DE102019206481A1 - Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, dessen Herstellung und Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend mindestens ein thermoplastisches Polymer und Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm, dessen Herstellung sowie Verwendung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umfassend mindestens ein thermoplastisches Polymer und Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm, dessen Herstellung sowie Verwendung.
  • Es ist bekannt, Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe durch Mischen eines thermoplastischen Kunststoffs mit Holzfasern oder Holzpartikeln herzustellen. Durch Substitution von Polymer durch Holzabfälle kann der Preis des Werkstoffs reduziert und seine Eigenschaften gegebenenfalls verbessert werden. Die Formgebung dieser Verbundwerkstoffe kann dabei mittels Extrusion, Press- oder Spritzgießverfahren erfolgen.
  • WO 2004/000529 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polypropylen, die einen hohen Anteil an Holzfasern enthalten. Die Holzfasern werden zusammen mit dem Thermoplast in einem Planetwalzenextruder vermischt und pelletiert. Das erhaltene Material wird mittels Presswerkzeugen geformt. Es wird keinerlei Hinweis auf die Korngrößenverteilung der Füllstoffe gegeben.
  • DE 10 2007 049 505 A1 schlägt vor, Schalungstafeln aus Holz/Pflanzen/Kunststoffmischungen durch Extrusion, Spritzguss oder Pressen herzustellen. Bevorzugt wird eine Mischung aus Polyethylen und Holzspänen mit einem Kornspektrum von 0,3-0,4 mm eingesetzt, wobei Zuschläge wie Haftvermittler und Farben gegebenenfalls zugesetzt werden können. Die Staubbelastung bei der Verarbeitung wird thematisiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff bereitzustellen, der sich leicht und kostengünstig ohne zusätzliche Arbeitsschutzmaßnahmen herstellen lässt. Der Verbundwerkstoff soll darüber hinaus ein gutes Eigenschaftsprofil hinsichtlich mechanischer, thermischer sowie optischer Eigenschaften aufweisen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, der mindestens ein thermoplastisches Polymer und Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm, umfasst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermoplastische Polymer ein Polymer, das sich ohne Veränderung der chemischen Struktur reversibel aufschmelzen und wieder abkühlen lässt. Thermoplastische Polymere haben bevorzugt einen Schmelzbereich zwischen 100-240 °C. In einer Ausführungsform kann eine Mischung aus verschiedenen thermoplastischen Polymeren verwendet werden. Geeignete thermoplastische Polymere können Polyolefine, Polyester, insbesondere Polylactid (PLA), Polyamide, insbesondere Polyamid 6 (PA 6) oder Polyamid 6.6 (PA 6.6), sein. Bevorzugte Polyolefine sind insbesondere Polyethylen (PE), wie z.B. High-Density-PE (HDPE), Low-Density-PE (LDPE), lineares LD-PE (LLDPE), High-Molecular-Weight-PE (HMWPE), Ultra-High-Molecular-Weight-PE (UHMWPE) oder Polypropylen (PP), wie z.B. isotaktisches PP (iPP), syndiotaktisches PP (sPP) und/oder ataktisches PP (aPP).
  • Das thermoplastische Polymer ist bevorzugt transluzent, insbesondere transparent.
  • Aus ökologischen Gründen werden bevorzugt Polyolefine verwendet, die zumindest teilweise pflanzenbasiert, beispielsweise Zuckerrohr-basiert, sind und/oder zumindest teilweise wiederverwendet (Rezyklat) werden.
  • Bevorzugt umfasst der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff etwa 10-50 Gew.-%, insbesondere 15-30 Gew.-%, thermoplastisches Polymer bezogen auf die Gesamtmasse des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs.
  • Der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umfasst Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm. Die Bestimmung des d50-Werts kann mit dem Fachmann bekannten Methoden, z.B. mit Laserbeugung, Siebung etc., erfolgen. In der Lasergranulometrie werden die Holzpartikel in einem flüssigen oder gasförmigen Medium dispergiert. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung erfolgt anschließend auf Basis der Beugung eines auf das Probenmedium gerichteten Laserstrahls. Der d50-Wert bedeutet, dass 50% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert.
  • Die Holzpartikel liegen bevorzugt in Form von kubischen Spänen, quaderförmigen Spänen und/oder länglichen Spänen, bevorzugt mit einem Aspektverhältnis >3, vor. Die Holzpartikel können als Hobelspäne und/oder Sägespäne in der holzverarbeitenden Industrie als Abfallprodukt anfallen.
  • Die Holzpartikel machen im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff bevorzugt 20-60 Gew.-%, stärker bevorzugt 25-55 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerksoff aus.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die Viskosität der Polymerschmelze selbst bei hohem Füllgrad mit Holzpartikeln der beanspruchten Größe wenig beeinflusst und dadurch eine leichte Verarbeitbarkeit gewährleistet wird. Darüber hinaus ist die Feinstaubbelastung bei der Verwendung der Holzpartikel der beanspruchten Größe im Vergleich zu kleineren Holzpartikeln deutlich reduziert, sodass bei der Verarbeitung auf Arbeitsschutzmaßnahmen, wie z.B. Staubabsaugung, verzichtet werden kann. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Holzpartikel der beanspruchten Größe in konventionellen Färbeprozessen durchgehend eingefärbt werden können. Mit zunehmender Partikelgröße kann eine durchgehende Einfärbung nicht mehr ohne weiteres erreicht werden.
  • Neben Holzpartikeln können außerdem andere holzbasierte Materialien (d.h. holzbasierte Materialien mit Ausnahme von Holzpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm), wie Holzfasern (ligninhaltig und/oder ligninfrei), Rinde und/oder Holzmehl, im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff enthalten sein. Die holzbasierten Materialien können etwa 20-45 Gew.-%, bevorzugt 30-45 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse von Holzpartikel und holzbasierten Materialien ausmachen.
  • Bevorzugt machen die Holzpartikel und die holzbasierten Materialien zusammen etwa 50-90 Gew.-%, insbesondere 70-85 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff aus.
  • Die Holzpartikel und gegebenenfalls die holzbasierten Materialien sind bevorzugt aus Fichtenholz, Buchenholz, Eichenholz und/oder Pappelholz, besonders bevorzugt aus Fichtenholz. Die Holzpartikel und gegebenenfalls die holzbasierten Materialien sind bevorzugt FSC-zertifiziert.
  • In den erfindungsgemäßen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen liegen die Holzpartikel und gegebenenfalls die holzbasierten Materialien bevorzugt gefärbt, insbesondere durchgehend gefärbt, vor. „Durchgehend gefärbt“ im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Schnittfläche durch einen Holzpartikel oder das holzbasierte Material eine im Wesentlichen gleichmäßige Färbung aufweist. Insbesondere sind auf der Schnittfläche keine ungefärbten Bereiche zu erkennen.
  • Bevorzugt sind die Holzpartikel und gegebenenfalls die holzbasierten Materialien mit auf Holz abgestimmten Farbstoffen gefärbt. Geeignete Farbstoffe sind dem Fachmann bekannt und umfassen gegebenenfalls hydrophilisierte Pigmente. Die Hydrophilisierung kann dabei durch Hydrophilisierungsmittel, bevorzugt Silane, Glykolether, Maleinsäureanhydrid, Isocyanate und/oder amphiphile Substanzen, wie Tenside, z.B. Alkylphenolethoxylate, erfolgen. Die Verwendung hydrophilisierter Pigmente gewährleistet eine hohe Affinität zu den Holzpartikeln und gegebenenfalls den holzbasierten Materialien und ermöglicht eine durchgehende Einfärbung. Durch Verwendung hydrophilisierter Pigmente kann zudem eine Migration der Pigmente in das mindestens eine thermoplastische Polymer verhindert werden.
  • Die verwendeten Pigmente sind dabei bevorzugt anorganischen oder organischen Ursprungs. Die Pigmente sind bevorzugt bis mindestens 220 °C temperaturstabil. Der Pigmentanteil beträgt bevorzugt 0,5-2 Gew.-%, stärker bevorzugt 1-1,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Holzpartikel und gegebenenfalls der holzbasierten Materialien.
  • Das thermoplastische Polymer ist bevorzugt im Wesentlichen frei von Farbstoffen, insbesondere Pigmenten. Bevorzugt enthält das mindestens eine thermoplastische Polymer weniger als 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,001-0.1 Gew.-% Farbstoff.
  • Der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff kann damit die Richtlinie zur Sicherheit von Spielzeug, z.B. in Bezug auf Migration von Elementen aus dem Verbundwerkstoff, erfüllen (DIN EN 71.3:2013 und/oder DIN EN 71.9:2005).
  • Im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ist der Wassergehalt der Holzpartikel und gegebenenfalls der holzbasierten Materialien bevorzugt bei ≤10 % atro, stärker bevorzugt 0,001-10 % atro. Der Wassergehalt im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ist bevorzugt ≤2 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,001-2 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff.
  • Der Elastizitätsmodul des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs beträgt bevorzugt 2500-4000 N/mm2, stärker bevorzugt 2800-3300 N/mm2, gemessen nach DIN EN 310:1993.
  • Die Dichte des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs liegt bevorzugt im Bereich von 500-1800 kg/m3, stärker bevorzugt 700-1600 kg/m3, gemessen nach DIN EN ISO 1183-3:2000.
  • Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs liegt bevorzugt im Bereich von 0,01-5 10-5 K-1, stärker bevorzugt 0,1-4 10-5 K-1, gemessen nach ISO 11359-2:1999.
  • Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs liegt bevorzugt im Bereich von 60-110 °C, stärker bevorzugt 70-100 °C, gemessen nach DIN EN ISO 75-1,-2:2013.
  • Der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff liegt bevorzugt in Form von Platten, Profilen, Granulat und Spritzgussteilen vor.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ferner Haftvermittler, wie Silane, Anhydride, Isocyanate, Alkylketone, Vinylchlorid-Copolymerisate, Vinyl-Acrylnitril-Methacrylsäure-Copolymerisate, Phenolharze, Kautschukderivate, Acrylharze, Phenol-Formaldehyd-Harze und/oder Epoxid-Harze, Prozessadditive zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs, wie z.B. Maleinsäureanhydrid und/oder Copolymere mit sauren Gruppen (z.B. -COOH), wobei die Copolymere gegebenenfalls an Siliziumdioxid adsorbiert sind, Dispergiermittel (z.B. Carbonsäurederivate), Mittel zur Geruchsreduktion (z.B. polymere, grenzflächenaktive Substanzen, die gegebenenfalls an Polyolefinträger adsorbiert sind), UV-Schutzmittel, Antioxidantien, Flammschutzmittel, Nukleierungsmittel, Transparenzverstärker, Biozide und/oder Stabilisatoren. Die Gesamtmenge an Haftvermittlern, Prozessadditiven zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs, Dispergiermitteln, Mitteln zur Geruchsreduktion, UV-Schutzmitteln, Antioxidantien, Flammschutzmitteln, Nukleierungsmitteln, Transparenzverstärkern, Bioziden und/oder Stabilisatoren liegt bei <2 Gew.-%, bevorzugt 0,0001-0,5 Gew.-% bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff.
  • Der erfindungsgemäße Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt, umfassend:
    • (i) Einfärben von Holzpartikeln und gegebenenfalls anderen holzbasierten Materialien, wie z.B. Holzfasern, Rinde und/oder Holzmehl,
    • (ii) Homogenisieren der in (i) erhaltenen Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierten Materialien mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, und
    • (iii) gegebenenfalls Formgebung des in (ii) erhaltenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs.
  • Schritt (i) erfolgt bevorzugt unter Verwendung einer Pigmentpaste.
  • Die eingesetzte Pigmentpaste ist bevorzugt wasserbasiert. Die Pigmentpaste enthält bevorzugt einen Pigmentgehalt von 25-80 Gew.-%, stärker bevorzugt von 35-70 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse. Die Pigmentpaste weist bevorzugt einen pH Wert von 4-9, stärker bevorzugt von 5-8, und/oder eine Dichte von 2-8 mg/cm3, bevorzugt 4-6 mg/cm3, auf.
  • Die Pigmente sind bevorzugt hydrophilisiert. Die Hydrophilisierung kann dabei durch Hydrophilisierungsmittel, bevorzugt Silane, Glykolether, Maleinsäureanhydrid, Isocyanate und/oder amphiphile Substanzen, wie Tenside, z.B. Alkylphenolethoxylate, erfolgen. Die Verwendung hydrophilisierter Pigmente gewährleistet eine hohe Affinität zu den Holzpartikeln und ggf. den holzbasierten Materialien und ermöglicht eine durchgehende Einfärbung. Durch Verwendung hydrophilisierter Pigmente kann zudem eine Migration der Pigmente in das mindestens eine thermoplastische Polymer verhindert werden. Bevorzugt sind die Pigmente ausgewählt aus Eisen-, Chrom-, Zink-, Titan- und Aluminium-Pigmenten, stärker bevorzugt die Oxide davon, wie z.B. FeO(OH), ZnFe2O4, Fe2O3, Fe3O4, Mischphasen des Systems (Fe,Mn)2O3, Cr2O3, Na6Al6Si6O24S2, Na7Al6Si6O24S3, Na8Al6Si6O24S4 und TiO2, Azopigmenten, wie z.B. Monoazogelb, Gelborange S (6-Hydroxy-5-(4-sulfophenylazo)-naphthalin-2-sulfonsäure-Dinatriumsalz), Amaranth ((4E)-3-Oxo-4-[(4-sulfonatonaphth-1-yl)hydrazinyliden]naphthalin-2, 7-disulfonat-Trinatriumsalz) und β-Naphtholorange (4-(2-Hydroxy-1-naphthyl-azo)-benzolsulfon-säure-Mononatriumsalz) und/oder polyzyklischen Pigmenten, wie Phthalocyanin (29H,31H-Tetrabenzo[b,g,l,q][5,10,15,20]tetraazaporphin), Chinacridon (5,12-Dihydrochino[2,3-b]acridin-7,14-dion), Diketopyrrolopyrrol-Pigmente und Dioxazin-Pigmente.
  • Schritt (i) wird bevorzugt in einem Reaktor gegebenenfalls unter Vakuum, bevorzugt bei 0-900 mbar, in Gegenwart der Pigmentpaste und der Holzpartikel und ggf. der holzbasierten Materialien durchgeführt. Der Reaktor ist bevorzugt ein Teilmodul eines Extruders, besonders bevorzugt eines Planetwalzenextruders.
  • Im Schritt (i) werden die Holzpartikel und ggf. holzbasierten Materialien, bevorzugt bei 50-100 °C, stärker bevorzugt 50-95 °C, gegebenenfalls unter Scherung behandelt. Unter den Bedingungen von Schritt (i) kann Wasserdampf entfernt werden. Bevorzugt kann nach und/oder während Schritt (i) ein zusätzlicher Trocknungsschritt erfolgen. Nach Schritt (i) oder dem zusätzlichen Trocknungsschritt ist der Wassergehalt bevorzugt <15 Gew.-%, stärker bevorzugt 5-10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung.
  • Bevorzugt kann die Holzmischung vor Schritt (i) auf etwa 50-80 °C vorgewärmt werden.
  • Schritt (i) umfasst auch ein separates Einfärben von Holzpartikeln und gegebenenfalls holzbasierten Materialien unter Verwendung unterschiedlicher Farbstoffe. Nach Schritt (i) kann daher auch eine Mischung aus unterschiedlich eingefärbten Holzpartikeln und gegebenenfalls holzbasierten Materialien vorliegen.
  • Die nach Schritt (i) oder dem zusätzlichen Trocknungsschritt erhaltene Mischung wird im Schritt (ii) bevorzugt in einem Planetwalzenextruder mit mindestens einem thermoplastischen Polymer homogenisiert und ggf. verdichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das mindestens eine thermoplastische Polymer im bereits geschmolzenen Zustand, z.B. über einen Doppelschneckenextruder, zugeführt werden. Planetwalzenextruder sind dem Fachmann bekannt und u.a. in DE 10 2007 049 505 A1 beschrieben.
  • Bei Verwendung eines Planetwalzenextruders können hohe Füllgrade bei gleichzeitig schonender Verarbeitung der Holz-Kunststoff-Mischung erreicht werden.
  • Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, unerwünschte Bestandteile, wie z.B. Luft, Feuchtigkeit und/oder Lösungsmittel, im Schritt (ii) zu entfernen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt Schritt (ii) unter Druck, bevorzugt bei 2-500 bar. Schritt (ii) wird bevorzugt bei 100-220 °C durchgeführt. Bevorzugt erfolgt Schritt (ii) unter Bedingungen, bei denen die thermoplastischen Polymere geschmolzen sind ohne chemisch abzubauen.
  • Geeignete thermoplastische Polymere können Polyolefine, Polyester, insbesondere Polylactid (PLA), Polyamide, insbesondere Polyamid 6 (PA 6) oder Polyamid 6.6 (PA 6.6) sein. Bevorzugte Polyolefine sind insbesondere Polyethylen (PE) wie z.B. High-Density-PE (HDPE), Low-Density-PE (LDPE), lineares LD-PE (LLDPE), High-Molecular-Weight-PE (HMWPE), Ultra-High-Molecular-Weight-PE (UHMWPE) oder Polypropylen (PP), wie z.B. isotaktisches PP (iPP), syndiotaktisches PP (sPP) und/oder ataktisches PP (aPP). Das mindestens eine thermoplastische Polymer kann ferner Haftvermittler, wie Silane, Anhydride, Isocyanate, Alkylketone, Vinylchlorid-Copolymerisate, Vinyl-Acrylnitril-Methacrylsäure-Copolymerisate, Phenolharze, Kautschukderivate, Acrylharze, Phenol-Formaldehyd-Harze und/oder Epoxid-Harze, Prozessadditive zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs, wie z.B. Maleinsäureanhydrid und/oder Copolymere mit sauren Gruppen (z.B. -COOH), wobei die Copolymere gegebenenfalls an Siliziumdioxid adsorbiert sind, Dispergiermittel (z.B. Carbonsäurederivate), Mittel zur Geruchsreduktion (z.B. polymere, grenzflächenaktive Substanzen, die gegebenenfalls an Polyolefinträger adsorbiert sind), UV-Schutzmittel, Antioxidantien, Flammschutzmittel, Nukleierungsmittel, Transparenzverstärker, Biozide und/oder Stabilisatoren enthalten.
  • Im Schritt (iii) kann die Formgebung der erhaltenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bevorzugt unter Verwendung eines Ein- oder Mehrschneckenextruders, mittels Spritzguß, mittels Thermoforming und/oder Vakuum-Tiefziehen erfolgen.
  • Der erhaltene Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird in Schritt (iii) bevorzugt zu Platten, Profilen und/oder Granulat geformt. Das Granulat wird bevorzugt mittels Heißabschlag nach der Extrusion hergestellt.
  • In einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff erhältlich durch das oben beschriebene Verfahren.
  • Der erfindungsgemäße Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff kann als Konstruktionselement, insbesondere für Wand- und Bodenbeläge, als Dekorelement, im Interieur-Design, im Möbelbau, z.B. für Stühle, als Verpackungsmaterial, z.B. für Kosmetiktiegel, als Gehäuse, z.B. als Elektronikgehäuse, und/oder für 3D-Druck, insbesondere Fused Deposition Modelling (FDM-Druck), verwendet werden. Bei der Verwendung im 3D-Druck wird bevorzugt ein Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff mit einem Polyester, besonders bevorzugt Polylactid, als thermoplastisches Polymer eingesetzt.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Holzpartikel aus FSC-zertifizierter Fichte mit der folgenden Zusammensetzung:
    • quaderförmige Holzspäne (d50: 4-6 mm; 14 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse von Holzpartikel und holzbasierten Materialien),
    • längliche Holzspäne (d50: 3-5 mm; 18 Gew.-%) und
    • kubischen Holzspänen (d50: 2-3 mm; 22 Gew.-%),
    sowie andere holzbasierte Materialien aus FSC-zertifizierter Fichte mit folgender Zusammensetzung:
    • feine Holzfasern (d50: 0,1-1,5 mm; 45 Gew.-%) und
    • Rinde (d50: 2-11 mm; 1 Gew.-%)
    werden mit einer wasserbasierten Pigmentpaste unter Vakuum im ersten Modul eines Planetwalzenextruders bei 90 °C unter Scherung behandelt. Es wurden gefärbte Holzpartikel mit einem Pigmentgehalt 1,5 Gew.-% und einer Restfeuchte von <15 Gew.-% bezogen auf die Holzpartikel und anderen holzbasierten Materialien erhalten. Die erhaltene Mischung wird mit einer Schmelze aus HDPE im folgenden Modul des Planetwalzenextruders homogenisiert und verdichtet. Im darauffolgenden Modul wird die erhaltene Mischung abgekühlt. Der erhaltene Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff kann abschließend über einen Einschneckenextruder zu Platten extrudiert werden.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Holzpartikel aus FSC-zertifizierter Fichte mit der folgenden Zusammensetzung:
    • längliche Holzspäne (d50: 3-5 mm; 44 Gew.-%) und
    • kubische Holzspänen (d50: 2-3 mm; 11 Gew.-%),
    sowie andere holzbasierte Materialien aus FSC-zertifizierter Fichte mit folgender Zusammensetzung:
    • feine Holzfasern (d50: 0,1-1,5 mm; 44 Gew.-%) und
    • Rinde (d50: 2-11 mm; 1 Gew.-%)
    werden mit einer wasserbasierten Pigmentpaste unter Vakuum im ersten Modul eines Planetwalzenextruders bei 90 °C unter Scherung behandelt. Es wurden gefärbte Holzpartikel mit einem Pigmentgehalt 1,5 Gew.-% und einer Restfeuchte von <15 Gew.-% bezogen auf die Holzpartikel und anderen holzbasierten Materialien erhalten. Die erhaltene Mischung wird mit einer Schmelze aus HDPE im folgenden Modul des Planetwalzenextruders homogenisiert und verdichtet. Im darauffolgenden Modul wird die erhaltene Mischung abgekühlt. Der erhaltene Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff kann abschließend über einen Einschneckenextruder zu Platten extrudiert werden.
  • In beiden Ausführungsbeispielen wurden plane Platten erhalten, die gleichmäßig gefärbt sind. Aufgrund des hohen Füllstoffgehalts kann makroskopisch nicht erkannt werden, dass die Polymermatrix im Wesentlichen transparent ist. Die Platten können geschnitten werden, wobei die Schnittflächen gleichmäßig gefärbt sind und eine glatte Oberfläche aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst folgende Ausführungsformen:
    1. 1. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, umfassend:
      • mindestens ein thermoplastisches Polymer und Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm.
    2. 2. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Punkt 1, wobei das thermoplastische Polymer ein Polyolefin, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen, ein Polyester, insbesondere Polylactid, ein Polyamid, insbesondere Polyamid 6 oder Polyamid 6.6 ist.
    3. 3. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Punkt 2, wobei das Polyolefin zumindest teilweise pflanzenbasiert ist.
    4. 4. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Punkt 2 oder 3, wobei das Polyolefin ein Rezyklat ist.
    5. 5. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Holzpartikel in Form von kubischen Spänen, quaderförmigen Spänen und/oder Spänen mit einem Aspektverhältnis von >3 vorliegen.
    6. 6. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Holzpartikel 20-60 Gew.-%, bevorzugt 25-55 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausmachen.
    7. 7. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte ferner umfassend andere holzbasierte Materialien, bevorzugt Holzfasern, Rinde und/oder Holzmehl.
    8. 8. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierte Materialien bevorzugt aus Fichtenholz, Buchenholz, Eichenholz, Birkenholz und/oder Pappelholz sind.
    9. 9. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierte Materialien etwa 50-90 Gew.-%, insbesondere 70-85 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausmachen.
    10. 10. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierte Materialien gefärbt, insbesondere durchgehend gefärbt sind.
    11. 11. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierten Materialien mit gegebenenfalls hydrophilisierten Pigmenten gefärbt sind.
    12. 12. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Punkt 11, wobei die Pigmente organischen oder anorganischen Ursprungs sind.
    13. 13. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Punkt 11 oder 12, wobei die Pigmente bis mindestens 220 °C stabil sind.
    14. 14. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei 0,5-2 Gew.-%, bevorzugt 1-1,5 Gew.-%, Pigment in den Holzpartikeln und gegebenenfalls holzbasierten Materialien enthalten sind.
    15. 15. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei der Wassergehalt von Holzpartikeln und gegebenenfalls holzbasierte Materialien bei ≤10 % atro, bevorzugt bei 0,001-10 % atro, liegt.
    16. 16. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei der Wassergehalt im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ≤2 Gew.-%, bevorzugt 0,001-2 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff beträgt, gemessen nach DIN EN ISO 15512:2004.
    17. 17. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei der Elastizitätsmodul des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs im Bereich von 2500-4000 N/mm2, stärker bevorzugt 2800-3300 N/mm2 liegt, gemessen nach DIN EN 310:1993.
    18. 18. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Dichte des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs im Bereich von 500-1800 kg/m3, bevorzugt 700-1600 kg/m3 liegt, gemessen nach DIN EN ISO 1183-3:2000.
    19. 19. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei der lineare Wärmeausdehungskoeffizient des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs im Bereich von 0,01-5 10-5 K-1, bevorzugt 0,1-4 10-5 K-1 liegt, gemessen nach ISO 11359-2: 1999.
    20. 20. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Wärmeformbeständigkeitstemperatur des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs im Bereich von 60-110 °C, bevorzugt 70-100 °C liegt, gemessen nach DIN EN ISO 75-1,-2:2013.
    21. 21. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff in Form von Platten, Profilen, Granulat oder Spritzgussteilen vorliegt.
    22. 22. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, ferner umfassend Haftvermittler, Prozessadditive zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs, Dispergiermittel, Mittel zur Geruchsreduktion, UV-Schutzmittel, Antioxidantien, Flammschutzmittel, Nukleierungsmittel, Transparenzverstärker, Biozide und/oder Stabilisatoren.
    23. 23. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei das thermoplastische Polymer im Wesentlichen frei von Farbstoffen, insbesondere Pigmenten, ist.
    24. 24. Verfahren zur Herstellung eines Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs nach einem der Punkte 1-23, umfassend die folgenden Schritte:
      • (i) Einfärben von Holzpartikeln und gegebenenfalls anderen holzbasierten Materialien, bevorzugt Holzfasern, Rinde und/oder Holzmehl,
      • (ii) Homogenisieren der in (i) erhaltenen Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierten Materialien mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, und
      • (iii) gegebenenfalls Formgebung des in (ii) erhaltenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs.
    25. 25. Verfahren nach Punkt 24, wobei Schritt (i) unter Verwendung einer Pigmentpaste erfolgt.
    26. 26. Verfahren nach Punkt 25, wobei die Pigmentpaste wasserbasiert ist.
    27. 27. Verfahren nach Punkt 25 oder 26, wobei die Pigmentpaste einen Pigmentgehalt von 25-80 Gew.-%, bevorzugt von 35-70 Gew.-%, bezogen auf die Pigmentpaste aufweist.
    28. 28. Verfahren nach einem der Punkte 25-27, wobei die Pigmentpaste einen pH-Wert von 4-9, bevorzugt von 5-8, aufweist.
    29. 29. Verfahren nach einen der Punkte 25-28, wobei die Pigmentpaste eine Dichte von 2-8 mg/cm3, bevorzugt von 4-6 mg/cm3, aufweist.
    30. 30. Verfahren nach einem Punkte 24-29, wobei Schritt (i) in einem Reaktor gegebenenfalls unter Vakuum erfolgt.
    31. 31. Verfahren nach einem der Punkte 24-30, wobei nach und/oder während Schritt (i) ein Trocknungsschritt erfolgt.
    32. 32. Verfahren nach einem der Punkte 24-31, wobei Schritt (ii) unter Verwendung eines Planetwalzenextruders erfolgt.
    33. 33. Verfahren nach einem der Punkte 24-32, wobei Schritt (ii) unter Druck, insbesondere bei bei 2-500 bar, erfolgt.
    34. 34. Verfahren nach einem der Punkte 24-33, wobei Schritt (ii) bei 100-220 °C erfolgt.
    35. 35. Verfahren nach einem der Punkte 24-34, wobei Schritt (iii) unter Verwendung eines Ein- oder Mehrschneckenextruders erfolgt.
    36. 36. Verfahren nach einem der Punkte 24-35, wobei Schritt (iii) mittels Spritzguss erfolgt.
    37. 37. Verfahren nach einem der Punkte 24-34, wobei Schritt (iii) mittels Thermoforming und/oder Vakuum-Tiefziehen erfolgt.
    38. 38. Verfahren nach einem der Punkte 24-37, wobei in Schritt (iii) die Formgebung zu Platten, Profilen und/oder Granulat erfolgt.
    39. 39. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Punkte 24-38.
    40. 40. Verwendung des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs nach einem der Punkte 1-23 oder 39 als Konstruktionselement, insbesondere für Wand- und Bodenbeläge, als Dekorelement, im Möbelbau, als Verpackungsmaterial und/oder im 3D-Druck.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2004/000529 A1 [0003]
    • DE 102007049505 A1 [0004, 0038]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 71.3:2013 [0022]
    • DIN EN 71.9:2005 [0022]
    • IN EN ISO 1183-3:2000 [0025]
    • DIN EN ISO 75-1,-2:2013 [0027, 0050]
    • DIN EN ISO 15512:2004 [0050]
    • DIN EN 310:1993 [0050]
    • DIN EN ISO 1183-3:2000 [0050]
    • ISO 11359-2: 1999 [0050]

Claims (12)

  1. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, umfassend: mindestens ein thermoplastisches Polymer und Holzpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 im Bereich von 2-11 mm, bevorzugt 2-6 mm, bevorzugt in Form von kubischen Spänen, quaderförmigen Spänen und/oder Spänen mit einem Aspektverhältnis von >3, stärker bevorzugt aus Fichtenholz, Buchenholz, Eichenholz, Birkenholz und/oder Pappelholz.
  2. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Polymer ein Polyolefin, bevorzugt ein zumindest teilweise pflanzenbasiertes Polyolefin, ein Polyester oder ein Polyamid ist.
  3. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend andere holzbasierte Materialien, bevorzugt Holzfasern, Rinde und/oder Holzmehl.
  4. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls anderen holzbasierten Materialien etwa 50-90 Gew.-%, insbesondere 70-85 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ausmachen.
  5. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierten Materialien gefärbt sind, insbesondere mit gegebenenfalls hydrophilisierten Pigmenten organischen oder anorganischen Ursprungs gefärbt sind.
  6. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wassergehalt von Holzpartikeln und gegebenenfalls anderen holzbasierten Materialien bei ≤10 % atro, bevorzugt bei 0,001-10 % atro, liegt und/oder der Wassergehalt im Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ≤2 Gew.-%, bevorzugt 0,001-2 Gew.-%, bezogen auf den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff beträgt.
  7. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff in Form von Platten, Profilen, Granulat oder Spritzgussteilen vorliegt.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1-7, umfassend die folgenden Schritte: (i) Einfärben von Holzpartikeln und gegebenenfalls anderen holzbasierten Materialien, bevorzugt Holzfasern, Rinde und/oder Holzmehl, bevorzugt in einem Reaktor gegebenenfalls unter Vakuum, (ii) Homogenisieren der in (i) erhaltenen Holzpartikel und gegebenenfalls holzbasierten Materialien mit mindestens einem thermoplastischen Polymer, und (iii) gegebenenfalls Formgebung des in (ii) erhaltenen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (i) unter Verwendung einer Pigmentpaste, insbesondere einer wasserbasierten Pigmentpaste erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei Schritt (iii) mittels Extrusion, Spritzguss, Thermoforming und/oder Vakuum-Tiefziehen erfolgt, bevorzugt zu Platten, Profilen und/oder Granulat.
  11. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10.
  12. Verwendung des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1-7 oder 11 als Konstruktionselement, insbesondere für Wand- und Bodenbeläge, als Dekorelement, im Möbelbau, als Verpackungsmaterial und/oder im 3D-Druck.
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