-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Holz-Polymer-Verbund(werk)stoff/Komposit,
insbesondere ein Holz, das mit einer Mischung imprägniert ist,
die polymerisierbare organische Bestandteile enthält, und
genauer ein Verfahren zur Herstellung eines Holz-Polymer-Komposits durch Imprägnieren
eines Holzmaterials und/oder eines Holz basiert Materials mit einer
Mischung, die polymerisierbare organische Bestandteile enthält, und
noch genauer deren Verwendungen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Holz-Polymer-Komposite
dieser Kategorie basieren auf Polymerisation eines Monomers in den
Kavitäten
der Zellen (in-situ). Das hergestellte Polymer ist normalerweise
ein Thermoplast (lineares Polymer). Monomere, die zu der Vinylmonomergruppe
gehören,
sind die, die normalerweise zu diesem Zweck verwendet werden. Die
verwendeten Vinylmonomere werden mittels radikaler Kettenpolymerisation
polymerisiert. Die Vinylmonomere sind nicht polar und schwellen
daher nicht oder reagieren nicht mit den Zellwänden des Holzmaterials. Einige
Fachleute behaupten daher, das Holz-Polymermaterialien dieses Typs
keine „echten" Komposite sind,
weil keine chemische Bindung zwischen den beiden kombinierten Materialien
besteht. Es besteht jedoch ein hohes Ausmaß an Infiltration, und das
Material erwirbt veränderte
physikalische und mechanische Eigenschaften und sollte daher als
ein neuer Materialtyp definiert werden. Eigenschaften, die wesentlich
verbessert werden, sind Dichte, Härte, Abnutzungswiderstand und
Elastizitätsmodul.
Bewegungen von flüssigem Wasser
und Wasserdampf in dem neuen Material sind stark reduziert, insbesondere
in Richtung der Maserung. In Holz ist ein Transport in Richtung
der Maserung um ein Vielfaches größer als quer zur Maserung,
aber in dem neuen Material sind sie ungefähr gleich. Weil das Polymer
nicht mit der Struktur der Zellwände
reagiert, verändern
sich die Basiseigenschaften der hölzernen Zellwände nicht.
Weil die Poren des Holzes von Polymer blockiert werden, kann sich
die Feuchtigkeit nur innerhalb der unveränderten hölzernen Zellwand bewegen, in Räumen zwischen
der Zellwand und dem Polymer in dem Lumen oder in etwaigen Rissen,
die sich in dem Material befinden können. Die Zeit zum Befeuchten
oder Trocknen von Zell-Lumen-Holz-Polymer-Kompositen ist daher 10
bis 20 mal länger
als die für
unbehandeltes Holz. Diese Verzögerung
ist ein Vorteil in sich verändernden
Umgebungen (insbesondere ein Vergießen von flüssigem Wasser). Wegen der längeren Zeit
und weil das Polymer eine mechanische Verzögerung des Schwellens bewirken
kann, ist die dimensionale Stabilität des neuen Materials leicht
verbessert. Dies kann jedoch zu lokalen Belastungen in dem Material
führen,
was in Mikrorissen resultieren kann, wenn das Material extremen
Feuchtigkeitsgradienten unterworfen ist.
-
Die
normalerweise für
Zell-Lumen-Holz-Polymer-Komposite verwendeten Monomere sind Methylmethacrylat
und Styrol und ungesättigte
Polyesteroligomere wegen des großen Vorhandenseins dieser Chemikalien
und ihrer daher niedrigen Kosten wie auch des verhältnismäßig einfachen
Verfahrens, sie zu polymerisieren. Negative Aspekte von Methylmethacrylat-Monomer
sind seine beträchtliche
Schrumpfung (bis zu 25%) während
der Polymerisation und sein verhältnismäßig hoher
Dampfdruck (es verdampft leicht). Negative Aspekte von Styrol-Monomer
sind sein hoher Dampfdruck (es verdampft leicht) und sein leicht
detektierbarer Geruch (niedrige Geruchsschwelle). Ein negativer
Aspekt von Polyester-Oligomer
ist seine hohe Viskosität,
die die Imprägnationsmöglichkeiten
beschränkt.
-
Monomer-Verdampfung
kann zu einem geringen Anfüllen
der Oberflächen
mit Monomer führen.
Monomer-Schrumpfung kann zu einer erheblichen Schrumpfung und Deformierung
der Materialien während
des Härtens
führen
und kann Leerräume
zwischen dem Polymer und der Zellwand hervorrufen. Indem man verschiedene
Typen von Monomeren wählt,
können
diese Probleme verringert werden.
-
Eine
Schwierigkeit bereits bekannter Holz-Polymer-Komposite dieser Kategorie
ist, daß sie
nach Imprägnierung
und Aushärten
weiterhin Vinyl-Monomere freisetzen, die einen leicht detektierbaren
Geruch aufweisen und die reizend und schädlich für die Gesundheit sein können.
-
Andere
Schwierigkeiten bereits bekannter Holz-Polymer-Komposite sind das
Auftreten von Rissen, Schrumpfung und Farbveränderung der Materialien. Diese
zeigen an, daß Temperaturen
der Aushärtephase, die
durch exotherme Reaktionswärme
hervorgerufen sind, zu hoch waren, was zu übermäßiger Schrumpfung und Pyrolyse-Schaden
an dem Holz führt.
Das Problem wird mit erhöhter
Querschnittsgröße dramatisch
vergrößert und
hat in der Vergangenheit die Materialgröße, die erfolgreich behandelt
werden konnte, begrenzt.
-
Ein
weiteres Problem bisher bekannter Holz-Polymer-Komposite resultiert
aus einer Kombination von Feuchtigkeit im Holz und der Aushärtwärme. Wegen
der exothermen Reaktionswärme überschreitet
die Temperatur, insbesondere von größeren Querschnitten, den Siedepunkt
von Wasser. Dies führt
zu schnellem Trocknen, gefolgt von Schrumpfung und Rißbildung
in feuchtem Holz. Aus diesem Grund war eine erfolgreiche Behandlung
gemäß dem Stand
der Technik im allgemeinen auf trockenes (6% Feuchtigkeitsgehalt
und weniger) Holz beschränkt.
-
(DATABASE
WPI Section Ch, Week 198537 Derwent Publications Ltd., London, GB;
Class A21, AN 1985226813 XP002169284 &
JP 60 147303 A (SANKEN KAKO KK), 3. August
1985 (1985-08-03) lehrt eine Holz-Imprägnier-Zusammensetzung. Eine
solche Zusammensetzung offenbart jedoch nicht die Merkmale der vorliegenden
Erfindung.
-
(DATABASE
WPI Section Ch, Week 197434 Derwent Publications Ltd., London, GB;
Class A81, AN 1974-6065V XP002169285 &
JP
49 028401 B (SHOWA DENKO KK), 26. Juli 1974 (1974-07-26)
offenbart ein homogenes Imprägnieren
von Holz mit Kunststoffen unter Verwendung einer Monomer-Mischung
und einem Polymer-Katalysator und schließlich Aushärten, einschließlich Imprägnierung
von Holz mit einer Monomer-Mischung, bestehend aus Vinyl-Monomer,
und Vernetzen des Monomers, Injektion eines Polymerisationskatalysators,
der ein freies Radikal erzeugt, in das imprägnierte Holz und schließlich Bestrahlung
des Holzes mit einem radioaktiven Ionisationsstrahl. Das Vinylmonomer
wird gewählt
aus (M)Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat, Butylmethacrylat, Styrol,
Kern-substituiertem Styrol-(M)Ethylacrylat, Butylacrylat, Vinylacetat
oder Acrylnitril. Das Vernetzungsmonomer ist ein flüssiges Monomer
und wird gewählt
aus Divinylbenzol, Diallylphthalat, Ethylenglycol, dem Dimeren oder
Trimeren von Divinylbenzol, Diallylphthalat oder Ethylenglycol oder dem
Diester von (Meth)Acrylsäure.
Der Polymerisationskatalysator wird gewählt aus Benzoylperoxid, Laurylperoxid,
2,2'-Azobis-Isobutylnitril,
Kaliumpersulfat oder Ammoniumpersulfat. Im Vergleich mit der vorliegenden Beschreibung
sind nur Styrol als Vinylmonomer und Divinylbenzol als Vernetzungsmonomere
bekannt. Des weiteren gibt es keinen Hinweis auf die Verwendung
von drei Initiatoren oder irgend einen Hinweis auf die Verwendung
von feuchtem Holz als Ausgangsmaterial.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist das Ziel der Erfindung, ein mit Polymer imprägniertes Holzes von höherem Feuchtigkeitsgehalt und
mit verbesserter Härte
zur Verfügung
zu stellen, das auch einen geringen Geruch aufweist und bei dem des
weiteren geringere Rißbildung
im fertigen Material beobachtet wird, somit Beseitigen der obigen
Nachteile.
-
Im
wesentlichen wird dieses Ziel erreicht, indem als Ausgangsmaterial
ein Holzmaterial verwendet wird, das einen Feuchtigkeitsgehalt von
ungefähr
3% bis ungefähr
90%, insbesondere von ungefähr
15% bis ungefähr
35%, besonders von ungefähr
20% bis ungefähr
30% und vorzugsweise ungefähr
25% aufweist, und das Ausgangsmaterial spezifischen polymerisierbaren
Monomer-Formulierungen und Imprägnierungs-
und Aushärtungs-/Trocknungsbedingungen
unterworfen wird.
-
Die
spezifische Mischung von polymerisierbaren Monomeren und Additiven
in Kombination mit einem spezifischen Aushärtungstemperaturplan ist wichtig
zur Herstellung geruchsloser Materialien.
-
Wenn
Holz-Polymer-Komposite hergestellt werden, kann Feuchtigkeit ein
Problem sein, weil die exotherme Reaktion in größeren Querschnitten unabhängig von
dem verwendeten Heizverfahren Temperaturen oberhalb des Siedepunktes
von Wasser hervorruft. Schnelle Dehydration resultiert daraus. Dies
verursacht Verformungen und Risse.
-
Ein
wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, Ausgangsholzmaterialien
zu verwenden, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt haben. Es stellt
kein vorbekanntes Wissen dar, Holz-Polymer-Komposite unter Verwendung
von feuchtem Holz als Ausgangsmaterial herzustellen.
-
Holz,
einschließlich
billiger Sorten und Abfallmaterial, kann verwendet werden, um edle
Holzmaterialien wie imitiertes Teak, Mahagoni und andere herzustellen
und diese auch mit neuen Eigenschaften wie Wasserbeständigkeit
und einfacheren und geringeren Pflegeerfordernissen auszustatten.
Weil die verwendeten Monomere farblos sind, können Farben zugesetzt werden,
und dadurch kann das fertige Produkt durch und durch gefärbt werden.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die vorstehenden und andere Ziele durch ein Produkt,
ein Verfahren und deren Verwendungen, wie sie in den Patentansprüchen offenbart
sind, erhalten.
-
Ein
Holz-Polymer-Komposit, das durch feuchtes Holz gekennzeichnet ist,
wird als Ausgangsmaterial verwendet, mit polymerisierbaren Monomeren,
gewählt
aus einer Gruppe, bestehend aus Styrol, Methylstyrol und tertiärem Butylstyrol,
die in dem Holz polymerisiert sind, imprägniert, wobei die Polymerisation
mit wenigstens drei Initiatoren initiiert wird; wobei die Monomere
mit Divinylbenzol, Ethylenglykoldimethacrylat, 1,3-Butylenglycoldimethylacrylat,
Ethylenglykoltrimethacrylat oder Trimethylolpropantrimethacrylat
vernetzt werden und die Komposite vorzugsweise Ol oder Wachs als
Polymerisationsmoderator und wasserabstoßenden Stoff für das Komposit
enthalten.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines Holz-Polymer-Komposits durch Imprägnierung
eines Holzmaterials und/oder eines Materials auf Holzbasis ist durch
die folgenden Schritte gekennzeichnet:
Zur Verfügung Stellen
eines Holzmaterials mit einem Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 15 bis
ungefähr
35%, basierend auf dem Gewicht des Holzmaterials; Imprägnieren
des Holzmaterials mit einer Zusammensetzung, die polymerisierbaren
Monomere enthält,
gewählt
aus einer Gruppe, bestehend aus Styrol, Methylstyrol und tertiärem Butylstyrol,
die in dem Holz polymerisiert sind, wobei die Polymerisation mit
mindestens drei Initiatoren initiiert wird; wobei die Monomere mit
Divinylbenzol, Ethylenglykoldimethacrylat, 1,3-Butylenglycoldimethylacrylat,
Ethylenglykoltrimethacrylat oder Trimethylolpropantrimethacrylat
vernetzt sind; und Aushärten/Trocknen
des imprägnierten
Holzmaterials mit Wärme
auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um die Monomere zu polymerisieren
und zu vernetzen.
-
Verwendung
des Holz-Polymer-Komposit nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder hergestellt
nach einem der Ansprüche
11 bis 21 als Türstufe,
Türlaminat,
Boden, Griff, Baubrett bzw. Bauplatte, Palette bzw. Stapelbrett,
akustisches Holz, Freiluftmöbel,
Möbel für drinnen,
Behälterboden,
Spielvorrichtung, Werkbank, Außenterrassenmaterial,
Treppen- und Geländermaterial,
Zaunpfähle
oder Nutz- bzw. Bauholz.
-
Insbesondere
ist das Bauholz eine Eisenbahnschwelle, vor allem eine umweltfreundliche
Eisenbahnschwelle. Das Bauholz kann auch ein Mast sein, insbesondere
ein umweltfreundlicher Mast.
-
Die
Verwendung des Holz-Polymer-Komposits sollte jedoch nicht auf die
obengenannten beschränkt werden,
sondern kann allgemein alle Verwendungsarten von Holzprodukten umfassen.
-
Um
komplettes Aushärten
und geringere Emissionen von dem fertigen Produkt zu erhalten, hat
man herausgefunden, daß eine
Kombination von Initiatoren gebraucht wird. Ein Initiator niedrigerer
Temperatur startet die Reaktion, ein zweiter (höhere Temperatur) führt sie
fort, und ein dritter (höchste
Temperatur) beendet sie. In den meisten dieser Kategorien können alternative
Initiatoren verwendet werden, abhängig von den Redaktionsbedingungen,
Anlagensicherheit, Kosten und Endverwendungserfordernissen. Öl oder Wachs
wird verwendet, um die exotherme Reaktion während der Polymerisation für die größeren Materialgrößen zu verringern,
und auch, um als wasserabweisender Stoff für das Material zu agieren.
Das Öl
oder Wachs weist einen zusätzlich
Nutzen darin auf, daß es
weniger kostet als Monomer, was die Kosten der Behandlung verringert.
-
Die
Hauptmonomere (Styrol, Methylstyrol (insbesondere Paramethylstyrol)
und tertiäres
Butylstyrol) können
allein oder in jeglicher Kombination verwendet werden. Der Hauptvorteil
von Methylstyrol und tertiärem Butylstyrol
ist ihr geringerer Dampfdruck und die somit geringeren Emissionen
in der Herstellungsanlage und dem fertigen Produkt.
-
Mengen
der verwendeten Initiatoren und Vernetzer hängen von Produkt, Verfahren
und Endverwendung ab, liegen aber zwischen einem minimalen und einem
maximalen Wert für
jeden. Unterhalb des minimalen Wertes funktioniert es nicht; oberhalb
des maximalen Wertes wird die Formulierung funktionieren, aber dies ist
unnötig
und kostenträchtig.
Menge von Öl
oder Wachs hängt
ab von der Produktgröße, den
Aushärtbedingungen
und den gewünschten
Endverwendungseigenschaften.
-
Die
verwendeten Mischungen sind in Tabelle 1 gezeigt.
-
-
Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung weiter.
-
BEISPIELE
-
BUCHENHÖLZER
-
Materialien und Verfahren
-
Sechs
Buchen-Eisenbahnschwellen wurden für den Versuch verwendet. Einige
davon wurden in kleinere Proben geschnitten, und andere wurden im
Ganzen behandelt.
Holzart: Buche (Fagus sylvatica)
-
Die
Abmessungen der Proben der sechs Buchen-Schwellen waren wie folgt:
- Kleine Proben: 65 × 55 × 280 mm,
96 Stücke;
- Mittlere Proben: 55 × 145 × 800 mm;
12 Stücke;
- Große
Proben: 240 × 145 × 800 mm;
drei Stücke;
- „Volle
Größe": 240 × 145 × 1700 mm;
drei Stücke.
-
Tabelle
2 zeigt die Trockendichte und das Feuchtigkeitsprofil der Schwellen,
wie sie in dem Versuch verwendet werden. Wie man in Tabelle 2 sehen
kann, wiesen die Schwellen einen hohen Feuchtigkeitsgehalt auf.
Es gab auch eine große
Abweichung im Feuchtigkeitsgehalt unter den Schwellen und innerhalb
jeder einzelnen Schwelle. Jeder der sechs Teile von Tabelle 2 repräsentiert
einen Querschnitt einer einzelnen Schwelle. Man hat er wartet, daß die Abweichungen
im Feuchtigkeitsgehalt auch in der Längsrichtung jeder einzelnen Schwelle
gefunden würden.
Die mittlere Trockendichte der Schwellen betrug 663 kg/m3 ± 39
kg/m3.
-
Tabelle
2 – Probennummer
(obere) Trockendichte in kg/m
3 (mittlere)
und Feuchtigkeitsgehalt (untere Nummer) der einzelnen Kontrollproben,
die aus dem Querschnitt der sechs Schwellen genommen wurden
-
Imprägnierung
-
Für alle Behandlungen
wurde "voll-Zellen"-Imprägnierung
verwendet. Das Holzprodukt wurde in einen Autoklaven gegeben, und
ein Vakuum von ungefähr
0,01 bis ungefähr
0,03 bar wurde für
eine bestimmte Zeit (tv) angelegt, bevor
der Behälter
mit einem imprägnierenden
Fluid gefüllt
wurde. Als das Fluid eingefüllt
war, wurde wieder Atmosphärendruck
hergestellt, und dann wurde ein Uberdruck von ungefähr 7,5 bar
hergestellt. Der Überdruck
oder für
eine bestimmte Zeit (tp) aufrechterhalten.
-
Aushärten
-
Das
gesamte Aushärten
der Monomere wurde in einem Heißluftofen
mit eingestellten Temperaturen von 70 und 140°C ausgeführt. Weil der Ofen Restwärme in den
Heizelementen aufwies, stieg die Temperatur nach einem Betrieb von
mehreren Stunden bei einer eingestellten Temperatur von 70°C auf 80°C. Trotzdem wird
die Temperatur des Aushärtens
als 70°C
bezeichnet.
-
Abgeschlossene
Behandlungen und deren Bewertung
-
Fünfundzwanzig
verschiedene Behandlungen wurden durchgeführt. Jede Behandlung wurde
variiert in Bezug auf die Größe der Holzmaterialien,
das Verhältnis
der Chemikalien in der Mischung, die Zeit von Vakuum und Druck während der
Imprägniervorgänge, wie
auch Temperatur und Zeit der Aushärtvorgänge. Vier Schritte des Tests
wurden abgeschlossen. Eine kurze Beschreibung und Bewertung von
ihnen wird nachfolgend umrissen.
-
Schritt 1
-
Schritt
1 besteht aus 16 verschiedenen Behandlungen sechs kleiner Proben
jeder einzelnen Behandlung. Eine Probe von jeder Schwelle wurde
verwendet, so daß eine
Variation der Holzmaterialien bei den verschiedenen Behandlungen
so gleich wie möglich
verteilt war. Diese 16 Behandlungen bildeten die Basis für die Bewertung
der Imprägnierungsqualität wie auch
die Bewertung von Chemie und Aushärt-Vollständigkeit. Verschiedene Zeiten
für Vakuum
und Druck wurden verwendet. Diese sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.
-
Die
Behandlungen können
in vier Hauptgruppen eingeteilt werden; a: Behandlung 1-4, b: Behandlung 5-8,
c: Behandlung 9-12, d: Behandlung 13-16.
-
Gruppe a
-
Gruppe
a wurde unter Verwendung der ersten chemischen Formulierung behandelt.
Die Vakuumszeit war kurz, 5-8 Minuten. Die Druckzeit wurde von 5
bis 18 Minuten variiert. Die Aushärtezeit bei 70°C wurde von 3
bis 6,5 Stunden variiert. Die Zeit des Nachhärtens bei 140°C betrug
ungefähr
vier Stunden. Der Konvertierungsgrad dieser Behandlungen war gering,
was auf eine hohe Verdampfung von Monomer während des Aushärtevorganges
hindeutet. Exotherme Reaktionswärme
wurde nicht beobachtet, was darauf hindeutet, daß die Polymerisation nicht
vollständig
war. Nach vollständigem
Aushärten
wurde kein Geruch beobachtet, was auf geringe Werte von restlichem
Monomer hindeutet. Als die Proben trockneten, schrumpften sie. Das
Trocknen war heftig, so daß es
Risse in den Materialien hervorrief. Die Restfeuchtigkeit wurde
auf 0% geschätzt.
-
Gruppe b
-
Nach
Bewertung von Gruppe a wurde die Konzentration des Initiators in
der Monomermischung erhöht.
Dies war ein Versuch, das Aushärten
früher
zu initiieren. Die Vakuumszeit wurde auf 11-15 Minuten verlängert. Die
Druckzeit wurde von 4 bis 19 Minuten variiert. Die Aushärtezeit
bei 70°C
wurde von 6 bis 10 Stunden variiert. Die Zeit des Nachhärtens bei
140°C betrug
6 Stunden. Die Proben wurden vor dem Nachhärten gekühlt. Während der längeren Aushärtezeit bei 70°C wurde exotherme
Reaktionswärme
beobachtet. Für
Behandlungen Nummern 6, 7 und 8 wurde dies nach sieben Stunden beobachtet,
wobei die Kerntemperatur der Materialien die Oberflächentemperatur
der Proben überstieg.
Nach abgeschlossenem Aushärten
bei 140°C wurde
kein Geruch wahrgenommen. Feuchtigkeitsverringerung und Rißbildung
waren die gleichen, wie sie für Gruppe
a beobachtet wurden.
-
Gruppe c
-
Nach
Bewertung von Gruppe b wurde ein Aushärten bei 70°C ohne Nachhärten durchgeführt. Es
wurden die gleichen chemischen Formulierungen wie für Gruppe
b verwendet. Die Aushärtezeit
bei 70°C
wurde auf 17-20 Stunden verlärgert,
um zu beobachten, wann die exotherme Reaktion auftrat und wie hoch
die Kerntemperatur wurde. Die Kerntemperatur überstieg die Oberflächentemperatur
nach 5-7 Stunden wobei nach 8,5-11
Stunden ein Maximum auftrat. Die Vakuumszeit wurde geringfügig auf
8,5-11 Minuten verlängert.
Die Druckzeit wurde von 4,5 bis 28 Minuten variiert. Die Messung
wurde nach dem Aushärten
bei 70°C
durchgeführt.
Der Geruch war « mittel» nach dem
Aushärten
bei 70°C.
Dies deutet auf verbliebene Monomere hin, die nicht reagiert haben.
Um eine konsistente Bewertung der Polymeraufnahme zu erhalten, wurden
die Proben später
bei 140°C
nachgehärtet,
aber dies ist in Tabelle 3 nicht wiedergegeben.
-
Gruppe d
-
Nach
Bewertung von Gruppe c wurde beschlossen, einen anderen Initiator
zu verwenden, in einem Versuch, Polymerisation in einem früheren Stadium
zu starten und nach Möglichkeit
die Konvertierung zu erhöhen.
Für diese
Gruppe wurden Messungen und Bewertung nach dem Aushärten bei
70°C durchgeführt. Nachhärten bei
140°C wurde
in einem späteren
Stadium ausgeführt,
um eine konsistente Bewertung der Polymeraufnahme und Konvertierung
zu erhalten. Die Vakuumszeit wurde auf 5-12 Minuten verringert.
Die Druckzeit wurde von 0,5 bis 4,5 Minuten variiert. Die Aushärtezeit
bei 70°C
wurde von 10 bis 12 Stunden variiert. Eine dramatische Verkürzung des
Aushärtevorganges
wurde beobachtet. Die Zeit, bis die Kerntemperatur die Oberflächentemperatur überstieg,
betrug ungefähr
2 Stunden, und die maximale Temperatur wurde entsprechend bei 4,5
bis 5 Stunden beobachtet. Dies bewirkte den Geruch nach der Behandlung.
Der Geruch wurde als "gering" bewertet, was einen
hohen Konvertierungsgrad anzeigt. Die berechnete Konvertierung stieg
dramatisch von 72% für
Gruppen a-c auf 88% für
Gruppe d. Der neue Initiator war erfolgreich darin, die Reaktionszeit
zu verringern und die Konvertierung zu erhöhen.
-
Schritt 2
-
Schritt
2 besteht aus drei einzelnen Behandlungen der Schwellen 1, 2 und
3. Details sind in Tabelle 4 angegeben, Behandlung Nummern 17, 18
und 19.
-
Die
Vakuumszeit wurde von 11 bis 14,5 Minuten variiert, und die Druckzeit
wurde von 2,5 bis 6,3 Minuten variiert. Für die drei Behandlungen wurde
die Ofentemperatur bei 76 bis 82°C
stabilisiert. Dies wurde 18 Stunden lang gehalten. Die Proben wiesen
einen Bereich ungefähr
4 mm tief an der Oberfläche
auf, der einen geringen Polymergehalt hatte, was eine Monomer-Verdampfung
anzeigte.
-
Die
Hälfte
aller Proben von Schritt 2 wurden 20 Stunden bei 140°C nachgehärtet. Dies
produzierte größere Schrumpfung,
Verformung und innere Risse in den Materialien. Zusätzlich war
der Kern als Ergebnis der hohen Temperatur über eine solche lange Zeit
dunkelbraun. Die inneren Risse waren an der Oberfläche nicht sichtbar.
Die Risse wiesen das gleiche Erscheinungsbild auf wie die, die durch
Trocknen des Holzes unter zu scharfen Bedingungen hergestellt wurden.
Das Nachhärten
resultierte in einer Restfeuchtigkeit von 0%. Es ist nicht möglich, irgend
einen Geruch aus den Materialien zu bemerken, und man betrachtete
die verbliebenen Monomere daher als auf sehr geringem Niveau befindlich.
Dies zeigt, daß die
chemische Mischung das Ergebnis klar beeinflußt.
-
Schritt 3
-
Schritt
3 bestand aus drei einzelnen Behandlungen von großen Proben
(voller Querschnitt) der Schwellen 1, 2 und 3.
-
Details
sind in Tabelle 4 wiedergegeben, Behandlungen Nummern 20, 21 und
22. Die Vakuumszeit wurde von 5 bis 7,5 Minuten variiert. Für die drei
Behandlungen wurde die Ofentemperatur bei 84 bis 88°C stabilisiert.
Dies wurde 19-22 Stunden lang gehalten.
-
Schritt 4
-
Schritt
4 bestand aus drei einzelnen Behandlungen von "volle Größe"-Proben der Schwellen 4, 5 und 6. Details
sind in Tabelle 4 angegeben, Behandlungen Nummern 23, 24 und 25.
Die Vakuumszeit wurde von 18 bis 23 Minuten variiert, und die Druckzeit
wurde von 8 bis 9,5 Minuten variiert. Für die drei Behandlungen wurde
die Ofentemperatur bei 86 bis 88°C
stabilisiert. Dies wurde 19 bis 23 Stunden lang gehalten.
-
-
-
Monomer- und Polymerbeladung
und %-Konvertierung von Monomer zu Polymer
-
Monomer-
und Polymerbeladung und die Konvertierung für die verschiedenen Behandlungen
sind in Tabelle 5, Tabelle 6 und Tabelle 7 wiedergegeben.
-
-
-
-
Die
Härte des
Holzes und des daraus hergestellten Holz-Polymer-Komposits ist in
Tabelle 8 wiedergegeben.
-
-
KIEFERNHÖLZER
-
Holzarten:
Schottische Fichte (Pinus sylvestris)
-
Materialien und Verfahren
-
Man
erhielt 10 Schwellen, und ihr Feuchtigkeitsgehalt (FG) und die Kernholz/Splintholz-Position
wurde für
jede Schwelle aufgenommen. Jede Schwelle wurde direkt vor der Imprägnierung,
nach der Imprägnierung und
nach dem Aushärten
gewogen. Der FG wurde gemessen, indem Kernstücke geschnitten wurden, diese in
Inkremente geteilt wurden, jedes Inkrement gewogen wurde, die Inkremente
im Ofen getrocknet und wieder gewogen wurden. Dieses Verfahren lieferte
den FG an verschiedenen Positionen innerhalb jeder Schwelle. [0048]
Eine 60-Teile zu 40-Teile-Mischung von para-Methylstyrol zu Styrol
war das verwendete Basismonomer. Auf Basis dieses Basismonomers
wurden die folgenden Ingredienzien zugefügt: 20% Mineralöl (Reaktionsmoderator
und wasserabweisende Substanz), 3,5% Divinylbenzol (Verletzer),
0,5% 2,2'-Azobis-(2-methylbutannitril)
(Niedrigtemperaturinitiator), 0,2% 1,1'-Azobis(cyclohexancarbonitril) (Mitteltemperaturinitiator)
und 0,5% tertiäres
Butylperbenzoat (Hochtemperaturinitiator).
-
Imprägnierung
wurde an allen Schwellen unter Verwendung eines Vakuums für eine halbe
Stunde durchgeführt,
wobei Monomer zugefügt
wurde und dann Druck von 5,3 bar. Die Druckzeit für die Schwellen
1, 4 und 9 betrug eine halbe Stunde, für 2, 5, 6, 7 und 10 betrug
sie eine Stunde, und für
Schwelle 8 war die Druckzeit 3 Stunden.
-
Das
Aushärten
wurde in einer Kammer, die in allen Abmessungen 300 mm größer ist
als eine einzelne Schwelle, durchgeführt. Die Temperatur der Aushärtekammer,
der Oberfläche
der Schwelle und an Positionen innerhalb der Schwelle wurde gemessen,
während
Das Aushärten
stattfand. Die Schwellen wurden einzeln behandelt und gehärtet außer den
letzten beiden, die gesamt zusammen verarbeitet wurden.
-
Weil
in den Splintholzabschnitten einiger der ersten behandelten Schwellen
recht heftige innere Markierung auftrat, wurde die Aushärtetemperatur
in einigen folgenden Schwellen kontrolliert, um zu versuchen, diese
Markierung zu verringern.
-
Nach
dem Aushärten
wurde von jeder Schwelle in Positionen, in denen die Temperatur
gemessen worden war, Querschnitte geschnitten und der Polymergehalt
für den
Abschnitts eingeschätzt.
Der FG des Kernholzes wurde unter Verwendung von Kernstücken auch
zu dieser Zeit gemessen. Eine Schwelle wurde in Längsrichtung
zersägt,
und die Dichten wurden sequentiell in Splintholz, äußerem Kernholz
und innerem Kernholz über
1 m entlang der Länge
gemessen.
-
Aus
unbehandeltem Splintholz und Kernholz, aus behandeltem Kernholz
und aus behandeltem Splintholz mit und ohne innere Markierung wurden
Proben von 50 mm im Quadrat im Querschnitt und 150 mm Länge hergestellt.
Sie wurden senkrecht zu Maserung, parallel zu den Jahresringen (tangential)
beladen, was die gleiche Richtung ist, in der eine Schiene sie belasten
würde.
Die Testvorrichtung nahm die Belastung und die Verschiebung (Messen
durch LVDT) in einer Datenregistriervorrichtung auf. Die Fläche betrug
50 mm mal 50 mm in der Mitte der Probe.
-
Vollendete Behandlungen
und deren Bewertungen
-
FG kurz vor der Behandlung
-
Die
zur Zeit der Behandlung bestimmten Feuchtigkeitsgehalte sind in
Tabelle 9 wiedergegeben.
-
-
Die
Splintholz-Durchdringung von Monomer war für alle Schwellen außer der
Nummer 1 gut, weil ihr FG in dem behandlungsfähigen Bereich lag. Die Splintholz-Durchdringung von
Schwelle Nummer 1 war auf die trockenen Hülle beschränkt, während das feuchtere Splintholz
nicht durchdrungen wurde. Trotzdem war die Gesamtaufnahme ähnlich der
der anderen Schwellen.
-
Aushärtequalität
-
Alle
Schwellen wurden gehärtet,
und es gab praktisch keinen Geruch nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur. Bereits
zuvor bestehende Oberflächenmarkierung
dehnte sich nur sehr wenig aus, und es traten keine neuen Flecken
auf.
-
Das
Monomer im Kernholz härtete
aus. Dies wurde durch ein Fehlen von Geruch und Härtewerten,
die denen von Holz-Polymer-Kompositen und nicht den niedrigeren
Werten von unbehandeltem Holz entsprechen, bestimmt. Innere Flecken
im Kernholz wurden minimiert, wenn die Temperatur gemäßigt wurde
und wenn der Feuchtigkeitsgehalt und die Splintholztiefe geringer
waren. Der Effekt der Aushärtetemperatur
ist in Tabelle 10 gezeigt.
-
-
Das
Aussehen der Schwellen war gut, und sie waren sauber und konnten
leicht ohne Hautschutz gehandhabt werden.
-
Monomer- und Polymerbeladung
-
Tabelle
11 faßt
die Beladungsergebnisse zusammen.
-
-
Die
mittlere Monomerbeladung der neun Schwellen betrug ungefähr 22 kg.
Der Gewichtsverlust während
des Aushärtens
betrug ungefähr
2 kg pro Schwelle oder ungefähr
9% des Monomergewichts. Weil während
des Aushärtens
hohe Temperaturen, einige oberhalb des Siedepunktes von Wasser,
erreicht wurden, muß einiges
des Gewichtsverlustes Wasser sein. Daher ist der Gewichtsverlust
von 2 kg von einer Schwelle zum Teil Wasser und zum Teil Monomer.
Wenn alles Monomerverlust wäre,
wäre ein
anderer Weg, dies auszudrücken,
daß die
Monomer- zu Polymer-Korivertierung 91% betrug, was etwas höher ist
als für
die beste Buchenschwellenbehandlung.
-
Beladung von Splintholz,
Kernholz und verschiedene Positionen und FGs
-
Die
Polymerbeladung für
verschiedene Abschnitte der Schwellen wurde aus Dichtemessungen,
die aus daraus geschnittenen Stücken
gemacht wurden, berechnet. Im Kernholz wurde fast der gesamte verfügbare Raum
von Polymer gefüllt,
was Dichten ergab, die gerade größer als
1 g/cc (Mittel 1,03 g/cc) waren. Die Kernholzbeladung war nahe der
Schwellenenden und um die Risse herum am größten und nahm mit dem Abstand
von den Schwellenenden ab, um ungefähr 30 cm vom Ende entfernt
Null zu werden. Polymer im Kernholz befand sich hauptsächlich im
Spätholz,
und maximale Ladungen betrugen knapp 50% des verfügbaren Raums
(mittlere Dichte von 0,72 g/cc).
-
Jegliches
Splintholz unterhalb eines FG von ungefähr 30% ließ sich gut behandeln, und jeglicher
Kernholz-FG war zur Behandlung geeignet, als die Schwellen erhalten
wurden.
-
Komprimierungsstärke und
Steiheit
-
Die
Werte von unbehandeltem und behandelten Schwellen sind in Tabelle
12 wiedergegeben.
-
-
Weil
Steilheit (MOE) und Ausbeutebelastung (Beladung, bei der das Material
anfängt
zu brechen) meistens durch die Frühholzeigenschaften bestimmt
werden, wenn die Belastung in tangentialer Richtung erfolgt und
weil Kernholz-HPK-Polymer meist im Spätholz gefunden wird, erwartet
man, daß die
Kernholz-HPK-Eigenschaften ähnlich
denen von unbehandeltem Holz sein würden, wie in der Tabelle angedeutet ist.
Die hohe Beladung von Splintholz-HPK (wiedergespiegelt in hohen
Dichten) erhöht
Stärke
und Steifheit stark. Splintholz-Ausbeutebelastung und MOE-Werte
sind ungefähr
die gleichen wie Werte für
behandelte Hartholze wie Birke.
-
Diese
Ergebnisse deuten darauf hin, daß Widerstand gegenüber komprimierender
Belastung und mechanischer Abnutzung in HPK-Schwellen merklich besser
sein sollte als in dem Holz, aus dem sie gemacht wurden.
