DE1037696B - Verfahren zur Verbesserung der hygroskopischen Eigenschaften von Holzspaenen oder -fasererzeugnissen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bereits bekannt, Platten oder Formteile, die aus Holzspänen unter Verwendung von Bindemitteln hergestellt worden sind, einer Wärmebehandlung, vorzugsweise zwischen 150 und 225° C, zu unterziehen, um sie wasserfest bzw. gegen Quellung unempfindlich zu machen. Auch hat man vorgeschlagen, fertiggepreßte Hartfaserplatten kurzfristig auf 218° C oder während 4 bis 6 Stunden auf 160° C zu erhitzen. Ferner ist auch bekannt, Wärmebehandlungen von Holz und Holzspanwerkstoffen bei diesen Temperaturen in Gegenwart inerter Gase, wie Kohlendioxyd oder Stickstoff, oder im Schmelzbad von Metalllegierungen vorzunehmen, um die Entzündungsgefahr der behandelten Holzsubstanz zu bannen.

All diesen Verfahrensweisen ist gemeinsam, daß sie ausdrücklich die Wärmebehandlung und Quellungsvergütung an Platten oder Formteilen, also an Fertigoder Halbfabrikaten aus Holzspänen oder -fasern, und bei Temperaturen vornehmen, die jedenfalls 225° C nicht überschreiten.

Auch für Bauholz ist die Vergütung durch Erhitzen auf höhere Temperaturen bekannt. Dabei ist jedoch in keiner Weise die Behandlung von Holzfasern oder Holzspänen erwähnt. Soweit ein Dämpfen des Holzes beschrieben wird, erfolgt dieses mit gespanntem Dampf bei einer dem jeweiligen Dampfdruck entsprechenden Temperatur. Für die künstliche Trocknung von Holz sind Temperaturen bis maximal 115° C angegeben. Soweit eine Behandlung mit heißen Gasen erwähnt ist, sind Luft, Leuchtgas, Sauerstoff und Wasserstoff als einander völlig gleichwertige Behandlungsgase angegeben. Dabei sollen die Temperaturen über 165° C, aber unterhalb des Flammpunktes des Holzes, der mit 275 bis 300° C angegeben wird, liegen, zweckmäßig unter 260° C. Eine solche Erhitzung in Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre ist jedoch bei den angegebenen Temperaturen wegen der dabei zwangläufig eintretenden Entzündung undenkbar. Andererseits findet sich die Angabe, daß die Vergütung mit überhitztem Waserdampf nicht erreichbar sei. Aus all diesen Angaben läßt sich somit ein technisch durchführbares Verfahren zur Wärmevergütung von Holzspänen und -fasern nicht entnehmen.

Die Wärmebehandlung von bereits ausgeformten und im Falle von Bindemitteln ausgehärteten Platten oder Formteilen birgt besonders bei höheren Temperaturen die Gefahr einer nachträglichen Verformung bzw. Zerstörung des künstlich geschaffenen Spanoder Fasergefüges in sich, zu deren Abwendung gegebenenfalls die zu behandelnden Werkstücke zwischen Platten oder entsprechenden starren Formen für die Dauer der Wärmebehandlung eingespannt werden müssen; auch darf die Temperatursteigerung nur Verfahren zur Verbesserung

der hygroskopischen Eigenschaften

von Holzspänen oder -fasererzeugnissen

Anmelder:

Gertrud Ella Jost, geb. Hartrodt,
Hamburg-Bergedorf, Doktorberg 30

Joachim Jost f, Hainburg-Bergedorf,

und Egbert Wiedenbeck, Hamburg-Kirchwerder,

sind als Erfinder genannt worden

langsam und über demzufolge längere Zeiträume erfolgen. Einer thermoplastischen Verformung während der Wärmebehandlung muß gegebenenfalls darüber hinaus durch Rückkühlung der eingespannten Produkte begegnet werden.

Die Erfindung basiert nun darauf, an Stelle der vorgefertigten Werkstücke das unverpreßte rohe Späneoder Fasermaterial im Vorwege einer Wärmebehandlung zu unterziehen und erst dann das vergütete Material, wahlweise nach vorheriger Vermischung, Benetzung od. dgl. mit Binde-, Schutz- oder anderen Mitteln, in bekannter und beliebiger Weise zu Platten oder Formkörpern zu verbinden.

Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, Holzspäne oder Holzfasern in losem Zustand vor einer Bindemittelzugabe und vor ihrer Verformung zu einem Holzspan- oder Holzfaserwerkstück einer Wärmebehandlung unter Sauerstoffausschluß bei Temperatüren vorzugsweise über 225° C und unter Atmosphärendruck zu unterziehen. Durch diese Maßnahme läßt sich eine wesentliche Verbesserung der hygroskopischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials er^: zielen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Wärmebehandlung gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in reiner Atmosphäre von überhitztem Dampf vorgenommen wird. Hierdurch wird erreicht, daß die ursprüngliche Feuchtigkeit des Spangutes während des Aufheizens bis 100° C wenigstens bis zur Höhe des Fasersättigungspunktes dem Gut erhalten bleibt und erst bei weiterer Temperatursteigerung entsprechend den bekannten physikalischen Zusammenhängen nach und nach entzogen wird.

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Das hierbei erfolgende Zusammenwirken hydrolytischer und thermolytischer Reaktionen scheint für den beabsichtigten Hydrophobierungsprozeß der Holzsubstanz besonders förderlich, wie bei den zugrunde liegenden Versuchen gefunden wurde. Der Grund dürfte in einer bevorzugten Neubildung besonders stabiler hydratationsfeindlicher, möglicherweise phenolartiger Stoffe aus dem Lignin der Holzsubstanz zu suchen sein.

Im weiteren wurde überraschenderweise gefunden, daß die Wärmebehandlung der Holzsubstanz dann einen optimalen Effekt der Quellungsvergütung zeitigt, wenn die Behandlungstemperatur bis zur Höhe des Flammpunktes der betreffenden Holzart gesteigert worden ist, der z. B. bei Kiefer bei etwa 250° C, bei Fichte bei etwa 260° C liegt.

Bei erfindungsgemäßem Vorgehen ergibt sich, daß die Beimischung von flüssigen Bindemitteln zu dem trockenen und bereits hitzevergüteten Spanmaterial weitaus wirtschaftlicher zu bewerkstelligen ist als bei nativen, also noch nicht vorbehandelten Spänen. Der erfindungsgemäß vergütete Span duldet als Folge des besonders hohen Grades seiner Hydrophobierung nur eine oberflächliche Benetzung mit dem Bindemittel, wogegen seine Imprägnierung durch Diffusion in nennenswertem Ausmaß unterbleibt. Bei gleichem Verklebungseffekt und damit gleich guter Festigkeitsausbildung erlaubt also das erfindungsgemäße Verfahren eine erhebliche Verminderung der beizugebenden Bindemittelmenge.

Die beschriebene Wärmebehandlung des losen Spanoder Fasermaterials kann diskontinuierlich oder auch kontinuierlich in entsprechenden Gefäßen, vorzugsweise wie üblich in rotierenden Blechtrommeln, erfolgen, deren Mantel durch beliebige Wärmequellen, z. B. Gas- oder ölbrenner, im erforderlichen Maße erhitzt wird und die zum Druckausgleich mit Abluftklappen (als Überdruckventil wirkend) versehen sind. Da in den anzustrebenden Temperaturbereichen das Fortschreiten der Hydrophobierung mit ansteigender Temperatur sehr rasch erfolgt, andererseits der Flammpunkt möglichst genau erfaßt werden soll, ist für eine genaue Temperaturmessung des zu behandelnden Span- oder Fasermaterials Sorge zu tragen, beispielsweise durch in die Trommel hineinragende Temperaturfühler, die von dem sich umwälzenden Spangut laufend umspült werden.

Die als vorteilhaft erkannte reine Wasserdampfatmosphäre im Innern des Behandlungsgefäßes (z. B. Trommel) kann in sehr einfacher Weise dadurch erzeugt werden, daß die Feuchtigkeit des zu behandelnden Span- oder Fasermaterials so bemessen wird, daß der bei Erhitzung sich bildende Wasserdampf wenigstens das Gefäß erfüllt. Bei dem normalen Feuchtigkeitsgehalt des Ausgangsmaterials von etwa 12 bis 16% gelingt es ohne weiteres, in dem Behandlungsgefäß eine Wasserdampfmenge zu entwickeln, die bei Atmosphärendruck etwa das siebenfache Volumen des Trommelinhalts beträgt. Dadurch wird die anfangs vorhandene Luft auf weniger als ein Hundertstel des Trommelinhalts reduziert und praktisch ausgeschaltet.

Mit der Luft wird auch der Sauerstoff aus dem Gefäß entfernt, dessen Anwesenheit bei Anwendung von Temperaturen in Höhe des Flammpunktes zu oxydativer Verbrennung des Gutes führt. Entsprechende Vorsicht ist auch geboten, wenn das heiße Gut dem Gefäß entnommen wird. Dies muß entweder in sauerstofffreier Atmosphäre geschehen, oder aber das Gut muß sehr rasch unter Vermeidung von Anhäufungen abgekühlt werden, z.B. auf indirekt gekühlten Blechen, oder im Falle von kontinuierlichem Stoffaustrag mittels Schnecken od. dgl. durch Kühlung dieser Entnahmevorrichtungen.

Die Erfindung fußt auf umfangreichen Untersuchungen, die darauf gerichtet waren, ein erschöpfendes Bild über die Möglichkeiten und Grenzen der Hydrophobierung von Holzwerkstoffen bzw. deren Ausgangsstoffen durch Wärmebehandlung zu gewinnen. Diese wurden überraschenderweise bei Temperaturhöhen gefunden, die, wie bereits dargelegt, sich mit dem Flammpunkt des Holzes decken. Mit zunehmender maximaler Behandlungstemperatur ist oberhalb 220° C eine sehr rasche Zunahme der Hydrophobierung festzustellen. Mit Erreichen des Flammpunktes ist praktisch das Maximum an Quellfestigkeit erreicht, bei weiterer Steigerung der Temperatur tritt keine wesentliche Besserung mehr ein, wie nachstehende Versuchstabelle erkennen läßt.

Maximale Temperatur bei Vorbehandlung in 0C	Dickenquellung «h
210	12,1 10,2 7,4 4,7 3,2 3,0 16,6
220
230
240
250 (Flammpunkt) 260
ohne Vorbehandlung (zum Vergleich)

Die Dickenquellung wurde aus einem Tauchversuch in Wasser bei 20° C von 10 Tagen Dauer ermittelt. Zu diesem Zweck war das erfindungsgemäß vorbehandelte Material in bekannter Weise mit 250 kg/cm² Preßdruck und 180° C zu Platten von 5 mm Materialstärke und einer Rohwichte von etwa 1,35 g/cm³ verpreßt worden. Als Rohstoff dienten Kiefernsägespäne (pinus silvestris), die durch Mahlen auf eine Sieb-

maschenweite von 1,5 mm nachzerkleinert worden waren.

Interessanterweise wiesen diese Preßplatten eine annähernd gleichbleibende Biegefestigkeit um 350kg/cm² auf, der erwartete Festigkeitsabfall mit steigender Vorbehandlungstemperatur trat trotz der bisher ungewöhnlichen Temperaturhöhe nicht ein. Erst nach Überschreiten des Flammpunktes machte sich die thermolytische Destruktion der Cellulose in einem dann aber rasch zunehmenden Absinken der Festigkeit der Preßplatten bemerkbar. Dieser Umstand kann leicht damit erklärt werden, daß sich die thermolytisch bedingte Faserschwächung infolge Depolymerisation der Celluloseketten erst dann negativ auswirken kann, wenn die Zugfestigkeit des Holzteilchens bzw. der Einzelfaser die Adhäsionskräfte der zu ihrer Verklebung verwandten Bindemittel oder durch Reaktionen ausgelösten holzeigenen Klebstoffe und damit die Scherfestigkeit der Leimfuge unterschreitet.

S₀ Beispiel

20 kg Kiefernsägespäne (pinus silvestris) mit einer Feuchtigkeit von 30%, berechnet auf Darrgewicht, werden durch Siebung (1,5 mm Maschenweite) von Grobteilen befreit und in eine verschließbare, um ihre horizontale Längsachse drehbare Blechtrommel gebracht. Durch einen regelbaren Antrieb wird diese mit etwa 60 Umdrehungen je Minute gewälzt. Zu guter Durchmischung der enthaltenen Späne dienen im Innern angebrachte Schaufelbleche. Als Achse dient ein einseitig offenes Rohr, das im Trommelinnern

Claims (7)

mehrfach aufgebohrt ist und so als Abluftschleuse dient. Die Temperaturmessung erfolgt mittels Wärmefühler, die in das umlaufende Spangut hineinragen. Die Trommel befindet sich in einer feststehenden, oben offenen Haube, die nach außen isoliert ist und die Heizwirkung der unter der Trommel befindlichen Gas- oder ölbrenner verstärkt. Die Trommel ist 2 m lang bei 0,8 m Durchmesser. Aus der im Spangut enthaltenen Feuchtigkeit wird somit eine etwa zehnfache Dampfmenge des Trommelvolumens erzeugt und mit fortschreitender Verdampfung praktisch eine restlose Ausspülung der enthaltenen Luft erreicht. Nach etwa 10 Minuten Heizzeit sind in den Spänen 100° C erreicht; für weitere 10 Minuten bleibt die Temperatur dann wegen der notwendigen Ver- j dampfung des Wassers etwa auf dieser Höhe stehen, um anschließend rasch zunehmend anzusteigen. In insgesamt etwa 50 Minuten wird die Spantemperatur bis zum Flammpunkt dieser Holzart in Höhe von 250° C gesteigert, dann die Beheizung abgebrochen. Nach Öffnen der Trommel wird das heiße Gut entnommen und auf gekühlten Blechen oder in anderer Weise rasch abgekühlt, um einer nachträglichen Verbrennung vorzubeugen. Die auf diesem Wege vorbehandelten Späne haben eine mittel- bis dunkelbraune Färbung angenommen und sind darrtrocken. Durch dosierte Beimischung von Wasser läßt sich die für die beliebige Weiterverarbeitung benötigte Feuchtigkeit leicht und exakt einstellen. Das hygroskopische Gleichgewicht der so vorbehandelten Späne ist gegenüber unbehandeltem Material gleicher Holzart stark verschoben und beträgt bei 65% relativer Luftfeuchtigkeit und 20° C nur mehr 6 bis 7%, bezogen auf Darrgewicht, gegenüber 12% bei unbehandeltem Material. Die erhaltenen Späne können nun nach an sich bekannten Verfahren mit Bindemitteln, wie Kunstharz, Zement usw., oder auch ohne solche, lediglich auf dem Wege des Heißverpressens, zu Gebrauchsgegenständen aller Art verformt werden. Dabei kann auch eine Abdeckung mit Kunststoffschichten od. dgl. stattfinden. Die Merkmale der Erfindung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Hitzevergütung von Holzwerkstoffen wird die Wärmebehandlung im Vorwege an losem Ausgangsmaterial vorgenommen. Diese Maßnahme erlaubt es, die Wärmebehandlung in die Temperaturbereiche in Höhe des Flammpunktes der jeweiligen Holzart vorzutreiben, was erfindungsgemäß zu optimalen und gegenüber bekannten Verfahren weitaus verbesserten Quellfestigkeiten der Werkstoffe führt. Eine zusätzliche Förderung der Hydrophobierung kann erfindungsgemäß weiterhin dadurch erreicht werden, daß die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre überhitzten Wasserdampfes erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine weitaus intensivere Vergütung von Holzwerkstoffen hinsichtlich ihrer Quelleigenschaften, als dies die bisher bekannten Verfahren traten. Damit werden diesen Werkstoffen neue Anwendungsgebiete erschlossen, auf denen sich bislang ihr Einsatz wegen ihrer hygroskopischen Unzulänglichkeit verbot. Auch gestattet das erfindungsgemäße Vorgehen jede beliebige Methode, die Späne oder Fasern miteinander zu verbinden, wie es auch völlige Freiheit in der Wahl etwaiger Bindemittel läßt. Neben den grundsätzlich neuen Erkenntnissen über den Einfluß der Flammpunkttemperatur und Anwesenheit überhitzten Dampfes auf die Quellungsvergütung vom Holzwerkstoffen oder deren Ausgangsstoffen zeugen auch die erweiterten Vergütungs- und Anwendungsmöglichkeiten dieser Werkstoffe von dem technischen Fortschritt, der die Erfindung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik und der Kenntnisse auszeichnet. Pa tent λnspk rc n ε:

1. Verfahren zur Verbesserung der hygroskopischen Eigenschaften von Holzspan- oder -fasererzeugnissen durch Anwendung erhöhter Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß das lose Ausgangsmaterial vor einer Bindemittelzugabe und Verformung zu einem Holzspan- oder -faserwerk stück einer Wärmebehandlung unter Sauerstoff· ausschluß bei vorzugsweise über 225° C und Atmosphärendruck unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturen in Höhe des Flammpunktes der behandelten Holzart angewendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in überhitztem Dampf entsprechender Temperatur bei Atmosphärendruck vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des Materials kontinuierlich durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material unmittelbar nach erfolgter Wärmebehandlung rasch abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlung ein Ausgangsmaterial mit einem Feuchtigkeitsgehalt unterzogen wird, der zur Bildung einer Wasserdampfmenge ausreicht, welche das Mehrfache, vorzugsweise mindestens das Siebenfache des Volumens des Behandlungsgefäßes beträgt.

7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem an sich bekannten, beheizten Behandlungsgefäß besteht, das als Überdruckventile wirkende, dem Druckausgleich dienende Abluftklappen aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung K 17286 IVa/38h (bekanntgemacht am 27. 10. 1955);

Vorreiter, »Holztechnologisches Handbuch«, Bd. I, 1949, Abschnitt K, S. 431, 432, 433, 435.

© 809 599/500 &.