EP4581089A2 - Verfahren zur herstellung einer mit einem flammenschutzmittel versehenen holzwerkstoffplatte - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer mit einem flammenschutzmittel versehenen holzwerkstoffplatte

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EP4581089A2
EP4581089A2 EP23765450.4A EP23765450A EP4581089A2 EP 4581089 A2 EP4581089 A2 EP 4581089A2 EP 23765450 A EP23765450 A EP 23765450A EP 4581089 A2 EP4581089 A2 EP 4581089A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compound
formula
weight
wood
flame retardant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23765450.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Kalwa
Andreas Gier
Georg Seidack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swiss Krono Tec AG
Original Assignee
Swiss Krono Tec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Swiss Krono Tec AG filed Critical Swiss Krono Tec AG
Publication of EP4581089A2 publication Critical patent/EP4581089A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • C08L83/06—Polysiloxanes containing silicon bound to oxygen-containing groups
    • 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
    • B27N3/02—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres from particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • C08K5/00—Use of organic ingredients
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    • C08K5/51—Phosphorus bound to oxygen
    • C08K5/52—Phosphorus bound to oxygen only
    • C08K5/521—Esters of phosphoric acids, e.g. of H3PO4
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04—Polysiloxanes
    • C09D183/06—Polysiloxanes containing silicon bound to oxygen-containing groups
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    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/18—Fireproof paints including high temperature resistant paints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D7/60—Additives non-macromolecular
    • C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G77/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G77/04—Polysiloxanes
    • C08G77/14—Polysiloxanes containing silicon bound to oxygen-containing groups

Definitions

  • Inorganic salts are usually used in the production of flame-retardant wood materials. These are almost exclusively sulfates, phosphates and/or polyphosphates as ammonium salts. The reason for this is that these salts deliver particularly good results in terms of flame retardancy. These salts must be used in solutions with relatively high concentrations, otherwise problems will also be caused by the water contained in the salt suspensions used, so that the water must be removed from the process.
  • OSB takes place in a multi-stage process, whereby first the chips or strands of debarked round wood, preferably softwood, are peeled off in the longitudinal direction by rotating knives. In the subsequent drying process, the natural moisture of the beaches is reduced at high temperatures.
  • the moisture level of the strands can vary depending on the adhesive used, although the moisture content should be well below 10% in order to avoid splitting due to excessive vapor pressure in the panel during subsequent pressing. Depending on the adhesive, wetting may be more beneficial on damp beaches or on dry beaches.
  • the strands After the strands have dried, they are introduced into a gluing device, in which the glue or adhesive is applied to the chips in a finely distributed manner.
  • PMDI polymeric diphenylmethane diisocyanate
  • MUPF melamine-urea-phenol-formaldehyde
  • glues are mainly used for gluing.
  • the glues can also be used mixed in the OSB. These glues are used because OSB is often used for structural applications as mentioned above. Moisture- and moisture-resistant glues must be used there.
  • the strands in the middle layer can be of poorer quality because the flexural strength is essentially generated by the outer layers. Therefore, fine material that is created during machining can also be used in the middle layer of OSB boards.
  • the strands are continuously pressed under high pressure and high temperature of, for example, 200 to 250°C.
  • the OSB strands used in production have a surface that makes it difficult for the aqueous solution of the flame retardant to penetrate. This means that after the water has evaporated, the flame retardant is essentially present on the strands as a powder, not bound. As the strands rub against each other until they are scattered by the transport device, some of the flame retardant is rubbed off the strands.
  • the flame retardant is subsequently lost in the process or is found in areas of the OSB where it plays no role in flammability. This results in the dosage having to be increased, which incurs additional costs. This is noticeable, for example, in the fact that the FSM is only dosed in the top layer, but is later also found in the middle layer of the product. In addition, the increased amount of flame retardant must be taken into account with more glue, as the flame retardant interferes with gluing.
  • the flame retardant solutions usually contain approximately 50% by weight of flame retardant. Higher concentrations are only possible by heating the solutions, which is not technically possible in many systems. This means that there is also a limit to the dosage due to the amount of water that is introduced into the system, since too high amounts of water lead to too high a vapor pressure in the plate and thus to splitting. Of course, this also means that the highly concentrated flame retardant spreads more poorly on the beach than with a less concentrated solution.
  • a method for producing a wood-based panel from wood particles wherein at least one flame retardant in the form of a suspension, in particular aqueous suspension, is applied to the wood particles during the manufacturing process, the flame retardant suspension comprising the following components:
  • R 1 is an organic radical selected from the group comprising alkyl, cycloalkyl or phenyl, and
  • R 2 is an organic radical selected from the group comprising C1 -C10 alkyl, which can be interrupted by -O- or -NH-, and
  • R 2 has at least one functional group Qi, which is selected from a group containing a methacrylic, methacryloxy, vinyl and epoxy group,
  • a composition of at least one phosphate and a silane mixture is therefore provided for use in wood-based panels, the silanes used or the silane mixture acting as a fixing agent for the phosphate or sulfate on the wood particles used for the wood-based panels; i.e. the silanes are used as a fixing agent for the flame retardant on the wood particles.
  • the silane mixture of three different silanes is added to the flame retardant before it is dosed onto the wood particles. This can be done in the storage tank or before the flame retardant is applied to the wood particles.
  • the silanes react on the one hand with the flame retardant and on the other hand with the surface of the wood particles.
  • the silane compounds improve the adhesion of the phosphate to the wood surface of the wood particles due to their ability to react with the wood surface.
  • the silane compound of the formula (I) binds to the flame retardant via the organic residue.
  • the silane compound of the formula (II) is used to build a SiÜ2 network via condensation of the OH groups.
  • the alkyl groups, such as methyl, of the silane compound of the formula (I) cause a “loosening” of the three-dimensional SiÜ2 network, which forms through condensation. Network structures will become more flexible constructed that are not too brittle.
  • the silane compound of the formula (III) has at least one functional group, such as isocyanate or glycidyl groups, for chemical bonding to free OH groups of the cellulose on the wood particle surface.
  • the use of the present composition as a flame retardant offers several advantages. This makes it possible to dose the flame retardant more precisely and thus reduce the required amount of flame retardant, which means that the costs for the flame retardant can be reduced. Better use of materials is also made possible.
  • the (hydrolyzable) radical Methoxy and ethoxy are particularly preferred.
  • the organic radical R 1 of the compound of the general formula (I) is preferably selected from a group comprising C1 -C10 alkyl, preferably C1-C8 alkyl, particularly preferably methyl, ethyl, propyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl.
  • cycloalkyl includes the groups cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl and cycloheptyl.
  • the compound of the general formula (I) can in particular comprise one of the following formulas: R 1 SiX 3 or R 1 2 SiX 2 with R 1 as a C1 -C10 alkyl group, preferably methyl, ethyl, propyl, pentyl, hexyl, heptyl, Octyl, and with X as alkoxy, especially methoxy, ethoxy, n-propoxy or i-propoxy.
  • compounds of the general formula (I) according to R 1 a SiX( 4 -a), in particular R 1 SiX 3 can be selected from methyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, octyltriethoxysilane.
  • the compound of the general formula (II) SiX 4 comprises methoxy, ethoxy, n-propoxy or i-propoxy and butoxy, as X.
  • the compounds tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are particularly preferred as a compound of the general formula ( II).
  • the organic R 2 of the compound of the general formula (III) is preferably selected from a group comprising methyl, ethyl, propyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, which can be interrupted by -O- or -NH-.
  • the at least one functional group Q 1 of the compound of general formula (III) is selected from a group containing epoxy, methacryloxy, amino, and vinyl.
  • Particularly preferred functional group Q 1 is glycidyloxy.
  • the functional group Q 1 advantageously has a residue with a double bond or an epoxy group that can be activated and polymerized by means of UV radiation.
  • the functional groups through which crosslinking with the wood surface of the wood particles is possible include, in particular, polymerizable and/or polycondensable groups, whereby the polymerization reaction also includes polyaddition reactions.
  • the functional groups are preferably selected so that an organic crosslinking between the phosphate/sulfate as a flame retardant and the wood surface can be carried out via optionally catalyzed polymerization and/or condensation reactions.
  • the compound of general formula (III) comprises methoxy, ethoxy, n-propoxy or i-propoxy and butoxy, as X, preferably methoxy and ethoxy.
  • the compounds glycidyoxypropyltriethoxysilane and glycidyoxypropyltrimethoxysilane are particularly preferred as compounds of the general formula (III).
  • a first compound of the formula (I) corresponds to R 1 a SiX ( 4.a )
  • silanes that do not fall under one of the formulas (l)-(III) are not part of the composition according to the invention and are therefore excluded.
  • the silane mixture comprises 5-25% by weight, preferably 10-20% by weight, of at least one silane of the formula (I), 3-15% by weight, preferably 6-11% by weight of at least one silane of the formula (II) and 5-20% by weight, preferably 8-15% by weight of at least one silane of the formula (III).
  • the silane mixture comprises 5-15% by weight, preferably 8-12% by weight of at least one silane of the formula (I), 3-10% by weight, preferably 4-7% by weight of at least one silane of the formula (II) and 10-20% by weight, preferably 13-17% by weight, of at least one silane of formula (III).
  • the silane mixture comprises 15-25% by weight, preferably 18-22% by weight of at least one silane of the formula (I), 5-15% by weight, preferably 10-13% by weight of at least one silane of the formula (II ) and 5-10% by weight, preferably 7-9% by weight, of at least one silane of the formula (III).
  • the at least one phosphate is a monophosphate or polyphosphate and is used as an ammonium salt or organic salt.
  • Halogen-free phosphates such as ammonium polyphosphate, are preferred.
  • a mixture of phosphates and sulfates is preferred.
  • the present composition contains at least one metal alkoxide, in particular a zirconium alkoxide, such as zirconium n-propoxide.
  • the amount of metal alkoxide is preferably 1-3% by weight, in particular 1-2% by weight.
  • the alkoxides used serve as a condensation catalyst in order to have the highest possible degree of condensation even at low temperatures.
  • At least one glycol ether is contained in the present composition.
  • the glycol ether is added to the composition as a mixture of water and at least one glycol ether, in particular in a mixing ratio of 60 parts of water and 40 parts of glycol ether.
  • the glycol ethers used are dipropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, 1-methoxy-2-propanol, tripropylene glycol monobutyl ether, propylene glycol butyl ether, ethylene glycol monophenyl ether, preferably dipropylene glycol monomethyl ether.
  • Glycol ethers serve as a non-flammable solvent that goes well with both the water of the flame retardant and the alcohol of the silane.
  • the alcohol step produced in the production of the flame retardant can be omitted, as shown below.
  • the present composition comprises
  • At least one phosphate and/or sulfate At least one phosphate and/or sulfate
  • At least one metal alkoxide preferably zirconium alkoxide
  • the present composition comprises
  • At least one phosphate and/or sulfate At least one phosphate and/or sulfate
  • At least one metal alkoxide preferably zirconium alkoxide, optionally at least one glycol ether, and
  • the present composition can contain inorganic particles, in particular nanoparticles based on SiO 2 , such as silica gels or zeolites.
  • the particles preferably used have a size between 2 and 400 nm, preferably between 2 and 100 nm, particularly preferably between 2 and 50 nm.
  • Basic compounds such as alkalis such as NaOH, KOH, or ammonium hydroxide solutions are suitable as catalysts.
  • a sodium hydroxide solution in particular a 0.1 molar sodium hydroxide solution, is preferably used.
  • step f 20-40% by weight, preferably 25-35% by weight, particularly preferably 30% by weight, of the mixture obtained in step e1) or step e2) are added to an aqueous phosphate solution, in particular a phosphate solution with a solids content of 50% by weight %, given.
  • the amount of silane mixture in the final composition is preferably 2-10% by weight, preferably 3-8% by weight, particularly preferably 4-6% by weight, for example 5% by weight.
  • aqueous suspension of the flame retardant produced from three silanes and phosphate and/or sulfate is stable and is applied to the wood particles in the form of a spray.
  • the flame retardant is applied during the production of a wood-based panel. Accordingly, a method for producing a wood-based panel is also provided, which includes the following steps:
  • the amount of flame retardant composition sprayed onto the wood particles is between 15 and 30% by weight, preferably between 20 and 25% by weight (solid on dry wood).
  • a phenol-formaldehyde resin adhesive PF
  • a cresol/resorcinol-formaldehyde resin adhesive UF
  • urea-formaldehyde resin adhesive UF
  • melamine-formaldehyde resin adhesive MF
  • polyurethane adhesives based on aromatic polyisocyanates in particular polydiphenylmethane diisocyanate (PMDI), tolylene diisocyanate (TDI) and/or diphenylmethane diisocyanate (MDI), with PMDI being particularly preferred, are available to a lesser extent.
  • PMDI polydiphenylmethane diisocyanate
  • TDI tolylene diisocyanate
  • MDI diphenylmethane diisocyanate
  • paraffins e.g. 3% by weight of a 50% by weight paraffin emulsion
  • the paraffin emulsion is preferably sprayed onto the wood particles.
  • the wood-based panels produced can be a coarse particle board (OSB) board, a chipboard or a plywood board.
  • OSB coarse particle board
  • coarse particle boards also called OSB (oriented strand boards)
  • OSB oriented strand boards
  • strands of debarked round wood preferably softwood, are peeled off lengthways using rotating knives.
  • OSB typically consists of two top layers that define a middle layer, where the top layers and middle layer can consist of different types of wood strands. Flat strands can be used in the top layers, while poorer quality strands (or chips) can be used in the middle layer. It is preferred if the strands for the cover layers are mixed with the present flame retardant, for example sprayed.
  • Isocyanates are preferably used as binders for OSB.
  • the at least one isocyanate is based on aromatic polyisocyanates, in particular polydiphenylmethane diisocyanate (PMDI), tolylene diisocyanate (TDI) and/or diphenylmethane diisocyanate (MDI), with PMDI being particularly preferred.
  • PMDI polydiphenylmethane diisocyanate
  • TDI tolylene diisocyanate
  • MDI diphenylmethane diisocyanate
  • the at least one flame retardant can be applied, in particular sprayed, to the wood strands in a glue drum (coil) or a trough mixer together with the addition of the binder.
  • the glued wooden strands are placed or scattered on a conveyor belt and then pressed into an OSB wood-based panel.
  • the pressing can take place at a pressing temperature between 150 and 250 ° C, preferably 180 ° C and 220 ° C, and a pressing time between 30 and 240 seconds, preferably 100 and 210 seconds, in particular 150 and 180 seconds.
  • the OSB produced using the present process thus have a binder and the flame retardant composition described above.
  • ino®dur GW80-N-D5 5% by weight is added to a flame retardant based on phosphate/polyphosphate (solids content: approx. 50% by weight).
  • this mixture is sprayed in a mixer onto the top layer chips for a chipboard in an amount of 20% by weight (solid on dry wood).
  • 15% by weight of solid urea-formaldehyde glue (as a 60% solution) and 2% by weight of hot paraffin were also dosed.
  • the glue contained a hardener based on an ammonium salt in an amount of 5% by weight fl./fl. (50% solution).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem Flammenschutzmittel versehenen Holzwerkstoffplatte, wobei mindestens ein Flammschutzmittel in Form einer Suspension während des Herstellungsprozesses auf die Holzpartikel aufgebracht wird, wobei die Flammschutzmittelsuspension umfasst: mindestens ein Phosphatsalz und/oder Sulfat, eine Mischung aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) R1 aSiX(4-a), wobei X Alkoxy ist, und R1 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl Cycloalkyl oder Phenyl, und a = 1, 2, 3, insbesondere 1 oder 2 ist, mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II) SiX4 wobei X Alkoxy ist, und mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (III) R2SiX3, wobei X Alkoxy ist, und R2 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C10 Alkyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können, und wobei R2 mindestens eine funktionelle Gruppe Q1 aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend eine Methacryl-, Methacryloxy-, Vinyl-, und Epoxid- Gruppe.

Description

Verfahren zur Herstellung einer mit einem Flammenschutzmittel versehenen Holzwerkstoffplatte
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem Flammenschutzmittel versehenen Holzwerkstoffplatte und Holzwerkstoffplatten enthaltend dieses Flammschutzmittel.
Beschreibung
In den letzten Jahren hat es immer wieder gravierende Brände in Gebäuden mit teilweise erheblichen Opferzahlen gegeben. Dies hat dazu geführt, dass gesetzliche Regelungen bezüglich des Brandschutzes verschärft worden sind. Parallel dazu wurden allerdings auch bestimmte Flammschutzmittel wegen ökologischer oder gesundheitlicher Bedenken (wie z.B. Borsalze) verboten bzw. deren Einsatz streng reglementiert. Neben den daraus resultierenden verschärften Anforderungen bezüglich der Entflammbarkeit/Brennbarkeit von Produkten in bestimmten Anwendungen, ist auch bei vielen Anwendungen, bei denen Brandschutz nicht relevant ist, eine Nachfrage nach schwerentflammbaren Produkten feststellbar. Dies gilt auch für Holzwerkstoffe, die entweder im konstruktiven Bereich für Wände, Böden oder Decken (Fertighausbau) oder im dekorativen Bereich für Laminatböden, Möbel, Paneele usw. Bereich eingesetzt werden. Dabei werden OSB (Oriented Strand Board), Sperrholz und Spanplatte im konstruktiven Bereich und MDF/HDF (mitteldichte Faserplatte/Faserplatte mit erhöhter Rohdichte) und Spanplatte im dekorativen Bereich eingesetzt.
Bei der Herstellung von schwerentflammbaren Holzwerkstoffen werden meist anorganische Salze eingesetzt. Dies sind fast ausschließlich Sulfate, Phosphate und/oder Polyphosphate als Ammoniumsalze. Dies hat seinen Grund darin, dass diese Salze besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Schwerentflammbarkeit liefern. Diese Salze müssen in Lösungen mit relativ hohen Konzentrationen eingesetzt werden, da ansonsten zusätzlich durch das in den verwendeten Salzsupensionen enthaltende Wasser Probleme verursacht werden, so dass das Wasser aus dem Prozess entfernt werden muss.
Während bei der Herstellung von flammgeschützten Span- oder Faserplatten ein Einbringen des Flammschutzmittels (FSM) in die Holzmatrix relativ einfach möglich ist, gibt es bei der Zugabe desselben zu den OSB-Strands Probleme. Strands sind die Grobspäne, die zur Herstellung der OSB eingesetzt werden. Diese ursprünglich als Abfallprodukte der Furnier- und Sperrholzindustrie anfallenden OSB werden jedoch zunehmend im Holz- und Fertighausbau eingesetzt, da OSB leicht sind und trotzdem die an Bauplatten gestellten statischen Anforderungen erfüllen. So werden OSB als Bauplatten und als Wand- oder Dachbeplankung oder auch im Fußbodenbereich eingesetzt.
Die Herstellung der OSB erfolgt in einem mehrstufigen Prozess, wobei zunächst die Späne oder Strands aus entrindetem Rundholz, bevorzugt Nadelhölzer, in Längsrichtung durch rotierende Messer abgeschält werden. Im sich anschließenden Trocknungsvorgang wird die natürliche Feuchtigkeit der Strands bei hohen Temperaturen reduziert. Der Feuchtigkeitsgrad der Strands kann je nach verwendeten Klebstoff variieren, wobei sich die Feuchtigkeit deutlich unter 10% bewegen sollte, um Spalter durch zu hohen Dampfdruck in der Platte beim späteren Verpressen zu vermeiden. In Abhängigkeit vom Klebstoff kann eine Benetzung auf eher feuchten Strands oder auf trockenen Strands günstiger sein.
Im Anschluss an die Trocknung der Strands werden diese in eine Beleimvorrichtung eingeführt, in welcher der Leim bzw. Klebstoff fein verteilt auf die Späne aufgebracht wird. Zur Verleimung werden überwiegend PMDI- (polymeres Diphenylmethandiisocyanat) oder MUPF- Leime (Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd) eingesetzt. Die Leime können in den OSB auch gemischt eingesetzt werden. Diese Leime werden verwendet, da die OSB wie oben erwähnt häufig für konstruktive Anwendungen genutzt werden. Dort müssen feucht- bzw. nässebeständige Leime verwendet werden.
Nach der Beleimung werden die beleimten Strands in Streuapparaturen alternierend längs und quer zur Produktionsrichtung gestreut, so dass die Strands kreuzweise in mindestens drei Schichten angeordnet sind (untere Deckschicht - Mittelschicht - obere Deckschicht). Die Streurichtung von unterer und oberer Deckschicht ist dabei gleich, weichen jedoch von der Streurichtung der Mittelschicht ab. Auch unterscheiden sich die in der Deckschicht und Mittelschicht verwendeten Strands voneinander. So sind die in den Deckschichten verwendeten Strands flächig und die in der Mittelschicht verwendeten Strands weniger flächig bis hin zu spanförmig. Üblicherweise werden bei der Herstellung der OSB zwei Materialstränge gefahren: einer mit flächigen Strands für die späteren Deckschichten und einer mit „Spänen“ für die Mittelschicht. Entsprechend können die Strands in der Mittelschicht qualitativ schlechter sein, da die Biegefestigkeit im Wesentlichen durch die Deckschichten erzeugt wird. Deshalb kann auch Feingut, das beim Zerspanen entsteht, in der Mittelschicht von OSB-Platten verwendet werden. Im Anschluss an die Streuung der Strands erfolgt ein kontinuierliches Verpressen der selbigen unter hohem Druck und hoher Temperatur von z.B. 200 bis 250°C. Die bei der Herstellung verwendeten OSB-Strands besitzen eine Oberfläche, die das Eindringen der wässrigen Lösung des Flammschutzmittels erschwert. Dies führt dazu, dass nach dem Verdunsten des Wassers, das Flammschutzmittel sich im Wesentlichen als Pulver, nicht gebunden, auf den Strands befindet. Da sich die Strands bis zur Streuung durch die Transportvorrichtung gegeneinander reiben, wird ein Teil des Flammschutzmittels von den Strands abgerieben. Das Flammschutzmittel geht in der Folge im Prozess verloren oder findet sich in Bereichen der OSB wieder, wo es für die Entflammbarkeit keine Rolle spielt. Dies führt dazu, dass die Dosierung angehoben werden muss, was zusätzliche Kosten verursacht. Dies macht sich zum Beispiel in dem Umstand bemerkbar, dass das FSM nur in der Deckschicht dosiert wird, sich aber später auch im Produkt in der Mittelschicht wiederfindet. Zudem muss der erhöhten Menge an Flammschutzmittel mit mehr Leim Rechnung getragen werden, da das Flammschutzmittel die Verleimung stört.
Weiterhin ist die Fertigung von flammgeschützten Holzwerkstoffplatten generell und OSB im speziellen sehr aufwändig, da bezogen auf das Holz der Platte ca. 20 Gew% Flammschutzmittel dosiert werden muss. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zu Beginn und zum Ende der Fertigung nicht unerhebliche Mengen an Produkt verworfen werden müssen, weil noch nicht oder nicht mehr die benötigte Menge an Flammenschutzmittel in den Strands ist. Dies führt ebenfalls zu erhöhten Kosten und macht den Prozess unflexibel, da immer möglichst große Mengen schwerentflammbare Platten produziert werden müssen, um die Verluste bezogen auf die Produktionsmenge klein zu halten.
Weiterhin weisen die Lösungen des Flammschutzmittels üblicherweise ca. 50 Gew% an Flammenschutzmittel auf. Höhere Konzentrationen sind nur noch durch Erwärmung der Lösungen möglich, was technisch an vielen Anlagen nicht möglich ist. Damit ist auch der Dosiermenge wegen der Wassermenge, die in das System eingebracht wird, eine Grenze gesetzt, da zu hohe Wassermengen zu einem zu hohen Dampfdruck in der Platte und damit zu Spaltern führen. Dies hat natürlich auch zur Folge, dass das hochkonzentrierte Flammenschutzmittel sich schlechter auf den Strands verteilt als bei einer weniger konzentrieren Lösung.
Ein weiteres Problem ist, dass heute zur Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit vor den Contipressen Dampfinjektionsanlagen installiert sind. Dieser Heißdampf sorgt dafür, dass der Strandkuchen vorgewärmt wird und damit die Temperatur, die zur Aushärtung des verwendeten Leimes, wie z.B. des PMDI-Leims nötig ist, schneller erreicht wird. Dieser Dampf, der mit hohem Druck auf die Strands aufgebracht wird, wäscht natürlich auch Teile des Flammenschutzmittels von den Strands herunter.
Daraus ergeben sich Nachteile, insbesondere höhere Kosten, ein größere Verlust und ein unflexibler Prozess.
Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zu Grunde die oben geschilderten Probleme zu lösen. Dies sollte, wenn möglich ohne gravierende Änderung des Prozesses erfolgen. Auch sollte die Lösung keinerlei andere Probleme z. B. durch Zugabe von kritischen Inhaltsstoffen oder Lösemitteln erzeugen. Auch sollten die möglicherweise zur Anwendung kommenden Lösungen kompatibel mit dem eingesetzten Flammenschutzmittel sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren zur Herstellung einer mit einem Flammenschutzmittel versehenen Holzwerkstoffplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung einer Holzwerkstoffplatte aus Holzpartikeln bereitgestellt, wobei mindestens ein Flammschutzmittel in Form einer Suspension, insbesondere wässrigen Suspension, während des Herstellungsprozesses auf die Holzpartikel aufgebracht wird, wobei die Flammschutzmittelsuspension folgende Bestandteile umfasst:
- mindestens ein Phosphatsalz und/oder Sulfat, und eine Mischung aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I)
R1aSiX(4-a) (I), wobei
- X Alkoxy ist, und
- R1 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl Cycloalkyl oder Phenyl, und
- a = 1 , 2, 3, insbesondere 1 oder 2 ist,
- mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II) SiX4 (II), wobei X Alkoxy ist, und
- mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (III)
R2 SiX3 (III), wobei
- X Alkoxy ist, und
- R2 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1 -C10 Alkyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können, und
- wobei R2 mindestens eine funktionelle Gruppe Qi aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend eine Methacryl-, Methacryloxy-, Vinyl-, und Epoxid- Gruppe,
- b = 1 , 2, 3, insbesondere 1 oder 2 ist.
Es wird demnach eine Zusammensetzung aus mindestens einem Phosphat und einer Silanmischung zur Verwendung in Holzwerkstoffplatten bereitgestellt, wobei die verwendeten Silane bzw. das Silangemsich als Fixierungsmittel für das Phosphat oder Sulfat auf den für die Holzwerkstoffplatten verwendeten Holzpartikel fungieren; d.h. es wird mit den Silanen ein Fixierungsmittel für das Flammschutzmittel auf den Holzpartikeln eingebracht. Damit soll das Abreiben/Abfallen des Flammenschutzmittels nach dem Auftrag auf die Holzpartikel, wie z.B. Strands oder Späne, bis zur Verpressung der Holzpartikel zu Holzwerkstoffplatten vermieden bzw. verringert werden. Zu diesem Zweck wird dem Flammenschutzmittel vor der Dosierung auf die Holzpartikel das Silangemisch aus drei verschiedenen Silanen als zugegeben. Dies kann bereits im Lagertank oder vor dem Aufbringen des Flammenschutzmittels auf die Holzpartikel erfolgen.
Die Silane reagieren zum einen mit dem Flammenschutzmittel und zum anderen mit der Oberfläche der Holzpartikel. Die Silanverbindungen verbessern durch ihre Reaktionsfähigkeit mit der Holzoberfläche die Haftung des Phosphates auf der Holzoberfläche der Holzpartikel. Die Silanverbindung der Formel (I) bindet über den organischen Rest an das Flammschutzmittel. Die Silanverbindung der Formel (II) dient dem Aufbau eines SiÜ2- Netzwerkes über Kondensation der OH-Gruppen werden. Die Alkylgruppen, wie Methyl, der Silanverbindung der Formel (I) bewirken ein „Auflockern“ des dreidimensionalen SiÜ2- Netzwerkes, welches sich durch Kondensation bildet. Es werden flexiblere Netzstrukturen aufgebaut, die nicht zu spröde sind. Die Silanverbindung der Formel (III) verfügt über mindestens eine funktionelle Gruppe, wie z.B. Isocyanat- oder Glycidylgruppen, zur chemischen Anbindung an freie OH-Gruppen der Cellulose auf der Holzpartikeloberfläche.
Die Verwendung der vorliegenden Zusammensetzung als Flammenschutzmittel bietet verschiedene Vorteile. So ist eine zielgenauere Dosierung des Flammenschutzmittels und somit eine Reduzierung der erforderlichen Menge an Flammenschutzmittel möglich, wodurch die Kosten für das Flammenschutzmittel reduziert werden können. Auch wird eine bessere Materialnutzung ermöglicht.
Der (hydrolysierbare) Rest X der Silanverbindungen der Formeln (l)-(lll) ist vorteilhafterweise ausgewählt aus einer Gruppe enthaltend Ci-6-Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n- Propoxy, i-Propoxy und Butoxy. Besonders bevorzugt sind Methoxy und Ethoxy.
Der organische Rest R1 der Verbindung der allgemeinen Formel (I) ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend C1 -C10 Alkyl, bevorzugt C1-C8 Alkyl, insbesondere bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl. Der Begriff „Cycloalkyl“ umfasst die Gruppen Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl und Cycloheptyl.
Die Verbindung der allgemeinen Formel (I) kann insbesondere eine der folgenden Formeln umfassen: R1SiX3 oder R1 2SiX2 mit R1 als C1 -C10 Alkyl-Gruppe, bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, und mit X als Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n- Propoxy oder i-Propoxy.
In einer Variante der vorliegenden Zusammensetzung können Verbindungen der allgemeinen Formel (I) gemäß R1 aSiX(4-a), insbesondere R1SiX3, ausgewählt sein aus Methyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Octyltriethoxysilan.
In einer besonders bevorzugten Variante der vorliegenden Zusammensetzung umfasst die Verbindung der allgemeinen Formel (II) SiX4 Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy und Butoxy, als X. Besonders bevorzugt sind die Verbindungen Tetramethoxysilan und Tetraethoxysilan als Verbindung der allgemeinen Formel (II).
Der organische R2 der Verbindung der allgemeinen Formel (III) ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können. In einer Ausführungsform der vorliegenden Zusammensetzung ist die mindestens eine funktionelle Gruppe Q1 der Verbindung der allgemeinen Formel (III) ausgewählt aus einer Gruppe enthaltend Epoxid-, Methacryloxy, Amino, und Vinyl. Besonders bevorzugte funktionelle Gruppe Q1 ist Glycidyloxy. Die funktionelle Gruppe Q1 weist vorteilhafterweise einen Rest mit einer Doppelbindung oder einer Epoxid-Gruppe auf, der mittels UV-Strahlung aktivierbar und polymerisierbar ist.
Die funktionellen Gruppen, über die eine Vernetzung mit der Holzoberfläche der Holzpartikel möglich ist, umfassen insbesondere polymerisierbare und/oder polykondensierbare Gruppen, wobei unter der Polymerisationsreaktion auch Polyadditionsreaktionen zu verstehen sind. Die funktionellen Gruppen werden bevorzugt so ausgewählt, dass über gegebenenfalls katalysierte Polymerisations- und/oder Kondensationsreaktionen eine organische Vernetzung zwischen dem Phosphat / Sulfat als Flammenschutzmittel und der Holzoberfläche ausgeführt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Variante der vorliegenden Zusammensetzung umfasst die Verbindung der allgemeinen Formel (III) Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy und Butoxy, als X, bevorzugt Methoxy und Ethoxy.
Besonders bevorzugt sind die Verbindungen Glycidyoxypropyltriethoxysilan und Glycidyoxypropyltrimethyoxysilan als Verbindung der allgemeinen Formel (III).
Gemäß einer Variante umfasst die Zusammensetzung eine Silanmischung, in der eine erste Verbindung der Formel (I) R1 aSiX(4.a) mit a= 1 entspricht, wobei X Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy ist, R1 Methyl, Ethyl, n-Propyl oder n-Butyl ist, eine zweite Verbindung der Formel (II) SiX4 mit X Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy entspricht, und eine dritte Verbindung der Formel (III) R2bSiX3 mit b= 1 , wobei X Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy ist, R Methyl, Ethyl, n-Propyl oder n-Butyl ist und Q Glycidyl- oder Glycidyloxy-Gruppe ist.
Weitere Silane, die nicht unter eine der Formeln (l)-(lll) fallen, sind nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und sind somit ausgenommen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Zusammensetzung umfasst die Silanmischung 5- 25 Gew%, bevorzugt 10-20 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (I), 3-15 Gew%, bevorzugt 6-11 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (II) und 5-20 Gew%, bevorzugt 8-15 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (III).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Silanmischung 5-15 Gew%, bevorzugt 8- 12 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (I), 3-10 Gew%, bevorzugt 4-7 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (II) und 10-20 Gew%, bevorzugt 13-17 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (III).
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Silanmischung 15-25 Gew%, bevorzugt 18-22 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (I), 5-15 Gew%, bevorzugt 10-13 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (II) und 5-10 Gew%, bevorzugt 7-9 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (III).
In einer weitergehenden Ausführungsform der vorliegenden Zusammensetzung ist das mindestens eine Phosphat ein Monophosphat oder Polyphosphat und wird als Ammoniumsalz oder organisches Salz verwendet. Bevorzugt sind halogenfreie Phosphate, wie z.B. Ammoniumpolyphosphat, Bevorzugt wird eine Mischung aus Phosphaten und Sulfaten verwendet.
In einer Ausführungsform enthält die vorliegende Zusammensetzung mindestens ein Metallalkoxid, insbesondere ein Zirkoniumalkoxid, wie Zirkonium-n-propoxid. Bevorzugt beträgt die Menge an Metallalkoxid 1 -3 Gew%, insbesondere 1 -2 Gew%. Die verwendeten Alkoxide dienen als Kondensationskatalysator, um schon bei niedrigen Temperaturen einen möglichst hohen Kondensationsgrad zu haben.
In einer weiteren Ausführungsform ist in der vorliegenden Zusammensetzung mindestens ein Glycolether enthalten. Der Glycolether wird der Zusammensetzung als Mischung aus Wasser und mindestens einem Glycolether, insbesondere in einem Mischungsverhältnis von 60 Teilen Wasser und 40 Teilen Glycolether, zugegeben. Als Glycolether werden Dipropylenglycolmonomethylether, T ripropylenglycolmonomethylether, 1 -Methoxy-2- propanol, Tripropylenglykol-monobutylether, Propylenglykol-butylether, Ethylenglykolmonophenylether, bevorzugt Dipropylenglycolmonomethylether verwendet. Glycolether dienen als nicht brennbares Lösemittel, welches sowohl gut zum Wasser des Flammschutzmittels als auch zum Alkohol der Silan passt. Bei Verwendung eines Glycolether kann auf den Schritt des bei der Herstellung des Flammenschutzmittels entstehenden Alkohols verzichtet werden, wie weiter unten gezeigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Zusammensetzung
- Mindestens ein Phosphat und/oder Sulfat,
- Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) gemäß R1SiX3 oder R1 2SiX2 mit R1 als C1 -C10 Alkyl-Gruppe, bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, und mit X als Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy;
- Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) gemäß SiX4 mit X als Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy und Butoxy;
- Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (III) gemäß R2SiX3 mit R2 als Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können, und funktionalisiert mit einer Epoxid- oder Vinyl-Gruppe als Q1 , und X als Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy oder Butoxy; und
- Mindestens ein Metallalkoxid, bevorzugt Zirkoniumalkoxid,
- Optional mindestens einen Glycolether, und
- Wasser.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Zusammensetzung
- Mindestens ein Phosphat und/oder Sulfat,
Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) gemäß R1SiX3 oder R1 2SiX2 mit R1 als Methyl, Ethyl, Propyl, und mit X als Methoxy, Ethoxy;
Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) gemäß SiX4 mit X als Methoxy, Ethoxy;
Mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (III) gemäß R2SiX3 mit R2 als Ethyl, Propyl, Pentyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können, und funktionalisiert mit einer Epoxid- oder Vinyl-Gruppe als Q1 , und X als Methoxy, Ethoxy; und
Mindestens ein Metallalkoxid, bevorzugt Zirkoniumalkoxid, Optional mindestens einen Glycolether, und
- Wasser.
In einer weiteren Ausführungsform kann die vorliegende Zusammensetzung anorganische Partikel, insbesondere Nanopartikel auf der Basis von SiO2, wie Kieselgele oder Zeolithe, enthalten. Die dabei bevorzugt verwendeten Partikel weisen eine Größe zwischen 2 und 400 nm, bevorzugt zwischen 2 bis 100 nm aufweist, insbesondere bevorzugt zwischen 2 bis 50 nm auf. Durch die Zugabe der anorganischen Partikel kann die Menge an aufgenommenen Wirkstoff weiter erhöht werden. Das vorliegende Flammenschutzmittel kann in einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte hergestellt werden: a) Bereitstellen von einer wässrigen Suspension enthaltend mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I), mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II) und mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (III); b) Zugabe von mindestens einem Katalysator, insbesondere einer basischen Verbindung, zu der Suspension aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III); c) Erwärmen der Mischung aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III) und dem mindestens einen Katalysator; d) Zugabe von mindestens einem Metallalkoxid, insbesondere einem Zirkoniumalkoxid, zu der Mischung, und e1 ) entweder Abtrennen der gebildeten alkoholischen Phase (z.B. durch Verdampfen) von der wässrigen Phase der Mischung aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III), oder e2) Zugabe von einem Gemisch aus Wasser und mindestens einem Glycolether, und f) Zugabe von mindestens einem Phosphat und/oder Sulfat zu der in Schritt e1 ) oder Schritt e2) erhaltenen Mischung.
Als Katalysator sind basische Verbindungen wie Laugen wie NaOH, KOH, bzw. Ammoniumhydroxyd Lösungen geeignet. Bevorzugt wird eine Natriumhydroxid-Lösung, insbesondere eine 0,1 molare Natriumhydroxid-Lösung verwendet.
In einer Variante werden in Schritt f) 20-40 Gew%, bevorzugt 25 - 35 Gew%, besonders bevorzugt 30 Gew% der in Schritt e1 ) oder Schritt e2) erhaltenen Mischung zu einer wässrigen Phosphatlösung, insbesondere einer Phosphatlösung mit einem Feststoffgehalt von 50Gew%, gegeben. Die Menge an Silanmischung in der finalen Zusammensetzung liegt dabei bevorzugt bei 2-10 Gew%, bevorzugt 3-8 Gew%, insbesondere bevorzugt bei 4-6 Gew%, z.B. bei 5 Gew%.
Die hergestellte wässrige Suspension des Flammenschutzmittels aus drei Silanen und Phosphat und/oder Sulfatist stabil und wird in Form eines Sprühmittels auf die Holzpartikel aufgetragen. Der Auftrag des Flammenschutzmittels erfolgt während der Herstellung einer Holzwerkstoffplatte. Entsprechend wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Holzwerkstoffplatte bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen von Holzpartikeln; insbesondere getrockneten Holzpartikeln;
-Beleimen der Holzpartikel mit einem geeigneten Bindemittel,
- Verpressen der beleimten Holzpartikel zu einer Holzwerkstoffplatte, wobei die mindestens eine oben beschriebene Flammenschutzmittelzusammensetzung auf die Holzpartikel vor, mit oder nach dem Aufbringen des Bindemittels auf die Holzpartikel aufgebracht, insbesondere aufgesprüht wird.
Die Menge an auf die Holzpartikel aufgesprühter Flammenschutzmittelzusammensetzung liegt zwischen 15 und 30 Gew%, bevorzugt zwischen 20 und 25 Gew% (fest auf Holz atro).
Bevorzugte Bindemittel sind ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Formaldehyd-Klebstoffe, Polyurethan-Klebstoffe, Epoxidharz-Klebstoffe, Polyester-Klebstoffe, wobei hauptsächlich Formaldehyd-Klebstoffe zum Einsatz kommen.
Als Formaldehyd-Klebstoff kann insbesondere ein Phenol-Formaldehydharz-Klebstoff (PF), ein Kresol-/ Resorcin-Formaldehydharz-Klebstoff, Harnstoff-Formaldehyd Harz- Klebstoff (UF) und/oder Melamin-Formaldehyd Harz Klebstoff (MF) verwendet werden.
Als Alternative zum Formaldehyd-Klebstoff bieten sich in geringerem Umfang Polyurethan- Klebstoffe basierend auf aromatischen Polyisocyanaten, insbesondere Polydiphenylmethandiisocyanat (PMDI), Toluylendiisocyanat (TDI) und/oder Diphenylmethandiisocyanat (MDI), wobei PMDI besonders bevorzugt ist, an.
Zusätzlich zum Bindermittel werden in einer Ausführungsform den Holzpartikeln auch Paraffine (z.B. 3Gew% einer 50 Gew% iger Paraffinemulsion) zur Reduzierung der Wasseraufnahme und Quellung zugegeben. Die Paraffinemulsion wird bevorzugt auf die Holzpartikel gesprüht.
Die hergestellten Holzwerkstoffplatten können eine Grobspan (OSB)-Platte, eine Spanplatte oder eine Sperrholzplatte sein.
Bevorzugt werden OSB-Platten hergestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Herstellen von Strands(OS B-Strands) aus geeigneten Hölzern, b) ggf. Zwischenlagerung der Holzstrands, insbesondere in Silos oder Bunkern, c) Trocknen der Holzstrands, d) Sortieren bzw. Sichtung der Holzstrands entsprechend der Größe der Holzstrands, e) Beleimen der Holzstrands mit einem geeigneten Bindemittel, insbesondere mit mindestens einem Isocyanat; f) Aufbringen der beleimten Holzsstrands auf ein Transportband mittels Wind- und/oder Wurfsichtung, und g) Verpressen der auf dem Transportband angeordneten beleimten Holzstrands. wobei die mindestens eine oben beschriebene Flammschutzmittelzusammensetzung auf die Holzstrands vor, mit oder nach dem Aufbringen des Bindemittels auf die Holzstrands aufgebracht, insbesondere aufgesprüht wird.
Wie oben angeführt, werden Grobspanplatten, auch OSB (oriented strand boards) genannt, aus langen Spänen (strands) in einem mehrstufigen Prozess hergestellt.
In einem ersten Schritt werden Strands aus entrindetem Rundholz, bevorzugt Nadelhölzer, in Längsrichtung durch rotierende Messer abgeschält.
Die so hergestellten Holzstrands können eine Länge zwischen 50 bis 200 mm, bevorzugt 70 bis 180 mm, insbesondere bevorzugt 90 bis 150 mm; eine Breite zwischen 5 bis 50 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm, insbesondere bevorzugt 15 bis 20 mm; und eine Dicke zwischen 0,1 und 2 mm, bevorzugt zwischen 0, 3 und 1 ,5 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 0, 4 und 1 mm aufweisen.
In einer Ausführungsform weisen die Holzstrands z.B. eine Länge zwischen 150 und 200 mm, eine Breite zwischen 15 und 20 mm, eine Dicke zwischen 0,5 und 1 mm und eine Feuchte von max. 50% auf.
OSB bestehen typischerweise aus zwei Deckschichten, die eine Mittelschicht begrenzen, wobei Deckschichten und Mittelschicht aus unterschiedlichen Arten von Holzstrands bestehen können. So können in den Deckschichten flächige Strands verwendet werden, während in der Mittelschicht qualitativ schlechtere Strands (oder auch Späne) zum Einsatz kommen können. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Strands für die Deckschichten mit dem vorliegenden Flammenschutzmittel versetzt, z.B. besprüht, werden. Als Bindemittel für OSB werden bevorzugt Isocyanate verwendet. In einer Ausführungsform basiert das mindestens eine Isocyanat auf aromatischen Polyisocyanaten, insbesondere Polydiphenylmethandiisocyanat (PMDI), Toluylendiisocyanat (TDI) und/oder Diphenylmethandiisocyanat (MDI), wobei PMDI besonders bevorzugt ist. Es können aber auch Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Leime oder Phenolleime eingesetzt werden. Diese besitzen ebenso wie PMDI eine hohe Wasserbeständigkeit. Zudem wird Melamin auch als Flammschutzmittel eingesetzt.
Wie bereits angedeutet, kann das mindestens eine Flammschutzmittel in einer Beleimtrommel (Coil) oder einem Trogmischer zusammen mit der Zugabe des Bindemittels auf die Holzstrands aufgebracht, insbesondere aufgesprüht werden.
Eine für das vorliegende Verfahren verwendete Beleimungseinrichtung in Form eines Coils besteht aus einem Zylinder und mindestens einem Versorgungsbalken für die Zufuhr von Klebstoff und Druckluft mit Sprühtellern, für deren Antrieb in Gehäusen angeordnete pneumatische Antriebsmotoren vorgesehen sind. Ein derartige Beleimungseinrichtung ist in der DE 10 2008 046 637 A1 beschreiben.
Ein geeigneter Trogmischer wird z.B. von der Firma Dieffenbacher vertrieben. Derartige Leimmischer sorgen durch ihr großes Kammervolumen und die optimale Verweilzeit des Materials für eine gleichmäßige Leimverteilung. Um ein optimales Beleimergebnis zu gewährleisten, wird der konstante Füllstand des Mischers durch eine Auslassklappe aufrechterhalten.
Die Flammenschutzmittelzusammensetzung kann sowohl in den Deckschichten als auch der Mittelschicht, oder auch nur in den Deckschichten oder nur in der Mittelschicht der OSB verwendet werden.
Nach dem Aufträgen des Bindemittels mit dem Flammenschutzmittel auf die Holzstrands werden die beleimten Holzstrands auf einem Transportband abgelegt oder aufgestreut und anschließend zu einer OSB-Holzwerkstoffplatte verpresst.
Das Verpressen kann bei einer Presstemperatur zwischen 150 und 250°C, bevorzugt 180°C und 220°C, und einer Presszeit zwischen 30 und 240 see, bevorzugt 100 und 210 see, insbesondere 150 und 180sec erfolgen. Die mit dem vorliegenden Verfahren hergestellten OSB weisen somit ein Bindemittel und die oben beschriebene Flammenschutzmittelzusammensetzung auf.
Dabei zeigte es sich, dass der Gehalt an Flammenschutzmittel auf den Strands nach Streuen und Pressen in der OSB bei Verwendung der Silanmischungen als Fixierungsmittel um bis zu 70% gegenüber Proben ohne Fixierungsmittel erhöht war.
Die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Grobspanplatten (OSB) weisen eine Querzugsfestigkeit von größer als 0,3 N/mm2, bevorzugt von größer 0,4 N/mm2, bevorzugt von größer 0,45 N/mm2, insbesondere bevorzugt größer 0,5 N/mm2 auf. Die Querzugsfestigkeit kann in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,6 N/mm2, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 N/mm2, insbesondere bevorzugt zwischen 0,45 und 0,55 N/mm2 liegen.
Des Weiteren weisen die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Grobspanplatten (OSB) E-Module in Längsrichtung zwischen 3200 und 4000 MPa, bevorzugt zwischen 3400 und 3800 MPa und E-Module in Querrichtung zwischen 1400 und 1800 MPa, bevorzugt zwischen 1500 und 1600 MPa auf.
Die vorliegende OSB-Holzwerkstoffplatte kann eine Rohdichte zwischen 300 und 1000 kg/m3, bevorzugt zwischen 500 und 800 kg/m3, insbesondere bevorzugt zwischen 600 und 700 kg/m3 aufweisen.
Die Dicke der vorliegenden OSB-Holzwerkstoffplatte kann zwischen 5 und 50 mm, bevorzugt zwischen 8 und 40 mm betragen, wobei insbesondere eine Dicke zwischen 8 und 30 mm bevorzugt ist.
Wie oben erwähnt, ist es aber auch möglich mit dem vorliegenden Verfahren Holzspanplatten herzustellen.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung von Holzspanplatten bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen von Holzhackschnitzeln aus geeigneten Hölzern, b) Zerkleinern der Holzhackschnitzel durch Zerspanen zur Gewinnung von Holzspänen; c) Beleimen der Holzspäne mit mindestens einem Bindemittel; d) Aufbringen der beleimten Holzspäne auf ein Transportband unter Ausbildung eines mehrschichtigen Spankuchens; und e) Verpressen des Spankuchens zu einer Holzwerkstoffplatte. wobei die mindestens eine oben beschriebene Flammschutzmittelzusammensetzung auf die Holzspäne vor, mit oder nach dem Aufbringen des Bindemittels auf die Holzspäne aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, wird.
Die im Zerspanungsprozess hergestellten Holzspäne werden in feines und grobes Spanmaterial unterteilt, wobei die größeren Holzspäne bevorzugt in der Mittelschicht der Spanplatte verwendet werden und die kleineren Holzspäne bevorzugt in den Deckschichten verwendet werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Holzspäne für die Deckschichten mit dem vorliegenden Flammenschutzmittel versetzt, z.B. besprüht, werden.
Im Falle von Holzspanplatten werden bevorzugt Bindemittel auf Formaldehydbasis eingesetzt, wobei für die Mittelschicht Bindemittelmengen zwischen 5 und 8 Gew%, bevorzugt zwischen 6 und 7 Gew%, und für die Deckschicht zwischen 6 und 10 Gew%, bevorzugt zwischen 8 und 9 Gew% eingesetzt werden. Bei Einsatz eines Bindemittels auf Polyurethan-Basis, wie PMDI, in Holzspanplatten beträgt die Bindemittelmenge in der Mittelschicht zwischen 2 und 5 Gew%, bevorzugt 3 Gew%, und in der Deckschicht zwischen 4 und 8 Gew%, bevorzugt 5 Gew%.
Nach dem Beleimen werden die beleimten Holzspäne auf ein Transportband unter Ausbildung eines Spankuchens aufgestreut. Im Falle der Holzspäne wird üblicherweise mit einer Windstreuung gearbeitet, wobei zunächst eine erste Deckschicht, gefolgt von der Mittelschicht und abschließend eine zweite Deckschicht gestreut wird.
Der Spankuchen wird anschließend zunächst vorgepresst und anschließend bei Temperaturen zwischen 100°C und 250°C, bevorzugt 130°C und 220°C, insbesondere bei 200°C heiß verpresst. Die vorliegende Holzwerkstoffplatte in Form einer Holzspanplatte kann eine Rohdichte zwischen 400 und 1200 kg/m3, bevorzugt zwischen 500 und 1000 kg/m3, insbesondere bevorzugt zwischen 600 und 800 kg/m3 aufweisen.
Die Dicke der vorliegenden Holzwerkstoffplatte als Holzspanplatte kann zwischen 3 und 20 mm, bevorzugt zwischen 5 und 15 mm betragen, wobei insbesondere eine Dicke von 10 mm bevorzugt ist.
Die vorliegende Holzspanplatte besteht aus 60 bis 90 Gew%, bevorzugt 70 bis 80 Gew% an Holzspänen und 5 bis 20 Gew%, bevorzugt 10 bis 15 Gew% an Bindemitteln.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1 :
Zu einem Flammschutzmittel auf Phosphat-/Polyphosphatbasis (Feststoffgehalt: ca. 50 Gew% werden 5 Gew% ino®dur GW80-N-D (30 Gew%) zugemischt.
Synthese des Additivs ino®dur GW80-N-D:
15,23 g Glycidyloxypropyltriethoxysilan, 9,75 g Methyltriethoxysilan und 5,7 g Tetraethoxysilan unter Verwendung von 1 ,67 g einer 0,1 molaren Natriumhydroxyd-Lösung werden die Silane hydrolysiert.
Nach einer Rührzeit von 60 Minuten bei 40 °C unter Rückfluss erfolgt eine Zugabe von 2,04 g Zirkon-n-propoxid (70 % in iso-Propanol). Nach einer weiteren Rührzeit von 60 Minuten bei Raumtemperatur wird 8,22 g Wasser hinzugetropft und 7,1 g Ethanol mit Hilfe eines Rotationsverdampfers (T=55°C und pmin= 105 mbar) entfernt.
Kostengünstigere Synthese: Aufgrund eines Preisdruckes sollte zum einen der Arbeitsschritt des Lösemitteltauschs durch einen Rotationsverdampfer vermieden und zum anderen ein kostengünstigeres Silangemisch verwendet werden. Hierzu wurde die Synthese angepasst: Ausführungsbeispiel 2: OSB schwerentflammbar
Zu einem Flammschutzmittel auf Phosphat-/Polyphosphatbasis (Feststoffgehalt: ca. 50 Gew% werden 5 Gew% ino®dur GW80-N-D5 (30 Gew%) zugemischt.
Synthese des Additivs ino®dur GW80-N-D5:
7,61 g Glycidyloxypropyltriethoxysilan, 19,5 g Methyltriethoxysilan und 11 ,4 g Tetraethoxysilan unter Verwendung von 1 ,92 g einer 0,1 molaren Natriumhydroxyd-Lösung werden die Silane hydrolysiert. Nach einer Rührzeit von 60 Minuten bei 40 °C unter Rückfluss erfolgt eine Zugabe von 1 ,24 g Zirkon-n-propoxid (70 % in iso-Propanol).
Nach einer weiteren Rührzeit von 60 Minuten bei Raumtemperatur wir 15,78 g eines Gemisches bestehend aus 60 Teilen Wasser und 40 Teilen Dipropylenglycolmethylether hinzugetropft weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt.
Das fertige Additiv hat nun einen Flammpunkt von ca. 60 °C. Auch eine Zugabe von 25 Gew.% zu dem wässrigen Flammschutzmittel (Phosphat / Polyposphat) ergibt sich ein Flammpunkt weit über 70 °C und kann somit ohne Lösemitteltausch eingesetzt werden.
Dann wird dieses Gemisch in einem Coil ( Beleimtrommel ) auf die Deckschichtstrands für eine OSB in einer Menge von 24 Gew% ( fest auf Holz atro ) aufgesprüht. Es wurden auch 5 Gew% PMDI (100%ig) und 3 Gew% Paraffinemulsion (50 Gew% ig ) dosiert. Für die Mittelschicht wurden Strands in einem weiteren Coil mit 3,5 Gew PMDI (100%ig) und 3 Gew% Paraffinemulsion (50 Gew% ig) besprüht. Nach dem Streuen der Strands werden von der Deckschicht Strands entnommen und auf den Flammschutzmittelgehalt analysiert. Es ergab sich ein Wert von 21 Gew%. Bei einer Nullprobe ohne Fixierungsmittel wurden nur 15 Gew% gefunden. Der Aufbau wurde durch eine Contipresse gefahren und unter Druck und Temperatur zu einer OSB gepresst (22 mm). Hinter der Presse wurden Plattenmuster gezogen und ebenfalls die Flammschutzmittelgehalte bestimmt. Dort ergab sich für die Probe mit Fixierungsmittel ein Wert von 20 Gew% und für die Probe ohne Fixierungsmittel ein Wert von 10 Gew%. Ausführungsbeispiel 3: Spanplatte schwerentflammbar
Zu einem Flammschutzmittel auf Phosphat-/Polyphosphatbasis (Feststoffgehalt: ca. 50 Gew% werden 5 Gew% ino®dur GW80-N-D5 (30 Gew%) zugemischt (Herstellung wie Ausführungsbeispiel 2).
Dann wird dieses Gemisch in einem Mischer auf die Deckschichtspäne für eine Spanplatte in einer Menge von 20 Gew% ( fest auf Holz atro ) aufgesprüht. Es wurden auch 15 Gew% Harnstoff-Formaldehyd-Leim fest ( als 60%ige Lösung ) und 2 Gew% Heissparaffin dosiert. Der Leim enthielt einen Härter auf Basis eines Ammoniumsalzes in einer Menge von 5 Gew% fl./fl. ( 50%ige Lösung ).
Nach dem Streuen der Deckschichten und der Mittelschicht (Beleimung: 7 Gew% Harnstoff- Formaldehyd-Leim (fest auf Holz atro, 60%ige Lösung mit Härter auf Ammoniumsalzbasis (5 Gew% fl/ auf Leim fl.)). Den Mittelschichtspänen wurden ebenfalls 2 Gew% Heissparaffin zugegeben. Die Beleimung erfolgte ebenso wie bei der Deckschicht in einem Trogmischer.
Nach dem Streuen der Deck- und Mittelschicht, werden von der Deckschicht Späne entnommen und auf den Flammschutzmittelgehalt analysiert. Es ergab sich ein Wert von 16 Gew%. Bei einer Nullprobe ohne Fixierungsmittel wurden nur 13 Gew% gefunden. Die Späne wurden in einer Contipresse zu einer Dreischichtspanplatte verpresst (18 mm). Hinter der Presse wurden Plattenmuster gezogen und ebenfalls die Flammschutzmittelgehalte bestimmt. Dort ergab sich für die Probe der Deckschicht mit Fixierungsmittel ein Wert von 15 Gew% und für die Probe ohne Fixierungsmittel ein Wert von 12 Gew%.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Holzwerkstoffplatte aus Holzpartikeln, wobei mindestens ein Flammschutzmittel in Form einer Suspension während des Herstellungsprozesses auf die Holzpartikel aufgebracht wird, wobei die Flammschutzmittelsuspension umfasst
- mindestens ein Phosphatsalz und/oder Sulfat,
- eine Mischung aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I)
R1aSiX(4-a) (I), wobei
- X Alkoxy ist, und
- R1 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkyl Cycloalkyl oder Phenyl, und
- a = 1 , 2, 3, insbesondere 1 oder 2 ist,
- mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
SiX4 (II), wobei X Alkoxy ist, und
- mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (III)
R2SiX3 (III), wobei
- X Alkoxy ist, und
- R2 ein organischer Rest ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1 -C10 Alkyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können, und - wobei R2 mindestens eine funktionelle Gruppe Qi aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend eine Methacryl-, Methacryloxy-, Vinyl-, und Epoxid- Gruppe. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass X ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend Ci-6-Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy und Butoxy. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass R1 der Verbindung der allgemeinen Formel (I) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend C1 -C10 Alkyl, bevorzugt C1 -C8 Alkyl, insbesondere bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der allgemeinen Formel (I) R1SiX3 oder R1 2SiX2 mit R1 als C1 -C10 Alkyl-Gruppe, bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, und mit X als Alkoxy, insbesondere Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy oder i-Propoxy ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass R2 der Verbindung der allgemeinen Formel (III) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, die durch -O- oder -NH- unterbrochen sein können. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine funktionelle Gruppe Q1 der Verbindung der allgemeinen Formel (III) ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend Epoxid-, Amino- und Vinyl-Gruppe. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch das gekennzeichnet, dass die Silanmischung 5-25 Gew%, bevorzugt 10-20 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (I), 3-15 Gew%, bevorzugt 6-11 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (II) und 5-20 Gew%, bevorzugt 8-15 Gew% von mindestens einem Silan der Formel (III) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Phosphatsalz ein Monophosphat oder Polyphosphat, oder eine Mischung mit einem Sulfat ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Glycolether enthalten ist, insbesondere Dipropylenglycolmonomethylether, T ripropylenglycolmonomethylether, 1 -Methoxy-2- propanol, Tripropylenglykol-monobutylether, Propylenglykol-butylether, Ethylenglykolmonophenylether. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Metallalkoxid, insbesondere ein Zirkoniumalkoxid, wie Zirkonium-n- propoxid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Holzwerkstoffplatte eine Grobspan (OSB)-Platte, Spanplatte oder Sperrholzplatte ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
-Bereitstellen von Holzpartikeln; insbesondere getrockneten Holzpartikeln;
-Beleimen der Holzpartikel mit einem geeigneten Bindemittel,
- Verpressen der beleimten Holzpartikel zu einer Holzwerkstoffplatte, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flammenschutzmittel auf die Holzpartikel vor, mit oder nach dem Aufbringen des Bindemittels auf die Holzpartikel aufgebracht, insbesondere aufgesprüht wird. OSB-Platte herstellbar in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -12. Holzspanplatte herstellbar in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -12. Verfahren zur Herstellung von einem Flammenschutzmittels gemäß einem der Ansprüche 1 -12 umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von einer wässrigen Suspension enthaltend eine Mischung aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I), mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II) und mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (Hl); b) Zugabe von mindestens einem Katalysator, insbesondere einer basischen Verbindung, zu der Suspension aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III); c) Erwärmen der Mischung aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III) und dem mindestens einen Katalysator; d) Zugabe von mindestens einem Metallalkoxid, insbesondere einem Zirkoniumalkoxid, zu der Mischung, und e1 ) entweder Abtrennen der gebildeten alkoholischen Phase (z.B. durch Verdampfen) von der wässrigen Phase der Mischung aus mindestens einer Verbindung der Formel (I), der Formel (II) und der Formel (III) oder e2) Zugabe von einem Gemisch aus Wasser und mindestens einem Glycolmethylether, und f) Zugabe von mindestens einem Phosphat zu der in Schritt e1 ) oder Schritt e2) erhaltenen Mischung.
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