DE102010056491A1 - Formkörper aus Pflanzenmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Pflanzenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass maritimes Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung zu Partikeln (2) mit einer Länge von 0,1 mm bis 30 mm zerkleinert wird, die Partikel (2) mit Bindemitteln (3) und/oder Zuschlagstoffen mit einem Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% gemischt und das Gemisch zu einem Formkörper (1) auf eine Dichte über 50 kg/m3 und unter 400 kg/m3 verdichtet und anschließend das Bindemittel unter Temperatureinwirkung ausgehärtet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf Basis von Pflanzenmaterial und einen Formkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
  • Formkörper aus organischen und anorganischen Materialien sind bekannt. Vor allem in der Bau- und Verpackungsindustrie kommen Dämmstoffe in Form von Platten, Matten oder losen Schüttungen aus Stein- und Glaswolle, petrochemischen Verbindungen sowie aus nachwachsenden Rohstoffen zum Einsatz. Zur Herstellung von lignocellulosen Rohstoffen als Dämmstoff finden vor allem Holz oder andere lignozellulose Ausgangsstoffe, wie Hanf, Raps- oder Getreidestroh, sowie Bambus in Platten oder flexiblen Mattenform Verwendung.
  • Diese Werkstoffe besitzen Dichten im Bereich von 50 bis 400 kg/m3 und werden im Allgemeinen aus Faserstoffen hergestellt, die durch thermo-mechanische Zerfaserung im Defibrator oder Refiner gewonnen werden. Für die Weiterverarbeitung des Faserstoffes existieren drei übliche Verfahren, das Trocken-, Halbtrocken- und Nassverfahren. Je nach Verfahren wird dem Faserstoff Wasser durch Trocknung entzogen oder dieser durch Wasserzugabe in eine Suspension überführt. Als Bindemittel kommen organische und anorganische Verbindungen zum Einsatz (Harnstoffharz, Phenolharz, Melaminharz, Mischharze). Häufig enthalten diese Kondensationsharze eine Formaldehydkomponente. Zunehmend wird auch Polymeres Diphenyl-methan-diisocyant (PMDI) eingesetzt. Je nach Verfahren kann nun eine Trocknung des beleimten Faserstoffes erfolgen. Nach der Beleimung erfolgt die pneumatische oder hydraulische Vliesbildung, gefolgt von einer Vorpress- und Heißpressstufe, die kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann. 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.
  • Faserwerkstoffe niederer Dichte, wie Dämmplatten werden sowohl im Trocken- als auch im Nassverfahren produziert. Im Trockenverfahren werden zur Erreichung der gewünschten Festigkeiten und Quellwerte synthetische Bindemittel mit Anteilen im Bereich von 3 bis 20 Gew.-% eingesetzt. Bei im Nassverfahren hergestellten Dämmplatten mit Dichten im Bereich von 150 bis 300 kg/m3 und ohne besondere Festigkeitsanforderungen, wird auf konventionelle Bindemittel weitgehend verzichtet. Der Nachteil beim Nassverfahren besteht in dem hohen Bedarf an Trocknungswärme zur Abführung des Wassers aus dem Faservlies. Da es sich bei Dämmplatte um poröse Materialien handelt, ist eine Trocknung in heißer Luft noch mit vertretbarem Aufwand zu realisieren, der Energiebedarf verursacht jedoch erhebliche Kosten.
  • Zur Aktivierung und Aushärtung der Bindemittelkomponente im Trockenverfahren wird eine Platte oder Matte häufig Heißluft oder Dampf ausgesetzt. Dies wird durch zusätzlichen technischen Aufwand realisiert.
  • Als flexible Dämmstoffe werden Ein- oder Mehrkomponenten-Fasern aus Kunststoff (Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polylactide) verwendet. Die thermoplastischen Bindefasern werden mittels durchströmender heißer Luft aufgeschmolzen und führen zu Bindungen zwischen den Fasern.
  • Der Einsatz von Bindemitteln auf Polyurethanbasis zur Herstellung von Holzfaserdämmplatten wird in EP 1110687 B1 beschrieben. Diese werden in Form von ein- oder zweikomponentigen Bindemitteln auf den Faserstoff aufgebracht und über Misch- und Streuaggregate zu Matten gestreut. Die Fasermatten werden danach bei üblichen Presstemperaturen oberhalb 100°C verpresst, wobei die Temperatur in der Mitte des Formkörpers mindestens 50°C beträgt. Die Bindemittelanteile liegen zwischen 2,5 und 5 Gew.-% bezogen auf atro Holzfasern, für Dämmplatten mit einer Dichte zwischen 60 und 250 kg/m3. Die Presszeiten für eine 100 mm dicke Dämmplatte mit einer Dichte von 80 kg/m3 werden hier mit 240 Sekunden angegeben, das bedeutet eine Presszeitfaktor von mindestens 2,4 Sekunden pro mm Plattendicke.
  • Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Presstemperatur wird in DE 10 338 007 B4 beschrieben. Hier werden zur Herstellung eines leichten Holzfaserdämmstoffes kalthärtende schaumbildenden Bindemittel auf Polyurethanbasis eingesetzt. Die aus den beleimten Fasern gebildeten und vorgepressten Vliese werden in einen Sack eingebracht, der zum Aushärten des Bindemittels als Formgebungshilfe und als Transportverpackung dient. Zur Aushärtung des Bindemittels wird ein Gasstrom mit einer Temperatur unter 100°C bzw. unter 50°C zum Fördern der Fasern eingesetzt oder durch das Vlies hindurchgeführt. Die Härtungszeit für Dämmstoffe im Bereich von 40 bis 180 kg/m3 liegt bei diesem Verfahren zwischen 2 und 17 Stunden. Das Verfahren, besitzt aber aufgrund der langen Aushärtzeiten eine sehr geringe Produktivität und ist nur für kleinvolumige Produktionen geeignet.
  • Aus der DE 103 41 205 A1 sind bereits ein Formkörper aus biologisch abbaubarem Material und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei diesem Verfahren wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass Seegras verwendet wird, welches einer Zerfaserung unterzogen wird, um die Faserstruktur des Materials der freizulegen. Unter diesen Voraussetzungen lassen sich Formkörper mit mittlerer bis hoher Dichte (400 bis 1200 kg/m3) herstellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen mit einer verbesserten Produktivität und niedrigem Presszeitfaktor. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Formkörper aus nachwachsenden Rohstoffen bereitzustellen der mittels verbesserter Produktivität hergestellt werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem ein maritimes Pflanzenmaterial zu Partikeln mit einer Länge von 0,1 mm bis 30 mm zerkleinert wird, die Partikel mit Bindemitteln und/oder Zuschlagstoffen mit einem Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% gemischt und das Gemisch zu dem Formkörper auf eine Dichte zwischen 50 kg/m3 und 400 kg/m3 verdichtet wird und das Bindemittel unter Temperatureinwirkung aushärtet. Bisher konnten Werkstoffe nur mit Presszeiten über 1 mm/s hergestellt werden. Durch die veränderten Diffusionsbedingungen werden erfindungsgemäß Presszeitfaktoren < 1 mm/s realisiert.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch die Verwendung von Rohstoffen maritimen Ursprungs, wie zum Beispiel Zosteraceae, durch Salzanteile und die natürliche Struktur von Wasserpflanzen vorteilhafte hygroskopische Eigenschaften sowie veränderte Diffusionsbedingungen während der Werkstoffbildung bestehen. Diese ermöglichen einen schnellen Wasserdampf- und Wärmetransport durch eine Matte oder ein Vlies im Herstellungsprozess. Dadurch ist eine erhebliche Verkürzung der Aktivierungsbedingungen der Isozyanate als Bindemittel möglich. Gleichzeitig wird diese Wärme bis zur Aushärtung des Bindemittels gespeichert und die Durchlaufzeit in der Heißpresse verkürzt. Auf diese Weise kann die Effektvität der Werkstoffherstellung wesentlich erhöht werden und es werden Presszeitfaktoren < 1 mm/s möglich, was bisher nach dem Stand der Technik nicht erreicht werden konnte.
  • Durch das Verfahren wird eine besonders gute Benetzbarkeit der Partikel mit den Bindemitteln und/oder den Zuschlagstoffen erreicht. Als Bindemittel wird vor allem Polymeres Diphenyl-methan-diisocyant verwendet. Es können aber auch organische und anorganische Verbindungen wie Harnstoffharz, Phenolharz, Melaminharz, Mischharze sowie Gips, Wasserglas und Zement zum Einsatz kommen. Als Zuschlagsstoffe können Hydophobierungsmittel und Wachse verwendet werden. Weiterhin kann das Bindemittel sehr sparsam eingesetzt werden, wodurch sich die Herstellungskosten ebenfalls reduzieren.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn maritimes Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung zu Partikeln durch mechanische oder thermo-mechanische Zerfaserung im Defibrator oder Refiner zerkleinert wird. Es kann in unterschiedlichen Anteilen sowohl mit einjährigen als auch mehrjährigen Material gemischt und verwendet werden. Dieses hat eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Rohstoffbeschaffung als Folge.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das maritime Pflanzenmaterial durch mechanischen Aufschluss zu Partikeln zerkleinert.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Bindemittel mit einer hydrolysierbaren Bindemittelkomponente mit den Partikeln gemischt. Das Bindemittel wird fein versprüht und in turbulenter oder transitionaler Strömung auf die Partikel aufgebracht. Dadurch wird eine gute Verteilung und ein sparsamer Umgang mit dem Bindemittel möglich.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht weiterhin vor, dass die Oberfläche des verdichteten Gemischs in der Weise erhitzt wird, dass die Innentemperatur des verdichteten Gemisches 48°C nicht übersteigt. Dieses kann über die einzustellende Oberflächentemperatur der Heißpresselemente und die Dauer der Temperatureinwirkung auf die Matte eingestellt werden. Dadurch wird die Energie besonders effizient genutzt und die Herstellungskosten reduziert. Gleichzeit erfolgt eine sehr schonende Wärmebehandlung der Fasern, die dadurch ihre Festigkeit behalten. Weiterhin wird die Voraushartung des Bindemittels reduziert, so dass die einzusetzende Menge Bindemittel effektiv wirken kann, was zu Kosteneinsparungen führt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Verdichtung ein plattenförmiger Formkörper gebildet wird. Dieser ist in der Ausführungsform sehr druckfest. Die Platten sind sehr einfach und schnell herstellbar und lassen die Herstellungskosten durch hohe Produktionsmengen stark sinken. Besondere Formen sind nicht erforderlich.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch einen Formkörper aus einem maritimen Pflanzenmaterial, bei dem das Pflanzenmaterial als Partikel mit einer Länge von 0,1 mm bis 30 mm vorliegt, die Partikel mit Bindemitteln und/oder Zuschlagstoffen in einem Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% versehen sind und die im Formkörper gleichmäßig vorliegende Dichte zwischen 50 kg/m3 und 400 kg/m3 beträgt.
  • Die Formkörper aus Pflanzenmaterial sind als Dämmstoff, Verpackungspolster oder in anderen Bereich einsetzbar. Durch die hohe Variabilität in der Partikellänge kann eine optimale Anpassung an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzfalles erfolgen. Durch die eingesetzte Menge an Bindemittel kann die Festigkeit so beeinflusst werden, dass sich der Bindemitteleinsatz am späteren Einsatz orientiert. So ist beispielsweise für ein Verpackungspolster ein höherer Bindemitteleinsatz erforderlich als für einen thermischen Dämmstoff. Durch die Variation der Dichte kann ebenfalls das Isolationsvermögen beeinflusst werden. Aber auch andere Eigenschaften, wie beispielsweise die mechanische Festigkeit, lassen sich dadurch besonders einfach beeinflussen.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Partikel aus ein- oder mehrjährigem maritimem Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung gewonnen werden. Dieses Pflanzenmaterial gedeiht teilweise oder ganz unter Wasser und kommt in Süß- oder Meerwasser vor. Als Meerwasser wird eine Lösung von Salzen in Wasser bezeichnet. In der Regel wird darunter eine Kochsalzlösung von 0,9% verstanden. Die Salze lagern sich in oder an den Pflanzenteilen an. Formkörper aus maritimem Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung weisen eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischen und abiotischen Einflüssen auf. So ist die Gefahr eines Befalls durch Pilze, Bakterien oder Schadinsekten sehr gering. Entsprechend gering ist das Erfordernis, einen Schutz durch Pestizide und Flammschutz vorzusehen. Dadurch kommt es einerseits zur Einsparung solcher Mittel, andererseits zu einem positiven Effekt für die Umwelt, da unbelastete Produkte aus natürlichen Rohstoffen produziert und in den Verkehr gebracht werden können.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Partikel aus mechanisch aufgeschlossenem maritimen Pflanzenmaterial gewonnen werden. Hierbei kommt kein zusätzliches Wasser oder Wasserdampf zur Partikelherstellung zum Einsatz. Die Partikel liegen vorteilhaft mit einem hohen Salzanteil vor.
  • In einer alternativen Ausführungsform liegen die Partikel als thermomechanisch aufgeschlossenes maritimes Pflanzenmaterial vor. Durch die Verwendung von Spülwassern im Herstellungsprozess der Partikel können Salze und weitere mineralische Bestandteile getrennt werden. Die Partikel liegen mit einer veränderten Struktur vor, durch die sich eine verbesserte mechanische Verankerung im Werkstoffverbund herbeiführen lässt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Formkörper
  • 2 einen ebenen Werkstoff
  • Der in 1 dargestellte Formkörper 1 besteht aus Pflanzenteilen 2 und Bindemittel und/oder Zuschlagstoffen 3. Der in 2 dargestellte ebene Werkstoff 4 besteht ebenfalls aus Pflanzenteilen 2 und Bindemittel und/oder Zuschlagstoffen 3.
  • Beispiel 1:
  • Ein Bindemittel 3 auf der Basis von Polymeres Diphenyl-methan-diisocyant wurde mit einem Anteil von 4% auf die getrockneten Pflanzenpartikel 2 eingesetzt und dieser zu einem Formkörper 1 von 100 mm Dicke und einer Dichte von 100 kg/m3 verarbeitet. Die Oberfläche der gestreuten Matte wird mit geringem Anteil von Wasser 1 bis 10 Gew.-% besprüht und in eine temperierbare Presse (185C°) überführt. Die Innentemperatur der Matte vom maximal 48°C ist zur Bindemittelaktivierung ausreichend. Die Verweildauer der Platte in der Heißpresse beträgt 55 Sekunden (0,55 s/mm Plattendicke). Der Werkstoff ist nach der Presse formstabil und kann nach einer Konsolidierungsphase von 20 min stapelfähig gelagert werden.
  • Alternativ können auch Pflanzenanteile aus Holz, Hanf, Raps- oder Getreidestroh bis zu einem Anteil von max. 30 Gew.-% dem Werkstoff zugegeben werden.
  • Beispiel 2:
  • Ein Bindemittel auf der Basis von Polymeres Diphenyl-methan-diisocyant wurde mit einem Anteil von 2%, sowie 8% (bezogen auf Feststoffanteil) Stärkederivat-Additiv auf die Pflanzenpartikel besprüht. In einer Heißpresse wurde die Pflanzenfasermatte auf eine Dicke von 38 mm und einer Dichte von 220 kg/m3 verdichtet. Die Oberfläche der gestreuten Matte wurde mit 6% Wasser besprüht und in eine temperierbare Presse (200C°) überführt. Die Verweildauer der Platte in der Heißpresse betrug 42 Sekunden, was einem Presszeitfaktor von 0,84 s/mm entspricht. Der Werkstoff ist nach der Presse formstabil und kann nach einer Konsolidierungsphase von 20 min stapelfähig gelagert werden. Die Druckprüfung ergab einen Wert von 38 kPa.
  • 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
    • EP 1110687 B1 [0007]
    • DE 10338007 B4 [0008]
    • DE 10341205 A1 [0009]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Pflanzenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass maritimes Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung zu Partikeln (2) mit einer Länge von 0,1 mm bis 30 mm zerkleinert wird, die Partikel (2) mit Bindemitteln (3) und/oder Zuschlagstoffen mit einem Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% gemischt und das Gemisch zu einem Formkörper (1) auf eine Dichte über 50 kg/m3 und unter 400 kg/m3 verdichtet und anschließend das Bindemittel unter Temperatureinwirkung ausgehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das maritime Pflanzenmaterial durch mechanischen Aufschluss zu Partikeln (2) zerkleinert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das maritime Pflanzenmaterial durch thermomechanischen Aufschluss zu Partikeln (2) zerkleinert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bindemittel (3) mit einer hydrolysierbaren Bindemittelkomponente mit den Partikeln gemischt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des verdichteten Gemisches in einer Weise erhitzt wird, dass die Innentemperatur des verdichteten Gemisches 48°C nicht übersteigt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verdichtung ein Formkörper (1) in Form einer Platte (4) gebildet wird.
  7. Formkörper aus Pflanzenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass maritimes Pflanzenmaterial aus saliner Umgebung in Partikelform mit einer Länge von 0,1 mm bis 30 mm vorliegt, die Partikel (2) mit Bindemitteln (3) und/oder Zuschlagstoffen mit einem Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% versehen sind und der Formkörper (1) eine Dichte über 50 kg/m3 und unter 400 kg/m3 aufweist.
  8. Formkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (2) als mechanisch aufgeschlossenes maritimes Pflanzenmaterial vorliegen.
  9. Formkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (2) als thermomechanisch aufgeschlossenes maritimes Pflanzenmaterial vorliegen.
  10. Formkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bindemittel (3) eine hydrolysierbare Bindemittelkomponente enthalten ist.
  11. Formkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) als Platte (4) ausgebildet ist.
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