natriumsilikatlösunr (SiO2-Gehalt
= 33,5 Gewichtsprozent, Molverhältnis Si02 : Na20 1,75 : 1) homogen gemischt. Anschließend
wurden 100 Gewichtsteile der so hergestellten Bindemittelkomposition mit 14 Gewichtsteilen
Streckmittel (4 Gewichtsteile Weizenmehl und 10 Gewichtsteile Maisschrot) versetzt
und mit 4 Gewichtsteilen Wasser verdünnt.
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Sperrholzplattenherstellung: 3 Buchenholzfurniere (1,5 mm stark) wurden
mit 200 g Bindemittelkomposition pro m2 einseitig, vollflächig beleimt und heiß
verpreßt; Preßbedingungen: Preßdruck = 2 N/mm2, Temperatur = 1400C, Preßzeit = 6,5
Minuten.
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Ebenso wurden 3 Weichholzfurniere (Fichte, 3 mm stark) mit 200 g Bindemittelkomposition
pro m2 einseitig, vollflächig beleimt und heiß verpreßt; Preßbedingungen: Preßdruck
= 1,2 N/mm2, Temperatur = 140°C, Preßzeit 8 Minuten.
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Die Verleimungsprüfung erfolgte nach DIN 68 705, Blatt 1 § 4.1.1 (Aufstechversuch)
Qualität AW 100 (Kochwechseltest) und ergab nach DIN 53 225 gute Verleimung.
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Beispiel 2 Herstellung der Bindemittelkomposition: 3 Gewichtsteile
der organischen Komponente, bestehend aus einem alkalibehandelten Chlorlignin/Phenol-Formaldehydkondensat
(Feststoffgehalt: 44 Gewichtsprozent, Viskosität: 400 mPaqs, Gewichtsverhältnis
Phenol zu Chlorlignin = 45 : 55, Gewichtsverhältnis Formaldehyd zu Phenol/Chlorlignin
= 0,36 : 1), wurden vorgelegt und mit einem Gewichtsteil Kaliumsilikatlösung (SiO2-Gehalt
= 25 Gewichtsprozent, Molverhältnis SiO2 : K20 = 2,5 : 1) homogen gemischt. 100
Gewichtsteile der so hergestellten Bindemittelkomposition wurden mit 11 Gewichtsteilen
Streckmittel (Kokonit) versetzt.
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Sperrholzplattenherstellung: 5 Buchenholzfurniere (1,5 mm stark) wurden
mit 200 g Bindemittelkomposition pro m2 einseitig, vollflächig beleimt und heiß
verpreßt; Preßbedingungen: Preßdruck = 2 N/mm2, Temperatur = 1400C, Preßzeit = 8
Minuten.
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Die Verleimungsprüfung erfolgte analog Beispiel 1 und erbrachte eine
gute Verleimung.
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Beispiel 3 Herstellung der Bindemittelkomposition: 5 Gewichtsteile
der organischen Komponente, bestehend aus einem alkalibehandelten Chlorlignin/Phenol-Formaldehydkondensat
(Feststoffgehalt: 41 Gewichtsprozent, Viskosität: 400 mPats, Gewichtsverhältnis
Phenol zu Chlorlignin = 70 : 30, Gewichtsverhältnis Formaldehyd zu Phenol/Chlorlignin
= 0,5 : 1), wurden vorgelegt und mit einem Gewichtsteil Natrium/Lithiumsilikatlös-ung
(Si02-Gehalt = 30 Gewichtsprozent, Molverhältnis SiO2 : Me20 = 2 : 1, Li2Si03-Anteil
= 2,6 Gewichtsprozent, bezogen
auf die gesamte Silikatlösung) homogen
gemischt. 100 Gewichtsteile der so hergestellten Bindemittelkomposition wurden mit
15 Gewichtsteilen Streckmittel (Kokonit) und 6 Gewichtsteilen Wasser gemischt.
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Sperrholzplattenhers tel lung: 3 Fichtenfurniere (3 mm stark) wurden
mit 200 g Bindemittelkomposition pro m2 einseitig, vollflächig beleimt und heiß
verpreßt; Preßbedingungen: Preßdruck = 1,2 N/mm2, 0 Temperatur = 140 C, Preßzeit
= 8 Minuten. Die Verleimungsprüfung erfolgte analog Beispiel 1 und erbrachte eine
gute Verleimung.
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Beispiel 4 Spanplattenherstellung: Von der Bindemittelkomposition
nach Beispiel 1 mit einem Gesamtfeststoffgehalt von 44 % wurden 150 g, entsprechend
11 % Bindemittelfeststoff bezogen auf trockene Späne, auf 622 g feine Holzspäne
mit einem Feuchtegehalt von 3,5 % unter intensivem Mischen gedüst. Diese Mischung
diente zur Bildung der späteren Deckschichten.
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Auf 1 421 g grobe Holzspäne mit einem Feuchtegehalt von 1,5 % wurden
286 g des nach Beispiel 1 hergestellten- Bindemittels, d.h. 9 % Bindemittelfeststoff
bezogen auf trockene Späne, unter intensivem Mischen gedüst. Diese Mischung diente
zur Herstellung der Mittelschicht.
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In einem Holzrahmen wurden 386 g der Deckschichtspäne, 1,707 g der
Mittelschichtspäne und wiederum 386 g der Deckschichtspäne aufgeschüttet, per Hand
leicht angedrückt 2 und nach der Wegnahme des Holzrahmens mit 25 kp/cm 6 min.
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bei 1800C auf 20 mm (Distanzleisten) gepreßt. Nach einer Woche Reifezeit
hatte die Spanplatte eine Dichte von
695 kg/m3, die Querzugsfestigkeit
und die Dickenquellung entsprachen den Anforderungen für die Qualität V100, gem.
DIN 68 763.