DE102010009309A1

DE102010009309A1 - Verfahren zur dreidimensionalen Umformung und Formfixierung von Furnieren

Info

Publication number: DE102010009309A1
Application number: DE102010009309A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr.-Ing. Pfriem; Beate Dipl.-Ing. Buchelt
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Umformung und Formfixierung von Furnieren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) Imprägnieren des Furniers mit einer Substanz, die sich aus einer vernetzbaren Furfurylverbindung und einer unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung zusammensetzt,
b) Umformen des Furniers im Sinne einer mehrdimensionalen Formänderung unter Beibehaltung der ursprünglichen Dichte des Furniers wobei allein durch die Imprägnierung mit der vernetzbaren Furfurylverbindung eine Verbesserung der mehrdimensionalen Umformbarkeit des Furniers hervorgerufen wird,
c) Halten der Form des imprägnierten Furniers bei erhöhter Temperatur, wobei durch die unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung eine katalysierte Polymerisation der vernetzbaren Furfurylverbindung erfolgt, und infolge der Ausbildung der kovalenten Bindungen des Polymers mit dem Furnier die Geometrie des umgeformten Furniers dauerhaft fixiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Umformung und Formfixierung von Furnieren nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
In der Literatur wird eine Vielzahl von Plastifizierungsmitteln für Holz beschrieben. Unter erhöhter Temperatur kann mit Wasserdampf ein deutlicher Plastifizierungseffekt erzielt werden, wie bspw. in CH 80265 (1919) beschrieben wird.
Durch Wasserdampfplastifizierung lassen sich große Umformungsgrade realisieren, jedoch entweicht in der Presse eine große Menge Wasserdampf aus dem Holz, sodass häufig Schädigungen des Holzes durch Dampfstoßeffekte beobachtet werden. Wasser nimmt darüber hinaus keine weitere Funktion als aushärtendes Mittel wahr. Die realisierbaren Umformungen weisen einen deutlichen Spring-Back-Effekt auf, sind also nicht in ihrer Form stabil. Es wird eine weitere Substanz, wie Klebstoff, zur dauerhaften Formfixierung benötigt.
Weiterhin wird die Plastifizierung mit chemischen Substanzen wie Ammoniak beschrieben (Bspw. im Deutschen Reichspatent 495 146 (1930)). Ammoniak als leichtflüchtige Substanz (geringerer Siedepunkt als Wasser) weist ähnliche Probleme in Pressen unter Temperatur auf, wie bei der Plastifizierung mit Wasser beobachtet wird. Ammoniak ist gesundheitsschädlich. Darüber hinaus wird von keiner bis nur sehr geringen vernetzenden Wirkung von Ammoniak mit der Holzsubstanz ausgegangen.
Im US-Patent 2 030 819 (1936) wird eine Plastifizierung von Holz mit Glycerol beschrieben. Als weitere Komponenten kommen starke Säuren oder Natronlauge zum Einsatz, die eine zusätzliche Schädigung des Holzes bewirken können.
Eine Vielzahl von Verfahren beschäftigen sich mit der mechanischen Modifikation von Holz bzw. Furnieren, z. B. durch Flexen, Längs- oder Querstauchen der Furnierblöcke und anschließendes Messern dieser Blöcke oder durch Aufteilen der Furniere in sehr dünne Einzelstreifen, die durch einen Leimfaden zusammengehalten werden (Patentschrift DD 271 670 B5 ). Alle mechanischen Verfahren weisen einen hohen Handlingsaufwand auf.
Darüber hinaus existiert eine Vielzahl von Beschreibungen zur chemischen Modifikation von Holz. Im Vordergrund steht die Vernetzung mit den Zellwandpolymeren, eine Plastifizierung zur Erzielung größerer Verformungen wird nicht beschrieben. Häufig kommen vernetzbare Stickstoffverbindungen zum Einsatz:
DE 10 2005 020 387.6 A1 beschreibt die Oberflächenbehandlung von Formkörpern aus modifiziertem Holz oder modifzierten Holzmaterialien oder anderen Werkstoffen aus modifizierten Lignocellulsoematerialien, wobei das modifizierte Holzmaterial bzw. der modifizierte Werkstoff aus dem Lignocellulosematerial zuvor ähnlich mit WO 2004/033170 A1 und WO 2004/033171 A1 mit vernetzbaren Stickstoffverbindungen imprägniert und vernetzt werden.
Aus DE 10 2005 020 386.8 A1 sind modifizierte Holzmaterialien bekannt, die mit einer reaktiven Zusammensetzung auf Basis vernetzbarer Stickstoffverbindungen imprägniert und vernetzt werden, die neben wenigstens einer vernetzbaren Stickstoffverbindung wenigstens einen Effektstoff in gelöster oder dispergierter Form enthält.
Aus den Patentanmeldungen DE 10 2005 020 390.6 A1 und DE 10 2005 020 389.2 A1 sind modifizierte Holzmaterialien bekannt, die mit einer reaktiven Zusammensetzung imprägniert und vernetzt werden, die neben wenigstens einer vernetzbaren Stickstoffverbindung einen dispergierten, hydrophoben Bestandteil enthält.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 010 042.2 A1 sind modifizierte Holzmaterialien aus feinteiligen Holzmaterialien bekannt, bei denen das feinteilige Holzmaterial mit einer reaktiven Zusammensetzung auf Basis vernetzbarer Stickstoffverbindungen imprägniert und einem Formgebungsprozess unterworfen wird, bei dem gleichzeitig eine Vernetzung durchgeführt wurde. Auch kann die Vernetzung vor dem Formgebungsprozess erfolgen.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 010 041 A1 sind modifizierte Holzmaterialien bekannt, die wenigstens eine mit einem Träger oder weiteren Furnierlagen flächig verklebte dünne Furnierschicht aufweisen, wobei die Furnierschicht mit einer reaktiven Zusammensetzung auf Basis vernetzbarer Stickstoffverbindungen imprägniert, beleimt und zu einem Furnier verklebt wird.
Furfurylalkohol wird in der Literatur im Zusammenhang mit der Holzmodifikation beschrieben (Schneider, M. H. und Witt, A. E. (2004) History of wood polymer composite commercialization. Forest Product Journal 54(2) p. 19–24). Mit Furfurylalkohol und starken Säuren behandeltes Holz weist nach dem Modifikationsprozess eine deutlich verbesserte biologische Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilisierung unter Wechselklimabeanspruchung auf. Die starken Säuren, die zur Aushärtung des Furfurylalkohols notwendig sind, schädigen die Holzsubstanz durch sauren Aufschluss. Eine plastifizierende Wirkung wird nicht beschrieben und ist nicht Intention der Holzmodifikation.
In der US 2005/0038182 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Holz mit Furfurylalkohol unter Zusatz von Maleinsäure als Katalysator imprägniert und anschließend das imprägnierte Holz unter Polymerisation der Furfurylverbindung verpresst und verdichtet wird. Das dabei entstehende Polymer bildet mit dem Holz kovalente Bindungen aus. Die Verdichtung erfolgt unter erhöhter Temperatur mit einem Druck von 5–30 MPa innerhalb von 5–15 Minuten. Nach Ablauf des Verfahrens liegt verdichtetes Holz mit verbesserten Festigkeitseigenschaften vor, wobei infolge der Ausbildung der kovalenten Bindungen des Polymers mit dem Holz die geometrische Form des verdichteten Holzes erhalten bleibt, das heißt es handelt sich um eine eindimensionale Formänderung.
Aus der US 2 432 890 A ist ferner bekannt, dass in entsprechenden Polymerisationsreaktionen mit Furfurylalkohol Maleinsäure oder auch Maleinsäureanhydrid als Katalysator eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, dass sowohl die dreidimensionale Umformbarkeit von Furnier für die Beschichtung von Oberflächen oder für die Erzeugung von Formkörpern verbessert als auch die Fixierung des dreidimensional umgeformten Furniers in einem durchgängigen Verfahren ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Imprägnieren des Furniers mit einer Substanz, die sich aus einer vernetzbaren Furfurylverbindung und einer unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung zusammensetzt,
b) Mehrdimensionales Umformen des Furniers unter Beibehaltung der ursprünglichen Dichte des Furniers, wobei allein durch die Imprägnierung mit der vernetzbaren Furfurylverbindung eine Verbesserung der dreidimensionalen Umformbarkeit des Furniers hervorgerufen wird,
c) Halten der Form des imprägnierten Furniers bei erhöhter Temperatur, wobei durch die unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung eine katalysierte Polymerisation der vernetzbaren Furfurylverbindung erfolgt, und infolge der Ausbildung der kovalenten Bindungen des Polymers mit dem Furnier die Geometrie des umgeformten Furniers dauerhaft fixiert wird.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Plastifizierung und Formfixierung des Furniers mit der gleichen chemischen Substanz. Es wurde gefunden, dass sich die chemische Substanz nicht nur zur Formfixierung, sondern auch für eine Plastifizierung des Furniers eignet, womit sich deutlich größere mehrdimensionale Umformungsgrade realisieren lassen. Die zwei- oder dreidimensionale Umformung, Formfixierung und Aushärtung des Furniers lässt sich somit in einem Arbeitsgang durchführen.
Die Imprägnierung des Furniers mit Furfurylalkohol führt zu einem Aufquellen der Zellwände, was sich makroskopisch durch eine deutliche Dicken- und Breitenquellung darstellt. Ähnliche Effekte stellen sich erst nach langer Lagerung in Wasserdampfatmosphäre (Dämpfen von Holz über mehrere Stunden oder Tage) oder Lagerung im Wasser über mehrere Tage ein. Mit dem Verfahren wird ein deutlicher Plastifizierungseffekt bereits bei niedrigen Temperaturen und kurzen Imprägnierzeiten erreicht.
Durch das Halten der Form bei erhöhter Temperatur erfolgt eine thermische Beanspruchung, wodurch organische Säuren aus der Zweitkomponente der chemischen Substanz abgespalten werden, die die Polymerisation der vernetzbaren Furfurylverbindung katalysiert. Das so entstehende Polymer bildet kovalente Bindungen mit dem Holz, so dass die durch Umformung erhaltene Geometrie fixiert wird.
Vorteilhaft wird das Furnier mit einer Mischung aus Furfurylalkohol (95–99%) und Maleinsäureanhydrid (1 bis 5%) imprägniert, wobei unter den Pressbedingungen das Maleinsäureanhydrid als Katalysator wirkende Maleinsäure abspaltet.
Weiterhin vorteilhaft erfolgt das Umformen und Verpressen des imprägnierten Furniers bei einer Temperatur von über 100°C.
Vorteilhaft beträgt die Presszeit 5 bis 8 Minuten.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Darstellung der Verbesserung der 3-D-Umformbarkeit durch Imprägnierung mit Furfurylalkohol (100%).
2 ein Kraft-Weg-Verlauf von Umformungsversuchen in Anlehnung an den Tiefungsversuch nach Erichson (DIN EN ISO 20482)
Ausführungsbeispiel 1
Das Ausführungsbeispiel 1 dient zur Verdeutlichung der Plastifizierungswirkung des Furfurylalkohols. Es wurde Rotbuchenfurnier mit 100%igem Furfurylalkohol getränkt. Die Dickenquellung des Furniers betrug 20%. Mit einem Umformungsversuch in Anlehnung an den Tiefungsversuch nach Erichsen (DIN EN ISO 20482) konnte gegenüber nicht imprägnierten Vergleichsproben eine deutliche Verbesserung der 3-D-Umformbarkeit bis zum Versagen des Furniers nachgewiesen werden (siehe 1). Die 3-D-Umformbarkeit konnte im Durchschnitt um 50% verbessert werden.
Aus dem Kraft-Weg-Verlauf der Umformung gemäß 2 lässt sich durch den deutlich flacheren Anstieg des Kurvenverlaufs der imprägnierten Probe eine verbesserte Umformung erklären. Das Versagen der imprägnierten Probe erfolgt gutmütiger, was aus dem weniger abrupten Abfall der Kraft nach Erreichen der Höchst-(Bruch-)Kraft ersichtlich wird.
Ausführungsbeispiel 2
Rotbuchenfurnier wurde mit einer Mischung aus Furfurylalkohol (95–99%) und Maleinsäureanhydrid (1 bis 5%) imprägniert. In einer Presse wurden unter erhöhter Temperatur (135°C) mit verschiedenen Presswerkzeugen verschiedene Formteile realisiert. Die Presszeit betrug zwischen 5 und 8 Minuten. Im Vergleich zu nur mit heißem Wasser plastifizierten Rotbuchenfumieren ließen sich deutlich größere Umformungsradien und komplexe Umformungsgeometrien realisieren. Unter den gewählten Pressbedingungen spaltet das Maleinsäureanhydrid Maleinsäure ab. Diese wirkt als Katalysator für die Polymerisation des Furfurylalkohols zu einem Furanharz, der kovalente Bindungen mit den phenolischen Komponenten des Holzes eingehen kann. Somit wird bereits in der Presse während des Umformungsvorganges eine sichere und bessere Formfixierung erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- CH 80265 [0002]
- DT 495146 [0004]
- US 2030819 [0005]
- DD 271670 B5 [0006]
- DE 102005020387 A1 [0007]
- WO 2004/033170 A1 [0007]
- WO 2004/033171 A1 [0007]
- DE 102005020386 A1 [0008]
- DE 102005020390 A1 [0009]
- DE 102005020389 A1 [0009]
- DE 102005010042 A1 [0010]
- DE 102005010041 A1 [0011]
- US 2005/0038182 A1 [0013]
- US 2432890 A [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Schneider, M. H. und Witt, A. E. (2004) History of wood polymer composite commercialization. Forest Product Journal 54(2) p. 19–24 [0012]
- DIN EN ISO 20482 [0026]
- DIN EN ISO 20482 [0027]

Claims

Verfahren zur dreidimensionalen Umformung und Formfixierung von Furnieren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Imprägnieren des Furniers mit einer Substanz, die sich aus einer vernetzbaren Furfurylverbindung und einer unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung zusammensetzt, b) Umformen des Furniers im Sinne einer mehrdimensionalen Formänderung unter Beibehaltung der ursprünglichen Dichte des Furniers, wobei allein durch die Imprägnierung mit der vernetzbaren Furfurylverbindung eine Verbesserung der mehrdimensionalen Umformbarkeit des Furniers hervorgerufen wird, c) Halten der Form des imprägnierten Furniers bei erhöhter Temperatur, wobei durch die unter Temperaturbeanspruchung organische Säuren abspaltenden Verbindung eine katalysierte Polymerisation der vernetzbaren Furfurylverbindung erfolgt, und infolge der Ausbildung der kovalenten Bindungen des Polymers mit dem Furnier die Geometrie des umgeformten Furniers dauerhaft fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Furnier mit einer Mischung aus Furfurylalkohol (95–99%) und Anhydriden von Carbonsäuren, vorzugsweise Maleinsäureanhydrid (1 bis 5%) imprägniert wird, wobei unter den Pressbedingungen das Säureanhydrid als Katalysator wirkende organische Säuren, vorzugsweise Maleinsäure abspaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen und Verpressen des imprägnierten Furniers bei einer Temperatur von über 100°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Presszeit 5 bis 8 Minuten beträgt.