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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserplatten,
insbesondere mitteldichten Faserplatten (MDF), aus cellulosischem
und/oder lignocellulosischem Material. Insbesondere betrifft die
Erfindung die Herstellung von Faserplatten mit extrem niedriger
Formaldehyd-emission und gleichzeitig hoher Feuchtebeständigkeit
und Hydrolyseresistenz der Verleimung.
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Unter
mitteldichten Faserplatten (MDF) werden erfindungsgemäß Faserplatten
verstanden, die nach dem Trockenverfahren, hergestellt werden. MDF
werden unterteilt je nach Rohdichte in leichte MDF, mit Rohdichten
unter 650 kg/m3 und Platten, die eine Rohdichte
zwischen, ca. 650 kg/m3 und rd. 800 kg/m3 aufweisen. Faserplatten mit Rohdichten über 800
kg/m3 werden als HDF (high dnsity fibreboards) bezeichnet.
Faserplatten mit Rohdichten unter 550 kg/m3 werden
als UL-MDF (ultra leichte Faserplatten) bezeichnet [EN 316].
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Für
die Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) werden in Deutschland
vorwiegend Nadelhölzer, insbesondere Kiefernholz (Waldindustrieholz)
eingesetzt. Darüber hinaus wird auch Industrierestholz
der Kiefer und der Fichte als Rohstoff verwendet. Beim Einsatz von
Waldindustrieholz wird das Holz zunächst zu Hackschnitzeln
zerkleinert. Die Holzhackschnitzel werden gewaschen, um eventuell anhaftende
Fremdkörper, insbesondere Sandpartikel zu entfernen. Nach
dem Waschen werden die Hackschnitzel in der Regel bei Temperaturen
von 60°C bis 80°C für einige Minuten
vorgedämpft, um eventuelle Feuchteunterschiede zwischen
den Hackschnitzeln zu egalisieren. Anschließend gelangen
die Hackschnitzel über Schneckenförderung in einen
Kocher (Digester), wo sie unter Dampfdruck und üblicherweise
bei Temperaturen zwischen 160°C und 180°C thermohydrolytisch
aufgeschlossen werden. Dieses Verfahren zur Herstellung des Faserstoffs
wird als thermomechanischer Aufschluss (thermo-mechanical pulping
(TMP)) bezeichnet. Nach dem Aufschluss gelangen die Hackschnitzel
in einen Druckrefiner (Defibrator), wo sie zwischen Mahlscheiben
unter Druck bei Temperaturen von ebenfalls 160°C bis 180°C
zu Einzelfasern oder Faserbündeln zerfasert werden. Dem
Zerfasern im Druckrefiner kann eine weitere Refinerstufe folgen.
Der Holzaufschluss kann chemothermo-mechanisch (CTMP) unter Zugabe von
geeigneten Chemikalien erfolgen (
WO 93/25358 ).
Die Aufschlusstemperatur während des CTMP-Verfahrens kann
weit über 180°C erhöht werden (
DE-OS 10160316 ).
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Nach
der Zerfaserung wird der Faserstoff durch den im Refiner herrschenden
Druck in eine Blasleitung bzw. Beleimungsrohr (Blowline) befördert. Üblicherweise
werden in der Blasleitung die noch feuchten Fasern mit Aminoplastharz
basierten Bindemitteln wie Harnstoffformaldehydharzen (UF-Harze)
oder Melamin-Harnstoffformaldehydharzen (MUF-Harze) beleimt (Blowline-Beleimung). Harnstoffformaldehydharze
(UF-Harze) sind die am meisten verwendeten Bindemittel. Im Prinzip
können aber auch andere Bindemittel wie Phenolformaldehydharze
(PF-Harze), Tanninformaldehydharze (TF-Harze) oder Klebstoffe auf
Basis von polymeren Diisocyanaten (PMDI) für die Beleimung
eingesetzt werden. Ferner können die UF-Harze mit Tannin
und Resorcin modifiziert werden. Tanninformaldehydharze können
auch mit Stärke und/oder Sulfitablaugen gestreckt werden.
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Nach
der Beleimung wird der Faserstoff im Rohrtrockner getrocknet. Im
Trockner erreichen die beleimten Fasern kurzfristig Temperaturen
von 70°C bis 80°C, worauf die Feuchte der Fasern
auf 5%...15% absinkt. Bei der Trocknung von mit UF-Harzen beleimten
Fasern nach dem Blowline-Verfahren kann es infolge einer möglichen
Voraushärtung zu einer Verringerung der Wirksamkeit des
Bindemittels kommen. Der getrocknete und beleimte Faserstoff wird
einer Formmaschine zugeführt, wo er auf ein Sieb gestreut
wird, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die so geformten
Matten werden anschließend zu Platten gepresst. Zur Verkürzung
der Presszeit wird auch vorgeschlagen, die Matten vor dem Pressen
mit Wasser oder Wasserdampf zu behandeln oder anderweitig thermisch
zu erwärmen, wodurch die Temperatur der Matten vor dem
Pressen etwa 100°C erreicht.
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Die
mit Aminoplastharzen als Bindemittel nach dem beschriebenen Verfahren
hergestellten mitteldichten Faserplatten weisen eine geringe Feuchtebeständigkeit
und Hydrolyseresistenz der Verleimung auf und darüber hinaus
meist eine hohe Formaldehydemission. Die Formaldehydemission im Trockner
wird mit zunehmender Aufschlusstemperatur erhöht. Auch
durch die Mitverwendung von formaldehydemittierenden Stoffen wie
UF-gebundenen Recyclingplatten kann die Formaldehydemission während
des Trocknens erhöht werden.
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Es
wurden deshalb verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die Formaldehydabgabe
der MDF zu verringern. So wurde z. B. nach der
DE-PS 2804514 versucht, die Formaldehydabgabe
von MDF durch nachträgliches Behandeln der Faserplatten
mit Ammoniak oder Ammoniak abspaltenden Verbindungen zu vermindern
(
DE-PS 2804514 ). Diese
Nachbehandelung muss jedoch in einer separaten Arbeitsstufe in einer
besonderen Kammer erfolgen.
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Die
Formaldehydabgabe der Platten lässt sich auch durch Reduzierung
des Formaldehydgehalts im Aminoplastharz verringern. Dies hat jedoch den
Nachteil, dass hierdurch die physikalisch-technologischen Eigenschaften
der Platten verschlechtert werden können. In der Industrie
werden meist UF-Harze mit einem Molverhältnis von Formaldehyd zu
Harnstoff (F:U) von 1,1:1 und darunter eingesetzt, um Platten herzustellen,
die den Ansprüchen der Qualität E1 gemäß den
einschlägigen Bestimmungen genügen.
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Formaldehydarme
UF-Harze können mit Melamin oder Melaminformaldehydharzen
modifiziert werden, um dem Abfall in den physikalisch-technologischen
Eigenschaften der Platten entgegenzuwirken. Die Zugabe von Melaminformaldehydharzen
zu UF-Harzen hat oftmals eine Verlängerung der Presszeit
zur Folge. Bei der Herstellung von Holzspanplatten wird vorgeschlagen,
dem Aminoplastharz PMDI zuzusetzen, um den Abfall in den Festigkeitseigenschaften
der hergestellten Platten aufzuheben und die Härtungsgeschwindigkeit
der Harze zu erhöhen (
EP-PS
25245 ). Die Applikation erfolgt durch Abmischung von PMDI
und Aminoplastharz bzw. UF-Harz knapp vor dem Beleimungsmischer,
wobei meist eine Größenordnung von 0,5% PMDI (bezogen
auf atro Span) eingesetzt wird Hierdurch soll eine Presszeitverkürzung
von etwa 1 s/mm erreicht werden können. Insofern treffen
die beiden Komponenten Aminoplastharz und PMDI gleichzeitig auf
die Späne auf. Entscheidend für den Effekt ist
die hohe Reaktivität von PMDI gegenüber den Methylolgruppen
der UF-Harze (
Pizzi und Walton (1992), Holzforschung 46,
Seite 541–547).
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Zur
Verringerung der Formaldehydabgabe wird ferner vorgeschlagen, das
Holz bzw. die Holzzerkleinerungsprodukte nach dem chemo-thermomechanischen
Verfahren (chemo-thermo-mechanical pulping (CTMP)) aufzuschließen,
in einem Defibrator zu zerfasern und die hergestellten Fasern mit dem
Bindemittel wie MUF-, PF-Harzen oder PMDI zu versehen (
EP-PS 0 639 434 B2 ). Bei
dem aus der Papierherstellung bekannten CTMP-Verfahren werden die
Hackschnitzel mit Chemikalien wie Natriumsulfit (Na
2SO
3) und/oder Natriumhydroxid (NaOH) bei hohen
Temperaturen (140°C...170°C) imprägniert und
anschließend ebenfalls bei hohen Temperaturen zerfasert.
Die gewonnenen Faserstoffe werden für sich allein oder
in Kombination mit anderen Faserstoffen (z. B. Altpapier) für
die Herstellung von Zeitungsdruckpapier und anderen Papiersorten
(z. B. Tissue-Papier) herangezogen. Im Unterschied zu der Technologie
bei der Papierherstellung wird gemäß
EP-PS 0 639 434 B2 der gewonnene
Faserstoff nicht gewaschen.
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Beim
Einsatz von Aminoplastharzen zieht das vorgeschlagene CTMP-Verfahren
(
EP-PS 0 639 434 B2 )
zwar eine Verminderung der Formaldehydabgabe der hergestellten MDF
nach sich, hat jedoch keinen nennenswerten positiven Einfluss auf
die physikalisch-technologischen Eigenschaften der UF-Harz gebundenen
Platten und zieht keine Quellungsvergütung nach sich. Die
nach dem CTMP-Verfahren hergestellten Fasern führen zu
MDF, deren Dickenquellung und Wasseraufnahme in der Regel sogar
höher liegen als die, die nach dem TMP-Verfahren hergestellt
sind. Ferner hat das CTMP-Verfahren den Nachteil, dass sich die
Härtungsgeschwindigkeit der Aminoplastharze wie UF-, MUF-
und MUPF-Harze durch Einbringung der alkalisch reagierenden Chemikalien
verlangsamt. Dies hat zur Folge, dass die Produktionskapazität
der MDF-Anlagen verringert wird. Aus diesem Grund fand das CTMP-Verfahren
für die Herstellung von MDF bislang kaum industrielles
Interesse.
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Wie
bereits erwähnt, können neben Aminoplastharzen
auch Polyisocyanat-Klebstoffe (PMDI) bei der Herstellung von MDF
eingesetzt werden (
EP 092699 ,
DE 4122842 ). Klebstoffe
auf Basis von PMDI werden gemäß
DE-OS 4122842 am Ende der Glasleitung
(während der Expansionsphase des Faserstoffs) zugegeben.
Das Bindmittel PMDI kann aber auch den Fasern nach dem Trocknen
bei einer Feuchte von 5%...15% zugesetzt werden. In diesem Fall
laufen die Fasern durch eine Spezial-Leimauftragstrommel. Es ist
auch bekannt, das Bindemittel teils den feuchten Fasern in der Blowline
und teils den getrockneten Fasern im Blender zuzusetzen. Auf diese
Weise sollen die physikalisch-technologischen Eigenschaften der
hergestellten Platten verbessert und der Bindemittelaufwand verringert
werden. Die mit PMDI, optimiert eingesetzt, hergestellten Platten weisen
eine geringere Dickenquellung im Vergleich zu denen mit anderen
Bindemitteln hergestellten Platten auf.
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In
der erwähnten
EP-PS
0 639 434 B2 (vergl. auch
DE-PS
4327774 ) wird auch das CTMP-Verfahren zur Herstellung von
MDF herangezogen. Faserstoffe, die nach
EP-PS 0 639 434 B2 hergestellt
werden, führen im Vergleich zu TMP-Fasern bei Einsatz von
PMDI als Bindemittel zu MDF mit höherer Feuchtebeständigkeit
und Hydrolyseresistenz der Verleimung. Die Dickenquellung und Wasseraufnahme
der PMDI-gebundenen MDF wird durch Anwendung des CTMP-Verfahrens
für die Faserherstellung jedoch meist verschlechtert (
Roffael,
Dix, Hennecke, Krug und Stephanie (2006), Vortrag gehalten anlässlich
des 10. Europäischen Holzwerkstoffsymposiums in Llandudno,
Wales am 11.10.2006, Seite 33 bis 45 des Tagungsbandes).
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In
der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung 102007054123.8
vom 11.11.2007 wird vorgeschlagen, für die Herstellung
von feuchtebeständigen Holzfaserplatten mit niedriger Formaldehydemission
die Fasern nach dem CTMP-Verfahren aufzuschließen und anschließend
nacheinander mit einem Aminoplastharz und Klebstoffen auf Basis
von PMDI zu beleimen, wobei die Reihenfolge der Zugabe von Bindemitteln
eine große Rolle spielt. Vorzugsweise sollte die Zugabe
von PMDI nach der Zugabe von Aminoplastharzen erfolgen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, ein einfaches Verfahren
anzugeben, das es ermöglicht, die Formaldehydabgabe der
mit Aminoplastharzen wie UF-Harz hergestellten MDF zu verringern
ohne dass die Platten nachträglich behandelt werden müssen
und ohne eine Verschlechterung in den physikalischtechnologischen
Eigenschaften der hergestellten Platten oder eine Verringerung der
Produktionsgeschwindigkeit der Anlagen in Kauf nehmen zu müssen.
Mit anderen Worten, Aufgabe der Erfindung war es, unter Einsatz
von Aminoplastharzen als Bindemittel MDF mit niedriger Formaldehydemission
zum einen und hoher Feuchtebeständigkeit und Hydrolyseresistenz
der Verleimung zum anderen herzustellen, ohne die Produktionsgeschwindigkeit der
Anlagen verringern zu müssen oder Nachteile in den Quellungseigenschaften
der Platten in Kauf nehmen zu müssen.
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Es
wurde überraschender weise herausgefunden, dass auf die
Zugabe von Aminoplastharzen nach 102007054123.8 teilweise oder vollständig
verzichtet werden kann, wenn anstelle von frischem Holz teilweise
oder vollständig UF- oder MUF- oder MUPF-gebundene Holzspanplatten
als Rohmaterial für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten verwendet
werden und diese bei hohen Temperaturen aufgeschlossen werden, die
die vermehrte Entstehung von Abbauprodukten des Bindemittels begünstigen.
Durch den Abbau des Aminoplastharzes stellt sich meist eine schwach
saurer bis schwach alkalischer pH-Wert ein, der die Rolle der zuzusetzenden
Chemikalien beim CTMP-Aufschluss übernehmen.
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Diese
Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die bindemittelhaltigen
Lignocellulosen nach dem bekannten chemo-thermo-mechanischen Verfahren
(CTMP-Verfahren) aufgeschlossen werden, und dass die daraus hergestellten
Fasern, ohne ausgewaschen zu werden, zur Herstellung von mitteldichten
Holzfaserplatten (MDF) derart eingesetzt werden, dass sie zuerst
mit einem Aminoplastharz, vorzugsweise einem Harnstoffformaldehydharz
mit einem Molverhältnis F:U von 1:1 oder weniger, in der
Blowline beleimt und anschließend vor oder nach dem Trocknen
mit einem Klebstoff auf Basis von polymeren Diisocyanaten (PMDI) beleimt
und darauf folgend zu Matten gestreut und gepresst werden. Vorzugsweise
erfolgt die Zugabe des PMDI nach Verlassen der Blowline in der Expansionsphase
der Fasern vor dem Trocknen. Das Bindemittel PMDI lässt
sich aber auch nach dem Trocknen der Fasern auf eine Feuchte von
5% bis 15% unter hohem Druck auf die Fasern besprühen.
In diesem Fall brauchen die Fasern nicht schonend getrocknet zu
werden, wie dies bei der Beleimung mit Aminoplastharzen üblich
ist. Diese Vorgehensweise unterscheidet sich grundsätzlich
von der in der
EP-PS 25245 beschriebenen,
die eine Abmischung des PMDI mit dem UF-Harz vor dem Beleimen von Holzspänen
vorsieht. Es kommt hinzu, dass sich die
EP-PS
25245 auf die Beleimung von Holzspänen bezieht
und nicht auf die Beleimung von Holzfasern in der Blowline von Anlagen
zur Herstellung von MDF.
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Es
hat sich überraschend herausgestellt, dass MDF, die nach
der oben beschriebenen Vorgehensweise hergestellt werden, eine relativ
niedrige Formaldehydabgabe aufweisen. Außerdem weisen die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Platten bessere mechanischtechnologische Eigenschaften, vor allem
aber eine hohe Feuchtebeständigkeit, Nassfestigkeit und
Hydrolyseresistenz der Verleimung sowie eine geringe Dickenquellung und
Wasseraufnahme auf, als Platten, die aus Fasern hergestellt sind,
die nach dem thermomechanischen Refiner Aufschluss (TMP-Verfahren)
aufgeschlossen sind und lediglich in der Blowline mit Aminoplastharzen
beleimt und anschließend getrocknet werden. Dieses Verfahren
kombiniert insofern in sinnvoller Weise die Vorteile des CTMP-Verfahrens in
Bezug auf die Reduzierung der Formaldehydemission und die des Klebstoffs
PMDI in Bezug auf die Erhöhung der Feuchtebeständigkeit
und Hydrolyseresistenz der Verleimung der Platten. Die Anwendung des
CTMP-Aufschlussverfahrens verringert auch den Energieaufwand für
den Aufschluss (
WO 93/25358 ).
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Ferner
wurde überraschender Weise festgestellt, dass die Produktionsgeschwindigkeit
der auf diese Weise hergestellten Platten eher erhöht als
erniedrigt wird. Eine weitere Verminderung in der Formaldehydabgabe
lässt sich durch die Beimengung von Harnstoff oder anderen
geeigneten Formaldehydfängern zu PMDI erzielen. Dies ist
insofern überraschend, als PMDI und Aminoplastharze (z.
B. UF-Harze) verschiedene Härtungsmechanismen und Härtungskinetik
aufweisen (vgl. PMDI in the MDF-Industry: A new alternative
for product and process improvements, Resin and blending seminar
proceedings (1998), Page 122, Composite Panel association, Gaithersburg,
MD 20879–1569).
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Das
gekoppelte Ziel der Erfindung, MDF mit geringer Dickenquellung und
Wasseraufnahme sowie hoher Feuchtebeständigkeit und Hydrolyseresistenz
der Verleimung zum einen und geringer Formaldehydabgabe zum anderen
unter Einsatz von Aminoplastharzen, insbesondere UF-Harzen, herzustellen, lässt
sich weder durch Anwendung des TMP-Verfahrens noch durch Anwendung
des CTMP-Verfahrens allein erzielen. Erst durch die Kombination
des CTMP-Verfahrens mit dem aufeinander folgenden Einsatz von Aminoplastharzen
und PMDI lässt sich das Ziel erreichen. Überraschender
Weise spielt auch die Reihenfolge der Zugabe der Bindemittel Aminoplastharz
und PMDI bei der Erreichung des Effektes der geringen Formaldehydabgabe
und der verbesserten Feuchtebeständigkeit und Hydrolyseresistenz
der Verleimung eine große Rolle. Sollte die Zugabe des
PMDI vor der Zugabe des Aminoplastharzes in der Blowline oder gemeinsam
mit ihm erfolgen, lässt dies keine hohe Feuchtebeständigkeit
und Hydrolyseresistenz der Verleimung erreichen. In dieser Hinsicht
unterscheidet sich die erfindungsmäßige Lehre
von der der
EP-PS 25245 ,
die eine Mischung von UF-Harz und PMDI vorsieht, grundsätzlich.
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Als
Bindemittel werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
je nach Anwendungszweck, die bei der Herstellung von MDF für
die Beleimung in der Blowline bekannten Bindemittel wie Harnstoffformaldehydharz
(UF-Harz), Melamin- Harnstoffformaldehydharz (MUF-Harz) und Melamin-Harnstoff-Phenolformaldehydharz
(MUPF-Harz) eingesetzt. Die Aminoplastharze können auch
mit kondensierten Tanninen modifiziert werden. Vor oder nach dem
Trocknen des mit einem Aminoplastharz bereits beleimten Faserstoffs
wird PMDI in geringen Mengen (0,5%...3% bezogen auf atro Fasern)
als Bindemittel eingesetzt.
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Bei
dem Verfahren werden vorteilhaft UF-gebundene Holzfaser- und Holzspanplatten
als Rohstoff für die Plattenherstellung eingesetzt. Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich des Weiteren auch
für die Verwendung von Laubhölzern und Resten
von Einjahrespflanzen. Auch gebrauchte Holzspan- und Holzfaserplatten
können mit dem Verfahren aufgeschlossen werden. Der Aufschluss
erfolgt erfindungsgemäß mit Chemikalien wie Natriumsulfit (Na2SO3) oder mit Natriumhydroxid
(NaOH). Die Chemikalien können einzeln oder gemeinsam eingesetzt
werden. Für bestimmte Anwendungsfälle wird mit
einer Mischung aus Na2SO3 und
NaOH aufgeschlossen. In optimierter Form eingesetzt, wirken sich
diese genannten Chemikalien vorteilhaft auf die Eigenschaften der
fertigen Platten aus.
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Im
Unterschied zur Papiertechnologie soll nach der vorliegenden Erfindung,
wie auch in der
EP-PS
0 639 434 B2 beschrieben, das Auswaschen des CTMP-Stoffs
unterbleiben, zumal sich das Weglassen dieser Verfahrensstufe als
besonders vorteilhaft für die Ausbildung der Eigenschaften
von MDF erweisen hat. Die Vorteile einer kombinierten Anwendung
von Aminoplastharzen und PMDI beim Aufschluß von gebrauchten
Faserplatten wurden in der
EP-PS
0 639 434 B2 nicht erkannt. Es stellte sich überraschender
Weise heraus, dass die durch Verwendung des formaldehydarmen Harnstoffformaldehydharzes
eintretenden Verschlechterungen in den Festigkeiten durch Zugabe
von geringen Mengen an PMDI am Ende der Blowline oder nach dem Trocknen
nicht nur Wett gemacht, sondern überkompensiert werden.
Hierdurch ist es möglich, Platten mit extrem niedriger
Formaldehydemission und gleichzeitig hoher Feuchtebeständigkeit,
Nassfestigkeit und Hydrolyseresistenz der Verleimung herzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 93/25358 [0003, 0018]
- - DE 10160316 [0003]
- - DE 2804514 [0007, 0007]
- - EP 25245 [0009, 0017, 0017, 0020]
- - EP 063934 B2 [0010, 0010, 0011, 0013]
- - EP 092699 [0012]
- - DE 4122842 [0012, 0012]
- - DE 4327774 [0013]
- - EP 0639434 B2 [0013, 0023, 0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - EN 316 [0002]
- - Pizzi und Walton (1992), Holzforschung 46, Seite 541–547 [0009]
- - Roffael, Dix, Hennecke, Krug und Stephanie (2006), Vortrag
gehalten anlässlich des 10. Europäischen Holzwerkstoffsymposiums
in Llandudno, Wales am 11.10.2006, Seite 33 bis 45 des Tagungsbandes [0013]
- - PMDI in the MDF-Industry: A new alternative for product and
process improvements, Resin and blending seminar proceedings (1998),
Page 122, Composite Panel association, Gaithersburg, MD 20879–1569 [0019]