EP1575744B1 - Kombinationswerkstoff sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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EP1575744B1
EP1575744B1 EP03785554A EP03785554A EP1575744B1 EP 1575744 B1 EP1575744 B1 EP 1575744B1 EP 03785554 A EP03785554 A EP 03785554A EP 03785554 A EP03785554 A EP 03785554A EP 1575744 B1 EP1575744 B1 EP 1575744B1
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EP
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particles
resins
thermoplastic
polyolefins
binding agents
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Helmut Bauch
Detlef Krug
Margot Scheithauer
Michael Hofmann
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IHD Institut fuer Holztechnologie Dresden gGmbH
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IHD Institut fuer Holztechnologie Dresden gGmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/002—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres characterised by the type of binder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/007—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres and at least partly composed of recycled material

Definitions

  • the invention relates to a combination material containing wood fibers or wood chips or both, and a method for its production.
  • environmentally friendly arbitrarily shaped components are produced, which have over the known materials produced in presses increased moisture resistance.
  • Engineered wood products such as chipboard, Oriented Chipboard (OSB), High Density Fiberboard (HDF), and Medium Density Fibreboard (MDF) are currently produced from relatively high value wood grades, with the addition of custom-fit binders, usually dry. Special additives can impart properties such as reduced water absorption and thus reduced thickness swelling, low flammability and / or conditional resistance to biological damage to the materials.
  • OSB Oriented Chipboard
  • HDF High Density Fiberboard
  • MDF Medium Density Fibreboard
  • Binder formulations based on urea-formaldehyde resin (UF), melamine-urea-formaldehyde resin (MUF), melamine-urea-phenol-formaldehyde resin (MUPF), phenol-formaldehyde resin (PF) or polymeric diisocyanates (PMDI) are used for industrial wood-based material production .
  • UF urea-formaldehyde resin
  • MUF melamine-urea-formaldehyde resin
  • MUPF melamine-urea-phenol-formaldehyde resin
  • PF phenol-formaldehyde resin
  • PMDI polymeric diisocyanates
  • the solids content of the binders in the UF, MUF, MUPF or PF resins is 5 to 20%, in the PMDI adhesives about 2 to 6%, in each case based on atro wood particle mass / Deppe, Ernst 1996: MDF - medium-density fiberboard, DRIN-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterding s; Deppe, Ernst 2000: Taschenbuch der Spanplattentechnik, 4th edition, DRW-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterding en / .
  • the binders are added to the fiber webs, wherein the curing of the binder during the shaping of the fiber webs can be accelerated to moldings in a hot mold by the use of superheated steam.
  • the superheated steam can be introduced into the mold at a pressure of 1 to 15 bar.
  • a wood-like material prepared by extrusion which contains at least 16% of a thermoplastic material, preferably polyolefins.
  • a thermoplastic material preferably polyolefins.
  • polyolefins leads to improved moisture resistance.
  • FR 2 679 482 A1 It is proposed to use in such a material polyolefins, which are obtained from recycled material.
  • the shape of the parts made of the material is based on profile shapes, i. limited to molded parts that are linear in at least one direction.
  • the method has the disadvantage that it is difficult to prevent segregation of the pulverulent constituents before pressing, which can result in comparatively poor homogeneity of the composite material.
  • the invention has for its object to provide a combination material from which arbitrarily shaped parts can be produced, which should be cheaper and more environmentally friendly to produce and have a better moisture resistance.
  • a combination material which is made of a mixture of wood fibers and / or wood chips and meltable thermoplastic resin particles and / or thermosetting plastic particles in a precured state by means of a press under the action of heat and pressure and amplification 4 to 15% contains thermally crosslinking binders based on amino and / or phenoplast resins.
  • the meltable thermoplastic particles may consist of powdery or granular polyolefins.
  • the polyolefins are preferably polyethylene or polypropylene.
  • the pulverulent or granular polyolefins are, in a particularly preferred embodiment, comminuted recycling material, the comminuted recycling material advantageously having a purity of at least 90%.
  • thermosetting plastic particles are preferably made of thermosetting powdery or granular resins such as acrylates, epoxy resins, polyesters and polyurethanes or mixtures of these resins.
  • the binders used for reinforcement are expediently products based on urea-formaldehyde resin, melamine-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin or mixed condensates of these resins or mixtures of these binders.
  • the combination material according to the invention has improved properties. Of particular importance is the reduced hygroscopicity of the materials according to the invention containing wood fibers and / or wood chips.
  • a method for producing the composite material according to the invention in which the non-meltable fibrous and / or chip-shaped particles are dried, glued with the thermally crosslinking binders used for reinforcement, mixed with the meltable thermoplastic and / or thermosetting plastic particles and then heated and compacted in a press, wherein the pressing temperature above the softening temperature of the thermoplastic resin particles and above the melting and reaction temperature of the thermosetting binder is and the pressing time is at least as long as the crosslinking time of the binder.
  • the polyolefins are comminuted prior to mixing into grains, powders, flakes, Schnipseln or agglomerates.
  • a pine wood pulp for MDF in deep-tilling quality produced under standard industry cooker settings (temperature 175 ° C., residence time 4 min) is mixed with urea-formaldehyde resin with a solid resin content of 4% by mass and an addition of 1% by mass of paraffin dispersion (proportions in each case based on atro Wood fibers) glues.
  • This is followed by a homogeneous mixing of the glued wood fibers with powdered polyolefins (recycled material) with a proportion of 150% by mass, based on atro wood fibers.
  • pinewood topcoat chips produced by industrial analogy are glued with urea-formaldehyde resin having a solid resin content of 4% by weight and an addition of 1% by weight of paraffin dispersion (proportions in each case based on atro wood chips).
  • This is followed by a homogeneous mixing of the glued chips with powdered polyolefins (recycled material) with a share of 150% by weight, based on atro wood chips.
  • the chip mats which have a very good cold tack, are pressed with press time factors of 15 s / mm and pressing temperatures of 240 ° C. into 4 mm thick, single-layer fine chipboard.
  • plates were also prepared without polyolefin addition.
  • the invention relates to a combination material. It is envisaged that the material is made from a mixture of wood fibers and / or wood particles and meltable thermoplastic resin particles and / or thermosetting plastic particles in a pre-cured state by means of a press under the action of heat and pressure and 4 to 15% reinforcing thermally crosslinking binder based on amino and / or phenoplast resins.
  • the thermoplastic plastic particles consist of pulverulent or granular polyolefins in the form of comminuted recycled material. From the combination material environmentally friendly arbitrarily shaped components can be produced, which have an increased moisture resistance compared to the known materials produced in presses.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kombinationswerkstoff. Dabei ist vorgesehen, dass der Werkstoff aus einer Mischung von nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikeln und schmelzbaren thermoplastischen Kunst­stoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausge­härteten Zustand unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino ­und/oder Phenoplastharzen enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kombinationswerkstoff, der Holzfasern oder Holzspäne oder beides enthält, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Mit der Erfindung nach Anspruch 1 und 5 sind umweltfreundlich beliebig geformte Bauteile herstellbar, die gegenüber den bekannten, in Pressen hergestellten Werkstoffen eine erhöhte Feuchtebeständigkeit aufweisen.
  • Holzwerkstoffe wie Spanplatten, Platten mit orientierten Langspänen (OSB), Hochdichte Faserplatten (HDF) und Mitteldichte Faserplatten (MDF) werden gegenwärtig aus relativ hochwertigen Holzsortimenten unter Zugabe von dem späteren Verwendungszweck angepassten Bindemitteln üblicherweise im Trockenverfahren hergestellt. Durch spezielle Zusätze können den Werkstoffen Eigenschaften, wie reduzierte Wasseraufnahme und dadurch verminderte Dickenquellung, Schwerentflammbarkeit und/oder bedingte Resistenz gegenüber biologischen Schädigungen verliehen werden. Für die industrielle Holzwerkstoffherstellung werden Bindemittelrezepturen auf der Basis von Harnstoff-Formaldehydharz (UF), Melamin-Harnstoff-Formaldehydharz (MUF), Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehydharz (MUPF), Phenol-Formaldehydharz (PF) oder polymeren Diisocyanaten (PMDI) eingesetzt. Zur Verbesserung der Wasserabweisung werden bis zu 1,5 % Hydrophobierungsmittel (z. B. Paraffin) zugesetzt. Der Feststoffanteil der Bindemittel beträgt bei den UF-, MUF-, MUPF-oder PF-Harzen 5 bis 20 %, bei den PMDI-Klebstoffen etwa 2 bis 6 %, jeweils bezogen auf atro Holzpartikelmasse /Deppe, Ernst 1996: MDF - Mitteldichte Faserplatten, DRIN-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterding en; Deppe, Ernst 2000: Taschenbuch der Spanplattentechnik, 4. Auflage, DRW-Verlag Weinbrenner GmbH & Co., Leinfelden-Echterding en/.
  • In jüngster Zeit wurden auch Lösungen erarbeitet, um in Werkstoffen auf der Basis von Fasern oder Partikeln die üblicher Weise eingesetzten Harze durch Lackkoagulate oder Pulverlackabfälle zu ersetzen, beispielsweise für Dämmmatten oder Türverkleidungselemente im Automobil ( DE 3936974 C1 ), Faservlies-Formteile ( DE 4441765 A1 , US 6,008,150 A ) oder Holzpartikelwerkstoffe ( DE 10129750 A1 , WO 02/100616 A1 ). Dabei offenbart DE 4441765 A1 vordergründig eine Bindemittelzusammensetzung zur Herstellung von Faservlies-Formteilen, die zumindest 70 Gew.-% Pulverlackabfälle und bis zu 30 Gew.-% Phenolharz umfaßt. Die Faservlies-Formteile werden hergestellt, indem Faservliese in Formwerkzeugen mit dem Bindemittel chemisch gebunden werden. Dazu werden die Bindemittel zu den Faservliesen zugegeben, wobei das Aushärten des Bindemittels während der Formgebung der Faservliese zu Formteilen in einem heißen Formwerkzeug durch den Einsatz von Heißdampf beschleunigt werden kann. Der Heißdampf kann mit einem Druck von 1 bis 15 bar in das Formwerkzeug eingebracht werden. Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass für die Herstellung der Werkstoffe wegen der zur Vernetzung der Substitute erforderlichen Wärmeenergie höhere Presstemperaturen und/oder unwirtschaftlich lange Presszeiten erforderlich sind.
  • Aus US 6,344,504 B1 ist ein durch Extrusion hergestellter holzähnlicher Werkstoff bekannt, der mindestens 16 % eines thermoplastischen Materials, bevorzugt Polyolefine, enthält. Der Einsatz von Polyolefinen führt zu einer verbesserten Feuchtigkeitsbeständigkeit. In FR 2 679 482 A1 wird vorgeschlagen, in einem solchen Werkstoff Polyolefine, die aus Recyclingmaterial gewonnen werden, einzusetzen.
  • Da die Werkstoffe mittels Extrusion hergestellt werden, ist die Form der aus dem Werkstoff herstellbaren Teile auf Profilformen, d.h. auf Formteile, die in mindestens einer Richtung linear verlaufen, beschränkt.
  • Des Weiteren wird in US 5,435,945 A ein Verfahren gezeigt, bei dem Holzpartikel mit Kunststoffpartikeln, die aus einem thermoplastischen Material bestehen und vorzugsweise aus Recyclingmaterial gewonnen werden, vermischt werden. Das Gemisch wird anschließend bei einer Temperatur, bei der die Kunststoffpartikel schmelzen, in einer Heißpresse zu einem Kombinationswerkstoff verpresst. In einer Variante wird auch vorgeschlagen, dem Gemisch als Kleber 3 % pulverförmiges PF-Harz hinzuzufügen.
  • Das Verfahren hat einerseits den Nachteil, dass sich eine Entmischung der durchweg pulverförmigen Bestandteile vor dem Verpressen nur schwer verhindern lässt, was eine vergleichsweise schlechte Homogenität des Kombinationswerkstoffs zur Folge haben kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kombinationswerkstoff anzugeben, aus dem beliebig geformte Teile hergestellt werden können, der kostengünstiger und umweltfreundlicher herstellbar sein sowie eine bessere Feuchtebeständigkeit aufweisen soll.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.
  • Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Kombinationswerkstoff vorgesehen, der aus einer Mischung von Holzfasern und/oder Holzspänen und schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausgehärteten Zustand mittels einer Presse unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung 4 bis 15% thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino- und/oder Phenoplastharzen enthält.
  • Die schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikel können aus pulverförmigen oder körnigen Polyolefinen bestehen. Die Polyolefine sind vorzugsweise Polyethylen oder Polypropylen.
  • Die pulverförmigen oder körnigen Polyolefine sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zerkleinertes Recyclingmaterial, wobei das zerkleinerte Recyclingmaterial zweckmäßigerweise einen Reinheitsgrad von mindestens 90 % aufweist.
  • Die duroplastischen Kunststoffpartikel bestehen bevorzugt aus thermisch aushärtenden pulverförmigen oder körnigen Harzen wie Acrylaten, Epoxidharzen, Polyestern und Polyurethanen oder aus Mischungen dieser Harze.
  • Die zur Verstärkung eingesetzten Bindemittel sind zweckmäßigerweise Produkte auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harz, Melamin-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz oder Mischkondensate dieser Harze oder Mischungen dieser Bindemittel.
  • Der erfindungsgemäße Kombinationswerkstoff weist verbesserte Eigenschaften auf. Von besonderer Bedeutung ist die verringerte Hygroskopie der erfindungsgemäßen Werkstoffe, die Holzfasern und/oder Holzspäne enthalten.
  • Nach Maßgabe der Erfindung ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kombinationswerkstoffes vorgesehen, bei dem die nicht schmelzbaren faserförmigen und/oder spanförmigen Partikel getrocknet, mit den zur Verstärkung eingesetzten thermisch vernetzenden Bindemitteln beleimt , mit den schmelzbaren thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln gemischt und anschließend in einer Presse erwärmt und verdichtet werden, wobei die Presstemperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffpartikel und oberhalb der Schmelz- und Reaktionstemperatur der thermohärtenden Bindemittel liegt und die Pressdauer mindestens so lang wie die Vernetzungsdauer der Bindemittel ist.
  • Zweckmäßigerweise werden die Polyolefine vor dem Einmischen zu Körnungen, Pulvern, Flakes, Schnipseln oder Agglomeraten zerkleinert.
  • Durch die Beleimung der nicht schmelzbaren Partikel mit dem thermisch vernetzendem Bindemittel wird eine hohe Kaltklebrigkeit und insbesondere erreicht, dass die Kunststoffpartikel beim nachfolgenden Vermischen an den spanförmigen Partikeln festkleben, wodurch eine Entmischung der verschiedenen Partikel verhindert wird. Die hierdurch erreichte höhere Homogenität führt zu einer generellen Verbesserung der Materialeigenschaften des fertig verpressten Kombinationswerkstoffs.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen.
    • Ausführungsbeispiele
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Ein unter industrieüblichen Kochereinstellungen (Temperatur 175 °C, Verweilzeit 4 min) hergestellter Kiefernholzfaserstoff für MDF in Tieffräsqualität wird mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz mit einem Festharzanteil von 4 Masse-% sowie einem Zusatz von 1 Masse-% Paraffindispersion (Anteile jeweils bezogen auf atro Holzfasern) beleimt. Im Anschluss erfolgt eine homogene Vermischung der beleimten Holzfasern mit pulverförmigen Polyolefinen (Recyclingmaterial) mit einem Anteil von 150 Masse-%, bezogen auf atro Holzfasern. Nach der Trocknung in bekannter Weise folgen die Faservliesbildung, das Vorverdichten und das Verpressen mit Presszeitfaktoren von 15 s/mm sowie Presstemperaturen von 240 °C zu 4 mm dickem, einschichtigem MDF. Vergleichend wurden auch Platten ohne Recyclingmaterial hergestellt. Nach Klimatisierung im Normalklima 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte wurden die folgenden, wesentlichen Materialkennwerte ermittelt:
    mit 150 % Recyclingmaterial ohne Recyclingmaterial
    Rohdichte kg/m3 DIN EN 323 714 773
    Querzugfestigkeit N/mm2 DIN EN 319 0,84 0,44
    Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung % DIN EN 317 6,3 37,1
    Feuchtegehalt % DIN EN 322 3,9 7,9
    • Beispiel 2
  • Industrieanalog hergestellte Deckschichtspäne aus Kiefernholz werden nach Trocknung auf Feuchtegehalte von etwa 2 % mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz mit einem Festharzanteil von 4 Masse-% sowie einem Zusatz von 1 Masse-% Paraffindispersion (Anteile jeweils bezogen auf atro Holzspäne) beleimt. Danach erfolgt eine homogene Vermischung der beleimten Späne mit pulverförmigen Polyolefinen (Recyclingmaterial) mit einem Anteil von 150 Masse-%, bezogen auf atro Holzspäne. Im Anschluss an die Vliesbildung und Vorverdichtung werden die Spanmatten, die eine sehr gute Kaltklebrigkeit aufweisen, mit Presszeitfaktoren von 15 s/mm sowie Presstemperaturen von 240 °C zu 4 mm dicken, einschichtigen Feinspanplatten verpresst. Zum Vergleich wurden auch Platten ohne Polyolefin-Zusatz hergestellt.
  • Nach Klimatisierung im Normalklima 20 °C und 65 % relative Luftfeuchte wurden die folgenden, wesentlichen Materialkennwerte ermittelt:
    mit 150 % Recyclingmaterial ohne Recyclingmaterial
    Rohdichte kg/m3 DIN EN 323 680 676
    Querzugfestigkeit N/mm2 DIN EN 319 1,11 0,38
    Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung % DIN EN 317 5,7 52,1
    Feuchtegehalt % DIN EN 322 3,7 9,2
    • Zusammenfassung
  • Die Erfindung betrifft einen Kombinationswerkstoff. Dabei ist vorgesehen, dass der Werkstoff aus einer Mischung von Holzfasern und/oder Holzpartikeln und schmelzbaren thermoplastischen Kunststoffpartikeln und/oder duroplastischen Kunststoffpartikeln in einem vorausgehärteten Zustand mittels einer Presse unter Einwirkung von Wärme und Druck hergestellt ist und zur Verstärkung 4 bis 15% thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino- und/oder Phenoplastharzen enthält. Die thermoplastischen Kunststoffpartikel bestehen aus pulverförmigen oder körnigen Polyolefinen in Form von zerkleinertem Recyclingmaterial. Aus dem Kombinationswerkstoff sind umweltfreundlich beliebig geformte Bauteile herstellbar, die gegenüber den bekannten, in Pressen hergestellten Werkstoffen eine erhöhte Feuchtebeständigkeit aufweisen.

Claims (5)

  1. Kombinationswerkstoff, hergestellt in Pressen unter Einwirkung von Wärme und Druck aus einer Mischung von Holzfasern und/oder Holzspänen sowie thermoplastischen Kunststoffpartikeln oder einer Mischung aus thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffpartikeln, die aus thermisch aushärtenden pulverförmigen oder körnigen Harzen bestehen, wobei die thermoplastischen Kunststoffpartikel aus pulverförmigen oder körnigen Polyolefinen in Form von zerkleinertem Recyclingmaterial bestehen und der Kombinationswerkstoff zur Verstärkung thermisch vernetzende Bindemittel auf der Basis von Amino- und/oder Phenoplastharzen enthält, deren Masseanteil 4 bis 15 % beträgt.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Polyolefine Polyethylen oder Polypropylen sind.
  3. Werkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zerkleinerte Recyclingmaterial einen Reinheitsgrad von mindestens 90 % hat.
  4. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aushärtenden pulverförmigen oder körnigen Harze Acrylate, Epoxidharze, Polyester oder Polyurethane sind oder aus Mischungen dieser Harze bestehen.
  5. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Holzfasern und/oder Holzspäne getrocknet, mit den zur Verstärkung eingesetzten thermisch vernetzenden Bindemitteln beleimt , mit den thermoplastischen Kunststoffpartikeln oder einer Mischung aus thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffpartikeln gemischt und anschließend in einer Presse erwärmt und verdichtet werden, wobei die Presstemperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffpartikel und oberhalb der Schmelz- und Reaktionstemperatur der thermisch vernetzenden Bindemittel liegt und die Pressdauer mindestens so lang wie die Vernetzungsdauer der Bindemittel ist, wobei die Polyolefine aus Recyclingmaterial vor dem Einmischen zerkleinert werden.
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