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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
wässrigen
Aminoplastharzen auf der Basis von Harnstoff, Formaldehyd und Melamin
(UMF-Harze), die Verwendung dieser Harze als Klebstoffe bei der
Herstellung von Holzwerkstoffen und die Holzwerkstoffe, die unter
Verwendung dieser Klebstoffe erhalten werden.
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Es
ist in der Holzindustrie bekannt, wässrige Aminoplastharze auf
der Basis von Harnstoff und Formaldehyd zum Kleben von Holzfragmenten,
wie Hackspänen
und Holzfasern, zu verwenden, um entsprechende Holzwerkstoffe herzustellen,
wobei es sich bei diesen um Spanplatten und Faserplatten handelt.
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Industriell
werden die Holzfragmente auf einem Förderband transportiert, auf
dem sie mit dem Klebstoff versetzt und imprägniert werden, welcher ebenfalls
auf das Förderband
aufgegeben wird, um vorgeformte Platten zu erhalten, die vorgegebenen
Eigenschaften entsprechen müssen.
Diese Platten werden dann für
ihre Fertigstellung warmgepresst.
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Daraus
ist ersichtlich, dass die Klebstoffe einige Bedingungen erfüllen müssen, die
einen Einfluss auf das eine oder andere Stadium der Herstellungskette
haben:
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- – Zunächst auf
die eigentliche Herstellung des Klebstoffs, deren Produktivität natürlich verbessert
werden soll;
- – die
Lagerung und der Transport des Klebstoffs bis zu seiner Verwendung;
- – dann
die Herstellung der vorgeformten Platten; und
- – schließlich das
endgültige
Pressen, das zu handelsfähigen
Spanplatten oder ähnlichen
Platten führen sollte.
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Das
Herstellungsverfahren des Harzes ist wesentlich, da von ihm das
Verhalten des Harzes abhängt.
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Die
Verarbeitungseigenschaften dieser Klebstoffe sind ganz allgemeine
eine hohe Reaktivität
sowie eine wenig hohe Viskosität
bei einem hohen Feststoffgehalt, um zu kurzen Arbeitszyklen und
insbesondere zu kurzen Presszeiten zu kommen. Außerdem müssen die Klebstoffe während einer
möglichst
langen Zeitspanne gelagert werden können, ohne dass sich ihre Eigenschaften
verändern.
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Da
der Klebstoff ein Teil des Endprodukts (Platten) ist und daher die
mechanischen Eigenschaften der Endprodukte beeinflusst, werden außerdem gewöhnlich die
mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise:
- – die Feuchtigkeitsbeständigkeit,
die über
das Quellen der Platten nach Eintauchen in Wasser gemessen wird,
das möglichst
gering sein sollte; und
- – die
Zugfestigkeit bei senkrechter Belastung und die Biegefestigkeit,
die so hoch wie möglich
sein sollen, sowie
die Durchdringungseigenschaft von Formaldehyd
(die sich durch die Ausdünstung
des Formaldehyd ausdrückt)
berücksichtigt,
die so gering wie möglich
sein sollte.
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Die
Ausdünstung
von Formaldehyd muss während
der gesamten Herstellungskette sowohl während des Herstellungsverfahrens
des Klebstoffes als auch während
seiner Lagerung und seines Transports und anschließend bei
der Herstellung der Platten so gering wie möglich sein. Dabei ist jedoch
zu beachten, dass die Reaktivität
und Stabilität
der Harze abnimmt und sich die mechanischen Eigenschaften der fertigen
Produkte verschlechtern, wenn die verwendete Formaldehydmenge vermindert
wird.
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Spanplatten
und ähnlichen
Platten, die gute mechanische Eigenschaften und insbesondere eine
gute Wasserbeständigkeit
besitzen, werden mithilfe von Aminoplastharzen auf der Basis von
Harnstoff und Formaldehyd hergestellt, wobei bei ihrer Herstellung
auch Melamin oder Phenol verwendet wird. Die Harze auf der Basis
von Harnstoff, Formaldehyd und Melamin (UMF-Harze) haben den Vorteil,
dass die resultierenden Spanplatten und ähnliche Platten nicht nachdunkeln.
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Die
Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harze können durch Mischen von Harnstoff-Formaldehyd-Kondensaten
und Melamin-Formaldehyd-Kondensaten erhalten werden (FR-A-1 319
269; DE-A-2 422 650; DE-A-2 422 803; EP-A-52 212).
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Sie
können
auch in einem zweistufigen Verfahren hergestellt werden. In einem
ersten Schritt reagieren Melamin und Formaldehyd unter Bildung eines
Kondensats, das in einem zweiten Schritt mit dem Harnstoff in ein
Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsprodukt umgewandelt wird
(US-A-4 123 579).
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Ein
weiteres zweistufiges Verfahren besteht darin, in einem ersten Schritt
Harnstoff und Formaldehyd in einem leicht sauren Medium zur Bildung
eines Kondensationsproduktes umzusetzen und anschließend in einem
zweiten Schritt das Melamin in einem basischen Medium zuzugeben,
wodurch nach Kondensation ein Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harz erhalten
werden kann (DE-A-2 455 420).
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Das
Harnstoff-Melamin-Formaldehyd-Kondensationsprodukt kann auch direkt
durch Umsetzung von Harnstoff, Melamin und Formaldehyd hergestellt
werden, wobei hierzu auch konzentrierte wässrige Lösungen von Formaldehyd und
Harnstoff verwendet werden können
(US-A-3 891 590). Dieser Verfahrenstyp wurde auch für die Herstellung
von Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (
EP 185 205 ) beschrieben, die durch
Mischen eines Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes und Harnstoff
erhalten werden. Durch die Optimierung des Verhältnisses der nachträglich zugegebenen
Harnstoffmenge und der gesamten Harnstoffmenge (WO 95/20 000) oder
des Molverhältnisses
von Melamin und Harnstoff (DE-A-19 532 719) können Harze hergestellt werden,
die an ihre Anwendungsbedingungen besser angepasst sind.
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Es
kann schließlich
ein zweistufiges Verfahren für
die Herstellung von Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harzen genannt
werden, das durch eine geringe Geschwindigkeit der Formaldehydabgabe
beim Härtungsprozess
gekennzeichnet ist. In dem ersten Schritt werden der Harnstoff und
eine geringe Melaminmenge in einem alkalischen Medium hydroxymethyliert.
In dem zweiten Schritt wird die Kondensation mit dem restlichen
Harnstoff und Melamin in neutralem Medium durchgeführt (US-A-4
536 245). Dieses Verfahren bezieht sich in erster Linie auf Harze
mit einem geringen Melamingehalt.
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Die
Anmelderin hat nun festgestellt, dass durch die Herstellung des
Kondensationsproduktes in zwei Schritten unter speziellen Kondensationsbedingungen
Klebstoffe erhalten werden können,
die eine sehr große Stabilität und eine
gute Reaktivität
in der Tube und unter der Presse aufweisen und mit denen Platten
mit sehr guten physikalischmechanischen Eigenschaften hergestellt
werden können.
Dieses Verfahren ist im Übrigen sehr
leistungsfähig,
wenn es sich darum han delt, Platten mit einer sehr niedrigen Formaldehydabgabe
herzustellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
für die
Herstellung eines wässrigen
Aminoplastharzes auf der Basis von Harnstoff, Formaldehyd und Melamin,
wobei der Melamingehalt in dem fertigen Harz im Bereich von 10 bis
40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Harz liegt, und wobei nach diesem
Verfahren eine Kondensation von Harnstoff, Formaldehyd und Melamin
durchgeführt
wird und anschließend
Harnstoff zugegeben wird, um ein Molverhältnis F/NH2 in
dem fertigen Harz von 0,25 bis 0,85 einzustellen, ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Hydroxymethylierung (a) und anschließend zwei Kondensationsschritte
(b) und(c) durchgeführt
werden, wobei folgendermaßen
verfahren wird:
- (a) ein Gemisch von Harnstoff,
Formaldehyd und Melamin wird in einem wässrigen Medium mit einem Molverhältnis des
Formaldehyd zu den NH2-Gruppen von 0,85
bis 1,15 während
einer Zeitdauer, die bis zu 15 Minuten betragen kann, auf Rückflusstemperatur
erwärmt,
wobei der pH-Wert im Bereich von 7 bis 8, 5 gehalten wird; dann
- (b) der erste Kondensationsschritt wird bei einem pH-Wert im
Bereich von 5 bis 6,5 und einer Temperatur im Bereich von 70 bis
100 °C durchgeführt, bis
ein Kondensationsgrad erreicht ist, der bei 25 °C einer Viskosität entspricht,
deren Wert von der aktiven Substanz des Mediums abhängt; die
Kondensation wird abgebrochen, indem der pH-Wert auf einen Wert
von 7 bis 8 und die Temperatur auf einen Wert im Bereich von 60
bis 80 °C
eingestellt wird;
- (c) der zweite Kondensationsschritt wird durchgeführt, indem
Formaldehyd, Harnstoff und das restliche Melamin so zugegeben werden,
dass das Molverhältnis
von Formaldehyd und NH2-Gruppen im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt;
die Kondensation wird bei einem pH-Wert im Bereich von 8 bis 10
und einer Temperatur im Bereich von 70 bis 100 °C durchgeführt, bis ein Kondensationsgrad
erreicht ist, der bei 25 °C
einer Viskosität
entspricht, deren Wert von der aktiven Substanz abhängt, und
die
Umsetzung wird mit einem Schritt (d) der nachträglichen Zugabe von Harnstoff
abgeschlossen,
wobei sich die angegebenen NH2-Gruppen
auf Mol Harnstoff und Mol Melamin beziehen.
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In
jedem der Schritte (a) und (b) können
der Harnstoff und der Formaldehyd zumindest zum Teil in Form einer
konzentrierten wässrigen
Lösung
von Harnstoff und Formaldehyd (beispielsweise Formaldehyd: 50 Gew.-%,
Harnstoff: 20 Gew.-%) zugegeben werden.
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In
Schritt (a) können
im Übrigen
5 bis 50 Gew.-% des gesamten Melamins zugegeben werden.
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Die
Kondensation des Schritts (b) kann in einer Zeitspanne von 20 bis
60 Minuten und die Kondensation des Schritts (c) während einer
Zeitspanne von 30 bis 120 Minuten durchgeführt werden.
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Die
Reaktionen der Schritte (a), (b) und (c) werden im Allgemeinen jeweils
bei einer Konzentration der aktiven Substanzen (Wirkstoffe) (Verhältnis Melamin
+ Harnstoff + Formaldehyd zur Gesamtmasse, auf das Gewicht bezogen
ausgedrückt)
im Bereich von 50 bis 75 Gew.-% durchgeführt.
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Nach
Schritt (c) wird in Schritt (d) nachträglich Harnstoff zugegeben:
Das Reaktionsmedium wird auf 40 bis 60 °C abgekühlt und man gibt Harnstoff
bei dem pH-Wert des vorhergehenden Schrittes während einer Zeitspanne, die
bis zu 60 Minuten betragen kann, so zu, dass das Molverhältnis von
Formaldehyd zu den NH2-Gruppen am Ende im
Bereich von 0,25 bis 0,85 liegt.
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Nach
der letzten Zugabe von Harnstoff beträgt der Trockenextrakt des fertigen
Harzes 50 bis 75 Gew.-%. Zur Bestimmung des Trockenextraktes wird
eine Probe von 1 g Harz 2 Stunden bei 120 °C in einen Trockenschrank gegeben.
Der Trockenextrakt des Harzes ergibt sich aus dem nach der Behandlung
verbleibenden Gewicht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des auf diese
Weise hergestellten Aminoplastharzes als Klebstoff bei der Herstellung
von Holzwerkstoffen sowie die Holzwerkstoffe, die unter Verwendung des
nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen wässrigen
Aminoplastharzes als Klebstoff erhalten werden.
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Die
folgenden Beispiele erläutern
die Erfindung. Falls nichts Anderes angegeben ist, bedeuten die
prozentualen Angaben in den Beispielen Gewichtsprozent.
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BEISPIEL 1: Herstellung
eines Harnstoff-Formaldehyd-Melamin-Harzes mit 24 % Melamin und F/NH2 = 0,35
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Schritt (a)
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In
einen Reaktor werden 1202,5 g Harnstoff-Formaldehyd-Vorkondensat
(pH > 5) (F = 47,85
%; U = 19,82 %), 137 g Wasser, 52,5 g Harnstoff und 360 g Melamin
gegeben.
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Der
pH-Wert wird auf 7 eingestellt (mit Natriumhydroxid von 10 %), worauf
auf Rückflusstemperatur erwärmt wird.
Diese Temperatur wird 10 Minuten gehalten. Der pH-Wert wird durch
Zugabe von Natriumhydroxid über
7 gehalten.
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Man
kühlt auf
eine Temperatur von 80 °C
ab und lässt
den pH-Wert auf 6,3 sinken. Der pH-Wert wird erforderlichenfalls
durch Zugabe von Natriumhydroxid über diesem Wert gehalten. Die
Kondensationsreaktion wird durch Messung der Viskosität bei 25 °C verfolgt.
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Schritt (b)
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Sobald
der Abbruchwert erreicht ist, wird der pH-Wert durch Zugabe von
Natriumhydroxid wieder auf 7,2 eingestellt, die Temperatur des Reaktionsmediums
wird auf 70 °C
eingestellt. Man gibt 1115,5 g Harnstoff-Formaldehyd-Vorkondensat
(F = 47,85 %; U = 19,82 %) und 425,7 g Wasser zu. Der pH-Wert wird
dann auf 7,8 erhöht,
worauf 1080 g Melamin eingearbeitet werden. Sobald 10 % des Melamins
zugegeben sind, wird der pH-Wert auf 8,5 erhöht.
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Sobald
das gesamte Melamin zugegeben ist, wird der pH-Wert durch Zugabe
von Natriumhydroxid auf einem Wert über 8, 5 (8, 5 bis 8, 7) gehalten,
und das Reaktionsmedium wird auf 90 °C erwärmt. Die Kondensationsreaktion
wird durch Messung der Viskosität
bei 25 °C
verfolgt.
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Sobald
der Abbruchwert erreicht ist, wird das Reaktionsmedium auf 60 °C abgekühlt, worauf
1628 g Harnstoff zugegeben werden.
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Das
fertige Harz besitzt die folgenden Eigenschaften:
- Viskosität | =
155 mPa·s |
- Dichte | =
1303 g/cm3 |
- Trockenextrakt | =
68,3 % |
- pH | =
9,6 |
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BEISPIEL 2 (Vergleich):
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Ein
Gemisch von:
- – 1 440 g Melamin (11,43 mol),
- – 2290
g einer wässrigen
Lösung
von 49,96 % Formaldehyd und 19,07 % Harnstoff (Formaldehyd: 38,14 mol;
Harnstoff: 7,28 mol),
- – 68,8
g Harnstoff (1,47 mol), und
- – 514,6
g Wasser
wird bei einem pH-Wert von 8,7 (Zugabe einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung
von 10 %) bei einer Temperatur von 90 °C bis zu einer Viskosität von 200
mPa·s,
die bei 25 °C
bestimmt wird, kondensiert.
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Das
Reaktionsmedium wird bis 60 °C
abgekühlt,
worauf 1942 g Harnstoff (32,4 mol) eingearbeitet werden. Der pH-Wert
wird bei Raumtemperatur auf 9,5 eingestellt.
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BEISPIEL 3
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Es
werden in einen Reaktor gegeben:
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- – 1152
g Vorkondensat (Formaldehyd: 49,96 %; Harnstoff: 19,07%),
- – 52,5
Harnstoff,
- – 360
g Melamin, und
- – 137
g Wasser.
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Durch
Zugabe von Natriumhydroxid (Natriumhydroxid von 10 % w/w) wird der
pH-Wert auf 7 eingestellt, worauf auf Rückflusstemperatur erwärmt wird.
Das Reaktionsgemisch wird auf dieser Temperatur und bei diesem pH-Wert
gehalten (Zugabe von Natriumhydroxid während 10 min).
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Man
kühlt auf
80 °C ab
und lässt
den pH-Wert auf 6,3 fallen. Dieser Wert wird erforderlichenfalls
durch Zugabe von Natriumhydroxid gehalten. Die Kondensationsreaktion
wird durch Messung der Viskosität
bei 25 °C
verfolgt.
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Sobald
der Abbruchwert erreicht ist – Viskosität bei 25 °C von 1250
mPa·s – wird der
pH-Wert durch Zugabe von Natriumhydroxid auf 7,2 erhöht und das
Reaktionsmedium wird auf 70 °C
abgekühlt.
Man gibt 1115,5 g Vorkondensat (Formaldehyd: 49,96 %; Harnstoff:
19,07 %) und 425,7 g Wasser zu. Der pH-Wert wird durch Zugabe von
Natriumhydroxid auf 8, 5 erhöht,
worauf 1 080 g Melamin eingearbeitet werden. Man hält den pH-Wert
bei 8, 5 und erwärmt
das Reaktionsmedium auf eine Temperatur von 90 °C. Die Kondensationsreaktion
wird durch Messung der Viskosität
bei 25 °C
verfolgt. Sobald der Abbruchwert erreicht ist – Viskosität bei 25 °C von 600 mPa·s – wird das
Reaktionsmedium auf eine Temperatur von 60 °C abge kühlt, bevor 1857,6 g Harnstoff
eingearbeitet werden. Sobald der Harnstoff gelöst ist, kühlt man auf 20 °C ab.
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BEISPIEL 4 (Vergleich)
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Ein
Gemisch von:
- – 1440 g Melamin (11,43 mol),
- – 2193,2
g einer wässrigen
Lösung
von 49,96 % Formaldehyd und 19,07 % Harnstoff (Formaldehyd: 36,52 mol;
Harnstoff: 6,98 mol),
- – 14,1
g Harnstoff (0,235 mol), und
- – 448,3
g Wasser
wird bei einem pH-Wert von 8,7 (Zugabe einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung
von 10 %) bei einer Temperatur von 90 °C kondensiert, bis eine Viskosität, die bei
25 °C gemessen
wird, von 800 mPa·s
erreicht ist.
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Das
Reaktionsmedium wird bis auf eine Temperatur von 60 °C abgekühlt, worauf
1859,4 g Harnstoff (31 mol) eingearbeitet werden. Der pH-Wert wird
bei Raumtemperatur auf 9,5 eingestellt.
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BEISPIEL 5
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Es
werden in einen Reaktor gegeben:
-
- – 1065
g Vorkondensat (Formaldehyd: 49,96 %; Harnstoff: 19,07%),
- – 41,3
Harnstoff,
- – 360
g Melamin, und
- – 157,5
g Wasser.
-
Durch
Zugabe von Natriumhydroxid (Natriumhydroxid von 10 % w/w) wird der
pH-Wert auf 7 eingestellt, worauf auf Rückflusstemperatur erwärmt wird.
Das Reaktionsmedium wird auf dieser Temperatur und bei diesem pH-Wert
gehalten (Zugabe von Natriumhydroxid während 10 min). Man kühlt auf
80 °C ab
und lässt den
pH-Wert auf 6,3 sinken. Dieser Wert wird erforderlichenfalls durch
Zugabe von Natriumhydroxid gehalten. Die Kondensationsreaktion wird
durch Messung der Viskosität
bei 25 °C
verfolgt.
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Sobald
der Abbruchwert erreicht ist – Viskosität von 1350
mPa·s
bei 25 °C – wird der
pH-Wert durch Zugabe von Natriumhydroxid auf 7,2 erhöht und das
Reaktionsmedium wird auf 70 °C
abgekühlt.
Man gibt 1079,4 g Vorkondensat (Formaldehyd: 49,96 %; Harnstoff:
19,07 %) und 448 g Wasser zu. Der pH-Wert wird durch Zugabe von
Natriumhydroxid auf 8,5 erhöht,
worauf 1080 g Melamin eingearbeitet werden. Der pH-Wert wird bei
8,5 gehalten und das Reaktionsmedium auf 90 °C erwärmt. Die Kondensationsreaktion
wird durch Messung der Viskosität
bei 25 °C
verfolgt. Sobald der Abbruchwert erreicht ist – Viskosität von 600 mPa·s bei 25 °C – wird das
Reaktionsmedium auf eine Temperatur von 60 °C abgekühlt, worauf 1743,6 g Harnstoff
eingearbeitet werden. Sobald der Harnstoff gelöst ist, wird auf 20 °C abgekühlt.
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BEISPIEL 6 (Verwendungsbeispiele
für die
Harze der Beispiele 1 bis 5)
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Es
werden einschichtige Spanplatten von 500 × 450 × 17 mm (zwei Platten pro Fall)
mit Landes-Kieferspänen
(Gemisch 1/3 außen – 2/3 innen)
unter den folgenden Bedingungen hergestellt:
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- – Verleimen:
6,5 % trockenes Harz/trockenes Holz
- – Katalyse:
NH4Cl 3 % trocken/Harz trocken oder HCOOH
3,5 % trocken/Harz trocken
- – Klebstoffgemisch:
52 % Trockensubstanz
- – Vorpressen:
5 kg/cm2 – Zeit: 1 min
- – Pressen:
30 kg/cm2 – Temperatur = 185 °C.
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Die
Eigenschaften der Harze der Beispiele 1 bis 5 und die physikalisch-mechanischen
Eigenschaften der mithilfe der Harze verklebten Platten sind in
der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
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Die
gemäß Beispiel
10 und 12 hergestellten Harze besitzen unabhängig vom Kondensationsgrad
eine höhere
Stabilität
und eine bessere Reaktivität.
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