EP2961580B1 - Holz- und verbundwerkstoffplatte sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Holz- und verbundwerkstoffplatte sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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EP2961580B1
EP2961580B1 EP14706639.3A EP14706639A EP2961580B1 EP 2961580 B1 EP2961580 B1 EP 2961580B1 EP 14706639 A EP14706639 A EP 14706639A EP 2961580 B1 EP2961580 B1 EP 2961580B1
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EP
European Patent Office
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wood
popcorn
composite material
intermediate layer
board according
Prior art date
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Inventor
Alireza Kharazipour
Redelf Kraft
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Georg August Universitaet Goettingen
Original Assignee
Georg August Universitaet Goettingen
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Publication date
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the field of wood and / or composites, in particular chipboard and fiberboard, insulation boards, boards and composite materials containing lignocellulose and popcorn.
  • Wood and / or composite materials, in particular chipboard or fiberboard have been known for more than a hundred years as an alternative for solid wood in the furniture industry, construction, etc.
  • For the quality of wood and / or composite materials play several factors, including in particular the bulk density, the transverse tensile strength and thickness swelling a role, but especially in many applications, the bending strength.
  • Wood and composites containing popcorn are disclosed. These have the advantage of a low density. However, it is the task of further improving the wood and / or composite material disclosed therein.
  • a plastic molding containing popcorn is from the DE 42 26 988 , which discloses the preamble of claim 1, known.
  • wood and / or composite material is understood in particular materials consisting mainly of mechanically or thermomechanically chemithermomechanically comminuted lignocellulosic material or popcorn, which formed after gluing with a synthetic or natural binder and under temperature and pressure to wood and / or composites are pressed.
  • wood and / or composite plate may contain even more than the three mentioned layers (upper and lower cover layer and intermediate layer).
  • the cover layers of the wood and / or composite board according to the invention have - as mentioned - each having a modulus of elasticity (modulus of elasticity) of ⁇ 1 kN / mm 2 to ⁇ 70 kN / mm 2 .
  • the modulus of elasticity is preferably from ⁇ 1.5 kN / mm 2 to ⁇ 50 kN / mm 2 , more preferably ⁇ 2 kN / mm 2 to ⁇ 40 kN / mm 2 , and most preferably 3 kN / mm 2 to ⁇ 30 kN / mm 2 , and most preferably from ⁇ 5 kN / mm 2 to ⁇ 10 kN / mm 2 .
  • the modulus of elasticity for wood-based materials is measured according to DIN EN 310.
  • the lower and / or upper cover layer have a density of ⁇ 0.5 g / cm 3 to ⁇ 3.0 g / cm 3 .
  • the lower and / or upper cover layers have a density of ⁇ 0.8 g / cm 3 to ⁇ 2.5 g / cm 3 , more preferably from ⁇ 0.9 g / cm 3 to ⁇ 1.5 g / cm 3
  • the proportion of cover layers is from ⁇ 1% to ⁇ 50% of the total wood and / or composite panel according to the invention (% by weight / weight).
  • the proportion of the cover layers is from ⁇ 10% to ⁇ 30% of the total wood and / or composite panel according to the invention (weight / weight).
  • the lower and / or upper cover layer consist predominantly of a material selected from the group consisting of wood chips or fibers, lignocellulose-containing shavings and / or fibers (such as, for example, hemp, flax, etc.), or aus Melamine foil, HPL (High Pressure Laminate), CPL (Continuous Pressure Laminate), Chipboard (eg Thin Chipboard), Fiberboard (Thin HDF), Aluminum Sheet / Sheet, Metal Sheet / Sheet, Sheet Metal, Plywood, Veneer, Glass Fiber, Carbon Fiber , Carbon fiber, ceramic and possibly other additives such. As hydrophobing agents, anti-flame agents, binders and mixtures of all these materials.
  • the intermediate layer contains - as described - popcorn.
  • popcorn in the sense of the present invention comprises in particular all materials which, like the puffed corn ( Zea mays, convar microspermum ), if appropriate after adequate greasing, explode at high temperatures due to fast heating of the water present in the seed and so converted the starch contained in the seed into a foamy consistency.
  • Such behavior is known inter alia by quinoa grain, amaranth, rice or wheat, materials based on these raw materials are explicitly referred to in the context of the present invention as “popcorn” and includes, the term “popcorn” should not limited to corn only and has been chosen for reasons of simplicity, clarity and readability.
  • the intermediate layer is preferably ⁇ 60% (w / w), more preferably ⁇ 80% (w / w), still more preferably> 90% (w / w) and> 95% (w / w) .) Of popcorn and otherwise preferably predominantly of wood chips and / or wood fibers, preferably here. lignocellulosic chips and / or fibers (such as of hemp, flax, etc.) or plastics, thermoplastics, thermosets, plastic fibers, such as. As PP (polypropylene), PE (polyethylene), PVAc (polyvinyl acetate) or PP, PE supporting fibers), optionally with the addition of additives, such as.
  • the intermediate layer may be 100% popcorn.
  • the popcorn has a particle size distribution in which ⁇ 50% and ⁇ 90% of the popcorn have a particle size of ⁇ 2 mm and ⁇ 10 mm.
  • the popcorn has a particle size distribution in which ⁇ 70% and ⁇ 90% of the popcorn have a particle size of ⁇ 2 mm and ⁇ 10 mm.
  • the popcorn has a particle size distribution in which ⁇ 50% and ⁇ 90%, more preferably ⁇ 70% and ⁇ 90% of the popcorn have a particle size of ⁇ 4 mm and ⁇ 10 mm.
  • the popcorn has a particle size distribution in which ⁇ 50% and ⁇ 80% of the popcorn have a particle size of ⁇ 3 mm and ⁇ 8 mm.
  • the popcorn has an average particle size distribution of ⁇ 3 mm and ⁇ 6 mm. This has been found to be beneficial for many applications within the present invention.
  • the popcorn has an average particle size distribution of ⁇ 3.5 mm and ⁇ 5 mm.
  • the fat content of the popcorn before processing is ⁇ 10 (wt)%.
  • fat content is not understood the total amount of fat in popcorn, but the proportion of fat, which was used to hydrophobize the seed epidermis, which leads to better inclusion of the water contained in the seed.
  • the fat content is ⁇ 5 (wt)%
  • the present invention also relates to a method for producing a wood and / or composite panel according to the invention according to claim 7. This method has proven particularly useful for wood and / or composite panels in which the cover layers receive wood fibers and / or wood chips. In this way, the wood and / or composite plate can be made directly by a single Verpress suits.
  • Step a) can be done by simply sprinkling fibers, chips and / or granules.
  • the popcorn granules are preferably either by the Bichsel process ( WO 1999042005A1 ) or by Puffung, z. B. by the microwave method, and then crushed.
  • thermoplastics thermosets, aminoplasts, phenoplasts, isocyanates, proteins, tannins, starch, synthetic binders or natural binders, or mixtures of binders, such as, for example, urea-formaldehyde resin, melamine-formaldehyde resin, melamine-reinforced urea-formaldehyde resin, tannin-formaldehyde resin, Phenol-formaldehyde resin, polymeric diphenylmethane diisocyanate or mixtures thereof.
  • additives such as hydrophobing agents, anti-flaking agents, etc., are attached.
  • Starting material for the following material examples is grain corn; alternatively, however, other starchy grains may be used as well.
  • feed corn kernels are first crushed and the grain fragments subsequently subjected to the pressure and temperature effect according to the Bichsel method (US Pat. WO 1999042005A1 ) expands a defined process.
  • the popcorn granules produced in this way are now fractionated, so that a granulate having particle sizes of 0.5 mm to 8 mm and a bulk density of about 30 kg / m 3 to 70 kg / m 3 is present.
  • starchy grains may be expanded by means of a microwave oven or other common methods.
  • Fig. 1 shows a particle size distribution suitable for the production of composite based on expanded corn kernels and as used in the following examples.
  • a binder liquor based on urea-formaldehyde resin was used, as is commonly used for the industrial production of wood-based materials.
  • this binder liquor contains ammonium sulfate solution (40% strength) and occasionally water repellent (HYDROWAX 138® from SASOL GmbH).
  • the glue liquor of the material plates described below consisted of popcorn granules, 8.0% UF solid resin relative to ator popcorn granules, 1% ammonium sulfate solution (hardener) based on dry solid resin.
  • the wood and / or composite panels according to the invention have now been produced on the basis of the intermediate layers shown under II, each with a weight fraction of 2 ⁇ 20% for the outer layers and 60% for the intermediate layer.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Holz- und/oder Verbundwerkstoffe, insbesondere der Spanplatten und Faserplatten, Dämmstoffplatten, Werkstoffplatten sowie Verbundwerkstoffe, welche Lignocellulose und Popcorn enthalten.
    Holz und/oder Verbundwerkstoffe, insbesondere Span- oder Faserplatten sind seit nunmehr mehr als hundert Jahren als Alternative für Massivholz in der Möbelindustrie, Baugewerbe etc. bekannt. Für die Güte von Holz und/oder Verbundwerkstoffen spielen dabei mehrere Faktoren, darunter insbesondere die Rohdichte, die Querzugsfestigkeit und die Dickenquellung eine Rolle, besonders aber bei vielen Anwendungen die Biegefestigkeit.
    In der WO 2008/040747 werden Holz- und Verbundwerkstoffe, welche Popcorn enthalten, offenbart. Diese haben den Vorteil einer geringen Rohdichte. Es stellt sich jedoch die Aufgabe, die dort offenbarten Holz und/oder Verbundwerkstoff weiter zu verbessern.
  • Dies wird durch eine Holz und/oder Verbundwerkstoffplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Kunststoffformteil enthaltend Popcorn ist aus der DE 42 26 988 , die den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, bekannt. Überraschend hat sich herausgestellt, dass so die Eigenschaften der entstehenden Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte, insbesondere die Biegefestigkeit und Biege-E-Modul im Vergleich zur WO 2008/040747 stark erhöht werden können.
    Unter der Bezeichnung "Holz- und/oder Verbundwerkstoff" werden insbesondere Materialien verstanden, die hauptsächlich aus mechanisch oder thermomechanisch, chemothermomechanisch zerkleinertem lignocellulosehaltigen Material oder Popcorn bestehen, die nach der Beleimung mit einem synthetischen oder naturnahen Bindemittel geformt und unter Temperatur und Druck zu Holz und/oder Verbundwerkstoffen verpresst werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte noch mehr als die drei erwähnten Schichten (obere und untere Deckschicht sowie Zwischenschicht) enthalten kann.
  • Die einzelnen Schichten der erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte werden im Einzelnen noch erläutert:
    • a) Deckschichten
  • Die Deckschichten der erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte haben - wie erwähnt - jeweils ein Elastizitätsmodul (E-Modul) von ≥ 1 kN/mm2 bis ≤ 70 kN/mm2. Bevorzugt beträgt das E-Modul von ≥ 1,5 kN/mm2 bis ≤ 50 kN/mm2, noch bevorzugt ≥ 2 kN/mm2 bis ≤ 40 kN/mm2, sowie am meisten bevorzugt von ≥ 3 kN/mm2 bis ≤ 30 kN/mm2, sowie am meisten bevorzugt von ≥ 5 kN/mm2 bis ≤ 10 kN/mm2. Das E-Modul wird für Holzwerkstoffe dabei nach DIN EN 310 gemessen.
  • Bevorzugt haben die untere und/oder obere Deckschicht eine Dichte von ≥ 0,5 g/cm3 bis ≤ 3,0 g/cm3. Dies hat sich in der Praxis bewährt, da so die Stabilität der entstehenden Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nochmals erhöht werden kann. Noch bevorzugt haben die untere und/oder obere Deckschicht eine Dichte von ≥ 0,8 g/cm3 bis ≤ 2,5 g/cm3, ferner bevorzugt von ≥ 0,9 g/cm3 bis ≤ 1,5 g/cm3
    Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil der Deckschichten von ≥ 1 % bis ≤ 50 % der gesamten erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte (Gew.% /Gew.%). Dies hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da so die Dichte der erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte weiterhin niedrig bleibt, aber trotzdem die überraschenden Steigerungen der Biegefestigkeit beobachtet werden können. Noch bevorzugt beträgt der Anteil der Deckschichten von ≥ 10 % bis ≤ 30 % der gesamten erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte (Gew. /Gew.).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die untere und/obere Deckschicht überwiegend aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Holzspäne oder - fasern, lignocellulosehaltigen Späne und/oder Fasern (wie z. B. von Hanf, Flachs, etc..), oder aus Melaminfolie, HPL (High Pressure Laminate), CPL (Continuous Pressure Laminate), Spanplatte (z.B. Dünn-Spanplatte), Faserplatte (Dünn-HDF), Aluminiumplatte/-blech, Metallplatte/-blech, Blechplatte, Sperrholz, Furnier, Glasfaser, Kohlefaser, Carbonfaser, Ceramic sowie eventuell weitere Additive wie z. B. Hydrophobierungsmittel, Antiflammmittel, Bindemittel und Mischungen all dieser Materialien.
  • Der Term "überwiegend" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere >90 Gew.-%, bevorzugt >95% Gew.-% sowie am meisten bevorzugt >98 Gew.-%.
    • b) Zwischenschicht
  • Die Zwischenschicht enthält - wie beschrieben - Popcorn.
  • Der Term "Popcorn" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere alle Materialien, welche wie der Puffmais (Zea mays, convar. Microsperma) - gegebenenfalls nach entsprechender Einfettung bei einer schnellen Erwärmung zu hohen Temperaturen explodieren, indem das in dem Samen vorhandene Wasser schlagartig verdampft und so die im Samen enthaltene Stärke in eine schaumartige Konsistenz überführt. Ein solches Verhalten ist unter anderem von Quinoa-Korn, Amarant, Reis oder auch Weizen bekannt, Materialien, die auf diesen Grundstoffen basieren, werden im Sinne der vorliegenden Erfindung explizit auch als "Popcorn" bezeichnet und umfasst, die Bezeichnung "Popcorn" soll nicht nur auf Mais beschränkt sein und wurde insbesondere aus Gründen der Einfachheit, Übersichtlichkeit und Lesbarkeit gewählt.
    Bevorzugt besteht die Zwischenschicht zu ≥ 60 % (Gew./Gew.), noch bevorzugt ≥ 80% (Gew./Gew.), noch bevorzugt >90 % (Gew./Gew.) und >95 % (Gew./Gew.) aus Popcorn und ansonsten bevorzugt überwiegend aus Holzspänen und/oder Holzfasern, bevorzugt dabei. lignocellulosehaltige Späne und/oder Fasern (wie z. B. von Hanf, Flachs, etc.) oder Kunststoffe, Thermoplasten, Duroplaste, Kunststofffasern, wie z. B. PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVAc (Polyvinylacetat) oder PP-, PE-Stützfasern), ggf. unter dem Zusatz von Additive, wie z. B. Hydrophobierungsmittel, Antiflammmittel, Bindemittel, etc.
    Jedoch kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Zwischenschicht zu 100 % aus Popcorn bestehen.
    Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Popcorn eine Korngrößenverteilung auf, bei der ≥ 50 % und ≤ 90 % des Popcorns eine Korngröße von ≥ 2 mm und ≤ 10 mm besitzen.
  • Dies hat sich für viele Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt. Popcorn größerer Korngröße lässt sich häufig schlechter zu lignocellulosehaltigen Formkörpern wie Holz- und/oder Verbundwerkstoffen verarbeiten, Popcorn kleinerer Korngröße neigt bei vielen Anwendungen dazu, das bei der Herstellung des Holz- und/oder Verbundwerkstoffes zugegebene Bindemittel bzw. den Leim aufzusaugen, was die Qualität des Holz- und/oder Verbundwerkstoffes verschlechtern kann.
    Besonders bevorzugt weist das Popcorn eine Korngrößenverteilung auf, bei der ≥ 70 % und ≤ 90 % des Popcorns eine Korngröße von ≥ 2 mm und ≤ 10 mm besitzen.
    Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Popcorn eine Korngrößenverteilung auf, bei der ≥ 50 % und ≤ 90 %, besonders bevorzugt ≥ 70 % und ≤ 90 % des Popcorns eine Korngröße von ≥ 4 mm und ≤ 10 mm besitzen.
    Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Popcorn eine Korngrößenverteilung auf, bei der ≥ 50 % und ≤ 80 % des Popcorns eine Korngröße von ≥ 3 mm und ≤ 8 mm besitzen.
    Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Popcorn eine durchschnittliche Korngrößenverteilung von ≥ 3 mm und ≤ 6 mm auf. Dies hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung als günstig herausgestellt.
    Besonders bevorzugt weist das Popcorn eine durchschnittliche Korngrößenverteilung von ≥ 3,5 mm und ≤ 5 mm auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Fettanteil des Popcorns vor der Verarbeitung ≤ 10 (Gew-) %.
    Unter "Fettanteil" des Popcorns wird dabei nicht der Gesamtanteil an Fett im Popcorn verstanden, sondern der Anteil an Fett, welcher zur Hydrophobierung der Samenepidermis eingesetzt wurde, die zum besseren Einschluss des im Samen enthaltenen Wassers führt.
  • Es hat sich bei vielen Anwendungen innerhalb als günstig herausgestellt, diesen Fettanteil so gering wie möglich zu halten, da dies die weitere Verarbeitung des Popcorns erleichtert. Vorzugsweise beträgt der Fettanteil ≤ 5 (Gew-) %, nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur Konsistenzänderung (Umwandlung) (="Puffung") kein Fett zugesetzt. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass die Konsistenzänderung (="Puffung") mittels Mikrowellen erfolgt, wie im Folgenden noch ausgeführt werden wird.
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte gemäß Anspruch 7. Dieses Verfahren hat sich insbesondere für Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatten bewährt, bei denen die Deckschichten Holzfasern und/oder Holzspäne erhalten. Auf diese Weise kann durch einen einzigen Verpressschritt die Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte direkt hergestellt werden.
    Schritt a) kann mittels einfaches Einstreuen von Fasern, Späne und/oder Granulat erfolgen. Dabei wird bei der Zwischenschicht das Popcorn-Granulat bevorzugt entweder nach dem Bichsel-Verfahren ( WO 1999042005A1 ) oder durch Puffung, z. B. nach dem Mikrowellenverfahren, und anschließendes Zerkleinern hergestellt.
    Als Bindemittel sind insbesondere Thermoplasten, Duroplasten, Aminoplasten, Phenoplasten, Isocyanate, Proteine, Tannine, Stärke, synthetische Bindemittel oder naturnahe Bindemittel, oder Mischungen von Bindemitteln, wie z.B. Harnstoffformaldehyd-Harz, Melaminformaldehyd-Harz, Melaminverstärktes Harnstoffformaldehyd-Harz, Taninformaldehyd-Harz, Phenolformaldehyd-harz, Polymeres Diphenylmethandiisocyanat oder Mischungen daraus bevorzugt. Hinzu können ggf. noch Additive, wie z. B. Hydrophobierungsmittel, Antiflammmittel etc., beigefügt werden.
  • Schritt c) kann unter Einleiten von Heißluft/Heißdampf erfolgen. Hierzu wird auf die DE 10 2012 101 716.6 verwiesen.
    Alternativ bezieht sich die vorliegende Erfindung außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte gemäß Anspruch 8. In diesem Fall verlaufen somit Verpressschritte ggf. getrennt; für den Fall, dass die Deckschichten z. B. Aluminium enthalten, entfallen hier einsichtigerweise die Verpressschritte für die Deckschichten.
    Bei der Zwischenschicht wird Popcorn-Granulat bevorzugt wie oben beschrieben dargestellt. Als Bindemittel kommen ebenfalls die zuvor beschriebenen Materialien in Frage.
    Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen zu verwendenden Bauteile und Komponenten unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
    Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Beispiele und Zeichnungen, in denen - beispielhaft - mehrere Ausführungsbeispiele lignocellulosehaltiger Formkörper dargestellt sind. In den Zeichnungen, welche sich auf die Beispiele beziehen, zeigt:
    • Fig. 1 ein Diagramm einer Korngrößenverteilung eines Popcorngranulates, welches in den Beispielen eingesetzt wurde.
    I. Herstellung von Popcorngranulat
  • Ausgangsmaterial für die folgenden Werkstoffbeispiele ist Kornmais; alternativ können jedoch ebenso andere stärkehaltige Körner verwendet werden. Zur Herstellung eines plattentauglichen Granulats mit geringer Schüttdichte werden Futtermaiskörner zunächst geschrotet und die Kornbruchstücke anschließend unter Druck- und Temperatureinwirkung nach dem Bichselverfahren ( WO 1999042005A1 ) einem definierten Prozess expandiert. Das auf diese Weise entstandene Popcorngranulat wird nun fraktioniert, so dass ein Granulat mit Korngrößen von 0,5 mm bis zu 8 mm und einer Schüttdichte von ca. 30 kg/m3 bis 70 kg/m3 vorliegt. Alternativ können stärkehaltige Körner mit Hilfe einer Mikrowellenanlage oder nach weiteren gängigen Verfahren expandiert werden.
  • Um ein zum oben erwähnten Verfahren vergleichbares Granulat zu erhalten wird das expandierte Korn in weiteren Arbeitsschritten zerkleinert und fraktioniert. Fig. 1 zeigt eine Korngrößenverteilung wie sie sich zur Herstellung von Verbundmaterialien auf Basis von expandierten Maiskörnern eignet und wie sie in den folgenden Beispielen verwendet wurde.
    • II. Herstellung der Zwischenschicht Zur Herstellung der Zwischenschicht (Rohdichte von 200 kg/m3 und 300 kg/m3) wurde folgendes Verfahren verwendet
  • Neben dem Popcorngranulat wurde eine Bindemittelflotte auf der Basis von Harnstoffformaldehydharz (UF-Harz) verwendet, wie diese üblicherweise zur industriellen Produktion von Holzwerkstoffen eingesetzt wird. Neben dem eigentlichem UF-Harz (z. B. KAURIT® 350 der BASF AG) enthält diese Bindemittelflotte Ammoniumsulfatlösung (40%-ig) und fallweise Hydrophobierungsmittel (HYDROWAX 138® der Firma SASOL GmbH). Die Leimflotte der im folgenden beschriebenen Werkstoffplatten bestand aus Popcorngranulat, 8,0 % UF-Festharz bezogen auf atro Popcorngranulat, 1 % Ammoniumsulfat-Lösung (Härter) bezogen auf atro Festharz.
  • Als alternative Bindemittel sind auch andere duroplastisch aushärtende Bindemittelflotten auf der Basis von Melaminformaldehydharz (MUF-Harz), Phenolformaldehydharz (PF-Harz) und daraus hergestellte Mischharzsysteme, naturnahe Bindemittelsysteme auf Basis von Tanninen oder Proteinen sowie Isocyanate wie z. B. PMDI verwendbar. Zum Pressen des beleimten Popcorngranulatkuchens wurden zwei unterschiedliche Verfahren verwendet:
    1. a) Der beleimte Popcorngranulatkuchen wird unter Temperatureinwirkung zwischen 120°C bis 200°C mit einem Presszeitfaktor von 12 s/mm in einer Heißpresse unter konduktiver Wärmeübertragung gepresst.
    2. b) Der Popcorngranulatkuchen wird kalt auf die gewünschten Enddimensionen verpresst. Die Aushärtung des Bindemittels erfolgt anschließend, indem Heißluft/Heißdampf durch den gepressten Granulatkuchen geleitet wird. Bei dieser Verfahrenstechnik ist neben Duroplasten auch die Verwendung von thermoplastischen Bindemitteln, wie z.B. PVAC oder PP bzw. PE Stützfasern möglich. Dieses Verfahren eignet sich vor allem für Plattenrohdichten unterhalb von 200 kg/m3, da gewährleistet sein muss, dass sich der kalt vorgepresste Granulatkuchen mit Heißdampf/Heißluft durchströmen lässt.
    Verfahren a)
  • Die nach dem unter Punkt a) unter Verwendung einer Heißpresse hergestellten Werkstoffplatten mit einer Plattendichte zwischen 130 kg/m3 und 300 kg/m3 wurden hinsichtlich ihrer Querzugfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und 2 zusammengestellt. Tab. 1: Einige physikalisch-technologische Eigenschaften von mit einer Heißpresse hergestellten, mit UF-Harz (8,0 % bez. atro) gebundenen Popcornverbundwerkstoffplatten mit einer Dicke von 20 mm
    Rohdichte [kg/m3] Querzugfestigkeit [N/mm2] Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K]
    133 0,13 0,041
    156 0,19 0,043
    177 0,19 0,045
    190 0,21 0,046
    206 0,22 0,047
    253 0,28 0,051
    300 0,33 0,054
    Tab. 2: Einige physikalisch-technologische Eigenschaften von mit unterschiedlichen Bindemitteln gebundenen Popcornverbundwerkstoffplatten mit Dicken von jeweils 20 mm und einer Plattendichte von 300 kg/m3
    Variante Querzugfestigkeit [N/mm2] Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K]
    UF-Harz (8,0 %) 0,33 0,054
    PMDI (4,0 %) 0,22 0,053
    12 % Weizenprotein 0,16 0,054
    PVAC (10,0 %) 0,20 0,056
    Tanninharz (8,0 %) 0,24 0,053
    • Verfahren b)
  • Die nach dem unter Punkt b) unter Verwendung einer Heißluft/Heißdampfpresse hergestellten Werkstoffplatten mit einer Plattendichte zwischen 80 kg/m3 und 200 kg/m3 wurden hinsichtlich ihrer Querzugfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und 4 zusammengestellt. Tab. 3: Einige physikalisch-technologische Eigenschaften von mit einer Heißdampf/Heißluftpresse hergestellten, mit UF-Harz (8,0 %) gebundenen Popcornverbundwerkstoffplatten mit einer Dicke von 20 mm
    Rohdichte [kg/m3] Querzugfestigkeit [N/mm2] Wärmeleitfähig-keit [W/(m*K]
    84 0,06 0,038
    109 0,09 0,039
    133 0,13 0,041
    156 0,18 0,043
    177 0,20 0,044
    190 0,22 0,046
    206 0,23 0,047
    Tab. 4: Einige physikalisch-technologische Eigenschaften von mit unterschiedlichen Bindemitteln gebundenen Popcornverbundwerkstoffplatten mit Dicken von jeweils 20 mm und einer Plattendichte von 180 kg/m3
    Variante Querzugfestigkeit [N/mm2] Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K]
    UF-Harz (8,0 %) 0,21 0,044
    PMDI (4,0 %) 0,17 0,043
    12 % Weizenprotein 0,13 0,045
    PVAC (10,0 %) 0,13 0,044
    Tanninharz (8,0 %) 0,24 0,053
    PP-Stützfasern 0,11 0,043
    PE-Stützfasern 0,10 0,043
  • Von allen Platten unter Beispiel II wurden die Biegefestigkeiten nach DIN EN 310 gemessen; sämtliche hergestellten Werkstoffplatten weisen durchweg eine geringe Biegefestigkeit von ca. 1,0 bis 2,5 N/mm2 auf, so dass Anwendungen mit tragenden Funktionen ausgeschlossen sind.
    • III. Herstellung der Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatten
  • Die erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatten wurden nun ausgehend von den unter II. dargestellten Zwischenschichten hergestellt, jeweils mit einem Gewichtsanteil von 2 x 20 % für die Deckschichten und 60 % für die Zwischenschicht.
    • a) Herstellung im einstufigen Verfahren
  • In diesem Verfahren wurde das Deck- bzw. Zwischenschichtmaterial getrennt voneinander beleimt. Hierzu kommen alle oben erwähnten Bindemittel in Frage, in der Folge (Tab. 5) wird beispielhaft UF-Harz als Bindemittel verwendet. Tab. 5 Beleimungsparameter, von dreischichtigen Werkstoffplatten aus expandiertem Getreide (Kernlage) und Holzspänen oder Holzfasern in den Decklagen
    Komponente Parameter Deckschicht (2 x 20 %) Zwischenschicht (60 %)
    Bindemittel Typ, Hersteller Kaurit® 350, BASF
    Feststoffgehalt [%] ca. 68
    Menge bez. auf atro Span [%] 14,0 8,0
    Härtungsbeschleuniger Typ (NH4)2SO4
    Konzentration [%] ca. 40
    Menge bez. auf atro Festharz [%] 0,5 2,0
    Späne/Span-Rindengemisch Feuchtegehalt, beleimt [%] 10 (± 1) 8 (± 1)
  • Aus dem beleimten Material wird in der Reihenfolge Deckschicht, Zwischenschicht, Deckschicht, ein Materialkuchen gestreut und vorverdichtet. Das Aushärten des Bindemittels erfolgt schließlich in einer Heißpresse bei Temperaturen von 120°C bis 200°C und einem Presszeitfaktor von 6 mm/s bis 12 mm/s. Der Materialkuchen wurde unter Verwendung von Distanzleisten zu Werkstoffplatten mit einer Dicke von 20 mm gepresst.
  • Die ermittelten Festigkeiten der so hergestellten Platten (Tab. 6) zeigen, dass sich die geringe Biegefestigkeit der Werkstoffplatten aus Popcorn durch das Aufbringen einer Deckschicht aus Holzfasern/-späne deutlich erhöhen lässt, so dass sich z.B. mit Deckschichten aus Holzfasern eine Biegefestigkeit von ca. 16 N/mm2 erreichen lässt, was die Anforderungen an Spanplatten für den Möbelbau von 11,0 N/mm2 nach EN 312 deutlich übertrifft. Tab. 6: Einige mechanisch-technologische Eigenschaften von 20 mm dicken Sandwichplatten aus expandiertem Mais (Zwischenschicht) und Holzfasern/Holzspänen (Deckschichten)
    Variante Rohdichte [kg/m3] Querzugfestigkeit [N/mm2] Biegefestigkeit [N/mm2] E-Modul [KN/mm2] der Deckschicht
    ZS: Popcorngranulat ca. 420 0,22 11,0 1,57
    DS: Holzspäne
    ZS: Popcorngranulat ca. 440 0,33 15,8 1,91
    DS: Holzfasern
  • Man sieht somit die erstaunlich erhöhte Biegefestigkeit aller Platten.
    • b) Herstellung im zweistufigen Verfahren
  • Zur Herstellung von biegebelastbaren Werkstoffplatten aus Popcorngranulat im zweistufigen Verfahren werden die unter Bsp. 1 hergestellten Platten nach ihrer Herstellung und Konditionierung zunächst bei einer Temperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 % unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels (Epoxid-Harz, PUR etc.) mit Decklagen aus unterschiedlichen Materialien beleimt. Es ergibt sich auf diese Weise eine Sandwichstruktur, die in Abhängigkeit von den verwendeten Decklagen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Als Decklagen kommen z. B. Dünnspanlatten bzw. Dünn-HDF, Sperrholz, HPL oder Metallbleche in Frage. In der folgenden Tabelle 7 sind einige mechanisch-technologische Eigenschaften für Sandwichplatten mit einer Kernlage aus expandiertem Mais und unterschiedlichen Decklagen aufgeführt: Tab. 7 Mechanisch-technologische Eigenschaften von Sandwichplatten mit einer Kernlage aus expandiertem Getreide und unterschiedlichen Deckschichten
    Beschichtung Zwischenlage (Popcornverbund) Platte (gesamte Struktur)
    Rohdichte [kg/M3] Querzugfestigkeit [N/mm2] Rohdichte [kg/M3] Biegefestigkeit [N/mm2] E-Modul der Deckschicht [KN/mm2]
    Buchensperrholz 300 0,25 440 17,51 3,13
    Pappelsperrholz 300 0,27 371 15,94 2,02
    Dünn-HDF 300 0,28 431 13,22 1,74
    Dünn-Spanplatten 300 0,29 416 11,0 1,51
    HPL 300 0,27 364 12,65 1,86
    Alu 0,5 300 0,29 407 12,50 4,70
    Alu 0,8 300 0,29 455 19,93 6,13
  • Man sieht somit die erstaunlich erhöhte Biegefestigkeit aller Platten.
  • Das in den Ansprüchen verwendete Wort "umfassen" schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 7 und 8 definiert.

Claims (8)

  1. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte umfassend eine obere und eine untere Deckschicht sowie eine Zwischenschicht, wobei
    - die Zwischenschicht Popcorn enthält, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die obere und die untere Deckschicht ein Biege-Elastizitätsmodul, d.H. Biege-E-Modul, gemessen nach DIN EN 310, von ≥ 1 kN/mm2 bis ≤ 70 kN/mm2 aufweist; und
    - wobei die Zwischenschicht zu ≥60 Gew.-% aus Popcorn besteht.
  2. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 1, wobei die untere und/oder obere Deckschicht eine Dichte von ≥ 0,5 g/cm3 bis ≤ 3,0 g/cm3 aufweisen.
  3. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anteil der Deckschichten von ≥ 1 % bis ≤ 50 Gew.-% der gesamten erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte beträgt.
  4. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Popcorn eine Korngrößenverteilung aufweist, bei der ≥ 50 % und ≤ 90 % des Popcorns eine Korngröße von ≥ 2 mm und ≤ 10 mm besitzen.
  5. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die untere und/obere Deckschicht überwiegend aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Holzspäne oder - fasern, lignocellulosehaltigen Späne und/oder Fasern, wie z.B. von Hanf oder Flachs, oder aus Melaminfolie, HPL, d.H. High Pressure Laminate, CPL, d.H. Continuous Pressure Laminate, Spanplatte, z.B. Dünn-Spanplatte, Faserplatte wie Dünn-HDF, Aluminiumplatte/-blech, Metallplatte/-blech, Blechplatte, Sperrholz, Furnier, Glasfaser, Kohlefaser, Carbonfaser, Ceramic sowie eventuell weitere Additive wie z. B. Hydrophobierungsmittel, Antiflammmittel, Bindemittel und Mischungen all dieser Materialien bestehen.
  6. Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Popcorn der Zwischenschicht eine durchschnittliche Korngrößenverteilung von ≥ 3 mm und ≤ 6 mm aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Holz und/oder Verbundwerkstoffplatte gemäß der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte
    a) Beleimen, ggf. getrenntes, von Deckschicht- und Zwischenschichtvorläufermaterial
    b) Vorlegen des beleimten Deckschicht- und Zwischenschichtvorläufermaterials
    c) Verpressen zur erfindungsgemäßen Holz- und/oder Verbundwerkstoffplatte.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Holz und/oder Verbundwerkstoffplatte gemäß der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte
    a) Herstellung der Zwischenschicht
    b) Verkleben der Zwischenschicht mit den Deckschichten.
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