DE60104891T2

DE60104891T2 - Mit furanpolymer imprägniertes holz, verfahren zur herstellung und verwendungen davon

Info

Publication number: DE60104891T2
Application number: DE60104891T
Authority: DE
Inventors: H. Marc SCHNEIDER
Original assignee: WOOD POLYMER TECHNOLOGIES ASA OSLO; Wood Polymer Technologies ASA
Current assignee: Kebony AS
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: RU2003113319A; ZA200303629B; NO313183B1; AU2281802A; AP1494A; DK1341648T3; ES2227311T3; CA2429578A1; EP1341648A2; NO20005137L; PT1341648E; CN1469798A; JP2004512193A; BR0114484B1; DE60104891D1; PL360155A1; US20040028933A1; WO2002030638A2; AU2002222818B2; MXPA03003058A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Furanpolymer-imprägniertes Holz, das durch die gesamte behandelte Zone hindurch von gleichmäßiger Farbe und Dichte ist. Um das Polymer-imprägnierte Holz zu erhalten, wird ein Mutterholz mit einem Gemisch imprägniert, das polymerisierbare organische Verbindung von mindestens Furfurylalkohol und eine weitere Verbindung enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von Furanpolymer-imprägniertem Holz und Verwendungen desselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie nachstehend beschrieben ist, erfolgt im Stand der Technik die Herstellung von Furanpolymer-imprägniertem Holz auf verschiedene Weise, indem Holz mit einer Furfurylalkohollösung imprägniert und anschließend der Furfurylalkohol im Holzinneren unter Erzeugung eines dunkelbraunen Holz-/Polymer-Verbundstoffs polymerisiert wird.
1. Initiierungsmittel
Bei dem ältesten Verfahren waren Initiierungsmittel wasserlösliche Salze, insbesondere Zinkchlorid. Das Salz wurde in Wasser gelöst, und dann wurde die Lösung dem Furfurylalkohol zugegeben. Das Salzgewicht war ungefähr 5% des Furfurylalkoholgewichts. Das Holz wurde dann mit diesem Gemisch imprägniert und unter Anwendung von Wärme polymerisiert. Während die Imprägnierung stattfand, wurden Wasser und Salz von dem Holz nahe der Oberfläche zurückgehalten. Furfurylalkohol, der tiefer in das Holz gelangte, erfuhr deshalb eine Verarmung an Initiierungsmittel und härtete nicht gut aus. Daher war dieses Verfahren auf kurze oder dünne Holzteile beschränkt.
Ein neueres Verfahren machte von einem Zweistufen-Verfahren Gebrauch. Zunächst wurde eine Zinkchloridlösung in Wasser hergestellt. Holz wurde damit imprägniert und getrocknet. Die Menge an getrocknetem Salz war ungefähr 5% der berechneten Menge an Furfurylalkohol, die im nachfolgenden Schritt zum Imprägnieren verwendet wurde.
Dann wurde das Holz mit Furfurylalkohol imprägniert. Es erfolgte Aushärten unter Anwendung von Wärme. Durch dieses Verfahren wurde ein gleichmäßiges Material gebildet, es erforderte jedoch zwei Imprägnier- und Trocknungsschritte.
Das Dokument US-A-2909450 beschreibt die Behandlung von Holz mit wäßrigen Lösungen, die Furfurylalkohol, Zinkchlorid und eine organische Säure aufweisen.
2. Materialgröße
Für das ältere Verfahren wurden aus den oben genannten Gründen dünne Schnitte und kurze Längen von Holz benötigt. Material von Nutzholzgröße hatte, wenn es so behandelt wurde, starke Farb- und Dichtegradienten, wobei das dunklere und dichtere Material nahe den Oberflächen des behandelten Holzes vorhanden war. In den gut behandelten Zonen nahe Oberflächen (oder in kleinen Stücken) war die Dichte nach der Behandlung im Bereich von 0,9 g/cm³ bis 1,15 g/cm³, wogegen im Inneren die Dichte derjenigen des Mutterholzes angenähert war, und nicht ausgehärteter Furfurylalkohol war gewöhnlich anwesend.
Das neuere Verfahren war nicht wie das ältere größenmäßig beschränkt, das Verfahren dauerte jedoch erheblich länger, da das Trocknen in der ersten Stufe Sorgfalt erforderte, um ein Aufspalten und Verziehen zu verhindern.
3. Materialfarbe
Aufgrund der Gradienten bei Anwendung des oben genannten älteren Verfahrens variierte die Farbe des Materials mit der Tiefe von den Oberflächen aus. Maschinelle Bearbeitung oder Schleifen legten deshalb Material einer helleren farbei frei, wobei die Farbe mit dem Abstand von der Oberfläche variierte. Das neuere Verfahren ergab durchweg eine ausgezeichnete Farbe.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine der Hauptaufgaben der Erfindung ist es, ein Furanpolymer-imprägniertes Holz bereitzustellen, wobei mindestens zwei Chemikalien verwendet werden, um eine einheitliche Imprägnierlösung zu erhalten.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine gleichmäßige Verteilung der Chemikalien in dem Furanpolymer-imprägnierten Holz zu ermöglichen, das hinsichtlich Farbe und Dichte durch die gesamte behandelte Zone hindurch gleichmäßig ist, was eine gleichmäßige, dunkle Farbe ergibt. Dies wird durch einen Imprägnierschritt erreicht.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Furanpolymer-imprägniertes Holz bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften unter anderem hinsichtlich Maßhaltigkeit und Fäulnisbeständigkeit hat.
Nach der vorliegenden Erfindung werden die vorstehenden und weitere Aufgaben durch ein Produkt, ein Verfahren und Verwendungen davon gemäß der Offenbarung in den Patentansprüchen gelöst.
GENAUE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Holzmaterial bereitgestellt, das mit polymerisierbarer Furfuralalkohol-Monomerlösung imprägniert ist, die aus Furfurylalkohol und einer weiteren Verbindung besteht, die direkt in dem Furfurylalkohol gelöst wird, um eine Behandlungslösung herzustellen, wobei die eine weitere Verbindung ausgewählt ist aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäure, Äpfelsäure, Phthalsäure und Kombinationen davon.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Furanpolymer-imprägnierten Holzmaterials bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Holzmaterial in einem einzigen Imprägnierschritt mit polymerisierbarer Furfuralalkohol-Monomerlösung imprägniert wird, die aus Furfurylalkohol und einer weiteren Verbindung besteht, die direkt in dem Furfurylalkohol gelöst ist, um eine Behandlungslösung herzustellen, wobei die genannte eine weitere Verbindung ausgewählt ist aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäure, Äpfelsäure, Phthalsäure und Kombinationen davon, gefolgt von einem Aushärtungsschritt.
Der Schlüssel zu der Erfindung ist die Verwendung von einer oder mehreren Chemikalien, die als neue Initiierungsmittel wirken. Diese Initiierungsmittel haben eine ähnliche Affinität für Holz wie Furfurylalkohol und treten deshalb in das Holz ein und bleiben bis zu ihrer Eindringtiefe in Lösung. Wo immer die Lösung eindringt, ist sie polymerisierbar. Die Initiierungsmittel werden aus jeder Anhydrid enthaltenden Verbindung sowie Säuren ausgewählt, die aus der Gruppe von Maleinsäure, Äpfelsäure, Phthalsäure und Sterinsäure ausgewählt sind. Bevorzugt wird jedoch eine Verbindung verwendet, die ausgewählt ist aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Kombinationen davon. Stärker bevorzugt wird Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanhydrid oder eine Kombination davon verwendet, am stärksten bevorzugt Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanyhdrid. Zur Herstellung einer Behandlungslösung wird mindestens eines dieser Initiierungsmittel, bevorzugt nur eines dieser Initiierungsmittel, direkt in Furfurylalkohol unter Bildung einer Lösung gelöst, die eine mehrmonatige Gebrauchsdauer bei Raumtemperatur hat. Der Konzentrationsbereich liegt zwischen ungefähr 5% und ungefähr 20%, bezogen auf das Gewicht von Furfurylalkohol. Die niedrigeren Konzentrationen haben eine längere Lagerbeständigkeit und härten bei Erwärmung langsamer. Die höheren Konzentration werden eingesetzt, wenn rascheres Aushärten benötigt wird, wenn Aushärtungstemperaturen erforderlich sind, die niedriger als Normal-Aushärtungstemperaturen sind, oder wenn Hölzer verwendet werden, die Polymerisationsinhibitoren enthalten.
Die Imprägnierung des Holzes durch die initiierte Behandlungslösung wird unter Anwendung eines Vollimprägnierungsverfahrens ausgeführt, bei dem ein anfängliches Vakuum, gefolgt von Superatmosphärendruck angewandt wird, der im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 20 at liegt. Das anfängliche Vakuum kann im Bereich von ungefähr 5 min bis ungefähr 30 min oder mehr liegen, und der Superatmosphärendruck kann im Bereich von ungefähr 20 min bis ungefähr 1 h oder mehr liegen.
Das Aushärten wird unter Anwendung von Wärme ausgeführt, die durch Heißluft, Dampf, Heißöl oder Hochfrequenzerwärmen geliefert wird. Die Wärme aktiviert die Initiierungsmittel und startet die Polymerisation. Die gewöhnliche Aushärtungstemperatur kann im Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 140°C sein. Das Aushärten erfordert entweder eine gewisse Zeit bei ungefähr 90°C, gefolgt von einer gewissen Zeit bei ungefähr 140°C, oder nur eine gewisse Zeit bei ungefähr 140°C. Die Zeitdauern variieren mit der Materialgröße und dem Ofentyp. Die Aushärtungsdauer kann im Bereich von ungefähr 1/2 h bis ungefähr 12 h, insbesondere von ungefähr 1/2 h bis ungefähr 6 h liegen. Die Zeit ist nicht kritisch, ebenso wenig ist es die niedrigere Temperatur. Der Schritt bei höherer Temperatur ist jedoch neu und ist kritisch, damit ein Produkt hoher Güte erhalten wird. Bei Verwendung von Heißluft ist die Aushärtungstemperatur ungefähr 90°C. Das Material wird in die erwärmte Umgebung verbracht. Wenn es ungefähr 90°C erreicht, beginnt eine exotherme Polymerisationsreaktion. Die weitere Wärme, die durch die Reaktion erzeugt wird, beschleunigt das Aushärten, das in einigen Minuten abgeschlossen ist. Dann wird die Temperatur für ungefähr eine Stunde auf ungefähr 140°C erhöht, um Reaktionsprodukte und nicht ausgehärtetes Monomer (nicht ausgehärtete Monomere) auszutreiben. Die Hochtemperatur-Endbearbeitungsstufe nach dem Aushärten ist ein Schlüsselelement der Erfindung. Alternativ kann eine Temperatur, durch die das Holzmaterial Brandstellen bekommt, als die Maximaltemperatur (Brandstellentemperatur) angewandt werden. Bei Anwendung einer Luftatmosphäre führt Sauerstoff leichter zu Brandstellen. Um dieses Problem zu vermeiden, sollte eine sauerstofffreie Atmosphäre verwendet werden.
Das Ausgangsmaterial ist Holzmaterial, gewöhnlich Nutzholz, das Bohlen (dickes Nutzholz) aufweist, es kann jedoch auch Holzverbundstoffe wie etwa Spanplatten mit ausgerichteten Spänen und Spanplatten sein. Holzmaterialien sämtlicher Dimensionen, bevorzugt großer Dimensionen können verwendet werden, wobei die Maximaldimension der Länge des Fertigmaterials 100 m ist, die Maximaldimension des Durchmessers des Fertigmaterials 7 m ist, eine Maximaldimension des Querschnitts des Fertigmaterials 40 m² ist. Gewöhnlich hat Nutzholz (haben Bohlen) eine maximale Dicke von 50 mm. Die Länge ist jedoch wichtiger, da sich die Behandlungslösung sehr rasch entlang der Länge, aber sehr langsam über den Querschnitt bewegt. Bei durchlässigem Holz wie etwa Buche und Birke wird die Gleichmäßigkeit der Behandlung davon bestimmt, wie gut die Behand lungslösung gleichmäßig bleibt, während sie sich entlang der Länge bewegt. Wenn die Imprägnierung abgeschlossen ist, hat das durch dieses Verfahren gebildete Holzmaterial durchweg einheitliche Eigenschaften. Farbe, Feuchtigkeits- und Zersetzungsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften sind durchweg konsistent. Die Eigenschaften und die Farbe einzelner auf diese Weise behandelter Nutzholzteile hängen von der erreichten Polymerbeladung ab. Verschiedene Holzarten und selbst verschiedene Platten derselben Art können eine unterschiedliche Imprägnierung erfahren. Diejenigen Platten, die mehr Polymer annehmen, haben eine dunklere Farbe und größere Härte. Feuchtigkeits- und Zersetzungsbeständigkeit werden von dem Beladen jedoch nur wenig beeinflußt.
Der Feuchtigkeitsgehalt von Holzmaterial kann im Bereich von bis zu ungefähr 30%, insbesondere mehr als ungefähr 15% liegen, kann jedoch auch niedriger als 15% sein. Der Feuchtigkeitsgehalt des Holzmaterials ist jedoch nicht kritisch.
Holzmaterial, das billige Typen und Abfallmaterial aufweist, kann verwendet werden, um Edelholzprodukte wie etwa Imitationsteak, -mahagoni, -rattan und andere herzustellen und ihnen ferner neue Eigenschaften wie etwa Wasserbeständigkeit und einfachere und geringere Pflegeerfordernisse zu verleihen.
Es wird hier zwar auf spezielle Zusammensetzungen, Verfahren und Verwendungen Bezug genommen; es versteht sich jedoch, daß solche speziellen Erläuterungen nicht als beschränkend anzusehen sind, sondern als Beispiele dienen und die beste Axt der Durchführung der vorliegenden Erfindung angeben sollen.
BEISPIEL
Platten aus drei Hartholzarten mit einer Länge von ungefähr 1 m und einer Dicke von ungefähr 12 mm wurden zu Bündeln zusammengefaßt und unter Verwendung einer 5% Maleinsäureanhydrid und 95% Furfurylalkohol enthaltenden Behandlungslösung Vakuum-Druck-imprägniert. Das Aushärten erfolgte in einem Heißluftofen bei 95°C für 2 h, gefolgt von 3 h bei 140°C. In jeder Behandlungsstufe wurde jedes Bündel gewogen. Am Schluß wurde die Umwandlung von Monomer zu Polymer berechnet, so daß der Verlust an Reaktionsprodukten bekannt war. Einige Platten wurden nach der Behandlung zersägt, und die Gleichmäßigkeit ihrer Behandlung wurde unter Nutzung von der Farbänderung bewertet.
Die Behandlungsdaten sind in der nachstehenden Tabelle angegeben, wobei die Holzart 1 Buche, die Holzart 2 Ahorn und die Holzart 3 Birke ist.
wobei:

a) das Gewicht ist, das bei einem Feuchtigkeitsgehalt (FG) von 6% erhalten wird
b) das berechnete Ofentrocken-Gewicht (0% FG) ist
c) das nach der Imprägnierung aufgezeichnete Gewicht ist (das die Feuchtigkeit noch enthält)
d) das Gewicht nach dem Aushärten ist, wobei die Feuchtigkeit aufgrund des Erwärmens ebenfalls verschwunden ist
e) der Prozentsatz von Monomer im Holz (von c) ist, bezogen auf das berechnete OT-Gewicht
f) der Prozentsatz von Polymer im Holz (von d) ist, bezogen auf das berechneten OT-Gewicht
g) der Prozentsatz des Monomers ist, das während des Aushärtens zu Polymer umgewandelt wurde
h) die endgültige Dichte nach dem Aushärten ist

Ahorn und Birke verhielten sich ähnlich zueinander. Sie konnten recht gut imprägniert werden, aber die Oberflächen ließen sich geringfügig besser behandeln als das Innere, das heller braun war. Ihre Aufnahme, Dichte und ihr Umwandlungswirkungsgrad war etwas geringer als bei Buche. Buche hatte die höchste Aufnahme und Umwandlung und Dichte und war durchweg gleichmäßig behandelt. Sie war die beste verwendete Axt. Sie hatte durchweg eine gleichmäßige, dunkle Farbe nach dem Zersägen.
Die neue Imprägnierungsformel und das neue Aushärtungsschema erzeugten bei Verwendung von Buche einen gleichmäßigen Holz-/Polymer-Verbundstoff und bei Verwendung von Ahorn und Birke ein recht gleichmäßiges Material.

Claims

Furanpolymer-imprägniertes Holzmaterial, gekennzeichnet durch Holzmaterial, das mit polymerisierbarer Furfuralalkohol-Monomerlösung imprägniert ist, die aus Furfurylalkohol und einer weiteren Verbindung besteht, die direkt in dem Furfurylalkohol gelöst wird, um eine Behandlungslösung herzustellen, wobei die eine weitere Verbindung ausgewählt ist aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäure, Äpfelsäure, Phthalsäure und Kombinationen davon.
Furanpolymer-imprägniertes Holzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Holzmaterial Nutzholz ist.
Furanpolymer-imprägniertes Holzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Holzmaterial Holzverbundstoffe wie etwa Spanplatten mit ausgerichteten Spänen und Spanplatten ist.
Furanpolymer-imprägniertes Holzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der genannten einen weiteren Verbindung in der Behandlungslösung zwischen ungefähr 5% und ungefähr 20% ist, bezogen auf das Gewicht des Furfurylalkohols.
Verfahren zum Herstellen eines Furanpolymer-imprägnierten Holzmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß Holzmaterial in einem einzigen Imprägnierschritt mit polymerisierbarer Furfuralalkohol-Monomerlösung imprägniert wird, die aus Furfurylalkohol und einer weiteren Verbindung besteht, die direkt in Furfurylalkohol gelöst ist, um eine Behandlungslösung herzustellen, wobei die genannte eine weitere Verbindung ausgewählt ist aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäure, Äpfelsäure, Phthalsäure und Kombinationen davon, gefolgt von einem Aushärtungsschritt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten unter Verwendung einer Temperatur im Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 140°C ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten in Abhängigkeit von der Materialgröße und von dem verwendeten Ofentyp entweder zwischen 10 min und 2 h bei ungefähr 90°C, gefolgt von 15 min bis 4 h bei ungefähr 140°C, oder nur zwischen 15 min und 4 h bei ungefähr 140°C erfordert.
Verwendung eines Furanpolymer-imprägnierten Holzes, das gemäß den Ansprüche 5 bis 7 hergestellt ist, als Messergriffe, Küchengerät wie etwa Löffel, Gabeln, Schneidbretter, Schüsseln; Möbel, Innenbodenbelag, Arbeitsflächen, Gebäudeteile wie etwa Flachelemente, Simse, Außenwandverkleidung, Fensterbretter, Fachwerk; Schiffsteile wie etwa Relinge, Bodenbelag, Decktrimmung, Deckbodenbelag, Möbel, Einbauteile, Marineeinrichtungen wie etwa Docks, Pfeiler, Hummerfallen, Freilandmöbel, Gewehrschäfte und Pistolengriffe, Musikinstrumententeile wie etwa Klaviertasten, Violin- und Gitarrengriffbretter und -stege, Kühlturmlamellen, Laufgänge im Freien, Behälter wie etwa Tanks für Beizmittel oder Ätzmittel; Maschinenteile wie etwa Fördererplatten, Sägeführungen, Sägen- und Hobeltischflächen.