-
Diese
Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Polyisocyanat-Zusammensetzungen,
die als Bindemittel für
die Herstellung von Lignocellulose-Verbundmaterialien, insbesondere
von Verbundmaterialien, die Lignocellulose-Fasern bzw. -Späne enthalten,
zum Beispiel einer Platte mit orientierten Spänen ("Oriented Strand Board"), verwendbar sind.
Die Polyisocyanat-Zusammensetzungen der Erfindung umfassen ein spezifisches
Polyisocyanat-Prepolymer
eingemischt in ein Basis-Polyisocyanat.
-
Die
Verwendung von organischen Polyisocyanaten als Bindemittel für Lignocellulose-Material bei der Herstellung
von dünnen
Platten oder Formkörpern,
zum Beispiel Leiterplatte, Spanplatte, Holzfaserplatte und Sperrholz,
ist gut bekannt und wirtschaftlich wünschenswert, da die resultierenden
Verbundmaterialien hohe Adhäsions-
und Kohäsionsfestigkeit,
Flexibilität
gegenüber Änderungen
bei den Holzarten, Anpassungsfähigkeit
bezüglich
Härtungstemperatur
und -geschwindigkeit, ausgezeichnete Eigenschaften der resultierenden Verbundmaterialien
und die Fähigkeit,
mit Lignocellulose-Materialien, die einen höheren Wassergehalt als er typischerweise
für Kondensationsharze,
zum Beispiel Phenolformadehyd, verwendet wird, zu binden, haben.
-
Allerdings
treten Verarbeitungsschwierigkeiten mit der Verwendung von Standard-Isocyanat-Bindemitteln
bei hoher Möbelfeuchtigkeitsgehalten
auf, welche eine Verbundmaterialverarbeitung negativ beeinträchtigen
können.
Ein Verfahren, das verwendet wird, um diese Schwierigkeiten zu minimieren,
besteht darin, nur Lignocellulose-Materialien zu verwenden, die
einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt haben (d.h. einen Feuchtigkeitsgehalt
von etwa 3 bis etwa 8%). Dieser niedrige Feuchtigkeitsgehalt wird
im Allgemeinen durch Trocknen des Celluloserohmaterials unter Verringerung
des Feuchtigkeitsgehalts erreicht. Eine solche Trocknung ist jedoch
teuer und hat eine signifikante Wirkung auf die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens. Eine Verwendung von Materialien mit niedrigen Feuchtigkeitsgehalten
ist auch günstig,
weil Platten des Verbundmaterialprodukts die Tendenz zeigen, Feuchtigkeit
zu absorbieren und aufzuquellen, wenn sie in feuchten Umgebungen
verwendet werden.
-
Dementsprechend
gibt es einen klaren Bedarf für
eine Bereitstellung von Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzungen, die die
Fähigkeit
haben, Lignocellulose-Ausgangsmaterial mit höheren Feuchtigkeitsgehalten
zu verwenden, wodurch der Gesamtenergiebedarf für eine Trocknung in einer Herstellungsanlage
signifikant reduziert wird. Gleichzeitig sollten diese Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzungen
fähig sein, Verbundmaterialien
mit überlegender
Dimensionsstabilität
bereitzustellen, wenn das Produkt den Pressarbeitsgang verlässt, die
demnach weniger an Schrumpfung/Reäquilibrierung leiden. Die Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzungen
sollten auch eine höhere
Mattenklebrigkeit bzw. Plattenklebrigkeit bereitstellen, wodurch
eine bessere Mattenstabilität
vor dem Pressarbeitsgang sichergestellt wird.
-
Eine
weitere Schwierigkeit, die erfahren wird, wenn die Verbundplatten
unter Verwendung eines herkömmlichen
polymeren Diphenylmethandiisocyants (pMDI) verpresst werden, ist
dass weniger Homologe in dem pMDI aus der Presse im Überschussdampf
im Dekomprimierungsschritt während
der Verarbeitung imitiert werden können. Dementsprechend besteht
ein weiterer Bedarf, fähig
zu sein, bei niedrigen Drücken
und verringerten Presszyklen zu arbeiten. Die Niederdrucktemperatur
resultiert in weniger Emissionen beim Dekomprimierungsschritt infolge
der Erzeugung eines signifikant niedrigeren Gasdrucks innerhalb
des Verbundmaterials infolge geringerer Dampf-Level, die während des
Pressens bei reduzierten Temperaturen oder Presszyklen erzeugt werden.
Die Verringerung bei den Presszyklen stellt sicher, dass Produktionskapazitäten von
existierenden Anlagen erhöht
werden können,
ohne den extensiven Kapitalbedarf einer neuen Anlage.
-
Die
verringerten Pressdruckanforderungen durch Betrieb einer Verbundmaterial-Verarbeitungsanlage bei
höheren
Möbelfeuchtigkeitsgehalten
wird in geringerem Energiebedarf und potentiell für solche,
die in neues Vertriebsvermögen
investieren möchten,
in reduzierten Anforderungen für
Druck über
die Länge
der Presse resultieren, was die Kapitalausgaben signifikant verringert.
Die reduzierte Anforderung für
hydraulischen Druck zur Erzielung einer Zieldicke erlaubt die Produktion
von Lignocellulose-Verbundmaterialien mit höheren Dichten, ohne die Notwendigkeit
einer Modifizierung der derzeitigen Druckeinrichtung. Außerdem resultieren
die niedrigen Presstemperaturen und Zykluszeiten in einem Produkt
mit signifikant weniger Oberflächenfehlern oder
Oberflächenverkohlung
aus der Verwendung von äußerlichen
Trennmitteln und daher in einem überlegenen
Ausse hen, das somit weniger Verarbeitung nach dem Pressen, zum Beispiel
Sandpolieren, erfordert.
-
Isocyanat-Prepolymere
gehören
zu den Isocyanat-Materialien, die in Bindemittelzusammensetzungen verwendet
wurden, um verschiedene Verarbeitungsprobleme zu lösen.
US-Patent Nr. 4 100 328 zum Beispiel offenbart
Isocyanat-terminierte Prepolymere, die die Produktfreisetzung aus
einer Form verbessern.
US-Patent
Nr. 4 609 513 offenbart auch ein Bindemittel, das ein Isocyanat-terminiertes
Prepolymer ist, zur Verbesserung einer Produktfreisetzung.
US-Patent Nr. 5 179 143 offenbart
eine Bindemittelzusammensetzung, in der ein bestimmter Typ an Isocyanat-Prepolymer
verwendet wird, um die Haftfähigkeit
bei Raumtemperatur zu verbessern.
-
Durch
die Polyisocyanat-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung wurden
alle obigen Aufgaben gelöst
und alle obigen Vorzüge
erzielt. Diese Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Polyisocyanat-Zusammensetzungen,
die als Bindemittel für
die Herstellung von Lignocellulose-Verbundmaterialien, insbesondere
für Verbundmaterialien,
die Lignocellulose-Stränge
bzw. -Späne
enthalten, zum Beispiel eine Platte mit ausgerichteten Spänen bzw. "Orientated Strand
Board", verwendbar
sind. Die Polyisocyanat-Zusammensetzungen
der Erfindung umfassen ein spezifisches Polyisocyanat-Prepolymer,
das in einem Basis-Polyisocyanat gemischt ist.
-
Die
Polyisocyanat-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung liefern
ein Material, das so abgestimmt werden kann, dass es die vom Käufer gewünschten
günstigen
Verarbeitungs-/Endverbundmaterial-Eigenschaften liefert. Das Polyisocyanat-Prepolymer
wird durch die Verwendung von Hydroxyl enthaltenden Systemen hergestellt,
um Prepolymer-Verknüpfungen
einzuführen,
die die Nützlichkeit
der fertigen Polyisocyanat-Zusammensetzung für das Binden eines Lignocellulose-Materials
verstärken.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ermöglicht so
die Produktion von Holzverbundmaterialien mit Presszyklen, die signifikant
weniger sind als die, die mit katalysierten Isocyanat-Bindemitteln
möglich
sind, und zwar bei niedrigeren Presstemperaturen und -drücken und
bei höheren
Feuchtigkeitsgehalten des Input-Lignocellulose-Materials als sie
je bei der traditionellen Verarbeitung von Lignocellulose-Verbundmaterialien
möglich
wären.
Es wurde auch festgestellt, dass die Polyisocyanat-Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Trennleistungsfähigkeit
bzw. Freisetzungsleistungsfähigkeit
im Vergleich zu Stan dard-Polyisocyanaten, die derzeit zum Binden
von Lignocellulose-Material verwendet werden, bereitstellen. Diese
erhöhte
Leistungsfähigkeit
wird durch die Verwendung von signifikant niedrigeren Leveln an äußerlichen
Freisetzungsmitteln, zum Beispiel Wachsen oder Seifen, um dieselbe
Freisetzungsleistungsfähigkeit
wie die Standard-Polyisocyanat-Systeme,
die in Kombination mit einer viel höheren Beladung mit denselben äußerlichen
Trennmitteln verwendet werden, zu erreichen, gekennzeichnet, Alle
obigen Ausführungen
machen klar, dass die Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Reihe von signifikanten Vorteilen für den Produzenten von Verbundmaterialien
auf Lignocellulose-Basis bereitstellen.
-
FR 2 378 810 beschreibt
wässrige
Emulsionen von Polyisocyanaten. In Beispiel 1 derselben liegt kein Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanat
vor.
-
US 6 022 444 beschreibt
in Beispiel 10a ein Prepolymer, das auf einem Polyether-polyol mit
nur 10 Gew.-% Ethylenoxid-Einheiten basiert.
-
Die
Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzung der vorliegenden Erfindung,
die zum Binden von Lignocellulose-Materialien verwendet wird, umfasst
ein Isocyanat-terminiertes Prepolymer, eingemischt in ein Basis-Polyisocyanat.
Die Polyisocyanat-Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Polyisocyanat-Prepolymer, wobei das Prepolymer das Reaktionsprodukt
aus einem Polyisocyanat, das ein Isomerengemisch von Diphenylmethandiisocyanat
umfasst, und wenigstens einem Polyetherpolyol, das 2 bis 8 Hydroxyl-Gruppen
aufweist, wobei das Polyetherpolyol polymerisierte Alkylen-Einheiten,
die wenigstens 50% Ethylenoxid-Einheiten enthalten, ist.
-
Vorzugsweise
hat die Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzung einen Gehalt an
freiem NCO von 15 bis etwa 30 Gew.-% und bevorzugter von 20 bis
30 Gew.-%. Wie hierin beschrieben wird, besteht sie aus einem Isocyanat-terminierten
Prepolymer. Dieses Prepolymer ist das Reaktionsprodukt eines Überschusses eines
organischen Polyisocyanats und eines Polyetherpolyols.
-
Das
organische Polyisocyanat, das zur Herstellung des Prepolymers der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist Diphenylmethandiisocyanat
(MDI), zum Beispiel 4,4'-MDI,
2,4'-MDI, polymere
MDI, MDI-Varianten und Gemische davon.
-
Das
am stärksten
bevorzugte MDI zur Herstellung des Prepolymers ist das 4,4'-MDI oder ein Gemisch von
4,4'-MDI und 2,4'-MDI, wobei das Gemisch
wenigstens 50% 4,4'-MDI,
vorzugsweise in einer Menge von größer als etwa 75 Gew.-% und
bevorzugter als etwa 90 Gew.-% und am bevorzugtesten größer als
etwa 95 Gew.-% umfasst. Außerdem
kann "polymeres
MDI" zugesetzt werden.
Unter "polymerem
MDI" versteht man die
Polymethylen-polyphenylen-polyisocyanate, die in den Polyisocyanat-Zusammensetzungen
enthalten sind und die eine Funktionalität von wenigstens 2,5 haben.
Die polymeren MDI sind im Handel verfügbar und werden durch die Phosgenierung
von Polyamin-Gemischen, die aus der Kondensation von Anilin und
Formaldehyd in geeigneten Verhältnismengen
erhalten werden, hergestellt. Für
die Zwecke dieser Erfindung sind polymere MDIs, die eine Funktionalität in diesem
Bereich 2,5-3,5 und vorzugsweise 2,5-3,1 haben, besonders geeignet.
-
Das
verwendete Polyol sind Polyetherpolyole.
-
Der
Ausdruck "Polyetherpolyol" kann wiederum Gemische
aus verschiedenen derartigen Alkoxylierungsprodukten darstellen.
Bevorzugtes Polyol umfasst solche, in welchen Propylenoxid-Einheiten
und/oder polymerisierte Ethylenoxid-Einheiten vorliegen. Diese Einheiten
können
in statistischer Verteilung, in der Form von Polyethylenoxid-Blöcken innerhalb
der Ketten und/oder terminal angeordnet sein.
-
Die
Polyetherpolyole, die zur Herstellung des Isocyanat-terminierten
Prepolymers der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, enthalten
wenigstens 50 Gew.-% Ethylenoxid-Gruppen
und bevorzugter zwischen 50 Gew.-% und 100 Gew.-% Ethylenoxid-Gruppen.
Die Polyetherpolyole haben eine durchschnittliche nominale Funktionalität von 2-6,
und vorzugsweise von 2-4, haben am bevorzugtesten eine Funktionalität von 2. Sie
haben ein zahlenmittleres Äquivalentgewicht
von etwa 700 bis etwa 5000 und ein bevorzugtes Äquivalentgewicht im Bereich
von etwa 1000 bis etwa 4000, und bevorzugter im Bereich von etwa
1200 bis etwa 3500 und am bevorzugtesten im Bereich von etwa 1500
bis etwa 3000.
-
Die
Polyetherpolyole, die zur Herstellung des Isocyanat-terminierten
Prepolymers bestimmt sind, umfassen die Produkte, die durch die
Polymerisation von Ethylenoxid mit einem anderen cyclischen Oxid,
zum Beispiel Propylenoxid, in Gegenwart von polyfunktio nellen Initiatoren
erhalten werden; allerdings muss das Produkt die hier oben beschriebenen
Anforderungen erfüllen.
Geeignete Initiatorverbindungen enthalten eine Vielzahl von aktiven
Wasserstoffatomen und umfassen Wasser und Polyole mit niedrigem
Molekulargewicht, zum Beispiel Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol,
Dipropylenglykol, Cyclohexandimethanol, Resorcin, Bisphenol A, Glycerin,
Trimethylolpropan, 1,2,6-Hexantriol, Pentaerythrit und dergleichen.
Es können
Gemische von Initiatoren und/oder cyclischen Oxiden eingesetzt werden.
-
Besonders
nützliche
Polyetherpolyole umfassen Poly(oxyethylen-oxypropylen)-diole und/oder
-triole, die durch sequenzielle Addition von Propylen- und Ethylenoxiden
an di- oder trifunktionelle
Initiatoren erhalten werden, wie es im Stand der Technik vollständig beschrieben
ist. Gemische aus diesen Diolen und Triolen sind ebenfalls einsetzbar.
Hoch bevorzugt sind Diole.
-
Das
Isocyanat-terminierte Prepolymer wird durch die Reaktion einer Überschussmenge
des Polyisocyanats mit dem Polyetherpolyol hergestellt. Die Mengen
an Polyisocyanat und Polyetherpolyol, die verwendet werden, sind
solche, von denen bekannt ist, dass sie wirksam sind, um ein Prepolymer
mit dem angegebenen NCO-Wert unter Verwendung von Techniken, die
auf dem Fachgebiet bekannt sind, zu erhalten. Zum Beispiel kann
das Prepolymer hergestellt werden, indem das organische Polyisocyanat
mit dem Polyetherpolyol umgesetzt wird, danach eine Verdünnung mit
modifiziertem Polyisocyanat, wie es hierin definiert ist, wenn vorhanden,
folgt. Alternativ kann modifiziertes Polyisocyanat vor einer Reaktion
mit dem Polyol mit dem unmodifizierten Polyisocyanat vermischt werden.
Eine solche Reaktion wird bei wirksamen Temperaturen zur Bildung
des Prepolymers, zum Beispiel von etwa 40°C bis etwa 80°C, durchgeführt und
im Allgemeinen ist die Verwendung eines Katalysators optional. Die
relativen Mengen an organischem Polyisocyanat und Polyol hängen von
dem gewünschten
NCO-Wert des Prepolymers, dem NCO-Wert des Polyisocyanats und dem
OH-Wert des Polyols ab und können
in einfacher Weise von einem Fachmann errechnet werden.
-
Wenigstens
90% der Gruppen, die aus der Reaktion des Polyisocyanats und des
Polyetherpolyols bei der Herstellung des Prepolymers erhalten wurden,
sind Urethan-Gruppen. Zu den so hergestellten Prepolymeren werden
geringe Mengen (bis zu 30 Gew.-%) Polyisocyanat gegeben, vorausgesetzt,
der NCO-Wert bleibt in dem hierin oben beschriebenen angegebenen
Bereich. Die zugesetzte Menge ist im Allgemeinen vorzugsweise weniger
als etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyisocyanat-Zusammensetzung.
-
Das Basis-Polyisocyanat
-
Das
Polyisocyanat zur Verwendung als Basis-Polyisocyanat ist ein Gemisch
aus Methylenverbrückten Polyphenyl-polyisocyanaten,
die Diisocyanate, Triisocyanate und Polyisocyanate höherer Funktionalität enthalten.
Methylen-verbrückte
Polyphenyl-polyisocyanate sind auf dem Fachgebiet gut bekannt. Sie
werden durch Phosgenierung entsprechender Gemische von Polyaminen,
die durch Kondensation von Anilin und Formaldehyd erhalten wurden,
hergestellt. Aus Gründen
der Zweckmäßigkeit
werden polymere Gemische von Methylen-verbrückten Polyphenyl-polyisocyanaten,
die Diisocyanat, Triisocyanat und Polyisocyanate höherer Funktionalität enthalten,
im Folgenden als polymeres MDI bezeichnet. Geeignete Polyisocyanate
umfassen SUPRASECTM DNR, SUPRASECTM 2185, RUBINATETM M
und RUBINATETM 1840, die alle von Huntsman
Polyurethanes erhältlich
sind. Vorzugsweise ist das Polyisocyanat bei Raumtemperatur flüssig. Das
Polyisocyanat-Gemisch kann nach einer beliebigen der Techniken,
die auf dem Fachgebiet bekannt sind, produziert werden. Der Isomer-Gehalt
des Diphenylmethan-diisocyanats kann, falls erforderlich, durch
Techniken, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind, in die verlangten
Bereiche gebracht werden. Eine Technik zur Änderung des Isomeren-Gehalts
besteht darin, monomeres MDI zu einem MDI-Gemisch, das eine Menge
an polymerem MDI enthält,
die höher
als erwünscht
ist, zuzusetzen.
-
Die
Prepolymere der Erfindung werden durch eine Viskosität von weniger
als 1000 cPs bei 50°C
und vorzugsweise durch eine Viskosität von weniger als 500 cPs bei
50°C gekennzeichnet.
Die Prepolymere der Erfindung werden durch einen NCO-Gehalt (d.h.
Gehalt an Isocyanat-Gruppe) von 6 bis 32%, vorzugsweise einen NCO-Gehalt
von 6 bis 30% und am bevorzugtesten einen NCO-Gehalt von 7 bis 30%,
charakterisiert.
-
Ein
spezifisches Prepolymer gemäß der vorliegenden
Erfindung, das auf einem definierten Isomeren-Gemisch basiert, wird
zuerst durch Einführung
eines Hydroxyl enthaltenden Materials hergestellt, um Bindungen
des Prepolymertyps einzuführen.
Dies wird mit effizientem Mischen und mit oder ohne Anwendung von Wärme, was
von der Natur der Material abhängt,
durchgeführt,
und wird üblicherweise
in einer inerten Atmosphäre
(Stick stoff oder trockene Luft) durchgeführt. Das endgültige Polyisocyanat-System
zur Verwendung als Lignocellulose-Bindemittel wird dann hergestellt,
indem die erforderliche Menge des Prepolymers, wie durch die Erfindung
definiert, in ein anderes Polyisocyanat, wie durch die Erfindung
definiert, eingeführt
wird. Dies kann mit oder ohne Verwendung einer "in line"-Mischvorrichtung oder einer anderen
Technik, die einem Fachmann bekannt ist, erreicht werden. Die fertige
Polyisocyanat-Zusammensetzung wird darin mit oder ohne Zusatz von
Verdünnungsmaterialien/oder
die Anwendung von Wärme,
um die Viskosität
des Materials vor der Auftragung zu reduzieren, auf das Lignocellulose-Material
aufgetragen. Das Material wird dann durch die Anwendung von Druck
und Temperatur für
einen definierten Zeitraum zu dem fertigen Verbundmaterial gehärtet.
-
Um
entweder die Lagerungsstabilität
der Polyisocyanat-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung oder
die Kosteneffektivität
der vorliegenden Erfindung zu verbessern, kann der Zusammensetzung
ein Verdünnungsmittel
zugesetzt werden. Geeignete Verdünnungsmittel
umfassen Weichmacher des Typs, der in "Taschenbuch der Kunststoff-Additive", herausgegeben über R. Gachter
und H. Muller, Carl Hanser Verlag, München, 3. Auflage, 1989, genannt
ist. Bevorzugte Verdünnungsmittel
sind Phthalate, aliphatische Carboxylate, Fettsäureester, Leinsamenöl, Sojabohnenöl und Propylencarbonat.
Diese Verdünnungsmittel
werden in Mengen von 1 bis 40 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Polyisocyanat
und vorzugsweise in Mengen von 1 bis 15 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile
Polyisocyanat zugesetzt. Die Zusammensetzung kann außerdem herkömmliche
Additive wie Flammverzögerungsmittel,
Konservierungsmittel für
Lignocellulose, Fungizide, Wachse, Leimmittel, Füllstoffe, oberflächenaktive
Mittel, thixotrope Mittel und andere Bindemittel wie Formaldehyd-Kondensat-Kleberharze
und Lignin (gegebenenfalls in Kombination mit einem Ligninlösungsmittel,
wie es zum Beispiel in der PCT-Patentanmeldung Nr.
EP 96/00924 beschrieben wird) umfassen.
Ein besonders bevorzugtes Additiv zur Verwendung in der Polyisocyanat-Zusammensetzung
der vorliegenden Erfindung ist ein Kupplungsmittel bzw. Haftvermittler,
zum Beispiel ein organofunktionelles Silan. Die Zugabe eines derartigen
Kupplungsmittels zu der Polyisocyanat-Zusammensetzung führt zu verbesserten
Bretteigenschaften. Die organofunktionellen Silan-Kupplungsmittel
bzw. -Haftvermittler werden in Mengen im Bereich von 0,01 bis 3
Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Polyisocyanat,
verwendet. Die Polyisocyanat-Zusammensetzung
der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden, indem die Ingre dienzien
bei Raumtemperatur vor Auftragung des Polyisocyanats auf die Lignocellulose
vermischt werden.
-
Beschreibung von Lignocellulose-Material
-
Lignocellulose-Materialien,
die mit der Polyisocyanat-Zusammensetzung der Erfindung gebunden werden
können,
umfassen Holz, Holzrinde, Kork, Bagasse-Stroh, Flachs, Bambus, Esparto,
Reisspelzen, Sisalfasern, Kokosnußfasern, Holzspäne, Holzfasern,
Holzschnitzel, Holzstaub, Holzmehl, Kenaf, Nussschalen, Hüllen von
Getreidekörnern,
zum Beispiel Reis und Hafer. Holz, Stroh und Bagasse sind besonders
bevorzugt. Es kann ein beliebiges Gemisch der vorstehend beschriebenen
Materialien verwendet werden, um ein Verbundmaterial mit einem Polyisocyanat
der Erfindung zu bilden. Zusätzlich
können
andere partikelförmige
oder faserförmige
Materialien, zum Beispiel gemahlener Schaumstoffabfall (zum Beispiel
gemahlener Polyurethanschaumabfall), Mineralfüllstoffe, Glasfaser, Glimmer,
Kautschuk, Textilabfall, zum Beispiel Kunststofffasern und -gewebe,
mit den Lignocellulose-Materialien vermischt werden. Diese Materialien
können
in Form von Granulaten, Spänen
oder Schnitzeln, Fasern, Strängen,
Sphären
oder Pulver verwendet werden. Diese Materialien können einen
Feuchtigkeitsgehalt von 2% bis 50%, vorzugsweise von etwa 5% bis
20% und am bevorzugtesten von 8% bis 20% haben. Wenn die Polyisocyanat-Zusammensetzung
der Erfindung auf das Lignocellulose-Material aufgetragen wird,
wird das Gewichtsverhältnis
von Polyisocyanat/Lignocellulose-Material in Abhängigkeit von der Schüttdichte
des verwendeten Lignocellulose-Materials variieren. Daher können die
Polyisocyanat-Zusammensetzungen in solchen Mengen appliziert bzw.
aufgetragen werden, dass ein Gewichtsverhältnis von Polyisocyanat/Lignocellulose-Material
im Bereich von 0,1:99,9 bis 20:80 und vorzugsweise im Bereich von
0,5:99,5 bis 10:90 und am bevorzugtesten im Bereich von 3:97 bis
8:92 erhalten wird. Wenn gewünscht,
können
andere herkömmliche
Bindungsmittel, zum Beispiel Formaldehydkondensat-Kleberharze in Verbindung
mit der Polyisocyanat-Zusammensetzung der Erfindung eingesetzt werden.
-
Die
Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann außerdem herkömmliche
Additive, wie Trennmittel, zum Beispiel Wachse, Katalysatoren, Flammverzögerungsmittel,
Konservierungsmittel für
Lignocellulose, Füllstoffe,
oberflächenaktive
Mittel, umfassen.
-
Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung
von Lignocellulose-Verbundmaterialien
-
1. Vorbereitung von Lignocellulose
-
Im
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das präparierte Lignocellulose-Material
zuerst zu dem erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet. Da
der Feuchtigkeitsgehalt, der bei Verwendung eines aromatischen Polyisocyanats
der Erfindung verlangt wird, signifikant höher ist, ist eine deutlich
geringere Verweilzeit in einer Trocknungsapparatur erforderlich,
was zu deutlichen Erhöhungen
bei der Kapazität
der Trocknungsanlage in einer Anlage zur Herstellung eines Verbundmaterials
führt.
Außerdem
bedeutet der höhere
Feuchtigkeitsgehalt, der durch die Polyisocyanate der Erfindung
toleriert wird, dass die VOC-Emission aus den Trocknern einer typischen
Herstellungsanlage deutlich verringert wird.
-
2. Auftragung bzw. Applikation der Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzung
auf das Lignocellulose-Material
-
Im
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Polyisocyanat-Bindemittelzusammensetzung
zu dem zu bindenden Lignocellulose-Masterial in einer Menge von
etwa 1 bis etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemittels
plus Lignocellulose-Material,
vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 10 Gew.-%, gegeben.
-
3. Bildung der Vormatten/Vorform
-
Das
resultierende Gemisch aus Lignocellulose und Polyisocyanat kann
dann zu "Vormatten" für die Plattenherstellung
oder zu einer beliebigen anderen erforderlichen Gestalt geformt
werden. Die Verwendung eines Polyisocyanats der Erfindung erhöht den Grad
des "Klebens", was eine effizientere
Produktion der fertigen Artikel durch Verbesserung der Konsistenz
bei der Matten-/Gestalts-Integrität vor dem Pressen erlaubt. Somit
resultiert weniger Abfall durch Vermarktung schlechter Lignocellulose.
-
4. Pressen der Vormatte/Vorform
-
Die
Vormatte/Vorform kann dann unter Bildung von Platten oder dreidimensionalen,
gestalteten, geformten Gegenständen
unter Wärme
und Druck verpresst werden. Geeignete Temperaturen für das Pressverfahren
liegen im Allgemeinen im Bereich von etwa 70 bis etwa 250°C, vorzugsweise
von etwa 130 bis etwa 205°C,
und am bevorzugtesten von 140 bis 180°C. Drücke, die in Pressverfahren
angewendet werden, um die erforderlichen Produktabmessungen zu erreichen,
liegen im Bereich von etwa 50 bis etwa 300 bar, was deutlich niedriger
ist als die, die für
die normale Verbundmaterialherstellung erforderlich sind. Die Presszeiten
werden natürlich
von der Dicke des Produkts, das produziert wird, abhängen. Es
wurde gefunden, dass als Resultat einer Verwendung einer Polyisocyanat-Zusammensetzung der
Erfindung kein Erfordernis für
die Verwendung eines Dampfinjektionsprozesses gibt, selbst nicht
für Artikel
mit einer Dicke von 25 mm oder mehr. Mehrschichtige Bretter oder
geformte Teile können
in analoger Weise aus Furnieren, Papier oder Webstoffen produziert
werden, indem die Schichten mit dem Bindemittel, wie oben beschrieben,
behandelt werden und sie anschließend gepresst werden, im Allgemeinen
bei erhöhter
Temperatur und bei erhöhtem
Druck. Temperaturen, die direkt an der Oberfläche des Verbundmaterials festgestellt
werden, von 100 bis etwa 220°C
sind in solchen Verfahren im Allgemeinen bevorzugt, wobei Temperaturen
von etwa 140 bis 220°C
am bevorzugtesten sind. Temperaturen, die vom Kern des Verbundmaterials
erfahren werden können,
um die Produktion von Verbundmaterialien mit der gewünschten
Dimensionsstabilität
und der gewünschten
physikalischen Leistungsfähigkeit
sicherzustellen, wenn eine Polyisocyanat-Zusammensetzung der Erfindung
verwendet wird, von 70 bis etwa 140°C liegen, wobei Temperaturen
von 80 bis 130°C
bevorzugt sind und Temperaturen von 85 bis 120°C am bevorzugtesten sind. Der
Anfangspressdruck bzw. der Anfangsdruck beim Verpressen liegt vorzugsweise im
Bereich von etwa 50 bis 300 bar, wobei der am meisten bevorzugte
Anfangspressdruck im Bereich von 50 bis 200 bar liegt. Außerdem sind
die Polyisocyanat-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung äußerst wirksam,
um eine unerwünschte
Adhäsion
an Furnierzwingen, Pressplatten und anderen Oberflächen, mit
welchen das behandelte Lignocellulose-Material in Kontakt kommen
kann, wenn es in Kombination mit äußeren Freisetzungssystemen
verwendet wird, zu minimieren.
-
5. Nach dem Pressen/Endprodukt
-
Die
Verbundmaterial-Holzprodukte, die mit dem Bindemittel der vorliegenden
Erfindung produziert werden, werden durch ein ausgezeichnetes Aussehen
infolge der signifikant niedrigeren Presstemperaturen verbunden
mit reduzierten Zykluszeiten, was in einer deutlich reduzierten
Oberflächenverschlechterung
oder -verkohlung von äußerlichen
Trennmitteln resultiert, gekennzeichnet. Außerdem werden ausgezeichnete
innere Bindungseigenschaften, gute Dimensionsstabilität und ausgezeichnete äußere Haltbarkeit
der resultierenden Materialien erhalten, und diese können somit
in einer beliebigen der Situationen verwendet werden, in denen solche
Gegenstände üblicherweise
verwendet werden.
-
Detailliertere
Beschreibungen der Verfahren zur Herstellung von Produkten auf der
Basis von Lignocellulose-Material sind im Stand der Technik verfügbar. Die
Techniken und die Vorrichtung, die herkömmlicherweise verwendet wird,
können
zur Verwendung mit den Polyisocyanat-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
angepasst werden.
-
Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, jedoch
nicht beschränkt:
-
Beispiel 1
-
Ein
Prepolymer wurde durch Umsetzung von 83,7 Gew.-Teilen Suprasec DNR
(polymeres Standard-MDI) mit 16,3 Gew.-Teilen Volpo G26, einem Glycerin-initiierten
Polyether-polyol, vorpolymerisiert mit 100% Ethylenoxid (EO), bis
ein MG von 1200 (OH-Zahl = 140 mg KOH/g) erreicht war, hergestellt.
Die Reaktionszeit war 1,5 h in einem Ofen mit 85 °C mit Luftumwälzung. Das
resultierende Produkt hatte einen gemessenen NCO-Gehalt von 24%.
Das Prepolymer wurde dann in einem Mischer mit sich drehender Trommel
auf Nadelholzspäne,
die 25% Wasser (auf Trockengewicht bezogen) enthielten, gesprüht. Die
Konzentration des Bindemittels war 6%, bezogen auf das trockene
Holz. Nach Mattenbildung wurde eine OSB-Platte mit den Abmessungen
400 mm × 400
mm × 14
mm und mit einer Dichte von 650 kg/m
3 gepresst.
Die Temperatur der Pressplatten war 150°C und der Pressfaktor war 11
s/mm mit einem Kompressions- und Entgasungsschritt von 20 s. Die
Platte hatte eine trockene innere Bindungsstärke (V20-IB) von 673 kPa und
ein Quellen nach 24 h von 9,1%.
NCO-Gehalt
des Prepolymers (%) | 24 |
Polyol-Typ | Glycerin
+ EO |
MG | 1200 |
Bindemittelkonzentration
(%) | 6 |
Plattendichte
(kg/m3) | 650 |
Plattendicke
(mm) | 14 |
Feuchtigkeitsgehalt
des Holzes (%) | 25 |
Presstemperatur
(°C) | 150 |
Pressfaktor
(s/mm) | 11 |
Innere
Bindungsklebefestigkeit V20-IB (kPa) | 673 |
Quellen
nach 24 h (%) | 9,1 |
-
Beispiel 2
-
Es
wurde dasselbe Bindemittel wie in Beispiel 1 beschrieben unter ähnlichen
Bedingungen verwendet, allerdings bei einer Pressplattentemperatur
von 100°C
und einem höheren
Pressfaktor von 17 s/mm. Die trockene innere Klebfestigkeit war
412 kPa, das Quellen nach 24h war 10%.
-
Beispiel 3
-
Ein
Prepolymer wurde unter Verwendung desselben Verfahrens wie in Beispiel
1 hergestellt, wobei polymeres Standard-MDI und PEG 600, ein Diol-initiiertes
Polyether-polyol, vorpolymerisiert mit 100% Ethylenoxid (EO), bis
ein MG von 600 (OH-Zahl = 140 mg KOH/g) erreicht war, verwendet
wurden, hergestellt. Die Reaktionszeit war 1,5 h in einem Ofen mit
85°C mit
Luftumwälzung.
Das resultierende Produkt hatte einen gemessenen NCO-Gehalt von
28%. Matten aus OSB-Holzflachspänen,
beschichtet mit diesem Produkt wie in Beispiel 1, konnten bei einer
Presstemperatur von 130°C,
einem Pressfaktor von 17 s/mm und bei Feuchtigkeitskonzentrationen
von sowohl 12 als auch 25% H2O verarbeitet
werden.
-
Beispiel 4
-
Ein
Prepolymer wurde unter Verwendung desselben Verfahrens wie in Beispiel
1 und unter Verwendung eines polymeren Standard-MDI und PEG 600,
einem Diol-initiierten Polyether-polyol, vorpolymerisiert mit 100%
Ethylenoxid (EO), bis ein MG von 600 (OH-Zahl = 140 mg KOH/g) erreicht
war, hergestellt. Die Reaktionszeit war 1,5 h in einem Ofen bei
85°C mit
Luftumwälzung.
Das resultierende Produkt hatte einen gemessenen NCO-Gehalt von
22%. Matten aus OSB-Holzflachspänen,
beschichtet mit diesem Produkt wie in Beispiel 1, konnten bei einer
Presstemperatur von 130°C,
einem Pressfaktor von 17 s/mm und bei Feuchtigkeitskonzentrationen
sowohl von 12 als auch von 25% H2O gepresst
werden.
-
Beispiel 5
-
Ein
Prepolymer mit 8% NCO wurde mit dem 4,4'-Isomer von monomerem MDI und dem Polyether-polyol
Arcol 2580 hergestellt. Das letztgenannte ist ein EO/PO-Glycerin
mit 75% statistisch verteiltem EO, das ein MG von 4007 hat. Dieses
Prepolymer wurde dann mit Suprasec DNR zurückvermischt, um ein Material
mit einer NCO-Konzentration von 25% zu erhalten. Dieses Produkt
wurde auf Holzflachspäne
gesprüht
und in der gleichen Weise wie in Beispiel 4 außer mit einem leicht niedrigeren
Feuchtigkeitsgehalt von 18% verarbeitet. Es wurde derselbe minimale
Pressfaktor erreicht wie im erstgenannten Beispiel: 5,3 s/mm.
NCO-Gehalt
des Prepolymers (%) | 25 |
Polyol-Typ | Glycerin
+ EO/PO (75/25) |
MG | 4007 |
Bindemittelkonzentration
(%) | 6 |
Plattendichte
(kg/m3) | 615 |
Plattendicke
(mm) | 14 |
Feuchtigkeitsgehalt
des Holzes (%) | 18 |
Presstemperatur
(°C) | 190 |
Pressfaktor
(s/mm) | 5,3 |
Innere
Bindungsklebefestigkeit V20-IB (kPa) | 561 |
Quellen
nach 24 h (%) | 7,8 |
-
Beispiel 6
-
Es
wurde ein Vergleich zwischen dem in Beispiel 5 beschriebenen Prepolymer
(=PP1) und einem polymeren Standard-MDI außerhalb des Rahmens der Erfindung,
das aber typischerweise bei der Herstellung von Verbundplatten angesetzt
wird (=PP2), durchgeführt.
Die jeweiligen Bindemittel wurden mit einer Konzentration von 6%
auf Holz aufgesprüht,
und die Platten wurden mit 400 mm × 400 mm × 14 mm und mit einer Dichte
von 650 kg/m
3 produziert. Die minimal erreichbaren
Pressfaktoren wurden vor einer Delaminierung bei einer Temperatur
von 100°C
für das
Prepolymersystem (PP1) und bei einer Presstemperatur von 190°C für das Standard-MDI
außerhalb
des Rahmens der Erfindung (PP2) aufgezeichnet. Unter Verwendung
des Prepolymers der Erfindung, das auf 75% EO basiert (PP1), war
es möglich,
Verbundmaterialien mit ähnlichen Pressfaktoren
aber bei Temperaturen, die 90°C
unter denen lagen, die für
das Standard-MDI-System, das außerhalb
des Rahmens der Erfindung liegt, erforderlich waren, herzustellen.
| | erzielbarer
minimaler Pressfaktor (s/mm) |
Feuchtigkeitsgehalt
(%)* | Presstemperatur
(°C) | PP1 | PP2 |
15 | 100 | 13 | |
15 | 190 | | 10 |
25 | 100 | 14 | |
25 | 190 | | 12 |
-
Es
wurden auch Aufzeichnungen über
den maximalen hydraulischen Druck, der durch die Siempelkamp-Laborpresse
erzeugt wurde, um die Matten (400 mm × 400 mm × ± 150 mm) zu der Zieldicke
von 14 mm zu pressen, wenn das Bindemittel PP1 verwendet wurde,
gemacht. Bei den höheren
Matten-Feuchtigkeitsgehalten (25%) ist die erforderliche Pressenergie
um ± 100%
im Vergleich zu den niedrigeren Matten-Feuchtigkeitsgehalten (15%)
reduziert. Die Presstemperatur hatte eine geringe Wirkung auf die
Werte.
MC
(%)* | Presstemperatur
(°C) | maximaler
hydraulischer Druck (bar) |
15 | 100 | 130 |
25 | 100 | 65 |
- * Berechnet für trockenes Holz. Gemessene
Werte bei der Mischung stellen 12% bzw. 19% dar.
-
Die
Resultate zeigen den deutlichen Effekt, fähig zu sein, Platten mit höherem Feuchtigkeitsgehalt
zu verarbeiten, auf das Erfordernis für hydraulischen Druck, um eine
endgültige
Mattendicke zu erreichen. Die maximale Kerntemperatur, die in der
Platte erreicht wurde, wurde am Ende der Presszyklen während der
Herstellung von Platten mit der Zusammensetzung der Erfindung ebenfalls
aufgezeichnet. Die Aufzeichnungen wurden mit einer Temperatursonde,
die mit der ATR-Software der Siempelkamp-Presse verbunden war, durchgeführt. Die
mit den Pressplatten bei 100°C
hergestellten Platten erzielen maximal 90°C im Kern unmittelbar vor der
Druckentspannung.
MC
(%)* | Presstemperatur
(°C) | maximale
Kerntemperatur (°C) |
15 | 100 | 90 |
25 | 100 | 90 |
-
Die
Resultate zeigen, dass die Zusammensetzung der Erfindung die Herstellung
von Verbundmaterialien erlaubt, in denen die Innentemperatur keine
100°C erreicht.
Dies ist für
einen Fachmann auf dem Gebiet der Verbundmaterialherstellung überraschend,
wo angenommen wird, dass eine maximale Kerntemperatur vor der Druckentspannung über 100°C notwendig
ist, um eine Produktion von Verbundmaterialien mit geeigneter Leistungsfähigkeit
sicherzustellen.
-
Beispiel 7
-
Es
wurde ein Prepolymer hergestellt und entsprechend den Bedingungen
in Beispiel 5 verarbeitet. Eine 15%-ige wässrige Lösung von Kaliumoleat wurde
auf die Stahlpressplatten in einer Konzentration von 4 g/m
2 aufgetragen. Die Qualität der Trennleistungsfähigkeit
bzw. Freisetzungsleistungsfähigkeit
nach dem Pressen wurde an einer Skala von 0 bis 5 bewertet, wobei
die letzte Ziffer überhaupt
kein Kleben an den Platten darstellt. Sieben aufeinander folgende
Platten wurden mit der Bewertungsziffer 5 hergestellt, wonach das Experiment
gestoppt wurde.
Probe | Bodenplatte | Deckplatte |
Anzahl
der Wiederholungen | | |
1 | 5 | 5 |
2 | 5 | 5 |
3 | 5 | 5 |
4 | 5 | 5 |
5 | 5 | 5 |
6 | 5 | 5 |
7 | 5 | 5 |
-
Die
Freisetzungsbewertung ist als ein Wert von 1 bis 5 mit der folgenden
Bedeutung angegeben:
- 1 vollständiges Kleben, Brett kann nicht
ohne Zerstörung
des Bretts entfernt werden
- 2 Kleben mit einer Beschädigung
des Holzes von höher
als 50
- 3 Kleben mit einer Beschädigung
des Holzes von weniger als 25%, aber höher als 5
- 4 Kleben mit einer Beschädigung
des Holzes von weniger als 5%. Es ist wenig Kraft erforderlich,
um das Brett zu entfernen.
- 4,5 Kleben ohne Beschädigung
des Holzes, hängen
des Bretts. Es war keine Anstrengung notwendig, um das Brett zu
entfernen.
- 5 perfekte Trennung bzw. Freisetzung, das Brett trennt sich
spontan.
-
Beispiel 8
-
Zwei
Prepolymere wurden hergestellt, indem polymeres Standard-MDI (Suprasec
5025) mit einem Polyether-polyol mit einer Funktionalität von 2,
einem Äquivalentgewicht
von 200 und einem Ethylenoxid-Gehalt von 100% (= PEG 400) vermischt
wurde. Die Prepolymere wurden zu einem Ziel-NCO-Gehalt von 27 bzw.
22% hergestellt. Nach Auftragung auf die Flachspäne wurden Matten hergestellt
und OSB-Platten mit 16 mm Dicke wurden bei zwei unterschiedlichen
Leveln der folgenden Parameter verarbeitet: Holzfeuchtigkeits gehalt (8-13%)
und Presstemperatur (190°C).
Die Bedingungen und die jeweiligen Pressfaktoren sind in der folgenden
Tabelle gezeigt:
Temperatur
(°C) | Feuchtigkeitsgehalt
(%) | NCO
(%) | Pressfaktor
(s/mm) |
190 | 13 | 22 | 5 |
-
Beispiel 9
-
Zwei
Prepolymere wurden hergestellt, indem polymeres Standard-MDI (Suprasec
5025) mit einem Polyether-polyol, das eine Funktionalität von 2,
ein Äquivalentgewicht
von 200 und einen Ethylenoxid-Gehalt von 0% hatte (= PPG 400) gemischt
wurde. Die Prepolymere wurden zu einem Ziel-NCO-Gehalt von 27 bzw.
22% hergestellt. Nach Auftragung auf die Flachspäne wurden Matten hergestellt
und OSB-Platten mit 16 mm Dicke wurden bei zwei verschiedenen Leveln
der folgenden Parameter verarbeitet: Holzfeuchtigkeitsgehalt (8-13%) und
Presstemperatur (190°C).
Die Bedingungen und die entsprechenden Pressfaktoren sind in der
folgenden Tabelle gezeigt:
Temperatur
(°C) | Feuchtigkeitsgehalt
(%) | NCO
(%) | Pressfaktor
(s/mm) |
190 | 13 | 22 | 7 |
190 | 8 | 27 | 7 |
-
Beispiel 10
-
Ein
konzentriertes Prepolymer wurde hergestellt, indem MI 10 und ein
Polyol mit einer Funktionalität von
3, einem Äquivalentgewicht
von 2000 und einem Ethylenoxid-Gehalt von 15% (endständig) vermischt
wurden. Der Ziel-NCO-Gehalt war 6,8%. Dieses Prepolymer wurde mit
polymerem MDI bis 27% NCO vermischt. Das Prepolymer wurde auf Holzflachspäne mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 15% gesprüht und 650 kg/m3-OSB-Platten bei einer
Presstemperatur von 190°C
bei einem Pressfaktor von 7 s/mm verarbeitet.