DE4412759A1

DE4412759A1 - Polyurethan-Klebstoff für tragende Holzbauteile

Info

Publication number: DE4412759A1
Application number: DE4412759A
Authority: DE
Inventors: Hans Karl Engeldinger
Original assignee: Beiersdorf AG
Current assignee: HB Fuller Licensing and Financing Inc
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1995-10-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Einkomponenten-Klebstoff, der insbesondere für tragende Holzbauteile geeignet ist.

Die holzverarbeitende Industrie erstellt Balken für den Einsatz im Baugewerbe, z. B. als tragende Konstruktion beim Bau großer Hallen. Solche Holzbalken werden durch Zusammen leimen mehrerer Bretter übereinander gefertigt. Anders als mit naturgewachsenen Balken aus einem Stamm lassen sich durch diese Schichtverleimung höhere und gleichmäßigere Festigkeiten erzielen. Auch das Krümmen und Verziehen der Balken aufgrund wechselnder Temperatur und Feuchtigkeit wird damit vermieden. Ebenfalls durch Verkleben wird die kraft schlüssige Verbindung von Balken bei der sogenannten "Keil zinkenverbindung" herbeigeführt.

Klebstoffe, die für solche tragenden Holzkonstruktionen verwendet werden, bedürfen einer amtlichen Zulassung durch ein staatlich autorisiertes Institut. Für Deutschland ist dies die FMPA (Forschungs- und Materialprüfungsanstalt in Stuttgart. Die FMPA erteilt die Zulassung erst nach ausge dehnten Untersuchungen über das Festigkeitsverhalten ver leimter Originalteile und Prüfkörper unter verschiedenen klimatischen Bedingungen.

Die bisher zugelassenen und im Einsatz befindlichen Klebstoffe basieren hauptsächlich auf Resorcin- bzw. Harn stoff/Melamin-Harzbasis. Die chemische Härtung dieser Produkte beruht auf einem Polykondensationsprozeß pheno lischer OH-Gruppen mit Formaldehyd, das z. B. durch einen Härter wie Paraformaldehyd oder Hexamethylentetramin einge bracht wird. Bei der Härtungsreaktion wird überschüssiges Formaldehyd in der Klebfuge freigesetzt, das über lange Zeiträume an die Umgebung abgesondert werden kann. Form aldehyd steht jedoch im Verdacht gesundheitsschädigender Wirkung. Daher hat man z. B. bei der Herstellung von Span platten bereits weitgehend auf den Einsatz von Resorcin harzen verzichtet.

Aufgabe war es, einen formaldehydfreien Klebstoff zu entwickeln, der für die Herstellung tragender Holzbauteile geeignet ist, und die entsprechende Zulassung zu erreichen.

Der erfindungsgemäße Klebstoff basiert auf isocyanat haltigen Polyurethanpräpolymeren, die mit Wasser - auch aus der natürlich vorhandenen Holzfeuchtigkeit - zu einem fe sten, elastischen Endprodukt aushärten.

Derartige Polyurethanpräpolymere werden üblicherweise aus Roh- oder Rein-MDI (Diphenylmethandiisocyanat) durch Reakti onen mit hydroxylhaltigen Stoffen, vornehmlich Polyestern oder Polyethern oder Mischungen daraus hergestellt. Das molare Verhältnis der Reaktionspartner muß so gewählt werden, daß die Isocyanatgruppen überwiegen, um ein reakti onsfähiges, mit Feuchtigkeit härtenden Endprodukt zu erhal ten.

Der Isocyanatgehalt darf nicht zu niedrig sein, da die Härtungsreaktion dann zu schwach ausgeprägt ist und der Klebstoff demzufolge zu weich bleibt. Er darf nicht zu hoch sein, denn dann könnte der Feuchtegehalt in dem zu verkle benden Holz für die Vernetzung nicht ausreichen. Eine zusätzliche Wasserdosierung beim Klebeprozeß wäre nötig, und der Klebstoff könnte durch enge Vernetzung zu einem spröd harten Produkt aushärten. Ohne solche zusätzliche Befeuchtung wäre mit einer allmählichen langfristigen Versprödung der Klebfuge zu rechnen. Unter Berücksichtigung dieser Umstände sollte der Isocyanat-Gehalt zwischen 8 und 16 Gew.-% betragen, vornehmlich über 10 Gew.-%.

Die chemische Reaktion der Isocyanate mit den leicht be weglichen Wassermolekülen führt unter Abspaltung von CO₂ zu Polyharnstoff. Sie stellt den hauptsächlichen Härtungsprozeß dar.

Isocyanate sind zudem in der Lage, mit OH-Gruppen der Zellulose und des Lignins aus dem Holz eine chemische Reak tion einzugehen, und dies ohne CO₂-Abspaltung.

Diese Reaktion bewirkt eine hohe spezifische Adhäsion zum Holz. Im grenznahen Bereich der Holzoberfläche entsteht ein kompakter Klebstoff-Film. Die beschriebenen Effekte verstär ken die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Klebstoffs für die konstruktive Holzverklebung.

Ein weiterer Gesichtspunkt für die Anwendbarkeit des Klebstoffes ist Konsistenz. Die bei der Holzverleimung üb lichen Applikationstechniken (Walzenauftragswerke oder Pumpen/Düsen-Systeme) verlangen von dem Klebstoff eine gewisse Fließfähigkeit.

Andererseits darf das Produkt nicht so niedrigviskos sein, daß es von dem Holz absorbiert wird, also "wegschlägt". Eine gewisse Penetration in die grenznahe Holzschicht wirkt sich allerdings positiv aus, da die physikalische Verankerung die Klebfestigkeit erhöht. Produkte mit dynamischen Viskositäten zwischen 100 und 300 Pa·s (nach Brookfield) entsprachen den Anforderungen. Durch Kombinationen aus Verdickungsmitteln und Füllstoffen konnten wir die gewünschte Konsistenz errei chen.

Als geeignete Verdickungsmittel fanden wir hydrophobierte Siliciumdioxide heraus, bei Mengenanteilen zwischen 2 und 8 Gew.-%, die vorzugsweise feindispers sind. Durch die Hydro phobierung enthalten diese Verdicker keine Feuchtigkeit, so daß deren Zugabe zu dem Prepolymer die Lagerstabilität nicht beeinträchtigt.

Als Zusatzstoffe geeignet sind die meisten handelsüblichen mineralischen Füllstoffe, z. B. Kreide, Dolomite und Silikate - mit der Einschränkung, daß sie einen Feuchtegehalt von unter 0,1 Gew.-% aufweisen müssen. Die Mengenanteile der Füllstoffe können variieren zwischen 0-40 Gew.-%.

Eine Erhöhung der Reaktivität des Klebstoffes kann durch Zugabe bekannter Beschleuniger, z. B. metallorganischer wie Dibutyldizinnlaurat oder aminischer wie Diazabicyclooctan in geringen Dosen bis 0,1 Gew.-% erreicht werden.

Überraschend stellte sich heraus, daß die Zugabe von pul verförmigem Molekularsieb vom Typ "Zeolithe" die Lagerstabi lität des Klebstoffes erheblich steigert. Dabei ist es eine in der Fachwelt verbreitete Meinung, daß derartige Stoffe überhaupt nicht in einen solchen Kleber gehören, da sie die Lagerstabilität beeinträchtigen würden. Mit einem Mengenan teil von weniger als 2-6 Gew.-% Molekularsieb konnten wir jedoch eine Lagerstabilität von ca. 1 1/2 Jahren erreichen.

Die Bestandteile werden vorzugsweise in einem geschlos senen Mischer mit Planetenrührwerk unter Stickstoff (zwecks Anschluß von Feuchtigkeit) homogen gerührt. Die Abfüllung in Einzelgebinde erfolgt ebenfalls weitgehend unter Stickstoff.

Beispiel 1

Produkt
Anteil in Gew.-%
Isocyanat-Präpolymer
75,00
Dolomit, gemahlen	18,00
Siliciumdioxid, hydrophob	3,08
Dibutyl-Zinndilaurat	0,02
Zeolith-Pulver	3,90

Mit diesem Produkt fanden wir

- eine Viskosität nach Brookfield bei 25°C von 170 Pa·s
- eine Zugscherfestigkeit am Buchenholz von 12 N/mm² unter Materialbruch.

Wir verklebten zwei Bretter mit einer Holzfeuchte von 12% bei einem Raumklima von 20°C und 65% rel. Luftfeuchte. Die Klebschichtdicke betrug 200 µm. Die Mindestpreßzeit bis zum Erreichen der Anfangshaftung betrug 9 Stunden. Danach konnte der Verbund entspannt, transportiert und bearbeitet werden. Die Endfestigkeit war nach 2 bis 3 Tagen erreicht.

Claims

1. Einkomponenten-Polyurethan-Klebstoff, insbesondere für tragende Holzbauteile, gekennzeichnet durch einen Gehalt

a) 50-95 Gew.-% isocyanathaltigen Polyurethanpräpolymeren,
b) 2-8 Gew.-% hydrophobes Siliciumdioxid, und
c) 2-6 Gew.-% pulverförmiges Molekularsieb (Zeolith),

ggf. neben weiteren üblichen Zusatzstoffen und/oder Be schleunigern.

2. Klebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isocyanat-Gehalt im Präpolymer 8-16 Gew.-%, insbeson dere 10-16 Gew.-% beträgt.

3. Klebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine dynamische Viskosität von 100-300 Pa·s (nach Brookfield) aufweist.

4. Klebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 40 Gew.-% enthält, die einen Feuchtegehalt von unter 0,1 Gew.-% aufweisen.

5. Klebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zum 0,1 Gew.-% Beschleuniger enthält.

6. Klebstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 75 Gew.-% Isocyanato-Präpolymer, 18 Gew.-% gemah lenen Dolomit, 3,08 Gew.-% hydrophoben Siliciumdioxid, 0,02 Gew.-% Dibutyl-Zinndilaurat und 3,9 Gew.-% Zeolith-Pulver.

7. Verwendung eines Klebstoffs nach einem der Ansprüche 1-7 für tragende Holzbauteile.