-
Verfahren zur Herstellung von Hartfaserplatten Die Herstellung von
Hartfaserplatten aus einer wäßrigen Suspension von Holzfasern mit einem Zusatz von
härtbarem Kunstharz ist bekannt (K. Friedrich, Faserplatten, ihr Aufbau und ihre
Eigenschaften in »Fortschritte der Chemie, Physik und Technik der makromolekularen
Stoffe«, herausgegeben von Röhrs, Staudinger und Vieweg, Bd. a, 1942, S. 36r). Vorerst
legte man besonderen Wert darauf, möglichst mechanisch feste Platten zu erhalten.
Der stets erweiterte Einsatz der Hartfaserplattcn machte aber auch eine höhere Feuchtigkeitsbeständigkeit
erforderlich. Bisher gelingt es nur mit wechselndem Erfolg, feuchtigkeitsfeste Hartfaserplatten
herzustellen. Eine Arbeitsregel, die mit Sicherheit regelmäßig zu gleichermaßen
in mechanischer Hinsicht und gegen die Einwirkung von Feuchtigkeit beständigen Platten
führt, ist noch nicht gefunden worden. Die Prüfung verschiedener Bindemittel und
auch die Heraufsetzung des Harzgehaltes bis auf 5 % brachten kein befriedigendes
Ergebnis. Die Meinungen über die wesentliche Ursache für die Feuchtigkeitsbeständigkeit
gehen deshalb heute auseinander. Teils führt man die befriedigenden
Ergebnisse
auf eine besonders feine Ausfällung des Harzes aus der alkalischen Lösung zurück,
teils sucht man sie mit dem vorgeschrittenen Kondensationsgrad des verwendeten Harzes
zu erklären. Beide Vermutungen berühren nur am äußeren Rande die tatsächlichen Zusammenhänge.
Die nachstehend beschriebene Erfindung geht von der klaren Erkenntnis dieser Zusammenhänge
aus, zu der man erst unter eingehender Berücksichtigung der bisher wenig beachteten
Vorgänge beim Heißpressen der nassen Faserstoffilze gelangen konnte.
-
Bekanntlich wird der harzhaltige Faserstoffbrei auf geeigneten Entwässerungsvorrichtungen
der Pappen-und Papierindustrie, vorzugsweise Langsiebmaschinen, zu nassen Faserteppichen
mit hohem Wassergehalt verarbeitet. Die nassen Faserfilze werden dann in Etagenpressen
zwischen Sieben und beheizten Platten entwässert, verdichtet und gehärtet. Dabei
ist es für die Leistungsfähigkeit der Pressen von. Bedeutung, daß die Gesamtpreßdauer
in erträglichen Grenzen gehalten wird und nach Möglichkeit 2o bis 25 Minuten nicht
überschreitet. Während dieser Zeit muß die -Presse zunächst geschlossen werden.
Die hierbei bereits beginnende -Entwässerung wird unter dem vollen Preßdruck von
mindestens 4o bis so kg/cm2 so lange fortgesetzt, bis der starke Wasseraustritt
aufhört. Die Dauer dieser mechanischen Entwässerung ist abhängig von der Art und
insbesondere auch von dem PH-Wert des nassen Faserfilzes. Üblicherweise läßt man
nach einer Schließzeit von z. B. 5 Minuten-den vollen Preßdruck wenigstens 4 Minuten
lang einwirken. Dann wird der Druck auf höchstens die halbe Höhe gesenkt und solange
beibehalten, bis durch weiteres Abtropfen und Verdampfen von Wasser der Feuchtigkeitsgehalt
der verdichteten Platte auf 6 bis &0/, gesunken ist. Dieser Vorgang dauert etwa
7 bis io Minuten. Die gesamte Entwässerungszeit unter vollem und vermindertem Druck,
während der die feuchten Faserstoffplatten auf die Temperatur der Heizplatten, vorzugsweise
165 bis i75°, erwärmt werden, beträgt also etwa ii bis 14 Minuten. Im Anschluß daran
erfolgt unter vollem Druck die eigentliche Härtung des Harzes. Um die Gesamtpreßdauer,
die . also aus den 3 Teilen: Schließzeit, Entwässerungszeit unter vollem Druck und
unter vermindertem Druck und Aushärtungszeit besteht, so niedrig wie möglich zu
halten, wird die Aushärtungszeit in der Praxis nicht über 5 Minuten ausgedehnt,
so daß die Fertigstellung einer Beschickung der Etagenpresse nicht mehr als etwa
2o bis 25 Minuten in Anspruch nimmt.
-
Es kommt daher entscheidend darauf an, daß das als Bindemittel verwendete
Phenolresol in der für die Aushärtung unter Hitze und Druck zur Verfügung stehenden
Zeit möglichst weitgehend in den unlöslichen und unschmelzbaren Eildzustand übergeht.
Als Kennzahl für die Härtungsgeschwindigkeit von Phenolresolen ermittelt man im
allgemeinen ihre B-Zeit, d. 1i. die Zeit, innerhalb welcher eine Probe des Resols
bei einer bestimmten Temperatur, z. B. i5o°, in den gummiartigen Resitolzustand
übergeht. Diese-Kennzahl wird als ausreichend für die meisten Resole angesehen,
weil bei den üblichen Verarbeitungsverfahren die Aushärtungsteit nach der B-Zeit
des Harzes bemessen werden kann. Bei der Herstellung von Hartfaserplatten nimmt
jedoch die- -Entwässerung unter Druck schon so viel Zeit in Anspruch, daß man genötigt
ist, die Aushärtung in einer möglichst kurzen Zeit durchzuführen. Auch die Aushärtungsgeschwindigkeit
oder C-Zeit läßt sich ermitteln, indem man Proben des Harzes längere Zeit auf z.
B. i2o° erhitzt und als Maß für den Aushärtungsgrad den noch acetonunlöslichen Anteil
bestimmt. Im allgemeinen besteht jedoch hierzu kein Anlaß, weil die Kenntnis der
. B-Zeit ausreicht, um die Aushärtungszeit bei der sonstigen technischen Verarbeitung
der Resole unter Berücksichtigung der Dicke des zu härtenden Teiles festzusetzen.
-
Es wurde nun gefunden, daß man mechanisch feste und gegen Wasser und
Feuchtigkeit beständige Faserplatten erhält, wenn man bei der bekannten Arbeitsweise
als Bindemittel Resole verwendet, die bei der Erhitzung auf i?o° nach 12 Stunden
höchstens 6 °/o acetonlösliche Harzanteile ergeben. Zur Bestimmung des Aushärtungsgrades
werden Proben des Resols im gepulverten Zustande oder, falls die Harze bei der Herstellung
in * alkalischer Lösung anfallen, in 5o°/oiger alkalischer Lösung in flachen Blechschälchen,
die einen lichten Durchmesser von 28 mm und eine lichte Höhe von 6 mm haben, 12
Stunden im Trockenschrank auf i2o° erhitzt. Das auf diese Weise gehärtete Harz wird
im Mörser fein zerrieben, durch ein Sieb von o,5 mm lichter Maschenweite gesiebt
und dann mit einem . Gemisch aus gleichen Teilen Aceton und Alkohol extrahiert.
Der Rückstand wird 2 Stunden bei 9o° getrocknet und nach dem Erkalten im Exsikkator
gewogen.
-
Im Gegensatz zu-den üblichen Phenol- oder Mischresolen, die bei i2o°
in 12 und mehr Stunden nur bis zu 9o % aushärten, dürfen zur Herstellung von Faserplatten
geeignete Resole bei der Aushärtungsprobe bei i2o° innerhalb i2 Stunden höchstens
6 °/o acetonlösliche Bestandteile enthalten. Die B-Zeit von Resolen mit dem Aushärtungsgrad
liegt bei i5o° im allgemeinen unter 40 Minuten.
-
Die schnell aushärtenden Harze ergeben unter den Bedingungen, bei
denen die Hartfaserplatten naß gepreßt werden, Erzeugnisse mit befriedigender mechanischer
Festigkeit und geringer Wasseraufnahme. Ihre Überlegenheit gegenüber den üblichen
Mischresolen mit normalem Aushärtungsgrad tritt besonders bei der Verwendung sehr
geringer Harzmengen in Erscheinung. Mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Harzen
erhält man schon bei einem Zusatz von 2 °/Q oder weniger Resol, bezogen auf trockenen
Faserstoff, Hartfaserplatten mit befriedigenden Eigenschaften. - Man ist daher in
der Lage, den Bindemittelanteil, der normalerweise 'bei etwa 3 bis 8 °/o liegt,
unter diese Grenze zu senken und 35 und mehr Prozent Harz .einzusparen. ' Es wurde
weiterhin gefunden, daß bei der Verarbeitung der schnell aushärtenden Harze gemäß
der Erfindung darauf zu achten ist, daß beim Verpressen der nassen Faserfilze -die
eingangs geschilderte Entwässerung in der Heißpresse dem Härtungsv erlauf der Harze
entsprechend unterteilt wird. Je schneller
die Härtung des Harzes
anläuft, desto kürzere Zeit darf die Entwässerung unter vollem Druck vorgenommen
werden. Bekanntlich ist der Ablauf der Härtung innerhalb der durch den Aushärtungsgrad
bzw. den noch verbleibenden acetonlöslichen Rest gekennzeichneten C-Zeit abhängig
von dem Reaktionsvermögen des als Ausgangsmaterial verwendeten Phenols bzw. von
der Zusammensetzung des benutzten Phenolgemisches. Es wurde nun gefunden, daß diese
Unterschiede durch eine entsprechende Bemessung der Entwässerungszeit unter vollem
Druck ausgeglichen werden können. Die gemäß der Erfindung zu verwendenden schnell
aushärtenden Harze machen es erforderlich, daß die Entwässerungszeiten nicht mehr
nach dem vielfach geübten, eingangs geschilderten Preßschema bemessen werden, gemäß
dem die Entwässerung wenigstens 4 Minuten unter vollem Druck und weitere 7 bis io
Minuten bei vermindertem Druck durchgeführt wird. Vielmehr muß die Entwässerung
unter vollem Druck erheblich abgekürzt werden, wenn als Bindemittel ein schnell
anhärtendes Resol verwendet wird, dessen Übergang in den unschmelzbaren Zustand
im ersten Abschnitt der Härtungszeit besonders schnell verläuft. Während bei den
handelsüblichen Resolen mit normaler Härtungsgeschwindigkeit die Entwässerung unter
vollem Druck unbedenklich auf 4 bis 5 Minuten ausgedehnt werden kann, findet bei
der Verwendung der erfindungsgemäßen Resole unter diesen Bedingungen bereits eine
oberflächliche Anhärtung der verdichteten Faserplatten statt. Infolgedessen können
während der nachfolgenden Entwässerung bei vermindertem Druck beträchliche Teile
des Wassers nicht mehr in flüssigem oder dampfförmigem Zustand entweichen. Beim
abschließenden Aushärten unter vollem Druck verursachen die ungleichmäßig in der
Platte eingeschlossenen Wassermengen Spannungen und Gefügelockerungen, die mangelhafte
mechanische Festigkeiten und erhöhtes Wasseraufnahmevermögen der fertigen Faserplatten
im Gefolge haben. Die Entwässerungszeit unter vollem Druck wird daher bis auf i
Minute gekürzt, wobei die Entwässerungszeit unter vermindertem Druck entsprechend
verlängert werden kann.
-
Die gesamte Entwässerungszeit ist naturgemäß von dem Grad der Entwässerung
des Faserfilzes auf der Langsiebmaschine und dem Grad seiner Entwässerbarkeit durch
Pressen abhängig. Manche Faserfilze, z. B. aus schleimigen oder gequollenen Fasern,
binden größere Mengen `Nasser verhältnismäßig fester als andere lockere Faserfilze,
wie sie z. B. entstehen, wenn man beim Ausfällen des Harzes aus der alkalischen
Lösung bis zu einem pH -Wert von 3,5 ansäuert. Bei kleineren Platten geht die Entwässerung
ohnehin leichter und schneller vonstatten als bei größeren. Demgemäß kann die Entwässerung
auch in kürzerer Zeit als il bis 14 Minuten beendet sein, ohne daß deshalb die Entwässerung
unter vollem Druck abgekürzt werden müßte. Die Zeit, bis zu der die Entwässerung
unter vollem Druck im Verhältnis zur gesamten Entwässerungszeit ausgedehnt werden
kann, ist so bemessen, daß die Faserstoffplatte beim Herabsetzen des Druckes oberflächlich
noch nicht angehärtet ist, sondern eine gleichmäßige poröse Oberfläche hat, durch
die restliches Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand entweichen kann.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung und der damit erreichte technische
Fortschritt wird an Hand der folgenden Beispiele und Vergleichsversuche näher erläutert.
Beispiel i Zoo kg Rohphenol, enthaltend Phenol, Iiresole, Xylenole und höhere Phenole
in wechselnden Mengen, 14o kg Formaldehyd 40%ig, 16 kg Natronlauge, 6o kg Wasser
werden in einem Rührkessel 6o Minuten auf 8o° erhitzt. Die B-Zeit bei 15o° beträgt
etwa 35 Minuten. Nach =2stündigem Erhitzen der 5o°/oigen alkalischen Lösung des
Harzes auf 12o° sind noch 4,5 °/o des Harzes acetonlöslich.
-
Beispiel 2 Zoo kg Rohphenol, annähernder Zusammensetzung wie im Beispiel
Z, 12O kg Formaldehyd 4o"/oig, 4 kg 45°/oige Natronlauge werden 15 Minuten zum Sieden
erhitzt. Nach Zugabe von 2o 1 250/,iger Ammoniaklösung wird das Reaktionsgemisch
im Vakuum zu einem springharten Harz eingedampft. Schmelzpunkt des Harzes etwa 55°.
Die B-Zeit beträgt bei i5o° 61/2 Minuten. Nach i2stündigem Erhitzen des festen Resols
in gepulvertem Zustand auf i2o° sind noch 5 °/a des Harzes acetonlöslich. Vergleichsversuche
Mit 2 Mischresolen normaler Aushärtungsgeschwindigkeit und den gemäß den Beispielen
i und 2 hergestellten Harzen wurden Vergleichsversuche angestellt. Faserstoffsuspensionen
gleicher Herkunft und Beschaffenheit wurden mit 5o°/oigen alkalischen Lösungen der
vier Harze in solchen Mengen versetzt, daß 2 Teile Trockenharz auf Zoo Teile trockenen
Faserstoff anwesend waren. Aus dem Faserbrei hergestellter Faserfilz wurde in einer
Etagenpresse entwässert und gehärtet, deren Schließzeit 5 Minuten betrug. Zur Entwässerung
wurde zunächst der volle Druck von 5o kg/cm2 i bzw. 4 Minuten aufrecht gehalten,
worauf bei einem verminderten Druck von etwa 2o kg/cm2 io bzw. 7 Minuten gehalten
wurde, so daß die gesamte Entwässerungszeit stets ii Minuten betrug. Abschließend
wurde bei allen Versuchen die Presse 5 Minuten lang zur Aushärtung unter vollem
Druck gehalten. Alle Versuche wurden bei einer Preßtemperatur von 165 bis Z75° vorgenommen.
Die bei diesen Versuchen erhaltenen Faserplatten wurden auf Biegefestigkeit und
Wasseraufnahme untersucht. Zur Bestimmung der Biegefestigkeit wurden etwa vierundzwanzig
Einzelprüfungen an Stäben vorgenommen, die aus mindestens zwei verschiedenen Platten
geschnitten worden waren. Die Bestimmung der Wasseraufnahme fand ebenfalls an einer
größeren Anzahl von Musterstücken durch Eintauchen in Wasser und Bestimmung der
aufgenommenen Wassermengen nach 2 bzw. 24 Stunden Wässerung statt. Die Ergebnisse
der Vergleichsversuche sind aus folgender Zusammensetzung ersichtlich
| Harz nach Harz nach |
| Mischresol i Mischresol 2 Beispiel i Beispiel 2 |
| B-Zeit bei 15o° festes Harz ............ 9' 40" 12' 30" - 6'
30" |
| Aushärtungsgrad bei 12o° |
| 0/, -Lösliches nach 12 Stunden ....... 10,9o%
19,5010 45% 500/0 |
| Entwässerungszeit |
| unter 5o at .:...................... 4 Min. 1' 4' 1' 4' 1'
¢' |
| unter 2o at ........................ 7 - 1o' 7' 1o' 7' 1o'
7' |
| Aushärtungszeit ...................... 5 - 5' 5' 5' 5' 5t 5' |
| Wasseraufnahme nach 2 Stunden ...... 160% 4004 7 % 10,5%
65% 11,3% |
| Wasseraufnahme nach 24 Stunden ..... 45% 680% 30.8%
38,0% 28,6% 41,0% |
| Biegefestigkeit kg/cm' ................ 550 280
622 500 590 500 |