EP2621694B1

EP2621694B1 - Vorrichtung zum herauslösen von makrofasern aus holzstämmen und verfahren zur herstellung eines holzverbundwerkstoffs mittels einer solchen vorrichtung

Info

Publication number: EP2621694B1
Application number: EP11767672.6A
Authority: EP
Inventors: Peter GRÄTER; Stephan Frybort; Ulrich Müller; Raimund Mauritz
Original assignee: Doka Industrie GmbH
Current assignee: Doka GmbH
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: DE102010047253A1; EP2621694A1; WO2012042028A1; RU2541390C2; DE102010047253B4; PL2621694T3; RU2013119958A; EP2621694B8

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herauslösen von Makrofasern aus Holzstämmen und ein Verfahren zur Herstellung eines Holzverbundwerkstoffs mittels einer solchen Vorrichtung.

Stand der Technik

Es sind zahlreiche Holzwerkstoffe bekannt, die auf Holz(fasern) in unterschiedlichsten Zerkleinerungsstufen beruhen und jeweils spezielle Eigenschaften aufweisen, welche die Eigenschaften des Ausgangsprodukts, nämlich Holz, in unterschiedlichem Ausmaß beibehalten. Bei dem Werkstoff Holz ist stets die ausgeprägte Anisotropie zu beachten. Insbesondere zeigt Holz in Faserrichtung eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit. Quer zur Faser sinken Steifigkeit und Festigkeit umfangreich ab. Folglich hat bereits eine geringe Faserabweichung erhebliche Auswirkungen. Ferner sind Fehlstellen, beispielsweise aufgrund von Ästen zu beachten, die das Tragverhalten von Holz ebenfalls beeinflussen.
In der Praxis wird Holz zum einen als Schnittholz, d.h. in Form von im Wesentlichen prismatischen Balken verwendet. Durch verschiedenste Holzwerkstoffe kann mit einem steigenden Zerteilungsgrad der heterogene Werkstoff Holz zunehmend homogenisiert werden. Dies geht jedoch mit einem Festigkeitsverlust einher. Als bekannte Holzwerkstoffe seien Spanplatten, OSB (Oriented Strand Board), "Furnierstreifenwerkstoffe", wie z.B. Parallel-Strand-Lumber (PSL), Veneer Strip Lumber (VSL) und Veneer Strip Panel (VSP), Sperrholz, Faserplatten, wood plastic composites und der vergleichsweise neue Werkstoff Scrimber genannt. Im Gegensatz zu den anderen bekannten Holzwerkstoffen wird bei der zuletzt genannten Gruppe von Holzwerkstoffen das Holz nicht geschnitten, sondern, soweit möglich, parallel zur Faserorientierung getrennt. Dies erfolgt im Wesentlichen durch Quetschen zwischen profilierten Rollen, bei dem im Wesentlichen Druck, Querzug- und Scherkräfte aufgebracht werden.
Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der US 3,674,219 beschrieben. Ähnliche Vorrichtungen und zugehörige Verfahren sind in der WO 89/11383 A1 , der EP 0 414 758 A1 , der EP 0 666 155 A1 , der US 4,122,236 , der US 4,232,067 , der US 5,279,691 und der US 4,711,689 beschrieben. Die aus dieser Gruppe bislang bekannten Holzwerkstoffe weisen jedoch eine vergleichsweise hohe Dichte und damit im Hinblick auf die daraus hergestellten Bauelemente ein hohes Eigengewicht auf. Ferner hat sich das Verfahren zur Herstellung der sogenannten Makrofasern, also Bündeln von Holzfasern, als verbesserungswürdig erwiesen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Herauslösen von Makrofasern aus Holzstämmen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Holzverbundwerkstoffs mittels der Vorrichtung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung.
Demzufolge weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest ein Paar von Rollen mit zueinander gerichteten, weitgehend in Umfangsrichtung verlaufenden Schneidstegen auf, deren Entfernung von der Rollenachse zum Rand zu- und zur axialen Mitte der Rolle hin abnimmt. Mit anderen Worten sind die Spitzen der Schneidstege derart von der Rollenachse beabstandet, dass sie an den Rändern der Rolle weiter von der Rollenachse entfernt sind als in der Mitte. Hierdurch erfolgt in vorteilhafter Weise eine Anpassung an eine "Hälfte" eines im Querschnitt üblicherweise weitgehend runden Baustammes. Durch zwei gegenüberliegende und den Baumstamm zwischen sich aufnehmenden Rollen mit Schneidstegen mit der beschriebenen Kontur kann ein besonders gutes Aufschließen eines Baustammes erfolgen. Ferner ergibt sich durch die mit (im Querschnitt als Spitzen erkennbaren) Schneiden versehenen Stege die Einleitung von Scher- und Druckkräften, die eine entsprechende Spaltwirkung im Holz bewirken.
Die hierdurch erzielbaren sogenannten Makrofasern weisen eine Dicke von 0,5 mm bis 3,0 mm, bevorzugt 1,5 mm bis 2,5 mm und eine Breite von 2 mm bis 6 mm, bevorzugt 3 mm bis 5 mm auf. Die maximale Länge der Makrofasern wird im Wesentlichen durch die Länge der bearbeiteten Abschnitte von Baumstämmen bestimmt. Insoweit können Makrofasern von wenigen Zentimetern bis mehreren Dezimetern erreicht werden, in Ahängigkeit davon, welche Länge die bearbeiteten Stammabschnitte aufweisen.
Aufgrund des beschriebenen Quetschverfahrens und des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Lösen der gequetschten Makrofasern von dem Stammabschnitt folgt die Längsachse der in der Makrofaser enthaltenen Holzfasern im Wesentlichen der Längsachse der Makrofasern, so dass letztere durch sehr hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte charakterisiert sind, die nahezu diejenigen von fehlerfreiem Holz erreichen. Es sei noch erwähnt, dass die Schneidstege selbst unterschiedliche (radiale) Höhen aufweisen können, und derart an einer Rolle mit einem über die axiale Länge gleichbleibendem Durchmesser vorgesehen sein können, dass sich die unterschiedliche Entfernung von der Rollenachse durch die unterschiedliche Höhe der Schneidstege ergibt. Die unterschiedliche Entfernung der (für die Einwirkung auf das Holz) entscheidenden Spitzen der Schneidstege von der Rollenachse kann jedoch auch dadurch ausgebildet werden, dass die Schneidstege eine im Wesentlichen gleichbleibende Höhe aufweisen, jedoch auf einer Rolle vorgesehen sind, die im Durchmesser zu den Rändern hin zunimmt.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Um eine Bearbeitung eines Stammes von mehreren, insbesondere zahlreichen Seiten zu ermöglichen, ohne diesen zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten drehen zu müssen, ist es vorteilhaft, mehrere, insbesondere zwei bis sechs Rollenpaare vorzusehen, die dementsprechend um 90° bis 30° versetzt sind. Bei zwei Rollenpaaren erfolgt mit anderen Worten die Bearbeitung zunächst in einer Richtung und nachfolgend in einer hierzu senkrechten Richtung. Bei beispielhaft sechs Rollenpaaren erfolgt die Bearbeitung nacheinander in Richtungen, die um 30° zu anderen Richtungen versetzt sind. Aufgrund der Gleichmäßigkeit kann vorgesehen sein, die Bearbeitung nach einer ersten Richtung zunächst in einer zweiten, hierzu um 90° versetzten Richtung und nachfolgend zu der zuletzt genannten Richtung um 30°, 60° oder eine andere Gradzahl versetzt vorzunehmen. Alternativ hierzu können die Holzstämme nach jedem Durchlauf um einen geeigneten Winkel, beispielsweise 90°, 45° oder 30° rotiert werden, und nachfolgend dementsprechend unter einem anderen Winkel bearbeitet werden. Das unten beschriebene Herauslösen der Makrofasern von der Stammoberfläche kann nach jedem Durchlauf, nach einigen Durchläufen oder nach sämtlichen Durchläufen bzw. nach einem, mehreren oder sämtlichen Rollenpaaren geschehen.
Bei der Verwendung von kostengünstigem Schwachholz mit Durchmessern bis beispielsweise 15 cm hat sich für die Anzahl der Schneidstege auf einer Rolle bei ersten Versuchen eine Anzahl von 12 bis 16 als vorteilhaft herausgestellt. Hierdurch können Baumstammabschnitte in üblichen Verarbeitungsgrößen in vorteilhafter Weise bearbeitet werden. Bei größeren Durchmessern wird die Anzahl entsprechend erhöht.
Die Höhe der Schneidstege, mit anderen Worten die Entfernung der Spitze des jeweiligen Schneidsteges von der Oberfläche einer Rolle, die in diesem Fall einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, haben sich für Schwachholz 10 mm bis 30 mm als vorteilhaft herausgestellt. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass die Schneidstege zwar zu einem gewissen Grad in den bearbeiteten Baumstammabschnitt eindringen, jedoch Makrofasern, die sich zwischen einzelnen Schneidstegen verklemmen, aus diesen herausgelöst werden müssen.
Für die Anordnung der Schneidstege hat sich eine Ausbildung als günstig erwiesen, bei der die Spitzen der Schneidstege im Wesentlichen bogenförmig angeordnet sind. Im Extremfall kann dieser Bogen einem Halbkreis entsprechen. Jedoch auch durch andere "flachere" Bogenformen kann in vorteilhafter Weise ein großer Teil des Baumabschnitts bearbeitet werden.
Für den Öffnungswinkel des Keiles an der Spitze der Schneidstege wird derzeit eine Größenordnung von 40° bis 90° bevorzugt.
Bei ersten Versuchen mit Schwachholz hat sich ferner ein Durchmesser der Rollen von 150 mm bis 300 mm und eine axiale Länge von 100 mm bis 150 mm als günstig herausgestellt. Für Produktionsanlagen mit hoher Kapazität und/oder größeren Holzdurchmessern werden deutlich größere Rollenabmessungen als günstig eingeschätzt. Beispielsweise sind Rollendurchmesser bis etwa 500 mm und Rollenlängen bis etwa 400 mm vorstellbar.
Um die erforderlichen Kräfte zum Quetschen der zu bearbeitenden Stämme aufzubringen, wird ferner bevorzugt, zumindest eine Rolle eines jeweiligen Rollenpaares in radialer Richtung beweglich und mit Druck beaufschlagbar auszubilden.
Um die ausgelösten Makrofasern in einfacher Weise zwischen den jeweiligen Schneidstegen zu entfernen, ist zwischen mindestens zwei Schneidstegen zumindest einer Rolle ein sogenannter Abstreifer angeordnet, der in vorteilhafter Weise keilförmig ausgebildet sein kann, um die Makrofasern über die Keilfläche herauszuführen. Alternativ kann im Wesentlichen an dem Profilgrund zwischen zumindest zwei Schneidstegen eine umlaufende exzentrische Scheibe vorgesehen sein, wie dies in der US 4,364,423 , die in dieser Hinsicht zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, offenbart ist. Eine weitere Alternative stellt ein statt der exzentrischen Scheibe vorgesehenes Kabel, Seile oder Drähte dar.
Wenngleich sich einzelne Makrofasern zwischen den Schneidstegen einklemmen können, werden andere, insbesondere tiefer liegende Makrofasern lediglich abgetrennt, jedoch noch nicht vollständig von dem bearbeiteten Stammabschnitt gelöst. Um diese Fasern zu lösen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt eine in Bearbeitungsrichtung nach zumindest einem Rollenpaar angeordnete Schneidtrommel auf, die an der Außenseite zumindest eine weitgehend axial verlaufende Schneide aufweist und mit zumindest einem Andrück- und Rotationselement zum Drehen und Andrücken von Holzstämmen an die Schneidtrommel zusammenwirkt. Wie erkennbar, drückt das Andrück- und Rotationselement den Holzstamm gegen die Schneidtrommel und dreht diesen, so dass die an der Außenseite der Schneidtrommel angeordnete Schneide in die teilweise herausgelösten Fasern eingreifen und diese vollständig lösen kann. Es ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft, wenn der Eingriff mit den teilweise gelösten Makrofasern über eine erhebliche, insbesondere die gesamte axiale Länge des bearbeiteten Stammabschnitts erfolgt, so dass die Makrofasern in vorteilhafter Weise im Wesentlichen unversehrt bleiben. Dies wird durch die beschriebene, axiale verlaufende Schneide gewährleistet. Es sei erwähnt, dass mehrere Andrück- und Rotationselemente, insbesondere -walzen, mit oder ohne Druckbeaufschlagung, verwendet werden können. Beispielsweise kann ein derartiges Element weitgehend seitlich für eine Druckbeaufschlagung sorgen, während ein weiteres Element den bearbeiteten Holzstamm von der Unterseite her stützt.
Für die Wirkung des Andrück- und Rotationselements hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieses mit Mitnehmern, wie z.B. axial verlaufenden Stegen versehen ist, um insbesondere das Drehen des Stammabschnitts zu verbessern. Als Mitnehmer können beispielsweise auch Stacheln und/oder Zähne verwendet werden.
Um die Funktion des Andrück- und Rotationselements weiterzuverbessern, hat es sich bewährt, dieses beweglich, insbesondere schieb- oder schwenkbar zu lagern und mit Druck in Richtung der Schneidtrommel zu beaufschlagen. Hierdurch kann ein zu bearbeitender Holzstamm stets zuverlässig an die Schneidtrommel angedrückt werden, die zuverlässig die Makrofasern aus dem Holzstamm herauslöst.
Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn die Schneide(n) der Schneidtrommel auf Höhe der Stammmittenachse auf die Außenseite des Stammes auftrifft/auftreffen. Zu diesem Zweck kann in vorteilhafter Weise zwischen der Schneidtrommel und dem Andrück- und Rotationselement zumindest eine keilförmige Rampe vorgesehen sein, auf der der Holzstamm auch bei - aufgrund der zunehmenden Herauslösung von Makrofasern - abnehmendem Durchmesser stets auf einer Höhe gehalten wird, auf der die Schneide(n) der Schneidtrommel in etwa auf Höhe der Stammmittenachse eingreifen.
Insbesondere wird deshalb für die beschriebene Rampe ein Winkel von etwa 45° und/oder ein höchster Punkt in etwa auf dem Niveau der Mittelachse der Schneidtrommel bevorzugt. Hierdurch können die oben beschriebenen erwünschten Gegebenheiten besonders zuverlässig erreicht werden.
Für die Schneidtrommel hat sich bislang ein Durchmesser von etwa 250 mm bis etwa 500 mm, insbesondere etwa 300 mm als günstig erwiesen. Für das Andrück- und Rotationselement werden aus dem gleichen Grund Durchmesser zwischen 100 mm und 200 mm, insbesondere etwa 120 mm bevorzugt.
Ferner ist für die Anzahl der Schneiden an der Schneidtrommel zu beachten, dass diese an die Umdrehungsgeschwindigkeit der Schneidtrommel und/oder des Andrück- und Rotationselements anzupassen sind. Bei ersten Versuchen hat sich jedoch eine Anzahl von zwei bis acht Schneiden als günstig herausgestellt.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt zum anderen durch das im Anspruch 17 beschriebene Verfahren, und bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den weiteren Ansprüchen und werden teilweise mit Bezug auf den nachfolgend ebenfalls beschriebenen, hierdurch erzeugten Holzwerkstoff beschrieben.
Demzufolge umfasst das Verfahren die folgenden Schritte, wobei die Herstellung der Makrofasern eine Trocknung derselben beinhalten kann:

a) Herstellen von Makrofasern;
b) Ausrichten der Makrofasern;
c) Aufbringen des Bindemittels;
d) Schließen einer Presse; und
e) Aufschäumen des Bindemittels.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bindemittel auf die ausgerichteten Makrofasern aufgebracht (Reihenfolge der Schritte: a, b, c, d und e). Alternativ kann das Bindemittel auch vor dem Ausrichten der Makrofaser aufgebracht werden (Reihenfolge der Schritte: a, c, b, d und e).
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise kontinuierlich z.B. mittels einer Bandpresse durchgeführt werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs werden die Makrofasern getrocknet und auf Pressblechen oder Pressformen weitgehend uniaxial (d.h. parallel) ausgerichtet. Das Bindemittel wird zwischen und/oder auf die ausgerichteten Makrofasern aufgebracht. Das Aufbringen des Bindemittels kann durch in der Holzindustrie etablierte Verfahren wie z.B. Aufsprühen oder durch Beleimanlagen oder Spanblender erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufschäumzeit des Bindemittels so eingestellt, dass der Aufschäumvorgang vorwiegend erst nach dem Schließen der Presse beginnt. D.h. das Bindemittelsystem wird chemisch so eingestellt, dass die Startzeit für das Aufschäumen derart verzögert ist, dass die Presse oder Pressform geschlossen werden kann, bevor es zu einer wesentlichen Schaumentwicklung kommt.
Beim Schließen der Presse bzw. der Pressform werden die Makrofasern bevorzugt nur minimal verdichtet, sodass die Dichte des hergestellten Holzverbundwerkstoffs nicht wesentlich von der Dichte des verwendeten Holzes abweicht. Da die Makrofasern bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur unwesentlich verdichtet werden, kann das bei späterem Wasserkontakt oder bei Wasserlagerung auftretende Quellen minimiert bzw. vermieden werden. Dadurch können Quellwerte erzielt werden, die im Bereich der Quellung des verwendeten Holzes oder sogar darunter liegen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Holzwerkstoffen, die eine meist hohe Holzverdichtung aufweisen und dadurch im Kontakt mit Wasser eine deutlich höhere Quellung als das verwendete Holz aufweisen.
In der geschlossenen Pressform bzw. Presse wirkt einerseits der von außen aufgebrachte Pressdruck, andererseits entwickelt sich durch das Aufschäumen des Bindemittels von innen ein Pressdruck, sodass das Bindemittel das Netzwerk der Makrofasern im wesentlichen vollkommen durchdringt und diese an ihrer Oberfläche weitgehend vollständig benetzt. Die Makrofasern werden so von einer Bindemittelmatrix umschlossen und sind damit gut gegen Feuchtigkeitsaufnahme geschützt.
Da das Bindemittel durch die Expansion des Bindemittels in das Netzwerk der Makrofasern eingebracht wird, entsteht ein sehr homogener Werkstoff mit gleichmäßiger Dichte, bei dem nahezu alle Hohlräume mit der Schaumstruktur ausgefüllt sind und die Fasern nahezu vollständig von Schaum umgeben (umhüllt) sind.
Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere bei Einsatz eines zweikomponentigen
Polyurethansystems als Bindemittel, den Vorteil, dass nur unwesentlich Wärme zugeführt werden muss, um die Aushärtung zu starten. Die notwendige Wärme kann bereits durch leichte Vorwärmung der Makrofasern (z.B. auf 30-90°C, bevorzugt 50°C) eingebracht werden.
Da das Bindemittel erst unmittelbar vor seiner Aushärtung in Verbindung mit den Makrofasern gebracht wird, stehen im Wesentlichen 100% Bindemittels für das Verkleben und "Umhüllen" der Späne zur Verfügung.
Wenn es gelingt das Bindemittelsystem so einzustellen, dass es in der Presse vollständig aushärtet, dann kann die Presse sofort wieder geöffnet werden. Selbst bei nicht vollständig ausgehärteten Platten des erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs werden die Platten jedoch im Gegensatz zu konventionellen Holzwerkstoffplatten nicht durch so genannte Spalter zerstört. Durch eine evtl. Nachhärtung kommt es bei dem erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoff lediglich zu einem Nachtreiben.
Hierdurch kann ein neuartiger Holzverbundwerkstoff erzeugt werden, der eine Dichte von 200-550 kg/m³ und eine Steifigkeit gemessen im 4-Punkt Biegeversuch nach EN 789 von 4.000-12.000 MPa aufweist, wobei der Holzverbundwerkstoff Makrofasern mit einem Schlankheitsgrad (Verhältnis von Länge zu Dicke der Fasern) von größer als 20 und ein Bindemittel umfasst, und das Bindemittel eine Schaumstruktur aufweist.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff hat eine Dichte von 200-550 kg/m³, bevorzugt 300-550 kg/m³. Die Steifigkeit gemessen im 4-Punkt Biegeversuch nach EN 789 beträgt 4.000-12.000 MPa, bevorzugt 5.000-12.000 MPa, besonders bevorzugt 6.000-12.000 MPa. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Holzverbundwerkstoff eine Dichte von 300-550 kg/m³ und eine Steifigkeit von 6.000-12.000 MPa auf.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff umfasst Makrofasern aus Holz mit einem Schlankheitsgrad (Verhältnis von Länge zu Dicke der Fasern) von größer als 20.
Bevorzugt haben die eingesetzten Makrofasern eine Länge von 100-400 mm, besonders bevorzugt 150-300 mm. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass produktionstechnisch nicht ausgeschlossen werden kann, dass die eingesetzten Fasern immer auch einen gewissen Anteil an kürzeren Fasern umfassen.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff umfasst ferner ein Bindemittel, das im ausgehärteten Zustand eine Schaumstruktur aufweist. Bevorzugt weist das Bindemittel eine überwiegend feinporige Schaumstruktur auf. Besonders bevorzugt weist das Bindemittel eine Schaumstruktur dergestalt auf, dass 90-95% der Poren eine Porengröße im Bereich von 30-500 µm, bevorzugt 50-300 µm, gemessen mittels eines Mikroskops an einem Schnitt durch den Werkstoff aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird für den erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoff ein Bindemittel eingesetzt, das bei freier Schäumung einen Schaum mit einer Dichte von 30-300 kg/m³, bevorzugt 80-200 kg/m³, bildet.
Zur Ermittlung der Dichte bei freier Schäumung wird das noch nicht reagierte Bindemittel in ein oben offenes Gefäß gegossen. Durch die chemische Reaktion schäumt das Bindemittel auf und kann durch die Öffnung frei expandieren. Nach der Aushärtung wird der übergequollene Schaum mit einem Messer sauber abgetrennt. Die Dichte des frei geschäumten Bindemittels lässt sich aus dem zuvor ermittelten Volumen und Eigengewicht des Gefäßes und dem Gewicht des schaumgefüllten Gefäßes berechnen.
Bevorzugt wird in der vorliegenden Erfindung ein Bindemittel eingesetzt, das eine geschlossenporige Schaumstruktur bildet. Da die Faser in dem erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs nahezu vollständig von dem Schaum ummantelt sind und nahezu alle Hohlräume zwischen den Fasern schaumgefüllt sind, wird durch eine geschlossenporige Struktur des Schaums das Eindringen von Feuchtigkeit verringert oder sogar ganz verhindert, was zu einem vorteilhaften Verhalten des Holzverbundwerkstoffs bei Feuchtigkeitseinwirkung, wie z.B. einer geringen Quellung, führt.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff weist dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Holzwerkstoffen eine deutlich geringere Quellung bei Feuchteeinwirkung auf. Diese liegt im Bereich des massiven Holzes oder sogar darunter, während herkömmliche Holzwerkstoffe in der Regel eine gegenüber der Quellung des verwendeten Rohholzes deutlich erhöhte Quellung aufweisen. Beispielsweise können bei Einsatz von Makrofasern aus Fichtenholz Dickenquellmaße nach DIN 52364 zwischen 2,7% und 6% erreicht werden, nach EN 317 zwischen 1,5 und 5%. Das Quellmaß für massive Fichte nach DIN 52364 beträgt im Vergleich dazu ebenfalls ca 4 bis 6%. Demgegenüber zeigen entsprechende Spanplatten oder OSB Quellmaße von 7% bis 30%.
Um die Quellung des Holzverbundwerkstoffes noch weiter zu reduzieren, können die verwendeten Makrofasern vor der weiteren Verarbeitung durch geeignete Maßnahmen modifiziert werden. Solche Maßnahmen sind beispielsweise die Acetylierung oder die Imprägnierung mit geeigneten Harzen oder Chemikalien wie z.B. Melaminharz oder DMDHEU, Thermomodifikation oder andere bekannte quellungsvergütende Maßnahmen. Dadurch wird die Quellung der Fasern bei Feuchteaufnahme reduziert und die Gesamtquellung des Holzverbundwerkstoffes besonders gering. Es können dadurch Quellwerte bis unter 2% bis 4% erreicht werden. Aufgrund ihrer geringen Dicken können die im erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoff eingesetzten Makrofasern sehr leicht imprägniert werden. Demgegenüber scheitert die Modifikation von Massivholz in vielen Fällen an der mangelnden Imprägnierbarkeit des Holzes.
Bei den chemischen Verfahren ist ferner nach der Imprägnierung des Holzes häufig noch eine thermische Behandlung erforderlich. Hier erweisen sich ebenfalls die geringen Abmessungen der erfindungsgemäß eingesetzten Makrofasern gegenüber Massivholz als Vorteil, da dadurch die Wärme schneller das gesamte Holz erfasst. Die zu einer solchen Modifikation erforderliche thermische Behandlung kann in vorteilhafter Weise teilweise oder sogar ganz in den nachfolgenden Prozess der Herstellung des erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs integriert werden kann.
Als Bindemittel wird erfindungsgemäß bevorzugt ein polymerbasiertes Bindemittel eingesetzt. Beispielsweise können Epoxidharz-, Isocyanat- (inkl. Polyurethan-), Melamin-, Harnstoff-, Phenolharzschäume oder Mischungen daraus eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird ein Polyurethansystem eingesetzt, wie z.B. ein ein- oder mehrkomponentiges Polyurethansystem, insbesondere ein zweikomponentiges Polyurethansystem. Es können aber auch thermoplastische Schäume wie Polystyrol (z.B. EPS oder EPX) eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff ferner Partikel, die durch Felder angeregt werden können, wie z.B. Eisenoxid-Partikel. Bei Einsatz solcher Partikel kann der Schäum- und Härtevorgang des Bindemittels durch Anlegen eines Feldes (z.B. durch Induktion, Mikrowelle, Hochfrequenz, Strahlung etc.) initiiert (gestartet) und/oder beschleunigt werden. Die Partikel können zweckmäßig vor der Herstellung des Holzverbundwerkstoffs in das Bindemittel eingebracht werden, sie können aber auch separat eingesetzt werden.
Alternativ kann auch Wärme, heiße Luft oder Dampf zur Initiierung bzw. Beschleunigung des Schäum- und Härtevorgangs des Bindemittels eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff kann ferner geeignete Zusatzstoffe, z.B. Schäummittel, Füllstoffe, Pigmente, Verstärkungsfasern (nano, mikro oder makro) Brand-oder Holzschutzmittel sowie Mittel zur Quellungsvergütung etc., enthalten. Diese Zusatzstoffe können entweder dem Bindemittel zugesetzt werden oder getrennt in den Werkstoff eingebracht werden. Solche Zusatzstoffe können in dem Fachmann bekannter Weise dem Holzverbundwerkstoff besondere Eigenschaften, wie größere Härte oder Schubfestigkeit, Dauerhaftigkeit, Feuchtebeständigkeit usw., verleihen.
Der erfindungsgemäße Holzverbundwerkstoff ist für alle Produkte geeignet, die aus Massivholz oder Holzwerkstoffen, wie Spanplatten oder OSB etc. hergestellt werden. Aufgrund der geringeren Dichte führt der Einsatz des erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs zu einem niedrigeren Gewicht der so hergestellten Produkte.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoffs für Produkte, bei welchen es neben dem Gewicht auch auf die Dimensionsstabilität bei Feuchteeinwirkung und die Beibehaltung der Festigkeit bzw. Steifigkeit ankommt. Solche Produkte schließen aufgrund des ungeschützten Einsatzes im Freien ein:

Schalungsprodukte, wie Schalungsträger, bzw. Teile davon, wie Gurt oder Steg,
beschichtete oder unbeschichtete Schalungsplatten bzw. Teile davon, wie Mittelschichten oder Deckschichten,
Bühnenbeläge für Arbeits- und Schutzgerüste,
Stab- oder flächenförmige Schalungsprodukte in 1-, 2- oder dreidimensionaler Form zur Bildung oder Unterstützung der Schalhaut, und
verlorene Schalungen oder Teile davon, welche im Bauwerk verbleiben.

Weitere Produkte, die vorteilhaft aus dem erfindungsgemäßen Holzverbundwerkstoff hergestellt werden können, schließen ein:

Holzbauträger aus Vollmaterial oder mit Hohlräumen oder Teile davon, wie Gurte oder Stege (Vorteil: geringes Gewicht, homogene Eigenschaften ohne Schwachstellen wie Äste in Massivholz; Möglichkeit der Herstellung eines Profils (I-Profil oder anderer optimierter Querschnitt ähnlich Metallträgern)),
Holzbauplatten und Möbelbauplatten (Vorteil: Eigenschaften wie Sperrholz in Bezug auf Statik, Quellung, Feuchtebeständigkeit bei gleichzeitig sehr niedrigem Gewicht und wirtschaftlicher Herstellbarkeit),
Teile von Holzbauplatten (Deckschichten, Mittelschichten),
Mittelschichten mit weitgehend stehender Faserrichtung, die aus Blöcken mit paralleler Faserrichtung durch Schneiden quer zur Faser hergestellt werden (Vorteil: Geringes Gewicht, praktisch keine Dickenquellung, wirtschaftliche Herstellung (zB. Substitution Balsastirnholz)),
Sandwichplatten aus besonders leichter Makrofaser-Mittellage mit tragenden Deckschichten aus geeigneten Materialien wie Furnier, Sperrholz oder auch Kunststoffplatten mit stehender oder liegender Mittelschicht,
"Dickholzplatten" - homogene Plattenwerkstoffe für Wände und Decken mit Dicken von 5 cm bis >20 cm. (Vorteil: Gewicht, Wärmedämmung, Statik, Feuchtebeständigkeit),
Dickholzplatte mit Hohlräumen (Vorteil: siehe oben, noch geringeres Gewicht, Materialeinsparung)
Profile aus Vollmaterial oder mit Hohlräumen verschiedenster Art für Bauteile, Fenster-, Türen und Möbel (Vorteil: Profil ohne Materialverlust herstellbar, Statik, Gewicht)
Platten, Träger und Profile für den Fahrzeugbau (Vorteil: Gewicht, Statik, Feuchtebeständigkeit)
Stab- und flächenförmige 2D und 3D Formteile für Holzbau-Fahrzeugbau, Innenausbau und Möbelbau (Vorteil: Herstellbarkeit nahezu beliebiger Formen, Statik, Gewicht)

Ergänzend wird der Inhalt der am gleichen Tag eingereichten Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Holzverbundwerkstoff" im Hinblick auf sämtliche Merkmale des Verfahrens zur Herstellung des Holzverbundwerkstoffs und des hierdurch erzeugten Holzverbundwerkstoffs zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein beispielhaft in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Richtung der Achse eines zu bearbeitenden Holzstammes;
Fig. 2: die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung in Richtung der Rollenachsen;
Fig. 3: einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem Makrofasern von einem Holzstamm herausgelöst werden, in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Presse zur Weiterverarbeitung der Makrofasern; und
Fig. 5: einen Querschnitt durch die Presse gemäß Fig. 4 bei der Herstellung eines Holzverbundwerkstoffs aus den Makrofasern.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird ein zu bearbeitender Holzstamm 2 in Richtung seiner Längserstreckung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1, durch die beiden Rollen 1 eines Rollenpaares hindurchgeführt und hierbei an seiner Außenfläche derart bearbeitet, dass sich erste Makrofasern herauslösen, und weitere Makrofasern in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt in einfacher Art und Weise herausgelöst werden können. Hierzu sind die Rollen 1 an ihrem Umfang mit im Wesentlichen in Umfangsrichtung und bevorzugt in einer Ebene weitgehend senkrecht zur Rollenachse 22 verlaufenden Schneidstegen 3 versehen, die erfindungsgemäß an den Rändern eine größere Entfernung zur jeweiligen Rollenachse 22 aufweisen, als an der axialen Mitte der jeweiligen Rolle 1. In dem gezeigten Fall sind die Schneidstege 3, wie bevorzugt, derart vorgesehen, dass sich ihre Spitzen im Wesentlichen auf einem Bogen befinden, so dass diese Anordnung der Spitzen besonders gut an die im Querschnitt weitgehend kreisrunde Form des zu bearbeitenden Holzstammes 2 angepasst ist. Die Stege selbst können etwa 5 mm bis 10 mm breit (entlang der Achse 22 der jeweiligen Rolle 1) sein, und die gleiche Abmessung kann zwischen zwei benachbarten Stegen vorliegen.
Wie genauer in der vergrößerten Darstellung von Fig. 1 zu erkennen ist, quetschen und spalten die Schneidstege 3 mit ihren Spitzen die äußeren Bereiche des zu bearbeitenden Holzstammes 2, so dass sowohl Scher- (Pfeil 4) als auch Quetschkräfte (Pfeil 5) eingeleitet werden. Hierdurch werden sogenannte Makrofasern mit einer typischen Dicke von 1,5 mm bis 2 mm (gemessen in radialer Richtung des Holzstammes 2) und einer typischen Breite von 4 mm bis 5 mm (gemessen in Umfangsrichtung des Holzstammes 2) zumindest teilweise aus dem Holzstamm herausgelöst. Wie oben beschrieben, kann der zu bearbeitende Holzstamm 2 die gezeigten Rollen 1 mehrfach, jeweils nach einer Drehung um einen geeigneten Winkel um seine Winkelachse durchlaufen, oder es können nacheinander mehrere jeweils um einen geeigneten Winkel verdrehte Rollenpaare vorgesehen sein. Die Stegspitzen können auch leicht abgerundet sein.
Fig. 2 zeigt, wie jeweils verhindert werden kann, dass sich vollständig herausgelöste Makrofasern zwischen einzelnen Schneidstegen 3 verklemmen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist bei beiden Rollen 1 zwischen zumindest zwei benachbarten, bevorzugt zwischen sämtlichen Schneidstegen 3 ein keilförmiger Abstreifer 6 angeordnet, der die Makrofasern von dem Profilgrund zwischen benachbarten Schneidstegen löst. Die Spitze des Abstreifers 6 kann auch über den oberen Tangentenpunkt der Quetschrollen nach vorne gezogen werden, um die Abnutzung zu reduzieren und die Ableitung der Mikrofasern zu verbessern, wie dies mit dem insgesamt gestrichelt gezeichneten jeweiligen Abstreifer 6' in Fig. 2 angedeutet ist.
In Fig. 3 ist ein Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, in dem Makrofasern, die sich noch nicht vollständig von der Oberfläche des Holzstammes 2 gelöst haben, herausgelöst werden können. Der Holzstamm 2 wird hierbei im Wesentlichen in radialer Richtung gegen eine Schneidtrommel 7 gedrückt, die in dem gezeigten Fall mit zwei axial verlaufenden Schneiden 8 versehen ist. Das Andrücken gegen die Schneidtrommel erfolgt durch ein Andrück- und Rotationselement 10, das im Wesentlichen durch eine Walze gebildet wird, die in dem gezeigten Fall mit axial verlaufenden Stegen versehen ist. Hierdurch wird der Eingriff mit dem zu bearbeitenden Holzstamm 2 verbessert. Das Andrück-und Rotationselement 10 ist schwenkbar an einer sogenannten Traverse 11 montiert und ferner mit dem Druck einer Gasfeder 13 beaufschlagt. Hierdurch wird der Holzstamm 2 unabhängig Von der Zustellbewegung der Traverse in Richtung der Pfeile 12 mit konstantem Druck gegen die-Schneidtrommel 7 gedrückt. Die schwenkbare Lagerung des Andrück- und Rotationselements 10 an der Traverse 11 erfolgt im gezeigten Fall durch ein Pendel 14.
Bei dem gezeigten Beispiel ist ferner eine keilförmige Rampe 15 vorgesehen. Die Flächen der Rampe können eben oder leicht gewölbt ausgeführt sein. Die Rampe kann an derjenigen Seite, an der die Holzstämme 2 zu der Schneidtrommel 7 geführt werden, einen Winkel von etwa 45° aufweisen, und/oder kann ihr höchster Punkt in etwa auf Höhe der Achse der Schneidtrommel 7 liegen. Hierdurch wird unabhängig von der Dicke des Holzstammes 2, insbesondere nach dem teilweisen Herauslösen von Makrofasern 16 an der Oberfläche erreicht, dass die Schneiden 8 der Schneidtrommel 7 im Wesentlichen auf Höhe der Mittenachse des Holzstammes 2 angreifen, was für die angestrebten Wirkungen besonders vorteilhaft ist. Wie durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet, wird bevorzugt, dass sich das Andrück- und Rotationselement und die Schneidtrommel 7 in der gleichen Richtung drehen, so dass der Holzstamm 2 im Wesentlichen mit beiden genannten Elementen gleichläufig "kämmt". Hierbei erfolgt der Drehantrieb des Holzstammes 2 durch das Antriebs- und Rotationselement 10, und für die Zusammenwirkung zwischen dem Holzstamm 2 und der Schneidtrommel 7 zum Herauslösen der Makrofasern 16 hat sich die beschriebene, miteinander kämmende Bewegung als günstig erwiesen.
In Fig. 4 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Teil einer Pressform 17 gezeigt, in der die wie voranstehend beschrieben gewonnenen Makrofasern weiterverarbeitet werden. Zunächst werden sie bevorzugt getrocknet und auf Pressblechen oder in der in Fig. 4 beispielhaft gezeigten Pressform 17 weitgehend parallel zueinander, d.h. uniaxial in der Richtung 18 ausgerichtet. Zwischen und/oder auf die ausgerichteten Makrofasern wird ein Bindemittel mit einer Schaumstruktur aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch die gezeigte Vorrichtung 19 erfolgen, die sich zum einen in der Richtung 18 der Fasern bewegt, und zum anderen hierzu senkrecht hin-und herbewegt wird. Das eigentliche Aufbringen kann beispielsweise durch Aufsprühen und beispielsweise mittels sogenannter Beleimanlagen und/oder Spanblender erfolgen. Hierbei ist das aufschäumende System so eingestellt, dass der Beginn des Aufschäumens verzögert ist, so dass die Presse, von der ein Teil 17 in Fig. 4 dargestellt ist, vollständig geschlossen werden kann. Beim Schließen der Presse oder Pressform werden die Makrofasern nur minimal verdichtet, so dass die Dichte des hergestellten Werkstoffs nicht wesentlich von der Dichte des verwendeten Holzes abweicht.
Wie in Fig. 5 erkennbar ist, wirkt in der geschlossenen Presse oder Pressform einerseits der von außen aufgebrachte Pressdruck 21. Andererseits entwickelt sich durch das Aufschäumen des Bindemittels innen ein Pressdruck, durch die Pfeile 20 angedeutet, wodurch die Bindemittelkomponente das Netzwerk der Makrofasern durchdringt und diese an ihrer Oberfläche nahezu vollständig benetzt. Die Makrofasern werden demnach im Wesentlichen vollständig mit einer Kunststoffmatrix umgeben. Dies erfolgt in vorteilhafter Weise durch das Expandieren des Bindemittels. Durch diese Unschließung sind die Makrofasern gut gegen Feuchtigkeitsaufnahme geschützt.

Beispiel

Makrofasern werden durch einen warmen (50°C) Luftstrom getrocknet und mehrere Tage in einem Raumklima von 20°C und 65% rel. Luftfeuchte gelagert, wodurch sich eine Holzfeuchtigkeit von etwa 12% einstellt. 210 g der Makrofasern werden möglichst exakt parallel zueinander orientiert. 50% der Fasern werden in eine auf 50°C erwärmte Aluminiumform (30 x 12 cm) eingelegt und mit 60 g zwei Komponenten Polyurethan (Fa. RAMPF Nr. 80 L86/4-1) gleichmäßig benetzt. Nachfolgend werden die restlichen 50% der Fasern in die Form gelegt und die Form geschlossen, sodass die eingelegten Makrofasern auf eine Höhe von 16 mm komprimiert werden. Durch die chemische Reaktion der beiden Komponenten des Polyurethans mit dem im Holz verfügbaren Wasser schäumt dieses stark auf. Nach 30 min. ist der Schaum vollkommen ausgehärtet und der Holzverbundwerkstoff kann aus der Form entnommen werden.

Claims

Vorrichtung zum Herauslösen von Makrofasern aus Holzstämmen (2) mit zumindest einem Paar von Rollen (1) mit zueinander gerichteten, weitgehend in Umfangsrichtung verlaufenden Schneidstegen (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entfernung der Schneidstege (3) von der Rollenachse bei zumindest einer Rolle (1) des Rollenpaares zum Rand hin zu- und zur axialen Mitte der Rolle (1) hin abnimmt, und dass Spitzen der Schneidstege (3) im Wesentlichen bogenförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei bis sechs um 90° bis 30° versetzte Rollenpaare vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schneidstege (3) 10 mm bis 30 mm hoch sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Spitzen der Schneidstege (3) einen Winkel von 40° bis 90° aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Rolle einen Durchmesser von 150 mm bis 500 mm und/oder eine axiale Länge von 100 mm bis 400 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Rolle (1) eines jeweiligen Paares in radialer Richtung beweglich ist und mit Druck in Richtung der anderen Rolle des Rollenpaares beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
ferner mit zumindest einer in Bearbeitungsrichtung nach den Rollenpaaren angeordneten Schneidtrommel (7) mit zumindest einer an der Außenseite weitgehend axial verlaufenden Schneide (8) und zumindest einem Andrück-und Rotationselement (10) zum Drehen und Andrücken von Holzstämmen (2) an die Schneidtrommel (7).
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Andrück- und Rotationselement (10) mit zumindest einem Mitnehmer, wie axial verlaufenden Stegen versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Andrück- und Rotationselement (10) beweglich, insbesondere schieb- oder schwenkbar gelagert und mit Druck in Richtung der Schneidtrommel (7) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Schneidtrommel (7) und dem Andrück- und Rotationselement (10) zumindest eine keilförmige Rampe vorgesehen ist, die bevorzugt einen Winkel von etwa 45° und/oder den höchsten Punkt in etwa auf dem Niveau der Mittelachse der Schneidtrommel (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schneidtrommel (7) einen Durchmesser zwischen 250 mm und 500 mm, insbesondere etwa 300 mm und/oder das Andrück- und Rotationselement (10) einen Durchmesser von 100 mm bis 200 mm, insbesondere etwa 120 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Holzverbundwerkstoffs mit folgenden Schritten:
- Herstellen von Makrofasern mittels einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche;

- Trocknen der Makrofasern;

- weitgehend paralleles Ausrichten der Makrofasern;

- Aufbringen eines Bindemittels, das eine Schaumstruktur aufweist;

- Schließen einer Presse; und

- Aufschäumen des Bindemittels.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bindemittelsystem so eingestellt ist, dass der Aufschäumvorgang vorwiegend erst nach dem Schließen der Presse beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Schäum- und Härteprozess durch ein elektromagnetisches Feld initiiert und/oder beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zusätzlich zu dem Bindemittel Partikel aufgebracht werden, die durch Felder angeregt werden können.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Partikel in dem Bindemittel enthalten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Schäum- und Härteprozess durch Wärme, heiße Luft oder Dampf initiiert und/oder beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, das als kontinuierliches Verfahren beispielsweise mittels einer Bandpresse durchgeführt wird.