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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine aushärtende Klebstoffzusammensetzung
auf der Grundlage kondensierter Tannine, die sich besonders zur
Verwendung als Klebstoff für
die Produktion holzbasierter Materialien in der Holzindustrie eignet.
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Die
Verwendung natürlicher
Tannine als Grundlagen für
Klebstoffe der Holzindustrie ist seit einiger Zeit bekannt und in
der Fachliteratur kommentiert (J. Macromol. Sci. Chem. A16 (7),
1243-1250 [1981]). Tanninklebstoffe werden im Wettbewerb mit Phenol-Formaldehyd-
(PF), Harnstoff-Formaldehyd- (UF), Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-
(MUF) und Polyurethanharzen (PM-DI) verwendet.
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Natürliche Tannine
werden in zwei große
Klassen eingeteilt: hydrolysierbare Tannine und kondensierte Tannine.
Nur kondensierte Tannine sind zur Verwendung als Klebstoffe geeignet.
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Im
Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung kommen Tannine vier unterschiedlicher
Pflanzenspezies in Betracht:
- – Mimose
(Acacia mearnsii, acacia mollissima)
- – Quebracho
(schinopsis lorentzii, schinopsis balancae)
- – Kiefer
(pines radiata, pinus Douglas Fir und andere Arten); und
- – Pecanobaum
(carya illinoensis);
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf Tannine beschränkt, die von den oben aufgezählten Pflanzenarten stammen.
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Zum
größten Teil
(70-80%) bestehen diese Pflanzenextrakte aus Vorpolymeren, deren
Grundeinheit Flavan-3-ol ist. Die unterschiedlichen oben genannten
Arten werden nach den Positionen und Anzahlen der OH-Gruppen unterschieden,
die auf dem Resorcin-A-Ring und dem Catechin-B-Ring vorhanden sind.
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Diese
Vorpolymere haben durchschnittliche Molekulargewichte zwischen 1000
und 3000 und sind in konzentrierter wässriger Lösung kraft kolloidaler Phänomene stabil.
Die restlichen 20-30%
bestehen aus Hexose- und Pentosezuckern, die aus der partiellen
Hydrolyse von Hemicellulose stammen.
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Umfangreiche
Erkenntnisse und Dokumentationen bezüglich Holzklebstoffen auf der
Grundlage von Tannin finden sich in den Texten Advanced Wood Adhesives
Technology, Bd. 1 (1983) und Bd. 2 (1989) von Antonio Pizzi, herausgegeben
von Marcel Dekker, Inc., New York. Die herkömmliche Tanninklebertechnologie basiert
auf der raschen Polymerisation des natürlichen Tannins in einem alkalischen
Medium durch Formaldehyd in Form eines in der Lösung suspendierten festen Paraformaldehyds,
Formalin (wässrige
Lösung
von Formaldehyd) oder Hexamethylen-tetramin (Formaldehyd-Ammoniak-Addukte).
Diese Systeme sind Zweikomponentensysteme, da der Härter (wie
die oben genannten) zum Zeitpunkt der Verwendung hinzugefügt oder
getrennt mit den Holzpartikeln gemischt wird.
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Die
Verwendung von Paraformaldehyd oder von Formaldehyd in Lösung produziert
in hohem Maße wasserfeste
Produkte, deren Formaldehydemission den europäischen Normen entspricht (E1-Emission). Das Hauptproblem
ist die Schwierigkeit der Bearbeitung des Formaldehyds in den erwähnten Formen,
zumal es sich um eine gefährliche
Substanz mit entsprechenden Sicherheitsproblemen für die Benutzer
handelt.
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In
EP-A-0 648 807 werden Tannin-basierte Klebstoffmittel beschrieben,
die Verbindungen mit schwach sauren Reaktionen als Härter verwenden,
wie Siliciumdioxid und Borsäure.
Diese Klebstoffzusammensetzungen sind durch einen niedrigen Formaldehydemissionswert
gekennzeichnet.
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In
US-A-4 174 980 werden Zusammensetzungen offenbart, die Pflanzentannine
und Melamin für
Maldehydharze enthalten. Monomere, dimere und höhere Harze sind geeignet.
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Es
besteht jedoch Bedarf nach neuen Klebstoffzusammensetzungen auf
Tanninbasis, die sowohl niedrige Formaldehydemissionswerte haben
wie auch verbesserte mechanische Eigenschaften und Wasserquell- bzw.
Stabilitätseigenschaften.
Die Erfindung schlägt
deshalb die Bereitstellung neuartiger Klebstoffzusammensetzungen
auf der Grundlage kondensierter Tannine vor, die alternative und
innovative Härtersysteme
verwenden.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch die Anwesenheit methylolierter Verbindungen
alleine oder vorzugsweise in Kombination mit Lewis-Säuren als
Härter.
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Ein
besonderes Ziel der Erfindung ist eine aushärtende Klebstoffzusammensetzung
auf der Grundlage kondensierter Tannine, dadurch gekennzeichnet,
dass sie ein oder mehrere Härtungsmittel
umfasst, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind:
- A)
Produkte der Reaktion eines Nitroparaffins mit Formaldehyd in einem
alkalischen Medium der allgemeinen Formel: wobei R1 und
R2 unabhängig
voneinander aus C1-C4 Alkyl
und C1-C4 Hydroxyalkylgruppen
und Mischungen dieser Verbindungen ausgewählt sind;
- B) Wassermischbare Produkte, gewonnen aus der Kondensation von
Harnstoffformaldehyd und Melamin-Formaldehyd in Anwesenheit eines
C1-C4 Alkanolamins
mit Polymerisationsgraden nicht über
4;
- C) Produkte der Reaktion von Formaldehyd in einem basischen
Medium mit Harnstoff-Kohlenhydrat-Addukten, wobei die Addukte Produkte
der Reaktion von Harnstoff mit einem Kohlenhydrat in einem wasserfreien
Medium im kondensierten Zustand sind; und
- D) Mischungen der genannten Mittel A), B) und/oder C).
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Die
methylolierten Verbindungen des Typs A) umfassen vorzugsweise Tri(hydroxymethyl)nitromethan (unten
als TN bezeichnet), welches das Produkt der Reaktion von Nitromethan
mit drei Formaldehydmolekülen in
einem alkalischen Medium ist (elektrophile Substitution von Wasserstoff
durch Formaldehyd).
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Die
Reaktion zwischen dem Nitroparaffin und Formaldehyd, die zur Produktion
der methylolierten Verbindungen der Formel (I) führt, findet bei Raumtemperatur
mit alkalischem pH-Wert statt. Aus diesem Grund können die
Verbindungen der Formel (I) auch in situ durch Mischen der Tannin-Klebstoffmischung,
welche das entsprechende Nitroparaffin enthält, mit einer Formaldehydquelle,
vorzugsweise Formaldehyd in wässriger
Lösung,
gebildet werden.
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Der
Geltungsbereich der Erfindung erstreckt sich folglich auf Klebstoffzusammensetzungen
auf der Grundlage kondensierter Tannine mit einem Nitroparaffin
oder Mischungen von Nitroparaffinen, die zum Verwendungszeitpunkt
mit einer Formaldehydquelle gemischt werden sollen, um in situ methylolierte
Verbindungen der Formel (I) herzustellen.
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Die
Kondensationsprodukte B) umfassen vorzugsweise Dimethylolharnstoff
und Trimethylolmelamin und deren Oligomere; natürlich können Mischungen verwendet werden,
welche die genannten Monomere und deren Oligomere enthalten.
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Der
Polimerisationsgrad ist vorzugsweise beschränkt auf das Dimer und das Trimer,
die gemischt mit dem Monomer verwendet werden können.
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Die
Stabilitäts-
und Reaktionsfreudigkeitsmerkmale der genannten Kondensationsprodukte
werden durch die in der Kondensationsphase erfolgende Einführung eines
Alkanolamins mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen modifiziert, vorzugsweise
Ethanolamin in Prozentanteilen von bis zu 40 Gewichtsprozent im
Verhältnis
zum Harnstoff oder im Verhältnis
zum Melamin.
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Die
Kondensation in Anwesenheit von Alkanolamin bewirkt die Bildung
von Oxazolidin und Dimethylolharnstoff/Oxazolidin, die durch größere Stabilität und Reaktionsfreudigkeit
bezüglich
des Tannins gekennzeichnet sind.
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Diese
Produkte können
des weiteren durch die Zugabe von Bisulfit modifiziert werden. Die
Bisulfitierung verleiht in einem sauren Medium größere Stabilität, verbessert
aber nicht per se die Reaktionsfreudigkeit mit Bezug auf Tannin.
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Im
Unterschied zu handelsüblichen
UF- und MUF-Harzen sind die hier beschriebenen Vorkondensate des
Typs B, die auf Harnstoff, Melamin, Formaldehyd und möglicherweise
Alkanolamin basieren, vollständig mit
Wasser mischbar und auch in neutralen und sauren Medien relativ
stabil, und ihre Kompatibilität
mit Tannin ist unbeschränkt.
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Obwohl
einige konventionelle Techniken für die Verwendung von Tannin
die Einführung
von UF-Harz in die Klebstoffmischung vorsehen, handelt es sich auf
jeden Fall um kleine Anteile (5-10
Gewichtsprozent), die dem Tannin/Paraformaldehydsystem hinzugefügt werden,
um das Polymer zu stärken.
Konventionelle UF- und MUF-Harze können aus drei Hauptgründen nicht
als Härter
für Tanninklebstoffe
verwendet werden:
- – sie sind in einem alkalischen
Medium nicht ausreichend reaktionsfreudig;
- – sie
sind in einem wässrigen
Medium kaum löslich;
- – Mengen über 20-30%
verursachen die Ausfällung
von Komplexen mit Tannin.
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Die
Kondensationsprodukte vom Typ B werden vorzugsweise in Mengen von
15 bis 30 Gewichtsprozent verwendet, oder vorzugsweise zwischen
20 und 30 Gewichtsprozent im Verhältnis zum wasserfreien Tannin.
Diese Verbindungen werden vorteilhafterweise als Härter in
Kombination mit Verbindungen des Typs A verwendet, insbesondere
mit TN; in diesem Fall sind die bevorzugten Konzentrationen zwischen
10 und 15 Gewichtsprozent der Verbindung B und zwischen 5 und 10
Gewichtsprozent der Verbindung A im Verhältnis zum wasserfreien Tannin.
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Die
Reaktionsprodukte vom Typ C werden durch die vorgängige Reaktion
von Harnstoff mit Kohlenhydraten gebildet, vorzugsweise ausgewählt aus
Glucose, Xylose und Molassen oder auch Komplexen, in einem wasserfreien
Medium bei einer Temperatur von 130-150°C über einige Stunden im kondensierten
Zustand. Eine Teildehydrierung des Kohlenhydrats findet mit der
Bildung von Furanproduktvorläufern
statt, die mit dem Harnstoff durch Amid-Bindungen reagieren. Dieses
wasserlösliche
und noch immer kaum reaktionsbereite Harnstoff-Kohlenhydrat-Addukt wird dann durch
Reaktion mit Formaldehyd in einem basischen Medium methyloliert.
Eine bevorzugte Verbindung des Typs C ist Dimethyloldiglycosylharnstoff.
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Die
methylolierten Härter
A), B) oder C) werden im allgemeinen in Mengen von 10 bis 50 Gewichtsprozent
im Verhältnis
zum trockenen Tannin verwendet.
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Diese
methylolierten Verbindungen können
Polykondensationsreaktionen mit kondensierten Tanninen in einem
alkalischen Medium ergeben. Es wird angenommen, dass die Methylolgruppen
in den Positionen 6 und 8 des A-Rings der monomeren Einheit des
Tannins reagieren.
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Es
hat sich herausgestellt, dass der Wärmehärtungseffekt mit Bildung eines
starken dreidimensionalen Gitters eine Synergiewirkung findet, wenn
er mit der von Lewis-Säuren
geförderten
Autokondensation assoziiert ist. Bei alleiniger Verwendung ergibt
der von den Lewis-Säuren
katalysierte Autokondensationsmechanismus anderseits minderwertige
Ergebnisse. Wenn der selbe Mechanismus mit Polykondensation assoziiert ist,
wird jedoch ein Polymer mit großem
Molekulargewicht gewonnen, das in der Lage ist, Produkte mit optimaler
Wasserfestigkeit zu produzieren.
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Die
verwendeten Lewis-Säuren
sind vorzugsweise Siliciumdioxid in Form von Silicaten (beispielsweise
Tetranatriumsilicat) und Borsäure
in Form von Boraten (beispielsweise Trinatriumborat).
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Die
Synergiewirkungen von Siliciumdioxid und anderen Lewis-Säuren mit Trihydroxymethylnitromethan
(und den anderen methylolierten Verbindungen) können durch die gleichzeitigen
Polykondensationsreaktionen (die den A-Ring betreffen) und Autokondensationsreaktionen
(die den C-Ring betreffen) erklärt
werden. Die zwei Mechanismen, die gleichzeitig an unterschiedlichen
Wirkstellen wirksam werden, erzeugen ein Gitter, das in hohem Maße auf dreidimensionaler
Ebene vernetzt und völlig
unlöslich
ist. Die hohe Wasserfestigkeit und optimale Adhäsionskapazität erklärt sich
präzise
durch das sehr hohe Molekulargewicht. Im Unterschied zu den Kohlenstoff-Stickstoffbindungen
in Amino-Kunststoffharzen sind die von diesen Reaktionen erzeugten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen
nicht für
Hydrolyse in einem wässrigen
Medium anfällig.
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Im
Fall von Klebstoffen auf Tanninbasis ist jedoch die höhere oder
geringere Wasserfestigkeit abhängig
von der Löslichkeit
des wärmehärtenden
Polymers, die eine Funktion des Molekulargewichts und der Dreidimensionalität des Gitters
ist. Autokondensation alleine kann keine ausreichend großen Molekulargewichte erzeugen.
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Synergiewirkungen
werden in Paraformaldehyd/Siliciumdioxidsystemen nicht festgestellt,
da hochgradig elektrophile und reaktionsfreudige Produkte wie Formaldehyd
(in seinen diversen Formen) die Autokondensation beinahe vollständig unterdrücken.
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Die
oben genannten Lewis-Säure-Verbindungen
werden der Klebstoffzusammensetzung normalerweise in Mengen von
2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 2 bis 8 Gewichtsprozent
im Verhältnis
zum wasserfreien Tannin hinzugefügt.
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Die
Klebstoffverbindungen der Erfindung können für eine große Bandbreite von Produkten
in der Holzindustrie verwendet werden, insbesondere für die Produktion
von Spanholzplatten, Faserplatten (MDF), Sperrholz, Formplatten
und Laminaten. Die durch die Erfindung erzielbaren Hauptvorteile
im Vergleich mit herkömmlicheren
Systemen sind vom Standpunkt der industriellen Anwendbarkeit und
vom Standpunkt des Fertigprodukts aus folgende:
- – Verwendung
von Harzen mit niedriger Umweltbelastung bei industrieller Produktion
(Pressdämpfe,
Wasserentnahme, Produktlagerung);
- – Produktion
von Paneelen mit Formaldehydemission gleich jener von natürlichem
Holz;
- – Höhere Stabilität der Tannin/Aktivator-Mischungen
bei unterschiedlichen pH-Werten und kraft verbesserter Stabilität im Falle
von TN die Möglichkeit
zur Formulierung von Einkomponentenzusammensetzungen von Tannin
und Härter.
- – Komplette
Kompatibilität
und Mischbarkeit mit vorkondensierten Methylolaten, im Unterschied
zu handelsüblichen
UR und MUF-Harzen.
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Die
mit der Technologie der Erfindung produzierten Spanholz- und Faserplatten
sind durch optimale Wasserfestigkeit (V100-Paneele – DIN-EN-Konditionierung),
niedrige Werte für
Quellen im Wasser und die Abwesenheit freien Formaldehyds gekennzeichnet.
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In
Tabelle 1 unten sind typische Werte der Formaldehydemission aus
Paneelen gemäß der Norm ISO-EN
120 (Perforatorverfahren) nach dem Typ des verwendeten Klebstoffs
aufgelistet.
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In
den Tabellen 2a und 2b sind die Stabilitätswerte für unterschiedliche Härtersysteme
für Quebracho-Tannin
bzw. für
Mimose-Tannin bei verschiedenen pH-Werten und Härtermengen in Relation zum
trockenen Tannin angegeben. Diese Tabellen enthalten auch Vergleichswerte
mit Bezug auf Zusammensetzungen, die konventionelle Härter aus
Paraformaldehyd oder Formaldehyd enthalten.
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Der
angegebene Stabilitätswert
ist zu verstehen als Zeit, über
die eine Lösung
mit 40 Gewichtsprozent trockenem Tannin, aktiviert durch den Härter, eine
Viskosität
von weniger als 1000 cP (Brookfield-Verfahren – LV2 Test, 30 UpM) ohne thixotropische
oder rheopektische Wirkungen behält.
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Die
angegeben Stabilitätswerte
bestätigen,
dass es möglich
ist, Einkomponentenformulierungen mit sauren pH-Werten (pH 3-6) zu verwenden,
insbesondere im Fall des TN-Härters.
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Die
folgenden Beispiele beziehen sich auf Labor-Nutzungstests, bei denen die Klebstoffzusammensetzungen
gemäß der Erfindung
und handelsübliche
Klebstoffe auf der Grundlage von PF, UF, MUF und Tannin zum Verkleben
von Sperrholz- und Spanplatten verwendet wurden.
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a – Produktion von Sperrholzplatten
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Allgemeine Arbeitsbedingungen
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- Dicke: 10 (±0,5
mm)
- Dichte: 700 (±20)
- Klebermenge: 12 Gewichtsprozent trockener Kleber auf trockenem
Holz
- Temperatur der Pressoberflächen:
170°C
- Maximaldruck: 30kg/cm2
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Die
Merkmale von Spanplatten, die mit konventionellen Systemen produziert
wurden (Referenzdaten), und der Spanplatten, die nach den Klebesystemen
der Erfindung produziert wurden, sind in den nachstehenden Tabellen
3 und 4 angegeben.
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Die
Prozentangaben sind Gewichtsprozent, wenn nichts anderes angegeben
ist. Die Prozentangaben der Härter
sind immer Gewichtsprozent im Verhältnis zum wasserfreien Tannin.
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b – Produktion
von Sperrholz
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Allgemeine
Arbeitsbedingungen
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- Furniere: 30 × 30
cm Pappel und Buche, Dicke 2,0 mm
- Anzahl der Schichten: 5
- Temperatur der Pressflächen:
120°C
- Maximaldruck: 8 kg/cm2
- Klebermenge: 120 g/cm2 pro Kleberlinie
- Füllstoff:
Kokosnussmehl, 10% im Verhältnis
zum trockenen Kleber.
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Das
mit unterschiedlichen Tanninklebertypen gemäß der Erfindung produzierte
Sperrholz wurde gemäß ISO EN
314 Test, Klasse 3 untersucht; die Bruchlastergebnisse sind in Tabelle
5 unten angegeben.
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- 1 – kommerzielles
Harz, Formaldehyd/Phenol-Molarverhältnis 1,8:1
- 2 – mit
1,5% Ammoniaksulfat aktiviertes Harz
- 3 – Tannin
in 42% Lösung,
pH 8, mit 7% Paraformaldehyd aktiviert
- 4 – Tannin
in 42% Lösung,
pH 6, mit 7% Paraformaldehyd aktiviert
- 5 – Tannin
in 42% Lösung,
pH 10, mit 3% Siliciumdioxid aktiviert
- 6 – Tannin
in 42% Lösung,
pH 10, mit 7% Paraformaldehyd und 3% Siliciumdioxid aktiviert.
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- a-1:
- Quebrachotannin in
42% Lösung,
pH 9,5, aktiviert mit 12% TN und 3% Siliciumdioxid
- a-2:
- Quebracho in 42% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 10% TN und 3% Siliciumdioxid
- b:
- Quebracho in 42% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 12% TN
- c:
- Mimose in 50% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 12% TN und 3% Siliciumdioxid
- d:
- Quebracho in 45% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 30% Dimethylolharnstoff/Ethanolamin und 3% Siliciumdioxid
- e:
- Quebracho in 45% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 30% Dimethylolharnstoff/Ethanolamin
- f:
- Quebrachho in 50%
Lösung,
pH 9,5, aktiviert mit 30% Diglycosyldimethylolharnstoff
- g:
- Quebracho in 45% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 25% Dimethylolharnstoff/Ethanolamin, 20% PF-Harz und
3% Siliciumdioxid
- h:
- Quebracho in 50% Lösung, pH
9,5, aktiviert mit 30% Trimethylolmelamin und 3% Siliciumdioxid
- j:
- Quebracho in 42% Lösung, pH
10, aktiviert mit 8% TN und 15% Dimethylolharnstoff.
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Der
Geltungsbereich der Erfindung schließt Tanninkleberzusammensetzungen
in Einkomponentenform ein, in denen der Härter, insbesondere das TN,
mit dem kondensierten Tannin gemischt ist, und Zweikomponentenzusammensetzungen,
in denen der Härter
vom Tannin getrennt gehalten wird, um zum Verwendungszeitpunkt gemischt
zu werden.
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Ein
Verfahren zum Kleben von Holzmaterialien und insbesondere zur Produktion
von Holzpaneelen mit Hilfe der oben beschriebenen Klebstoffzusammensetzungen
fällt ebenfalls
in den Geltungsbereich der Erfindung.