DE3037992C2 - Verfahren zur Herstellung eines Bindemittels für Holzwerkstoffe - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Bindemittels für HolzwerkstoffeInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bindemittels für Holzwerkstoffe unter
Verwendung von phenolischen Stoffen, insbesondere Ligninsulfonat.
Fast 20% der Weltproduktion an Voll- und Chemiezellstoff werden durch Sulfitverfahren hergestellt,
deren Bedeutung mit der großtechnischen Anwendung modifizierbarer Magnesiumbisulfitaufschlüsse
weiter wächst. Dadurch gewinnt die Suche nach wirtschaftlichen Verwendungsmöglichkeiten von Sulfitablaugen
an Wichtigkeit. Obwohl der Anwendungsbereich für Ligninsulfonate aus dem Sulfitaufschluß
äußerst vielseitig ist, reicht die Summe der Verwendungsmöglichkeiten bei weitem nicht an die Menge von
50 Mill. Tonnen heran, die zwangsweise jährlich bei der Zellstoffherstellung anfällt. Zur Zeit werden nur
8—10% der Ligninsulfonat-Produktion ökonomisch genutzt, der Rest wird entweder in die Flüsse geleitet
oder verbrannt.
Eine Verbrennung von Sulfitablaugen, um den Grad der Flußverschmutzung herabzusetzen, wirft jedoch
ebenfalls erhebliche Probleme auf: das Eindampfen der Sulfitablaugen, die 88% Wasser enthalten, erfordert ein
beträchtliches Maß an Energie (20-50% der durch den Verbrennungsprozeß gewonnenen Energie).
Außerdem enthält das verdampfte Wasser alle flüchtigen organischen Bestandteile der Sulfitablauge,
so daß das Kondensat einen hohen BSB-Gehalt hat.
Abgesehen von der hohen Umweltbelastung stellen beide Verfahren eine ungeheure Verschwendung von
Rohstoff dar, da beim konventionellen Sulfitverfahren etwa 60% der eingesetzten Holzmasse als Abfallprodukt
ungenutzt verlorengeht
Aus den vorher genannten Tatsachen geht hervor, daß ein Verfahren zur sinnvollen Verwertung der
Sulfitablaufen sich sowohl im Rahmen des Umweltschutzes als auch im Sinne der Rohstoffbilanz sehr
positiv auswirken würde. Aus diesem Grunde bahnt sich auf dem Gebiet der Ligninchemie seit geraumer Zeit
ίο eine Arbeitseinrichtung mit dem Ziel an, die anfallenden
Ablaugen sinnvoll zu verwerten. Dabei gilt der Grundsatz, daß jedes Verfahren der Ablaugenverwertung,
welches höhere Werte produziert als es dem rein kalorischen Wert der Sulfitablaugen entspricht, wünsehenswert
ist
Ein Industriezweig, auf dem schon seit langem versucht wird, das Abfallprodukt Sulfitablauge einzusetzen,
ist die Spanplattenindustrie. Für die Herstellung von Spanplatten mit zweckbestimmten Eigenschaften
kommt den Bindemitteln eine besondere Bedeutung zu. In der BRD werden die für den Innenausbau benötigten
Spanplatten fast ausschließlich mit Harnstoff-Formaldehydharzen verleimt. Diese sind jedoch nur bedingt
feuchtigkeitsbeständig: Bei Temperaturen über 50" C sind diese Platten gegenüber Wasser nicht beständig.
Diese geringe Naßfestigkeit macht die HF-verklebten Platten für die Verwendung im Außenausbau ungeeignet.
Deshalb haben seit 1963 auch alkalisch härtende Phenoiformaldehydharze in der Industrie Eingang
gefunden. Die Nachteile dieses Verleimungstyps, wie lange Preßzeiten und ungünstiges Quellungsverhalten,
waren der Anlaß dafür, nach weiteren Bindemitteln zu suchen, die erhöhten klimatischen Beanspruchungen
gerecht werden.
Neben Diisocyanaten und Tanninharzen wurden auch Sulfitablaugen als Streckmittel in Verbindung mit
Bindemitteln eingesetzt. Lange Preßzeiten und hohe Preßtemperaturen sind die Hauptnachteile. Ein weiterer
Versuch, Ligninsulfonate bei dem Verleimungsprozeß einzusetzen, ist von Roffael aus der DE-PS 24 06 887
bekannt. Damit gelang es, bis zu 50% des teuren Phenolformaldehydharzes wegzulassen und preisgünstige
Natriumsulfitabiauge hinzuzufügen, ohne daß die physikalisch-technologischen Eigenschaften der Platten
bei einer Rohdichte um 0,7 g/cm3 unter die in den DIN-Normen vorgeschriebenen Werte absanken. Dabei
ist Ligninsulfonat jedoch nicht aktiv am Verleimungsprozeß beteiligt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, phenolisehe
Stoffe bzw. Substanzen, insbesondere Sulfitablauge bzw. das in ihr enthaltene Ligninsulfonat, als aktive
Bindemittel einzusetzen bzw. herzustellen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwecks Aktivierung der phenolische Stoff mit Enzymen
versetzt wird, die Phenole nach einem Radikalmechanismus oxidativ polymerisieren, und so der phenolische
Stoff in ein aktives Bindemittel umgeformt wird. Der phenolische Stoff wird mit Enzymen versetzt selbst
aktives Bindemittel und kann beispielsweise auf miteinander zu verklebende Holzteile aufgebracht
werden. Beispielsweise bei der Herstellung von Spanplatten kann dieses aktive Bindemittel eingesetzt
werden, wobei die Spanplatten auch unter sehr geringen Preßdrücken verdichtet und anschließend beispielsweise
im Stapel übereinanderliegend bei Raumtemperatur zur Aushärtung gebracht werden können. Während
dieser Aushärtungszeit wird das Ligninsulfonat der Sulfitablauge durch oxidative Polymerisation mit Hilfe
phenoloxidierender Enzyme fest mit dem Holz verbunden.
Die Enzyme, welche die Phenole nach einem Radikalmechanismus oxidativ polymerisieren, können
aus Pflanzen, Pilzen oder Bakterien, insbesondere aus
Weißfäulepilzen, gewonnen werden. Es ist aber auch möglich, daß diese Enzyme aus den Kul'urlösungen von
Pflanzen, Pilzen oder Bakterien, insbesondere aus Weißfäulepiizen, gewonnen werden. Solche Weißfäulepilze
sind:
Polyporus spec.
Stereum spec
Marasmius spec.
Fomes spec.
PIeurotus spec.
Sporotrichum spec.
Stereum spec
Marasmius spec.
Fomes spec.
PIeurotus spec.
Sporotrichum spec.
Als Pflanzen kommen in Frage:
Armoradia rusticana
Rhus vernieifera.
Rhus vernieifera.
10
15
20 Eine Kulturlösung aus einfachen organischen und anorganischen Nährstoffen unter Hinzufügung eines
Induktors zur Anregung erhöhter Enzymproduktion kann Verwendung finden. Als Induktor kommt beispielsweise
ein Phenol in stark verdünnter Form in Frage.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird folgendes ausgeführt:
Der Basidiomyzet Fomes annosus -gibt, wie auch
andere Weißfäulepilze, phenoloxidierende Enzyme in das Kulturmedium ab, wenn dieses Ligninsulfonat und
eine zusätzliche C-Quelle enthält Unter phenoloxidierenden
Enzymen wird folgendes verstanden:
Acceptor O2:
ο- Diphenoloxidase
p-Dipheno!oxidase (Laccase)
Acceptor H2O2:
Peroxidase.
p-Dipheno!oxidase (Laccase)
Acceptor H2O2:
Peroxidase.
Als Enzyme kommen insbesondere in Frage:
EX. Nr.
Systemat. Name
Reaktion Spezifität etc.
1.10.3.1. o-Diphenol: oxygen oxidoreductase
(polyphenoloxidase, phenolase,
tyrosinase, Catechol oxidase)
(polyphenoloxidase, phenolase,
tyrosinase, Catechol oxidase)
1.10.3.2. p-Diphenol: oxygen oxidoreductase
(Laccase)
(Laccase)
1.11.1.7. Donor: hydrogen-peroxide
oxidoreductase (Peroxidase)
oxidoreductase (Peroxidase)
2 o-Diphenol + O2
-2o-Chinon + 2H2O
-2o-Chinon + 2H2O
p-Diphenol + O
-2 p-Chinon + 2 H2O
-2 p-Chinon + 2 H2O
Donor+ H2O2 =
oxidierter Donor+ H2O
oxidierter Donor+ H2O
Cu als Zentralatom; Monophenole werden ebenfalls oxidiert
Cu als Zentralatom; auch p-Phenylendiamine werden oxidiert
Haemoprotein
Im Falle von Fomes annosus handelt es sich um das Enzym Laccase (E. C. 1.10.3.2). Dieses Enzym oxidiert Phenole
nach folgendem Reaktionsmechanismus:
®HCh
Laccase
SCh
'2SCh
nicht enzymatisch Ch + HCh
HCh = Hydrochinon (Phenol)
SCh = Semichinon
Ch = Chinon
SCh = Semichinon
Ch = Chinon
Als Elektronenakzeptor dient dem Enzym dabei das Zentralatom Cu1+, das die Elektronen an O2 weitergibt
und somit regeneriert wird (bei Peroxidase fungiert H2O2 als Akzeptor).
2Cu2++HCh->2Cu++2H +
2CU+ + I/2O2 + 2 H+ -^2Cu2+
2CU+ + I/2O2 + 2 H+ -^2Cu2+
55
Nach dem gleichen Reaktionsmechanismus werden auch höhermolekulare Polyphenole (z. B. Lignine oder
Ligninsulfonsäuren) durch das Enzym oxidiert, wobei die im ersten enzymatisch katalysierten Schritt entstandenen
mesomeren freien Radikale untereinander kuppeln. So bildet sich sehr rasch ein hochmolekulares,
amorphes Dehydrierungspolymerisat. Zur Veranschauüchung der Reaktion ist die Entstehung von Lignin aus
Monomeren mit Hilfe von Peroxidase in F i g. 1 gezeigt.
Das Polyphenole höheren Molekulargewichtes ebenso oxidativ polymerisiert werden, ist in den F i g. 2 und 3
gezeigt. F i g. 2 zeigt natives Ligninsulfonat einer breiten Molekulargewichtsverteilung mit einem mittleren Molekulargewicht
von Mw 435 000. Dieses wird während 19 Tagen Kulturdauer von Fomes annosus zu einem
Produkt vom Mw 1,5x105 polymerisiert (Fig. 3). Das
gleiche gilt für andere unlösliche Lignintypen. Eine Vorstellung der Struktur solch eines Lignins soll das
Konstitutionsschema in F i g. 4 vermitteln.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des auf diese Weise hergestellten Bindemittels bei der Herstellung
von Holzwerkstoffen, insbesondere Holzspanplatten. Das Pressen der gestreuten Holzspanplatten kann
bei Raumtemperatur und geringen Drücken erfolgen, was nicht ausschließt, daß normale Prtßdrücke, wie sie
aus der Spanplattenindustrie bekannt sind, ebenfalls zur Anwendung kommen können. Erforderlich sind sie
jedoch in den meisten Fällen nicht.
Die unter Ablauf der oben genannten Reaktion erfolgende Verklebung von Holzspänen bietet bei der
Herstellung von Holzspanplatten gegenüber den bekannten Verfahren eine Reihe von Vorteilen:
Die aus Abfallprodukt anfallende Sulfidablauge bzw. das darin enthaltene Ligninsulfonat kann sowohl zur
Anzucht von Organismen bei der Gewinnung der Enzyme als auch als aktiviertes Bindemittel eingesetzt
werden, so daß damit ein erheblicher Beitrag zur Entschärfung des Ablaugenproblems geleistet ist.
Außerdem werden die teuren Phenolharze und die Isocyanate eingespart. Schließlich ist der Energieaufwand
gegenüber vergleichbaren Herstellungsverfahren für Spanplatten erheblich geringer, da sowohl das
Pressen als auch das Aushärten unter Raumtemperatur stattfinden kann und die Preßdrücke sehr gering sein
können. Es entstehen umweltfreundliche Holzspanplatten,
die kein Formaldehyd abspalten. Ein hoher Alkaligehalt der Platten, der bei Phenolharz verleimten
Platten zu Rostbildung bei Nagelverbindungen führt, ist
vermieden.
Um die Erfindung noch weiterhin zu verdeutlichen, wird folgendes Beispiel angeführt:
1. Enzyriigewinnung
Der Weißfäulepilz Fernes Annosus (ATCC 28222)
wurde axenisch in 500 ml Erlenmeyerkolben auf 50 ml flüssigem Medium der folgenden Zusammensetzung
gezogen:
2,5% Ligninsulfonsäure
1,5% Glucose
0,25%Asparaginsäure
0,7% KH2PO4
0,4% KNO3 03% Na2HPO4 · 2 H2O
0,1% MgSO4 · 7 H2O'
0,1% NaCl
Spurenelemente:
MnCl2, ZnSO4, CoCl2, CuCl2, FeCI2
Nach 10 Tagen Inkubation bei 24°C im Dunkeln wurde das Laccase induzierende Phenol 2,4-Dihydroxybenzoesäure
als 200 mM Stammlösung zugegeben. Die ά
Endkonzentration des Induktors betrug 2 mM. Nach 2 Tagen weitere Inkubation unter gleichen Außenbedingungen
wurden die Mycelmatien über Schleicher und Schüll Filterpapier No. 1575 im Wasserstrahlvakuum
abgesaugt und das mycelfreie Kulturmedium (= Filtrat) ^o
über Sephadex G25 entsab:t und im Rotationsverdampfer
bei 25°C auf Vs seines Volumens konzentriert Die Entsalzung und Konzentration des Kulturfiltrates ist
ebenso durch Diafiltration (Amicon DC 2, Filter Cut off 10 000) zu erreichen. Dieses Medium enthält 10 U/ml
Laccase.
2. Herstellung des Bindemittels
Zu 1 ml der so hergestellten Enzymlösung wurden verschiedene Sulfitablaugen (unterschiedlicher Herkunft)
und reines Na-Ligninsulfonat langsam eingerührt, bis eine Suspension honigartiger Konsistenz entstand.
Als Kontrolle diente dabei dieselbe Sulfitablauge, mit demineralisiertem Wasser statt mit Enzymlösung
angerührt.
3. Verklebung der DIN-Holzstücke
Holzstücke von DIN-Format wurden auf beiden zu verklebenden Seiten gleichmäßig mit den verachiedenen
Leimsorten bestrichen (etwa 1 mm dick) und dann mit einem Druck von 0,03 kg/cm2 aufeinandergepreßt.
Die Klebkraft der Verleimung wurde sodann in einem DIN-Apparat gemessen. Dabei ergab sich folgendes:
Klebkraft verschiedener Sulfitablaugen
Sulfitablauge
Klebkraft
(N/mm3)
(N/mm3)
0,1
0,04
0,29
0,1
0,15
Kontrolluntersuchungen ohne Enzymeinsatz ergaben keine Verklebung.
Es zeigt sich, daß die verschiedenen Leimtypen, hergestellt aus Sulfitablaugen unterschiedlicher Herkunft,
auch unterschiedliche Klebkraft besitzen. Das beste Ergebnis wurde mit Probe 3 erzielt Die Klebkraft
betrug hier 0,29 Newton pro mm2, so daß eine Klebkraft für dauerhafte Spanplatten erreichbar ist
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Bindemittels für Holzwerkstoffe unter Verwendung von phenolischen
Stoffen, insbesondere Ligninsulfonat, dadurch
gekennzeichnet, daß zwecks Aktivierung der phenolische Stoff mit Enzymen versetzt
wird, die Phenole nach einem Radikalmechanismus oxidativ polymerisieren, und so der phenolische
Stoff in ein aktives Bindemittel umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme aus Pflanzen, Pilzen oder
Bakterien gewonnen worden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme aus Weißfäulepilzen
gewonnen worden sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme aus den Kulturlösungen
von Pflanzen, Pilzen oder Bakterien gewonnen worden sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme aus den Kulturlösungen
von Weißfäulepilzen gewonnen worden sind.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kulturlösung aus einfachen
organischen und anorganischen Nährstoffen unter Hinzufügung eines Induktors zur Anregung erhöhter
Enzymproduktion eingesetzt worden ist.
7. Verwendung des Bindemittels gemäß Anspruch 1 bis 6 bei der Herstellung von Holzwerkstoffen.
8. Verwendung des Bindemittels nach Anspruch 1 bis 6 bei der Herstellung von Holzspanplatten.
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