WO2011063799A1 - Lignozelluloser faserwerkstoff, naturfaserverstärkter kunststoff und verfahren zur herstellung - Google Patents

Lignozelluloser faserwerkstoff, naturfaserverstärkter kunststoff und verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2011063799A1
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lignocellulosic
wood
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fiber reinforced
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Holger Unbehaun
Cong Nguyen Trung
Paul Gerhard Weber
Christian BÄURICH
André WAGENFÜHR
Roland Zelm
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Technische Universität Dresden
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Definitions

  • Lignocellulosic fiber material Lignocellulosic fiber material, natural fiber reinforced plastic and method of manufacture
  • the invention relates to a process for the production of fiber materials and natural fiber reinforced plastics according to the features of claim 1.
  • the invention further relates to materials which are produced by the process according to the invention.
  • Fiber materials in the form of MDF (Medium Density Fiber Boards), HDF (High Density Fiber Boards), LDF (Low Density Fiber Boards) or fiber insulation boards are used extensively in the furniture and packaging industry, in the construction industry and used in automotive engineering. These materials are generally made from pulp obtained by thermo-mechanical pulping (TMP) or chemo-thermo-mechanical pulping (CTMP) in the defibrator or refiner of woodchips or other lignocellulosic plant material. The pulp is treated with synthetic resins, e.g. As urea, phenol or melamine-formaldehyde resin or diisocyanates glued, dried and formed into a nonwoven.
  • TMP thermo-mechanical pulping
  • CMP chemo-thermo-mechanical pulping
  • the binder content is usually 3 to 20 wt .-% based on the pulp (atro).
  • the pressing into plate-shaped materials takes place in continuous and discontinuous processes.
  • insulation boards about 200 to 400 kg / m 3
  • medium-hard fibreboard 350 to 800 kg / m 3
  • MDF 650 to 900 kg / m 3
  • HDF 800 to 1200 kg / m 3
  • the wood chips are first washed and then fed to a pre-damper in which at temperatures between 140 and 180 ° C under pressure preplasticization takes place. Thereafter, the chips are fed through a screw to the grinding discs of a refiner and shredded. The pulp is discharged, glued and fed to a dryer via a blowline.
  • pulp from the first pulping stage is generally used. There is a considerable specific energy requirement in the form of drive energy for the grinding disks and thermal energy for the pre-damping of the Wood chips necessary.
  • the cost of electrical grinding work is about 120 to 200 kWh / t otro fibers and thus about 50% of the total energy consumption for MDF production (Buchholz, P .: Influence of chemical wood chips treatment in MDF production (1), WKI Communication 708/1998, Holzzentralblatt No. 7, p. 90, 93, 94).
  • This energy consumption represents a decisive cost factor and puts a burden on the eco-balance due to the high CO2 emissions of the products.
  • lignocellulosic fibrous materials have also been used to make Wood Polymer (Plastic) Composites (WPC) or Natural Fiber Reinforced Plastics (NFP) with reinforcing or filling effects.
  • WPC Wood Polymer
  • NPP Natural Fiber Reinforced Plastics
  • the amount of grinding energy required to produce pulp is influenced by a number of parameters.
  • the plasticization temperature plays a crucial role. Energy consumption in the temperature range between 150 ° C and 170 ° C is reduced from 700 kWh / t to about 200 kWh / t (Deppe, HJ, Ernst, K .: MDF medium-density fibreboard Leinfelden-Echterdingen, DRW-Verlag , 1996).
  • the temperature increase however, set narrow limits, since with increasing temperature, the hydrolysis of the wood components, especially hemicelluloses increases sharply with negative consequences for the yield and the mechanical properties of the materials produced.
  • biotechnological pretreatment of the wood chips with fungal cultures or extracellular enzymes is known.
  • the structure of the wood is achieved by the action of wood-degrading fungi or extracellular enzymes.
  • an energy saving of up to 40% can be achieved after several weeks of incubation.
  • RTS process thermopulp, wood chip pressing
  • RTS method Retention Temperature Speed
  • the speed of the refiner is increased from 1,500 rpm "1 to 2,300 rpm " 1 and the temperature is raised above the lignin softening point for a short time. This causes an increase of the grinding intensity and reduction of the specific energy requirement by about 22% (Münster 1996).
  • Law, K.-N., Lanouette, R . Effect of mechanical conditioning of chips on the quality of softwood TMP: Pulp & Paper Canada 101 (2000), No. 7, pp.
  • the wood chips are subjected to repeated static pressing cycles, thus achieving a reduction of the specific energy requirement by about 18% to 25%.
  • the pulp in the second refining stage is heated to 160 ° C. to 170 ° C. for about 10 s.
  • the specific energy requirement can be reduced by 10% to 20% (Tienvieri, T., Huusari, E., Sundhol, J. Vuorio, P, Kortelainen, J. Nystedt, H.
  • Milling energy consumption could be reduced by about 30% (Akhtar, M., Scott, GM, Houtman, CJ 2001: Recent developments in biopulping technology, Abstract Book of 8th International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper ln-industry, June 4-8, 2001, Helsinki, Finland, p 39-41; Messner, K .: Pretreatment of woodchips with selective lignin-degrading fungi and ultrastructural bases of the enzyme reaction, in Miletzky, F., Borchers, B .: Enzymtechnik, the use of Enzymes in paper technology, PTS seminar 1995). When using extracellular enzymes was achieved at exposure times of 1 to 12 h in combination with a Pressafiner opposition freedom energy savings of 13 to 15% (US 2007/0151683 A1).
  • the object of the invention is to provide a process for the production of lignocellulosic fiber materials and natural fiber reinforced plastics with reduced energy consumption and the same or improved properties.
  • the object of the invention is achieved by a method according to the features of claim 1.
  • the dependent claims 2 to 7 relate to preferred embodiments of the method according to the invention.
  • the materials are characterized by the features of claims 8 and 9 and obtainable by a method according to any one of claims 1 to 7.
  • the underlying this application method is based on a pretreatment of wood chips or other lignocellulosic starting materials with high-energy radiation in the form of electron radiation, gamma radiation, X-rays and their combination with subsequent defibration and further processing into fiber materials.
  • particles preferably of wood, but also from other lignocellulosic substances such as rapeseed straw, flax and hemp stalks, cereal straw, coconut fibers, bamboo, rice straw, bagasse, u. a.
  • the said starting materials for. As woodchips, are preferably prepared in a conventional manner in a hacker or fall as a side assortment in profile cutting. Stem material from cereal straw, hemp or flax is pre-shredded in a shredder. For flax and hemp, the cockroaches can be used separately.
  • the lignocellulosic particles are exposed to high-energy radiation. This loosening of the wood texture is achieved.
  • the radiation energy can be applied in the form of electron radiation, gamma radiation or X-radiation. Due to a greater penetration depth, electron radiation is preferably used, the dose of radiation energy being applied in the range from 10 to 50 kGy, preferably in the range from 20 to 30 kGy and either in one operation or in a plurality of individual doses.
  • the treatment of the particles with high-energy radiation can also be carried out in combination with a chemical, enzymatic or mechanical pre- or post-treatment. Thus, a treatment of the particles z. B. with bisulphite, caustic soda, hydrolytic or lignin oxidizing enzymes.
  • the irradiated particles are ground or defibered in one or more stages by mechanical or thermomechanical methods in a defibrator, extruder or refiner.
  • the particles are thermo-mechanically defibrated after a pre-damping in a defibrator at temperatures in the range of 150 to 180 ° C. Due to the irradiation, a reduction of the specific net energy consumption of about 30 to 40% can be achieved.
  • Particles from other fiber crops such as canola, hemp, flax and grain straw can be fiberized purely mechanically in the refiner or in the extruder even without thermal pretreatment.
  • the fibers can be processed into materials by wet, dry and semi-dry methods.
  • the fibers are dried to a residual moisture content of less than 25% by weight (based on otro fiber mass).
  • the semi-dry process the residual moisture is 20 to 35 wt .-% and the wet process up to 120%.
  • the pulp is processed into nonwovens and pressed under the influence of heat and pressure. In the manufacture of insulation boards, only a calibration of the nonwovens and a flow of steam or hot air.
  • the recovered pulp can also be used as a filling or reinforcing component for the production of Wood Polymer Composites (WPC) or Natural Fiber Reinforced Plastics (NFP) with thermoplastic, thermoset or biopolymer based matrix materials.
  • WPC Wood Polymer Composites
  • NPP Natural Fiber Reinforced Plastics
  • the density of the materials produced can be in the range of 100 to 1200 kg / m 3 , in MDF preferably in the range of 700 to 900 kg / m 3 and Dämmplätten in the range of 50 to 450 kg / m 3 .
  • the materials can be widely used in the furniture and construction industry, in the packaging sector and in the automotive industry.
  • the materials, in particular MDF produced from fibrous materials which have been obtained by a combination of electron irradiation of the woodchips with a subsequent thermomechanical defibration have compared to materials produced by conventional method significantly better bending and transverse tensile strengths and reduced thickness swelling and water absorption. This leads to savings in production costs and an improved ecological balance.
  • Example 1 The invention will be explained below with reference to examples.
  • Example 1 Example 1 :
  • Wood chips from spruce (WA 46 m%) are irradiated by means of an electron beam source of 10 MeV with an absorbed dose of 30 KGy. Subsequently, the chips are pre-steamed at 140 ° C for 5 min and defibrated in a defibrator with a grinding gap of 0.3 mm. To obtain a comparison or reference value, wood chips are fiberized without prior irradiation.
  • the recovered pulp is dried in an air dryer to a humidity of 4%, glued with 4% PMDI, scattered to a nonwoven and pressed at 180 ° C to 5 mm thick MDF with a density of 800 kg / m 3 .
  • Example 1 wood chips are irradiated or used without irradiation as a control. Subsequently, the chips are pre-damped at an elevated temperature of 155 ° C for 5 min and defibrated in a defibrator with a grinding gap of 0.3 mm.
  • the recovered pulp was processed as in Ex. 1 to materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lignozellulosen Faserwerkstoffen oder naturfaserverstärkten Kunststoffen, insbesondere mitteldichten Holzfaserplatten und Faserformkörpern, Holzfaserdämmplatten, Wood Polymer Composites (WPC) und naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) unter Einsatz lignozelluloser Faserstoffe, die durch eine Kombination aus Hackschnitzelbestrahlung mit energiereicher Strahlung und nachträglicher Zerfaserung hergestellt wurden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Zerfaserung 30 bis 40 % Mahlenergie eingespart werden können und die aus den gewonnenen Faserstoffen hergestellten Werkstoffe verbesserte mechanische und hygroskopische Eigenschaften aufweisen.

Description

Lignozelluloser Faserwerkstoff, naturfaserverstärkter Kunststoff und Verfahren zur Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserwerkstoffen und naturfaserverstärkten Kunstoffen nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin Werkstoffe die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
Faserwerkstoffe in Form von MDF (Medium-Density-Fiber-Boards), HDF (High- Density-Fibre-Boards), LDF (Low-Density-Fiber-Boards) oder Faserdämmplatten werden vielfältig in der Möbel- und Verpackungsindustrie, im Baugewerbe und im Automobilbau eingesetzt. Diese Werkstoffe werden im allgemeinen aus Faserstoff hergestellt, der durch thermo-mechanischen Aufschluss (TMP) oder chemo- thermomechanischen Aufschluss (CTMP) im Defibrator oder Refiner aus Holzhackschnitzeln oder anderem lignozellulosen Pflanzenmaterial gewonnen wird. Der Faserstoff wird mit synthetischen Harzen, z. B. Harnstoff-, Phenol- bzw. Melaminformaldehydharz oder Diisocyanten beleimt, getrocknet und zu einem Vlies geformt. Der Bindemittelanteil beträgt üblicherweise 3 bis 20 Gew.-% bezogen auf die Fasermasse (atro). Das Verpressen zu plattenförmigen Werkstoffen erfolgt in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren. In Abhängigkeit von der Dichte werden Dämmplatten (ca. 200 bis 400 kg/m3), mittelharte Faserplatten (350 bis 800 kg/m3), MDF (650 bis 900 kg/m3) und HDF (800 bis 1200 kg/m3) produziert.
Bei der konventionellen Herstellung von Holzfaserwerkstoffen werden die Holzhackschnitzel zunächst gewaschen und dann einem Vordämpfer zugeführt in dem bei Temperaturen zwischen 140 und 180 °C unter Druck eine Vorplastifizierung erfolgt. Danach werden die Hackschnitzel über eine Schnecke den Mahlscheiben eines Refiners zugeführt und zerfasert. Über eine Blowline wird der Faserstoff ausgetragen, beleimt und einem Trockner zugeführt. Bei der Herstellung von Faserplatten wird i. d. R. Faserstoff aus der ersten Zerfaserungsstufe eingesetzt. Dabei ist ein erheblicher spezifischer Energiebedarf in Form von Antriebsenergie für die Mahlscheiben und thermischer Energie für das Vordämpfen der Holzhackschnitzel notwendig. Der Aufwand an elektrischer Mahlarbeit liegt bei ca. 120 bis 200 kWh/t otro Fasern und damit bei ca. 50 % des Gesamtenergieverbrauches für die MDF-Herstellung (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF- Herstellung (1 ), WKI-Mitteilung 708/1998, Holzzentralblatt Nr. 7, S. 90, 93, 94). Dieser Energieverbrauch stellt einen entscheidenden Kostenfaktor dar und belastet die Ökobilanz durch eine hohe CO2- Belastung der Produkte.
In jüngster Zeit werden lignozellulose Faserstoffe auch zur Herstellung von Wood Polymer (Plastic) Composites (WPC) oder Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) mit verstärkender oder füllender Wirkung eingesetzt. Insbesondere bei WPC werden Faseranteile von bis zu 90 % eingesetzt. Auch ist hier eine kostengünstige Faserherstellung von Bedeutung.
Der aufzuwendende Mahlenergieverbrauch zur Gewinnung von Faserstoff wird von einer Reihe von Parametern beeinflusst. Insbesondere die Plastifizierungstemperatur spielt eine entscheidende Rolle. So reduziert sich der Energieverbrauch im Temperaturbereich zwischen 150 °C und 170 °C von 700 kWh/t auf ca. 200 kWh/t (Deppe, HJ.; Ernst, K.: MDF-Mitteldichte Faserplatten. Leinfelden-Echterdingen, DRW-Verlag, 1996). Der Temperaturerhöhung sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da mit steigender Temperatur die Hydrolyse der Holzbestandteile, insbesondere der Hemicellulosen stark zunimmt mit negativen Folgen für die Ausbeute und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Werkstoffe.
In (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF- Herstellung (1), WKI-Mitteilung 708/1998, Holzzentralblatt Nr. 7, S. 90, 93, 94) wird der Einsatz einer kombinierten Harnstoffbehandlung zur Vorplastifizierung und Formaldehydbindung untersucht. Bei Einsatz von 6 % Harnstoff wurde neben der Abnahme der Formaldehydabgabe eine Verringerung der Leistungsaufnahme am Refiner um ca. 10 % erreicht. Die Festigkeitswerte werden durch die Vorbehandlung in Abhängigkeit von der Holzart zwar verbessert, jedoch erhöhen sich generell die Quellwerte der hergestellten Werkstoffe (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF- Herstellung (2), WKI-Mitteilung 710/1998, Holzzentralblatt Nr. 19, 292-293). Als eine weitere Möglichkeit zur Verringerung des Mahlenergieaufwandes ist eine biotechnologische Vorbehandlung der Hackschnitzel mit Pilzkulturen oder extrazellulären Enzymen bekannt. Bei diesen Verfahren wird durch Einwirkung von holzabbauenden Pilzen oder extrazellulären Enzymen eine Strukturauflockerung des Holzes erreicht. Bei Einsatz von Pilzkulturen kann nach mehrwöchiger Inkubation eine Energieeinsparung von bis zu 40 % erreicht werden. Allerdings erwies sich die Steuerung der Wachstums- und Abbauprozesse unter industriellen Bedingungen bisher als schwer beherrschbar (Wagenführ, A.: Praxisrelevante Untersuchungen zur Nutzung biotechnologischer Wirkprinzipien bei der Holzwerkstoffherstellung. Dissertation. TU Dresden, 1988; Unbehaun, H., Wolff, M., Kühne, G., Schindel, K., Hüttermann, A.: Hackschnitzelfermentation für die Holzwerkstoffherstellung, Holzforschung und Holzverwertung, Heft 2, 51. Jahrgang, Mai 1999, Seite 24/25).
In der Papierindustrie sind verschiedene Verfahren zur Energieeinsparung durch Variation von Prozessparametern bei der TMP-Erzeugung bekannt (RTS-Verfahren, Thermopulp, Hackschnitzelpressung). So wird beim RTS-Verfahren (Retention Temperature Speed) die Drehzahl der Refiner von 1.500 min"1 auf 2.300 min"1 gesteigert und die Temperatur für kurze Zeit über den Ligninerweichungspunkt erhöht. Dies bewirkt eine Erhöhung der Mahlintensität und Verringerung des spezifischen Energiebedarfs um ca. 22 % (Münster 1996). Bei Law, K.-N., Lanouette, R.: Effect of mechanical conditioning of Chips on the quality of softwood TMP: Pulp & Paper Canada 101 (2000), Nr. 7, S. 31 - 35, 14./15. 1999 FAL Braunschweig werden die Hackschnitzel wiederholten statischen Presszyklen ausgesetzt und so eine Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs um etwa 18 % bis 25 % erreicht. Im Thermopulp-Verfahren der Fa. Sunds wird der Faserstoff in der zweiten Refinerstufe ca. 10 s lang auf 160 °C bis 170 °C erwärmt. Damit lässt sich der spezifische Energiebedarf um 10 % bis 20 % reduzieren (Tienvieri, T., Huusari, E., Sundhol, J. Vuorio, P, Kortelainen, J. Nystedt, H. und Artamo A.: in: Sundholm, J. (Hrsg.): Papermaking Science and Technology: Book 5: Mechanical Pulping: Helsinki, FAPET Oy, 1999, S. 205; Bos, J. H.; Veenstra, P.; Verhoeven, H.; De Vos, P. D.: Das Papierbuch: 1. Auflage DB Houten: EPN Verlag, 1999, S. 78). Bei Sabourin, M. J.: Evaluation of a compressive pretreatment process in TMP properties and en-ergy requirements: Pulp & Paper Canada 101 (2000), Nr. 2, S. 50 - 56 wurden die Hackschnitzel in einem RT Pressafiner bei 1 ,52 bar während einer Verweilzeit von 8 bis 12 Sekunden auf ein Verhältnis von 5:1 verdichtet und anschließend zu TMP verarbeitet, wobei der spez. Energieverbrauch um ca. 10 % gesenkt werden konnte. In der Papierindustrie wurde ebenfalls der Einsatz biotechnologischer Verfahren untersucht. In einem Biopulping-Prozess wurde eine 2 bis 6 wöchige Inkubation der Hackschnitzel mit selektiv ligninabbauenden Pilzkulturen durchgeführt, die eine Auflockerung der Holzstruktur und verbesserte Faserstoffeigenschaften bewirkte. Der Mahlenergieverbrauch konnte dabei um ca. 30 % verringert werden (Akhtar, M., Scott, G. M., Houtman, C. J. 2001 : Recent developments in biopulping technology, Abstract Book of 8th International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper ln-dustry, June 4-8, 2001 , Helsinki, Finland, p 39-41 ; Messner, K.: Vorbehandlung von Hackschnitzeln mit selektiv ligninabbauenden Pilzen und ultrastrukturelle Grundlagen der Enzym reaktion, in Miletzky, F., Borchers, B.: Enzymtechnik, der Einsatz von Enzymen in der Papiertechnik, PTS-Seminar 1995). Bei dem Einsatz von extrazellulären Enzymen wurde bei Einwirkzeiten von 1 bis 12 h in Kombination mit einer Pressafinerbehandlung Energieeinsparungen von 13 bis 15 % erreicht (US 2007/0151683 A1).
Granfeld, Th.; Jackson, M.; Iverson, St; Chuaqui, Cl.; Free, D.: The effects of electron beam pretreatment of wood Chips on energy consumption in high yield pulping: Tappi Journal 75 (1992), Nr. 6, S. 175 - S. 182 untersuchte die Auswirkungen der Bestrahlung von Hackschnitzeln mit Elektronenstrahlen. Bei den Nadelholzfaserstoffen konnte der Energiebedarf gegenüber den unbehandelten Stoffen um 20 % bis 25 % reduziert werden. Dabei wurden die Eigenschaften des TMP, insbes. die Festigkeitseigenschaften von Papier, verschlechtert.
Die genannten Verfahren wurden in der Papierindustrie bei mehrstufiger TMP- Herstellung eingesetzt und ausschließlich im Hinblick auf eine Papierherstellung untersucht. Der Einsatz dieser Verfahren für die einstufige Herstellung von TMP und dessen Weiterverarbeitung zu Faserwerkstoffen bzw. faserverstärkten Polymeren erfolgte nicht.
Bei Untersuchungen von Schneider, T., Roffael, E., Dix, B.: Einfluß von Holzaufschlussverfahren (TMP-, CTMP-Verfahren) und Aufschlußbedingungen auf die physikalisch-technologischen Eigenschaf-ten von mitteldichten Faserplatten, Holz als Roh- und Werkstoff 58, 2000, S. 277, Springer-Verlag wurde der Einfluss von Plastifizierungstemperaturen bis 180 °C und die Zugabe von Chemikalien, wie Natriumsulfit und Natriumhydroxid auf die Faser- und Werkstoffeigenschaften von MDF untersucht. Ältere Arbeiten befassen sich mit dem Einfluss einer Ammoniakbehandlung auf bestimmte Eigenschaften von Faser- und Spanplatten (Kalnins, A.J., Darzins, T.A., Jukna, A.D., Berzins, G.W.: Physikalisch-mechanische Eigenschaften des mit Ammoniak chemisch plastifizierten Holzes, Holztechnologie 8/1967, 22-28; Roffael, E., Parameswaren, N.: Kenntnisstand und Untersuchungsergebnisse zur Wirkung von Ammoniak auf Holzspäne, Holz als Roh- und Werkstoff 42/1984, 327-333). Bei Krug, D., Kehr, E.: Einfluss des Aufschlussdruckes bei der Faserstoffherstellung auf die Quel-Iungsvergütung von MDF, Holz als Roh- und Werkstoff 59 (2001) 342-343, Springer-Verlag 2001 wurden Zerfaserungstemperaturen bis 200 °C angewandt. Die höheren Temperaturen führten zwar zu verbesserten Quelleigenschaften von MDF, die Festigkeitseigenschaften wurden jedoch aufgrund verstärkter Hydrolyse der Holzbestandteile negativ beeinflusst. Eine Untersuchung der notwendigen Mahlenergie erfolgte in den genannten Arbeiten nicht.
Untersuchungen zur Vorbehandlung und Zerfaserung von Hackschnitzeln bei der Holzwerkstoffherstellung zielten in der Vergangenheit ausschließlich auf eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaften ab. Entwicklungen zur Energieeinsparung im Zerfaserungsprozess erfolgten bisher kaum.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von lignocellulosen Faserwerkstoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen mit reduziertem Energieverbrauch und gleichen oder verbesserten Eigenschaften.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 7 betreffen bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Werkstoffe sind gekennzeichnet durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 und erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Das dieser Anmeldung zugrundeliegende Verfahren basiert auf einer Vorbehandlung von Holzhackschnitzeln oder anderen lignozellulosen Ausgangstoffen mit energiereicher Strahlung in Form von Elektronenstrahlung, Gamma-Strahlung, Röntgenstrahlung und deren Kombination mit nachfolgender Zerfaserung und Weiterverarbeitung zu Faserwerkstoffen.
Überraschenderweise führt die Behandlung von lignocellulosen Partikel mit energiereicher Strahlung der genannten Strahlungsarten in Kombination mit einer nachfolgenden Mahlung, nicht wie vermutet, zu einer Verschlechterung der mechanischen und hygroskopischen Eigenschaften von aus dem Faserstoff hergestellten Faserwerkstoffen, sondern es wird neben der Mahlenergieeinsparung auch eine signifikante Verbesserung der Festigkeiten und eine Verringerung von Dickenquellung und Wasseraufnahme der Werkstoffe erreicht.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren dienen Partikel, vorzugsweise aus Holz, aber auch aus anderen lignocellulosen Stoffen wie Rapsstroh, Flachs- und Hanfstengel, Getreidestroh, Kokosfasern, Bambus, Reisstroh, Bagasse, u. a.
Die genannten Ausgangsmaterialien, z. B. Holzhackschnitzel, werden vorzugsweise auf konventionelle Weise in einem Hacker hergestellt oder fallen als Nebensortimente bei der Profilzerspanung an. Stengelmaterial von Getreidestroh, Hanf oder Flachs wird in einem Häcksler vorzerkleinert. Bei Flachs und Hanf können die Schaben separat genutzt werden.
Die lignozellulosen Partikel werden einer energiereichen Strahlung ausgesetzt. Dabei wird eine Lockerung des Holzgefüges erreicht. Die Strahlungsenergie kann in Form von Elektronenstrahlung, Gamma-Strahlung oder Röntgenstrahlung appliziert werden. Aufgrund einer größeren Eindringtiefe wird vorzugsweise Elektronenstrahlung eingesetzt, wobei die Strahlenenergiedosis im Bereich von 10 bis 50 kGy, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 kGy und entweder in einem Arbeitsgang oder in mehreren Einzeldosen appliziert wird. Die Behandlung der Partikel mit energiereicher Strahlung kann auch in Kombination mit einer chemischen, enzymatischen oder mechanischen Vor- oder Nachbehandlung erfolgen. So kann eine Behandlung der Partikel z. B. mit Bisulphit, Natronlauge, hydrolytischen oder ligninoxidierenden Enzymen erfolgen. Außerdem ist eine Vorbehandlung von Hackschnitzeln mit holzabbauenden Pilzstämmen möglich. Des Weiteren können die Hackschnitzel einer quetschenden bzw. Druckbehandlung, z. B. im Pressafiner unterzogen werden. Durch eine Kombination der Hackschnitzelbestrahlung mit den genannten Behandlungsarten kann eine weitere Lockerung des Holzgefüges und eine Energieeinsparung erreicht werden. Außerdem ist eine Erreichung spezieller Fasereigenschaften möglich.
Anschließend werden die bestrahlten Partikel mit mechanischen oder thermomechanischen Verfahren in einem Defibrator, Extruder oder Refiner in ein oder mehreren Stufen gemahlen bzw. zerfasert. Vorzugsweise werden die Partikel nach einer Vordämpfung in einem Defibrator einstufig bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 180 °C thermomechanisch zerfasert. Durch die Bestrahlung kann hierbei eine Reduzierung des spezifischen Nettomahlenergieverbrauches von ca. 30 bis 40 % erreicht werden.
Partikel aus anderen Faserpflanzen wie Raps-, Hanf-, Flachs-, und Getreidestroh können auch ohne thermische Vorbehandlung rein mechanisch im Refiner oder im Extruder zerfasert werden.
Eine alternative Variante dazu ist das Dampfexplosionsverfahren nach Mason. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial nach Behandlung mit Dampf und Druck schnell entspannt und aufgrund des Berstdruckes werden die Fasern voneinander getrennt.
Nach der Zerfaserung lassen sich die Fasern im Nass-, Trocken- und Halbtrockenverfahren zu Werkstoffen verarbeiten. Beim Trockenverfahren werden die Fasern auf eine Restfeuchte unter 25 Gew.-% (bezogen auf otro Fasermasse) getrocknet. Bei dem Halbtrockenverfahren beträgt die Restfeuchte 20 bis 35 Gew.-% und beim Nassverfahren bis zu 120 %. Zur Erzielung der gewünschten Werkstoffeigenschaften können den Fasern vor und/oder nach der Trocknung synthetischen oder natürlichen Bindemittel, thermoplastische Bindefasern, faseraktivierende Enzyme und/oder andere Additive zugesetzt werden. Der Faserstoff wird zu Vliesen verarbeitet und unter Einfluss von Wärme und Druck verpresst. Bei der Herstellung von Dämmplatten erfolgt lediglich eine Kalibrierung der Vliese und eine Durchströmung mit Dampf oder Heißluft. Der gewonnene Faserstoff kann auch als füllende oder verstärkende Komponente zur Herstellung von Wood Polymer Composites (WPC) oder Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) mit Matrixmaterialien auf Thermoplast-, Duroplast- oder Biopolymerbasis eingesetzt werden.
Die Dichte der hergestellten Werkstoffe kann im Bereich von 100 bis 1.200 kg/m3 liegen, bei MDF vorzugsweise im Bereich von 700 bis 900 kg/m3 und bei Dämmplätten im Bereich von 50 bis 450 kg/m3.
Die Werkstoffe können vielfältig in der Möbel- und Bauindustrie, im Verpackungsbereich und im Automobilbau eingesetzt werden.
Die Werkstoffe, insbesondere MDF hergestellt aus Faserstoffen die durch eine Kombination von Elektronenbestrahlung der Hackschnitzel mit einer anschließenden thermomechanischen Zerfaserung gewonnen wurden besitzen gegenüber Werkstoffen hergestellt nach konventioneller Verfahrensweise deutlich bessere Biege-, und Querzugfestigkeiten und eine verringerte Dickenquellung und Wasseraufnahme. Das führt zu Einsparungen an Produktionskosten und einer verbesserten ökologischen Bilanz.
Es ist überraschend und nicht naheliegend, dass eine Behandlung von lignocellulosen Partikel mit energiereicher Strahlung in Kombination mit einer nachfolgenden Mahlung, nicht zu einer Verschlechterung der Eigenschaften von aus dem Faserstoff hergestellten Faserwerkstoffen führt, sondern das sowohl eine Mahlenergieeinsparung als auch eine signifikante Verbesserung der Festigkeitseigenschaften und eine positive Verringerung von Dickenquellung und Wasseraufnahme der Werkstoffe erreicht werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert. Beispiel 1 :
Holzhackschnitzel aus Fichtenholz (WA 46 m%) werden mittels einer Elektronenstrahlenquelle von 10 MeV mit einer Energiedosis von 30 KGy bestrahlt. Anschließend werden die Hackschnitzel bei 140 °C 5 min vorgedämpft und in einem Defibrator mit einem Mahlspalt von 0,3 mm zerfasert. Zur Gewinnung eines Vergleichs- bzw. Referenzwertes werden Hackschnitzel ohne vorherige Bestrahlung zerfasert.
Der gewonnene Faserstoff wird in einem Luftstromtrockner auf eine Feuchte von 4 % getrocknet, mit 4 % PMDI beleimt, zu einem Vlies gestreut und bei 180 °C zu 5 mm dicken MDF mit einer Rohdichte von 800 kg/m3 verpresst.
Die Eigenschaften der hergestellten MDF sind in folgender Tabelle aufgeführt.
Figure imgf000010_0001
Es kann eine deutliche Reduzierung des Mahlenergieverbrauchs durch eine Hackschnitzelbestrahlung erreicht werden. Sowohl die Festigkeits- als auch die Quelleigenschaften zeigen deutliche Verbesserungen aufgrund einer Bestrahlung der Hackschnitzel mit Elektronenstrahlung. Beispiel 2:
Wie in Beispiel 1 werden Holzhackschnitzel bestrahlt bzw. ohne Bestrahlung als Kontrolle eingesetzt. Anschließend werden die Hackschnitzel bei einer erhöhten Temperatur von 155 °C 5 min vorgedämpft und in einem Defibrator mit einem Mahlspalt von 0,3 mm zerfasert.
Der gewonnene Faserstoff wurde wie in Bsp. 1 zu Werkstoffen weiterverarbeitet.
Die Eigenschaften der hergestellten MDF sind in folgender Tabelle aufgeführt.
Figure imgf000011_0001
Auch bei erhöhten Zerfaserungstemperaturen wird eine deutliche Reduzierung des Mahlenergiebedarfs durch eine Hackschnitzelbestrahlung erreicht. Sowohl die Festigkeits- als auch die Quelleigenschaften zeigen auch hier deutliche Verbesserungen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von lignozellulosen Faserwerkstoffen oder naturfaserverstärkten Kunststoffen, bei dem
a) lignozellulose Partikel mit Elektronenstrahlung, Gamma-Strahlung oder Röntgenstrahlung und deren Kombination behandelt werden,
b) die Partikel durch mechanischen, thermomechanischen, chemischen Aufschluss, oder durch deren Kombination nach der Behandlung mit den unter 1a) genannten Strahlungsarten zerfasert werden,
c) und der gewonnene Faserstoff nach der Zerfaserung zu lignozellulosen Faserwerkstoffen oder naturfaserverstärkten Kunststoffen weiterverarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als lignozellulose Partikel Holzhackschnitzel, -faserbündel, -späne oder Partikel aus ein und mehrjährigen Pflanzen, Bambus oder Bagasse eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Elektronenstrahlung mit einer Dosierung im Bereich von 10 bis 50 kGy, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 kGy und entweder in einem Arbeitsgang oder in mehreren Einzeldosen appliziert wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Partikel mit Elektronenstrahlung, Gamma-Strahlung oder Röntgenstrahlung und deren Kombination mit einer chemischen, enzymatischen oder mechanischen Vor- oder Nachbehandlung z. B. mit Bisulphit, Natronlauge, hydrolytischen oder ligninoxidierenden Enzymen, Pilzstämmen oder einer quetschenden bzw. Druckbehandlung kombiniert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Faserstoff mit oder ohne Zusatz von Bindemitteln und Additiven zu einem Vorprodukt geformt, vorverdichtet, in die gewünschte Form gebracht und danach unter Druck und gegebenenfalls Hitzeeinwirkung verpresst wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Faserstoff mit Zusatz von Bindemitteln und/oder thermoplastischen Bindefasern und Additiven zu einem Vorprodukt geformt, in die gewünschte Form gebracht und mit Dampf oder heißer Luft durchströmt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Faserstoff mit thermo- oder duroplastischen Polymeren oder Biopolymeren zu NFK oder WPC weiterverarbeitet wird.
8. Lignozelluloser Faserwerkstoff oder naturfaserverstärkter Kunststoff, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das der Faserwerkstoff oder Kunststoff verbesserte mechanische und hygroskopische Eigenschaften und eine durch Weiterverarbeitung bestimmte Dichte im Bereich von 50 kg/m3 bis 1200 kg/m3 aufweist.
9. Lignozelluloser Faserwerkstoff oder naturfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoff oder Kunststoff als plattenförmiger Werkstoff, leichte Holzfaserplatte, mitteldichte Faserplatte, dreidimensional geformter Werkstoff, faserverstärkter Polymerwerkstoff, WPC oder NFK ausgebildet ist.
10. Lignozelluloser Faserwerkstoff oder naturfaserverstärkter Kunststoff, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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