Verfahren zur Herstellung von Formkörpern sowie nach diesem Verfahren hergestellter
Formkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere Platten, aus zerkleinerten zellulosehaltigen Materialien unter Verwendung eines Bindemittels.
Die Erfindung betrifft ferner einen nach diesem Verfahren hergestellten Formkörper. Dieses Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung von Spanholzplatten oder Faserplatten anwendbar.
Bei der Herstellung von Spanholzplatten wurden bisher praktisch nur hitzehärtbare Harze der Harnstoffformaldehyd- und Phenolformaldehydart benutzt. Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um die genannten, ziemlich kostspieligen Bindemittel durch billigere, einschliesslich Lignin bzw. Kondensationsprodukte des Lignins mit Aldehyden, Phenolen oder Aminen zu ersetzen, bisher aber ohne Erfolg.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass man als Bindemittel Ligninprodukte verwendet, das zellulosehaltige Material mit dem Bindemittel innig mischt, die erhaltene Mischung presst und dabei zur Vorhärtung erhitzt, und nachfolgend einer zweiten Härtung unterwirft. Als Ligninprodukt wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren insbesondere die Ablauge aus der Herstellung von Zellulose, wie sie z. B. in der Papierindustrie anfällt, verwendet.
Als zellulosehaltige fMaterialien können Holzspäne, Zellulosefasermaterial, Stroh, Bagasse, Hanf und Sisal sowie Sägemehl und Holzmehl, verwendet werden.
Es war sehr überraschend, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren durch die erfindungsgemässe Kombination eines zweistufigen Härtungsverfahrens, das für die Herstellung von kunstharzgebundenen Spanplatten an sich bekannt ist, mit der Verwendung eines Bindemittels auf Ligninbasis so gute Ergebnisse erzielt wurden. Es können so Spanholzplatten und andere Faserstofferzeugnisse sowie gepresste Produkte aus Holzmassen oder Fasermassen hergestellt werden, die gleichwertig oder besser sind als Platten, die in bekannter Weise unter Verwendung von hitzehärtbaren Harzen der Harnstofformaldehyd- oder Phenolformaldehydklasse als Bindemittel erhalten wurden. Ausserdem bringt das erfindungsgemässe Verfahren durch die Verwendung der in der Zellstoffindustrie als Abfallprodukt auftretenden Sulfitlauge grosse wirtschaftliche Vorteile.
Diese Teilung des Härtungsprozesses in zwei Stufen ist ein wichtiges Verfahrens-Merkmal, weil es bei der Anwendung des üblichen Einstufenhärteverfahrens bei weitem nicht möglich ist, eine Zugfestigkeit zu erreichen, die mit der beim vorliegenden Zweistufenhärteverfahren erzielten vergleichbar ist.
Man nimmt an, dass dieser zweistufige Härtungsprozess also die zweimalige thermische Behandlung des Gemisches aus zellulosehaltigem Material und Bindemittel, nicht nur das Bindemittel sondern auch das zellulosehaltige Material selbst beeinflusst.
Vorzugsweise wird die erste thermische Behandlung, also die Vorhärtung bei einer Temperatur von 170 bis 230 C durchgeführt, und die zweite Härtung durch eine zweite thermische Behandlung bei einer Temperatur von 180-230 C erreicht.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die zweite thermische Behandlung unter Druck, beispielsweise in einem Autoklav durchzuführen. Man kann auf diese Weise Spanholzplatten erhalten, die wesentlich wasserresistenter sind als die üblichen kunstharzgebundenen Spanholzplatten. Man vermutet, dass diese überraschend gute Wasserfestigkeit der erfindungsgemäss hergestellten Spanholzplatten, bei welchen die zweite thermische Behandlungsstufe unter Druck durchgeführt wurde, unter anderem auch auf irgendwelche in den Holzspänen selbst stattfindende Veränderungen zurückzuführen ist. Die so hergestellten Platten können auch an Stellen verwendet werden, wo sie der Feuchtigkeit ausgesetzt sind, also auch im Freien, während die üblichen, kunstharzgebundenen Spanplatten nur für die Verwendung im Haus geeignet waren.
Die Menge an vorzugsweise vorbehandelten Ligninprodukten, beispielsweise von konzentrierter Sulfitlauge, die im Verfahren gemäss der Erfindung benutzt wird, kann sehr verschieden sein, da sie von der Härte und dem Widerstand gegen Druck, die beim Enderzeugnis gewünscht werden, abhängig ist; diese Eigenschaften verbessern sich im allgemeinen im Verhältnis zur angewandten 1Menge Bindemittel.
So kann man 5 bis 100 Gewichtsteile, berechnet als Trockenmasse, des Bindemittels zum Binden von 100 Gewichtsteilen trockenen Holzes verwenden. Bei der Herstellung von Spanholzplatten ist jedoch die Verwendung von 10 bis 25 Gewichtsteilen, berechnet wie oben angegeben, des Bindemittels auf 100 Gewichtsteile Holzspäne vorzuziehen.
Die besten Ergebnisse erhält man, wenn man saure Sulfitlauge, vorzugsweise mit einem pH von etwa 3, verwendet. Wenn die Sulfitlauge selbst nicht sauer genug ist, kann Säure z. B. Essigsäure, zugemischt werden.
Bei einem bestimmten Verhältnis zwischen Bindemittel und zellulosehaltigem Material, insbesondere Spanholz, ist es für die Erzielung der maximalen Festigkeit des Erzeugnisses wichtig, dass das Bindemittel so gleichmässig wie möglich über die Oberfläche der Holzspäne oder -teilchen verteilt wird.
In einer vorzugsweisen Ausführung des Verfahrens wird das Bindemittel durch Zerstäuben in die Holzcharge verteilt. Dies kann auf die verschiedenste Weise geschehen, einmal durch Zuführung der Holzmasse in eine rotierende geschlossene Trommel und Aufsprühen des Bindemittels auf die sich bewegenden Holzteile oder durch Aufsprühen des Bindemittels auf die Masse, während eine Schicht derselben auf ein Förderband aufgebracht wird.
Wenn nun eine Schicht der Masse mit dem angewandten Bindemittel in der gewünschten Dicke aufgebracht ist, wird Druck und Hitze angewendet, um das Erzeugnis zur gewünschten Dichte zusammenzupressen und eine Vorhärtung oder teilweise Härtung des Bindemittels zu erreichen.
Vorzugsweise wird auf 170 bis 2300 C in einer Presse erhitzt, wobei der Druck von der im Endprodukt gewünschten Dichte abhängt.
Entsprechend der gewünschten mechanischen Festigkeit des Endproduktes wurden Drücke von etwa 5 kg/cm2 bis etwa 50 kg/cm2 angewandt. Bei der Herstellung von Spanholzplatten und anderen Produkten ähnlicher Art werden vorzugsweise Drücke zwischen 15 und 35 kg/cm2 verwendet.
Während der Behandlung in der Presse entweicht Wasser aus dem Material, was die gleichmässige Erhitzung des ganzen gepressten Materials verhindern oder verzögern kann. Bei gepressten Erzeugnissen von geringer Dicke, beispielsweise bei Spanholzplatten von 12 und 16 mm Dicke, bringt dies keine Unannehmlichkeiten mit sich, wenn jedoch stärkere Dicken erforderlich sind, ist es nützlich, den Abzug des gebildeten Dampfes zu erleichtern.
Eine bevorzugte Art, dies zu erreichen, ist die Verwendung durchlöcherter Pressplatten, bei denen die Perforationen durch Kanäle oder Rillen verbunden sind, die zu den Rändern der Pressplatten führen. Dadurch wird eine gleichmässige Erhitzung des ganzen Materials leicht erzielt, selbst dann, wenn die Dicke 25 bis 30 mm beträgt.
Wenn etwa 30 Minuten lang unter den genannten Bedingungen gepresst wird, wird eine Vorhärtung erreicht, die das gepresste Erzeugnis formstabil und bearbeitungsfähig macht. Wenn es jedoch mit Wasser oder Feuchtigkeit in Berührung kommt, zerbröckelt oder zerfällt es.
Ein längeres Erhitzen von 60 bis 100 1Minuten bei den gleichen Bedingungen hat sich für das Erzeugnis in dieser Hinsicht als nicht wesentlich verbessernd erwiesen und auch die Biegefestigkeiten werden nicht wesentlich verbessert.
Vorzugsweise werden die Erzeugnisse, sobald die Vorhärtung des Bindemittels beendet ist, d. h. innerhalb von 30 Minuten oder weniger, von der Presse genommen. Sodann werden die erfindungsgemäss einer zweiten Härtung durch Erhitzen unterworfen.
Diese zweite Härtung kann in einem üblichen Trokkenofen bei Temperaturen zwischen etwa 180 und 2300 C während 40 bis 100 Minuten, vorzugsweise zwischen 60 und 80 Minuten, durchgeführt werden.
Auf diese Weise kann man Spanholzplatten mit einer Biegefestigkeit und einer Zugfestigkeit erhalten, die beträchtlich über denjenigen der üblichen kunstharzgebundenen Spanholzplatten liegen und die das erfindungsgemäss hergestellte Erzeugnis zur Verwendung im Hause ausgezeichnet geeignet machen.
Noch bessere Resultate kann man erhalten, wenn man die zweite Härtung durch Erhitzen unter Druck, vorzugsweise im Autoklav durchführt, wobei der Druck im Autoklav während der Erhitzung bis zu 15 Atmosphären ansteigt. Die auf diese Weise hergestellten Erzeugnisse sind bei Bedingungen ausserhalb des Hauses und sogar bei direkter Berührung mit Wasser stabil.
Beispiele
1. Eine Spanholzplatte wurde aus Spanholz und konzentrierter Sulfitlauge im Verhältnis von 3 Gewichtsteilen Spanholz zu 1 Gewichtsteil Sulfilauge (50 S) durch inniges Mischen der Komponenten Giessen der Mischung in Plattenform und Erhitzen des geformten Erzeugnisses in einer Presse bei 1850 C während 30 Minuten bei einem Druck von etwa 20 kg/cm2 hergestellt.
Das vorgeformte und vorgehärtete Erzeugnis wurde dann von der Presse genommen und in einen Trockenofen gebracht, wo es 80 Minuten lang bei 1950 C zur endgültigen Härtung verblieb. Das spezifische Gewicht der fertigen Platten war 0,74 g/cm3 und die Dicke betrug 12 mm.
Eine Probe wurde dem üblichen Wassertest unterworfen, d. h. die Probe wurde 2 Stunden lang in Wasser von 200 C getaucht. Während dieser Zeit adsorbierte die Probe etwa 10,7 % Wasser und die Quellung überstieg nicht 2,4 % der Dicke. Die Zugfestigkeit betrug 4,1 kg/cm2 und die Biegefestigkeit 225 kg/cm2.
2. In der üblichen Weise hergestellte Holzspäne wurden mit konzentrierter Sulfitlauge, die etwa 50 % Trockenmasse enthielt, im Verhältnis von etwa 3 bis 4 Gewichtsteilen Späne zu 1 Gewichtsteil Sulfitlauge gemischt. Die Mischung wurde in eine Form gefüllt und 30 Minuten lang bei 1850 C gepresst; danach wurde das erhaltene plattenartige Gebilde von der Presse genommen und in einen Autoklav gebracht und 80 Minuten auf 1950 C erhitzt. In dieser Zeit erhöhte sich der innere Druck des Autoklav vom Atmosphärendruck auf etwa 10 Atmosphären. Der Druck wird abgelassen und die Spanholzplatte aus dem Autoklav genommen.
Sie hat eine Dicke von 12 mm und ein spezifisches Gewicht von 0,7 g/cm8 mit einer Biegefestigkeit von 230 kg/cm2 und einer Zugfestigkeit von 5,3 kg/cm2, die beträchtlich über den deutschen Normen für Span holzplatten (DIN 4076) liegen, die einen Minimalwert von 200 und 4,0 kg/cm2 für Spanholzplatten von 6 bis 13 mm Dicke verlangen.
Das Eintauchen in Wasser während 2 Stunden bei 200 C ergab eine durchschnittliche Quellung von 1,5 % und eine durchschnittliche Wasseraufnahme von 13,8%.
Gemäss DIN 4076 soll die durchschnittliche Quellung bei diesem Test 6 % nicht übersteigen.
Ähnliche Versuche mit dem gepressten, aber noch nicht im Autoklav behandelten Erzeugnis ergaben eine beträchtlich geringere Zugfestigkeit und beim Eintauchtest zerfielen die Proben vollständig.
Gute Ergebnisse wurden auch beim Herabsetzen oder Erhöhen der Presszeit erhalten, beim Anwenden von Presstemperaturen von etwa 1700 C und mehr bis etwa 2350 C und bei der Behandlung im Autoklav bei 170 bis 2100C während 5 bis 100 Minuten.
3. Tannenspäne wurden mit konzentrierter Sulfit- lauge im Verhältnis von 3 Gewichtsteilen Späne zu 1 Gewichtsteil 50 % iger Sulfitlauge gemischt und die Mischung in einer erhitzten Presse bei 1850 C 30 Minuten lang zu einer Spanholzplatte von 22 mm Dicke gepresst. Die Spanholzplatte wurde dann von der Presse abgenommen und in einem Autoklav 80 Minuten bei 1950 C erhitzt; während dieser Erhitzung erhöhte sich der Druck auf etwa 12 Atmosphären. Die erhaltene Spanholzplatte hat eine Dichte von 0,73, eine Biegefestigkeit von 256 kg/cm2 und eine Zugfestigkeit von 5,7 kg/cm2. Die durchschnittliche Wasseraufnahme bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Test betrug 15,3 % und die durchschnittliche Quellung 3,2 %.