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Die
Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung eines natürlichen
Harzes, das von Holz, Rinde, forstwirtschaftlichen Rückständen, Holzindustrie-Rückständen und
anderen Biomasse-Materialien
unter Verwendung einer schnellen Pyrolyse erhalten wird, sowie die
Verwendung desselben als Klebemittel bei der Herstellung von gefertigten
Holz-Erzeugnissen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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"Harz" ist ein generischer
Begriff, der verwendet wird, um sowohl natürliche als auch synthetische Klebstoffe
zu beschreiben, die ihre adhäsiven
Eigenschaften von ihrer inhärenten
Fähigkeit
erhalten, in gleichmäßiger und
vorhersehbarer Weise zu polymerisieren. Die überwiegende Mehrzahl der modernen
industriellen Harze ist synthetisch und wird normalerweise ausgehend
von Erdöl
als Ausgangsmaterial erhalten. Zwei der im Hinblick auf Produktionsvolumen
und Gesamtverkaufszahlen wichtigsten Klassen von synthetischen Harzen
sind Phenol-Formaldehyd (P/F)-Harze und Harnstoff-Formaldehyd (U/F)-Harze.
In beiden Fällen
besteht die hauptsächliche
Marktanwendung in der Benutzung als Klebstoff-Bindemittel in gefertigten
Holz-Erzeugnissen.
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Phenolformaldehyd
(P/F)-Harz erweist sich aufgrund seiner Resistenz gegenüber Feuchtigkeit
als besonders wertvoll in Außen-Umgebungen
(im Freien) oder in feuchten Umgebungen. Es ist daher das führende Klebemittel,
welches bei der Herstellung von Sperrholz, Platten mit ausgerichteten
Spänen
("oriented strand board", OSB) und Wafer-Platten
(Sellers, 1996) verwendet wird. P/F-Harze werden ferner im großen Umfang bei
Laminaten, Isolierungen, Gussprodukten, Formstoffen, Schleifmitteln
und Reibungsmitteln für
die Transportindustrie (d.h. Kupplungsbeläge, Scheibenbeläge und Getriebeteilen)
verwendet. Wie der Name verrät sind
die Hauptinhaltsstoffe in P/F-Klebemitteln Phenol und Formaldehyd.
Das fertiggestellte Produkt ist hingegen eine Mischung aus P/F,
Lauge und Wasser. Verschiedene Füllstoffe,
Streckmittel und Dispersionsmittel können anschließend für spezifische
Anwendungen des Klebemittels zugesetzt werden.
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Der
Formaldehyd-Inhaltsstoff im P/F-Harz wird aus Methanol erhalten,
das normalerweise aus natürlichem
Gas hergestellt wird. Der Phenol-Inhaltsstoff wird üblicherweise
aus Benzen und Propylen über
ein Cumol-Intermediat hergestellt. Neben der Herstellung von P/F-Klebemitteln
wird Phenol auch bei der Herstellung anderer wichtiger Produkte
verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Bisphenol A und
Caprolactam. Bisphenol A ist einer der hauptsächlichen Bestandteile in Polycarbonaten,
welche in Automobilteilen, CDs und Computerdisketten verwendet werden,
und Caprolactam ist ein Ausgangsmaterial für Nylon 6, welches in Flecken-resistenten
Teppichen verwendet wird.
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Wenn
Phenol und Formaldehyd in Wasser miteinander vermischt und mit einer
Lauge als Katalysator versetzt werden, durchlaufen sie eine Kondensationsreaktion,
bei der entweder ortho- oder
para-Methylolphenol entsteht. Das resultierende PF-Harz (wie es
auf den Markt kommt) ist eine dunkelbraune Flüssigkeit, die zu einem mittleren
Grad polymerisiert und quervernetzt ist. Es wird anschließend in
der endgültigen
Platte, in dem Laminat oder in einem anderen Produkt ohne Katalysator
durch einfaches Erwärmen
ausgehärtet,
wobei die endgültige
Polymerisierung und Quervernetzung über Kondensationsreaktion erfolgt.
Das Freisetzen von freiem Formaldehyd bei der Harz-Herstellung und bei
Schritten der Verwendung des Harzes ist im Hinblick auf Gesundheits-
und Sicherheitsgesichtspunkte bedenklich. Des Weiteren sind die
mit der Formaldehyd-Herstellung
verbundenen Kosten gestiegen, und es besteht ein Bedürfnis im
Stand der Technik nach alternativen Materialien zur Verwendung als
Holz-Klebemittel und -Bindemittel.
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Eine
Alternative, die zu Phenol in Betracht gezogen wurde, ist Lignin.
Lignin und P/F-Formaldehyd-Harze sind in struktureller Hinsicht
sehr ähnlich.
Lignin ist ein Zufalls-Netzwerk-Polymer mit einer Vielzahl von Verknüpfungen,
die auf Phenyl-Propan-Einheiten
basieren. Auf Lignin basierende Klebemittel-Formulierungen sind für die Verwendung
bei der Herstellung von Sperrholz, Spanplatten und Faserplatten
untersucht worden. Es wurde herausgefunden, dass bei Zusatz von
polymerem Lignin zu P/F-Formulierungen das P/F-Harz frühzeitig
geliert, wodurch die Lagerbeständigkeit
verringert wird, das Eindringen des Lignin-P/F-Harzes in das Holz
eingeschränkt
wird, und eine minderwertige mechanische Haftung erzeugt wird (Kelley
1997).
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Die
Pyrolyse von Lignin wurde als möglicher
Ansatz in Betracht gezogen, um Lignin zu besser verwendbaren Harzen
vom Phenol-Typs
aufzuarbeiten. Während
eine verhältnismäßige milde
thermische oder thermokatalytische Verarbeitung bei geringen Drücken erfolgen
kann, um die Lignin-Makromoleküle
in kleinere Makromoleküle,
Lignin-Segmente und monomere Chemikalien zu zerlegen, kann eine
solche Vorgehensweise Kondensations-Reaktionen auslösen, welche stark kondensierte
Strukturen, wie beispielsweise Holzkohle und Teer, anstelle von
depolymerisierten Lignin-Fragmenten und monomeren Chemikalien erzeugt.
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Eine
weitere Alternative zur Herstellung von phenolischen Verbindungen
umfasst die Verwendung von pyrolytischen Ölen, die bei der schnellen
Pyrolyse von Holz oder anderer Biomasse erzeugt werden. Diese pyrolytischen Öle bestehen
aus einer komplexen Mischung von Verbindungen, einschließlich Phenol,
Guajacol, Syringol und para-substituierte Derivate, Kohlenwasserstoff-Fragmente,
Polyole, organische Säuren,
Formaldehyd, Acetaldehyd, Furfuraldehyd sowie andere oligomere Produkte
(Pak del et al. 1996). Aus Holz erhaltenem Lignin sowie Ligninreichen
pyrolytischen Bio-Ölen
mangelte es jedoch an Konsistenz, und sie wiesen minderwertige Eigenschaften
im Vergleich mit Phenol-Formaldehyd-Harzen auf (Chum et al. 1989;
Scott 1988; Himmelblau 1997; Kelley et al. 1997).
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Aufgrund
der Komplexität
von pyrolytisch erhaltenen Bio-Ölen
ist eine weitere Verarbeitung notwendig, um geeignete Fraktionen
zu erhalten, die als Ersatz für
Phenol verwendbar sind oder als Streckmittel für Phenol, welches aus Erdöl erhalten
wurde, in P/F-Harz-Formulierungen in Betracht gezogen werden können. Üblicherweise
erfordern die von Pyrolyse-Ölen
erhaltenen phenolischen Substanzen vor ihrer Verwendung eine Trennung,
um Unreinheiten zu beseitigen. Ein solches Verfahren umfasst die
Wasser-Extraktion des Gesamt-Öls,
gefolgt von Präzipitation
und Zentrifugation oder Filtration und Trocknen der nicht-wässrigen
Fraktion, um eine Fraktion eines "pyrolytischen Lignins" herzustellen (Scott
1988). Es wurde jedoch herausgefunden, dass Klebemittel-Formulierungen,
die unter Verwendung von pyrolytischem Lignin hergestellt wurden,
gegenüber
P/F-Harz-Formulierungen sowohl im Hinblick auf Farbe als auch Geruch
minderwertig waren und lange Presszeiten erforderten, um eine Delaminierung
von Wafer-Platten zu verhindern. Untersuchungen zeigten, dass keine
der Proben des pyrolytischen Lignins die Test-Erfordernisse an die
Querzugfestigkeit (internal bond, IB) erfüllten (Scott 1988, vgl. Seiten
91-92).
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In
der US-4,209,674 (24. Juni 1980) wird ein Fraktionierungsverfahren
zur Herstellung eines Phenol-angereicherten pyrolytischen Öls offenbart,
das ein mehrstufiges Verfahren umfasst, welches selektiv neutrale
Phenole und organische Säuren
des Gesamt-Öls
mit NaOH solubilisiert, gefolgt von einer Extraktion mit Methylenchlorid.
Dieses mehrstufige Verfahren ist jedoch teuer, mühsam, zeitaufwendig und umfasst
die Verwendung von flüchtigen
Lösungsmitteln,
welche bekanntermaßen
gesundheitsgefährdend
sind.
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Ein
weiteres Fraktionierungsverfahren umfasst den Zusatz von Ethylacetat
zu Gesamtöl,
wobei Ethylacetat-lösliche
und Ethylacetat-unlösliche
Fraktionen gebildet werden, gefolgt von Waschen mit Wasser und NaHCO3-Extraktion der Ethylacetatlöslichen
Fraktion sowie Verdampfen des Ethylacetats, wobei eine Fraktion erzeugt
wird, die phenolische und neutrale (P/N) Substanzen enthält, welche
von dem pyrolytischen Öl
stammen (Chum et al. 1989; US-Patente 4,942,269 (17. Juli 1990)
und 5,235,021 (10. August 1993)). Vorläufige Ergebnisse mit den P/N-Fraktionen
zeigten, dass fraktionierte pyrolytische Öle in P/F-Harz-Zusammensetzungen
verwendet werden können,
da P/N-enthaltende
Harze äquivalente
Gelierzeiten aufwiesen, wie sie für P/F-Harze ermittelt wurden.
Das Fraktionierungsprotokoll ist jedoch nicht für eine Produktion im industriellen Maßstab geeignet,
und das Verfahren ist ferner für
die Herstellung von alternativen Verbindungen zur Verwendung in
P/F-Harzen im kommerziellen Maßstab
nicht rentabel (Kelly et al., 1997).
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Alle
im Stand der Technik offenbarten Verfahren, die oben angesprochen
wurden, umfassen die Extraktion einer Phenol-verstärkten (phenol-enhanced) Fraktion
aus dem Gesamt-Produkt des pyrolytischen Öls unter Verwendung von Lösungsmittel
und Alkali.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung eines
berarbeiteten natürlichen Harzes,
das von Holz, Rinde oder anderen Biomasse-Rückständen unter Verwendung einer
schnellen Pyrolyse erhalten wird. Die natürlichen Harze (NR) der vorliegenden
Erfindung werden aus der schnellen Pyrolyse von Holz-Erzeugnissen
erhalten.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung stellt ein bearbeitetes natürliches
Harz bereit, umfassend
- i) einen Gehalt an freiem
Phenol von 0,001 % bis 0,1 % (Gew./Gew.);
- ii) einen Gesamtgehalt an phenolischen Substanzen von 64 % bis
73 % (Gew./Gew.);
- iii) einen rauchigen Geruch;
- iv) einen Gehalt an Säuren
von bis zu 5 (Gew./Gew.); und
- v) einen Gehalt an Carbonylverbindung von zwischen 22 bis 27
% (Gew./Gew.).
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung
des oben beschriebenen, bearbeiteten natürlichen Harzes bereit, bei
dem man:
- i) einen Produkt-Dampfstrom von einem
Biomasse-Reaktor
für schnelle
Pyrolyse erhält;
- ii) den Produkt-Dampfstrom einem ersten schnellen Abschreckschritt
aussetzt, sodass eine erste Gruppe von Bestandteilen aus dem Produkt-Dampfstrom entfernt
wird, wodurch ein ausgewählter
Produkt-Dampfstrom erzeugt wird; und
- iii) den ausgewählten
Produkt-Dampfstrom einem zweiten schnellen Abschreckschritt aussetzt,
um ein Produkt herzustellen;
- iv) das Produkt bearbeitet, um den Gehalt an organischer Säure zu reduzieren,
wodurch das bearbeitete natürliche
Harz hergestellt wird.
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Durch
ein Bearbeiten zum Entfernen organischer Säuren kann ein natürliches
Harz hergestellt werden, das entweder als Austauschmittel für einen
Teil des Phenol-Bestandteils eines Phenol-haltigen Formaldehyd-Harzes
oder als Austauschmittel für
sowohl den Phenol- als auch den Formaldehyd-Bestandteil des Harzes
verwendet werden kann, oder als Austauschmittel in Harzen vom Harnstoff-Formaldehyd-Typ
verwendet werden kann.
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Die
erfindungsgemäßen natürlichen
Harze weisen aufgrund des Vorhandenseins einer hohen Anzahl von
aktiven Stellen für
die Bindung und Quervernetzung während
der Polymerisation eine hohe Reaktivität auf.
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Gemäß dem obigen
Verfahren wird eine erste Gruppe von Bestandteilen aus den Produkt-Dämpfen in einem
ersten Kondensator entfernt. Das natürliche Harz-Produkt von Schritt
(iii) wird aus dem ausgewählten Produkt-Dampf
unter Verwendung von Flüssig-Mischkondensatoren
(direct-liquid contact condensers) in einem zweiten Kondensator
und anderen nachgeschalteten Teilen, einschließlich eines Abscheiders (demister) und
eines Filterbetts, erhalten.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine adhäsive Zusammensetzung, die das
wie oben definierte natürliche Harz
(NR) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine adhäsive Zusammensetzung,
die bis zu 40 % (Gew./Gew.) des natürlichen Harzes (NR) in Bezug
auf die adhäsive
Zusammensetzung umfasst.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine wie oben definierte adhäsive Zusammensetzung,
die ein zweites adhäsives
Harz umfasst, welches ausgewählt
ist aus einem Phenol-enthaltenden oder einem Harnstoff-enthaltenden
Formaldehyd-Harz. Ferner betrifft die Erfindung eine wie oben definierte
adhäsive
Zusammensetzung, bei der das Phenol-enthaltende oder das Harnstoffenthaltende
Formaldehyd-Harz ausgewählt
ist aus der Gruppe be stehend aus Phenol-Formaldehyd, Harnstoff-Formaldehyd,
Phenol-Melamin-Harnstoff-Formaldehyd,
Melamin-Harnstoff-Formaldehyd und Phenol-Harnstoff-Formaldehyd.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine wie oben definierte adhäsive Zusammensetzung,
bei der das NR bis zu 60 % (Gew./Gew.) der adhäsive Zusammensetzung umfasst.
Ferner kann die erfindungsgemäße adhäsive Zusammensetzung
dadurch charakterisiert sein, dass ein Teil des Formaldehyds in
dem Formaldehyd-Phenol-Harz durch das NR ersetzt ist, und wobei
das NR bis zu 50 % des Formaldehyd-Gehalts des Harzes ersetzt. Vorzugsweise
umfasst die adhäsive
Zusammensetzung ein Formaldehyd:Phenol-Verhältnis von etwa 1,5 : 1 bis
etwa 3 : 1. Die Erfindung betrifft ferner eine adhäsive Zusammensetzung,
bei der ein Teil des Formaldehyds in einem Harnstoff-Formaldehyd-Harz
durch NR ersetzt ist.
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Die
Erfindung betrifft ein natürliches
Harz, das gewaschen wird, sowie Mischungen von natürlichem Harz,
welche das oben definierte unbeabeitete natürliche Harz und das gewaschene
Harz umfassen. Die Erfindung betrifft ferner adhäsive Zusammensetzung, die das
gewaschene natürliche
Harz und Mischungen des natürlichen
Harzes umfassen. Diese Erfindung umfasst ferner Phenol-enthaltende
Formaldehyd-Harze, die gewaschenes natürliches Harz umfassen, welches
bis zu 100 % des Phenol-Gehalts
des Phenol-enthaltenden Harzes ersetzt.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Holz-Erzeugnis, das unter Verwendung
der oben definierten adhäsive Zusammensetzung
hergestellt wurde. Vorzugsweise ist das Holz-Erzeugnis ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Schichtholz, Sperrholz, Spanplatte, hochdichte
Spanplatte, Platte mit ausgerichteten Spänen ("oriented strand board"), mitteldichte Faserplatte,
Hartfaserplatte oder Wafer-Platte. Ferner wird das Holz-Erzeugnis,
das unter Verwendung der erfindungsgemäßen adhäsive Zusammensetzung hergestellt
wurde, für Anwendungen
im Freien benutzt.
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Die
Verwendung eines Verfahrens der schnellen Pyrolyse zur Herstellung
des Bio-Öls
ist vorteilhaft, da das Verfahren der schnellen Pyrolyse die natürlichen
Klebstoff-Bestandteile des Holzes (nämlich Lignin) depolymerisiert
und homogenisiert, wobei gleichzeitig auch andere Bestandteile,
einschließlich
Cellulose und Hemicellulose, depolymerisiert werden. Die Produktausbeute
schwankt in Abhängigkeit
von der Ausgangs-Biomasse von 15 bis 20 % des Ausgangsmaterials
und weist Eigenschaften auf, die z.B. in Phenol-enthaltenden oder
Harnstoffenthaltenden Formaldehyd-Harz-Zusammensetungen nützlich sind.
Das Produkt kann in Phenol-enthaltenden Formaldehyd-Harzen einen
Teil des Phenol-Gehalts oder einen Teil des Phenol- und Formaldehyd-Gehalts
ersetzen, und solche Formulierungen entsprechen den gegenwärtigen Industriespezifikationen
von Phenol-Formaldehyd-Harzen oder übertreffen diese. Ferner kann
das Produkt einen Teil des Formaldehyds in Harnstoff-enthaltenden
Formaldehyd-Harzen ersetzen. Das Produkt kann den Phenol-Gehalt in Phenol-Harzen
vollständig
ersetzen, und es kann ferner in Harnstoff-enthaltenden Formaldehyd-Harz-Formulierungen
verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung
ersichtlich, in der auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen wird,
wobei:
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1 ein
Schema des Systems der schnellen Pyrolyse zeigt.
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2 die
Beziehung zwischen der Viskosität
des natürlichen
Harzes (NR) und der ansteigenden Temperatur zeigt.
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3 das Infrarotspektrum zeigt, das von
NR (3A) und Alkali-NR (3B) erhalten
wurde. Die Banden der Spektren sind wie folgt zugeordnet:
- 1. O-H-Streckungen von Carbonsäuren, Alkoholen
und Phenolen (diese Bande ist nicht selektiv);
- 2. C-H-Streckungen von aromatischen und aliphatischen Verbindungen;
- 3. C=O-Streckungen von Carbonsäuren und Aldehyden/Ketonen;
- 4. 4'. aromatische
Ringe, Skelettgerüst-Banden
in der Ebene;
- 5. O-H-Phenol-Banden;
- 6. C-O-Streckungen von primären
Alkohol-Gruppen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung eines
natürlichen
Harzes, das von Holz, Rinde und anderen Biomasse-Resten unter Verwendung
einer schnellen Pyrolyse erhalten wird.
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Mit "Bio-Öl" oder "Gesamt-Öl" (whole oil) ist
die gesamte flüssige
Fraktion gemeint, die nach der schnellen Pyrolyse von Holz oder
anderer Biomasse erhalten wird. Das Gesamt-Öl wird von dem Produkt-Dampf
erhalten, der zusammen mit Holzkohle (char) nach der Pyrolyse erzeugt
wird. Bei Entfernen der Holzkohle wird der Produkt-Dampf kondensiert
und in einem oder mehreren Kondensatoren, die üblicherweise in Reihe geschaltet
sind, gesammelt. Gesamt-Öl
oder Bio-Öl
bezeichnet die Kombination aus kondensierten Produkten, die von
allen Kondensatoren erhalten wird.
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Mit "phenolischen Substanzen" (phenolics) sind
polymere Phenole gemeint, die von Lignin abgeleitet sind (Lignin
ist ein Phenol-Polymer, das Holz- und Rinden-Fasern zusammenhält und Holz
seine Stärke
verleiht).
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Mit "Verstärkern" sind Carbonyl-Verbindungen
gemeint, üblicherweise
leichte Aldehyde und Ketone.
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Mit "ausgewählter Produkt-Dampf" ist der Produkt-Dampf
gemeint, der nach dem Entfernen der Holzkohle und dem anschließenden Entfernen
der übrigen
pyrolytischen Produkte, die durch mindestens einen schnellen Abschreckschritt
kondensiert wurden, verbleibt. Der ausgewählte Produkt-Dampf ist üblicherweise dadurch
charakterisiert, dass er einen geringeren Säure-Gehalt aufweist als ein Produkt, das
als Ergebnis des vorhergehenden, mindestens einen Abschreckschritts
erhalten wurde. Ferner umfasst der ausgewählte Produkt-Dampf im Vergleich
mit dem zuvor erhaltenen Produkt ein höheres Molekulargewicht, eine
höhere
Viskosität,
einen höheren
pH, und einen höheren
Gehalt an phenolischen Substanzen.
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Mit "Phenol-enthaltendes
Formaldehyd-Harz" sind
adhäsive
Zusammensetzungen gemeint, die Phenol als einen ihrer Inhaltsstoffe
umfassen. Solche Harze umfassen (sind jedoch nicht beschränkt auf)
Phenol-Formaldehyd (PF)-Harze, Phenol-Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (PMUF)-Harze und
Phenol-Harnstoff-Formaldehyd
(PUF)-Harze. In ähnlicher
Weise sind mit "Harnstoff-enthaltende
Formaldehyd-Harze" adhäsive Zusammensetzungen
gemeint, die Harnstoff als einen ihrer Inhaltsstoffe umfassen, beispielsweise
(jedoch nicht beschränkt
auf) Harnstoff-Formaldehyd (UF)-Harze, Phenol-Harnstoff-Formaldehyd
(PUF)-Harze, Phenol-Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (PMUF)-Harze und
Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (MUF)-Harze. Ohne sich festlegen zu
wollen, geht man davon aus, dass der Zusatz von NR zu Harnstoff-enthaltenden
Harzen aufgrund des hohen Gehalts an phenolischen Substanzen des
NR den Phenol-Gehalt dieser Harze erhöht oder ergänzt. Somit kann ein Harnstoff-Formaldehyd
(UF)-Harz, das teilweise durch das natürliche Harz (NR) ersetzt wurde,
als ein Phenol-Harnstoff-Formaldehyd (PUF)-ähnliches
Harz angesehen werden.
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Das
erfindungsgemäße natürliche Harz
(NR) ist kein Gesamt-Bio-Öl-Produkt,
sondern vielmehr eine ausgewählte
raffinierte Fraktion des Gesamt-Flüssig-Produkts, vorzugsweise
hergestellt durch schnelle Pyrolyse von Holz. Es können jedoch
auch andere Verfahren verwendet werden, die in der Lage sind, Holz
zu verflüssigen,
um ein Produkt herzustellen, von dem ein NR erhalten werden kann.
Die raffinierte Fraktion besteht in erster Linie aus depolymerisiertem
Lignin und anderen reaktiven Bestandteilen, einschließlich phenolischen Substanzen,
die eine Reihe von aktiven Stellen für die Bindung und Quervernetzung
in NR-Formulierungen bereitstellen. Nicht-reaktive Bestandteile
werden während
der Herstellung des NR entfernt. Die isolierte NR-Fraktion wird
nicht einer Lösungsmittel-Fraktionierung oder
anderen im Stand der Technik verwendeten Fraktionierungsverfahren
unterworfen und wird auch nicht kondensiert (d.h. Kondensationsreaktionen
unterworfen), wie dies üblicherweise
für herkömmliche
Produkte oder flüssige
Vakuum-Pyrolyse-Produkte
erfolgen würde.
Ohne darauf festgelegt sein zu wollen ist es möglich, dass das Auslassen solcher
Kondensationsreaktionen während
der Herstellung des erfindungsgemäßen NR ein primärer Grund
für die
hohe Reaktivität
des NR als Harz-Mittel ist.
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Die
schnelle Pyrolyse von Holz oder anderen Biomasse-Rückständen führt zur
Erzeugung von Produkt-Dämpfen
und Holzkohle. Nach Entfernen der Holzkohle-Bestandteile aus dem
Produkt-Strom werden die Produkt-Dämpfe kondensiert, wobei ein
Gesamt-Öl-
oder Bio-Öl-Produkt
aus der Pyrolyse erhalten wird. Ein geeignetes Verfahren der schnellen
Pyrolyse zur Herstel lung eines solchen Bio-Öls wird in WO 91/11499 (Freel
and Graham, veröffentlicht
am 8. August 1991) beschrieben und ist schematisch in 1 dargestellt.
Das System umfasst ein Zuführ-System
(10), einen Reaktor (20), ein Wiedererwärmungssystem
mit partikelförmigem
anorganischem Wärme-Träger (30),
und (für
die Zwecke der vorliegend beschriebenen Erfindung) primäre (40)
und sekundäre
(50) Kondensatoren, mit denen die während der Pyrolyse produzierten
Produkt-Dämpfe gekühlt und
unter Verwendung eines geeigneten Kondensator-Mittels (80)
gesammelt werden. Ein Produkt wird von dem zweiten Kondensator,
dem Abscheider (Demister) (60) und dem Faser-Filterbett
(70) oder von einer Kombination derselben erhalten. Es
ist jedoch darauf hinzuweisen, dass analoge Systeme für die schnelle
Pyrolyse verwendet werden können,
die eine abweichende Anzahl oder Größe von Kondensatoren umfassen,
oder, dass abweichende Kondensationsmittel für die selektive Herstellung
des erfindungsgemäßen NR verwendet
werden können.
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Ein
Teil der während
der schnellen Pyrolyse produzierten Produkt-Dämpfe wird in dem oben beschriebenen
Kondensations-Sammel-Mittel
schnell abgeschreckt. Dieses schnelle Abschrekken ermöglicht die
selektive Abtrennung eines ausgewählten Produkt-Dampfes von dem
kondensierten Flüssig-Produkt,
welches in dem primären
Kondensator verbleibt. Ein NR wird aus dem ausgewählten Produkt-Dampf
gesammelt, und wird von Bestandteilen erhalten, die dem primären Kondensator
nachgeschaltet sind, z.B. (jedoch nicht beschränkt auf) vom zweiten Kondensator,
vom Abscheider (demister) und vom Faser-Filterbett. Es ist darauf
hinzuweisen, dass andere Systeme der schnellen Pyrolyse mit verschiedenen
Anordnungen der Kondensator-Mittel auf wirksame Weise dazu verwendet
werden können,
den Produkt-Dampf
durch Entfernen einer flüssigen
Fraktion aus dem Produkt-Dampf teilweise zu reinigen und einen ausgewählten Produkt-Dampf
herzustellen, aus dem eine NR-Fraktion erhalten werden kann.
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Das
in dem Reaktor-System für
die schnelle Pyrolyse (dargestellt in 1) verwendete
Kondensator-System umfasst die Verwendung von Flüssig-Mischkondensatoren (80),
um das pyrolytische Öl-Produkt
zu kühlen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird Flüssigkeit,
die in diesen Kondensatoren verwendet wird, um das pyrolytische
Produkt zu kühlen,
aus dem entsprechend gekühlten
primären
oder sekundären Kondensator-Produkt (90; 1)
erhalten. Wie für
den Fachmann jedoch ersichtlich, kann auch jede andere kompatible
Flüssigkeit
zur Kühlung
des Produktes in dem sekundären
Kondensator für
diesen Zweck verwendet werden. Es wird ferner als von der Erfindung
umfasst angesehen, dass andere Wasch- oder Kühlmittel zur Kühlung der
Produkt-Dämpfe
(einschließlich
des ausgewählten
Produkt-Dampfes) verwendet werden können, einschließlich Wärmetauscher,
die feste Oberflächen
umfassen, und ähnliche.
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Mit
thermischer Fraktion ist das Verfahren zum Erhalt einer selektiven
Fraktion des Produkt-Dampfes gemeint, der aus der schnellen Pyrolyse
nach Entfernen der Produkte aus dem Produkt-Dampfstrom, welcher schnell
abgeschreckt wird (z.B. von etwa 500°C auf etwa 20°C innerhalb
von Millisekunden), erhalten wird. Überraschenderweise kann das
Produkt, das als ausgewählter
Produkt-Dampf nach dem Schritt des schnellen Abkühlens zurückbleibt, unmittelbar als Ersatz
für Bestandteile
in adhäsiven
Harzen, wie beispielsweise in Phenol-Formaldehyd-Harzen, in Harnstoff-Formaldehyd-Harzen
oder in verwandten, wie oben definierte Harzen verwendet werden.
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Ohne
sich festlegen zu wollen wird angenommen, dass der Schritt des schnellen
Abkühlens
der Produkt-Dämpfe
im ersten Kondensator Verbindungen entfernt, die mit der Verwendung
des Bio-Öls
in adhäsiven Harz-Formulierungen
interferieren. Die Produkte, die im ersten Kondensator aus dem Produkt-Dampf
entfernt werden, sind diejenigen, die problemlos löslich sind
und schnell abgeschreckt werden. Die weniger löslichen Verbindun gen und diejenigen,
die Aerosole oder eine andere Form bilden, die das Verbleiben im
Produkt-Dampf unterstützt,
werden zum zweiten Kondensator transferiert. Dieser transferierte
Produkt-Dampf ist dann ein ausgewählter Produkt-Dampf, der vorwiegend
aus einer Fraktion an phenolischen Substanzen besteht und darüber hinaus
Aldehyde enthält;
dieser Produkt-Dampf stellt das NR mit seinen gewünschten
Eigenschaften zur Verwendung in adhäsiven Formulierungen bereit.
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Das
erfindungsgemäße NR wird
bearbeitet, um den Gehalt des Harzes an organischer Säure zu entfernen.
Jedes geeignete Verfahren kann für
diesen Prozess verwendet werden, beispielsweise (ohne auf dieses
Verfahren beschränkt
sein zu wollen) kann das erfindungsgemäße NR in Wasser gewaschen werden,
indem man das NR in Wasser mischt, eine Phasentrennung ermöglicht und
die Öl-Fraktion
gewinnt. Ein solches bearbeitetes NR wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung als "NRP" bezeichnet. Das
auf diese Weise hergestellte NRP umfasst den Gehalt an phenolischen
Substanzen und den Aldehyd-Gehalt eines NR, mit einem erheblich
reduzierten Gehalt an organischer Säure im Vergleich mit unbearbeitetem
NR, und stellt eine konzentriertere Form von NR dar. Im Ergebnis
enthält
NRP bis zu 80 % (Gew./Gew.) phenolische Substanzen.
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Es
wurde ferner beobachtet, dass NRP, welches mit unbearbeitetem NR
verdünnt
wurde, ein Produkt erzeugt, welches zur Verwendung in adhäsiven Harz-Formulierungen
geeignet ist. Beispielsweise bezeichnet NR50 ein 50-50-Gemisch von
NRP und unbearbeitetem NR; wie jedoch für den Fachmann ersichtlich,
können auch
andere Mischungsverhältnisse
erhalten und für
die vorliegend offenbarten Zwecke verwendet werden.
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Das
auf diese Weise hergestellte NRP wurde gegen einen Teil des Phenol-Gehalts
in PF-Harzen ausgetauscht, und solche Formulierungen entsprechen
oder übertreffen
die gegenwärtigen
In dustriespezifikationen von PF-Harzen. Das NR ersetzte bis zu etwa
60 % des Phenol-Gehalts in PF-Harzen, und vorzugsweise bis zu etwa
100 % des Phenol-Gehalts in einem PF-Harz. Die auf diese Weise hergestellten
Harze können
bis zu etwa 40 (Gew./Gew.) an NR umfassen. In ähnlicher Weise wurde das NR
ferner als Ersatzmittel in PMUF- und PUF-Harzen verwendet. Ferner
ersetzte das erfindungsgemäße NR bis
zu etwa 60 (Gew./Gew.) des Harnstoff-Formaldehyds in UF-Harzen,
und es wurde in wirksamer Weise in PMUF- und MUF-Harzen verwendet.
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Aufgrund
der Auswahl einer spezifischen thermischen Fraktion für die Herstellung
von NR ist die Gewinnungs-Methode selektiver als Verfahren, die
auf Lösungsmittelextraktion
basieren. Beispielsweise führt
die P/N-Fraktion, die unter Verwendung von Ethylacetat extrahiert
wurde (z.B.
US 4,942,269 ;
US 5,235,021 ) zu einer Fraktion,
die jede Verbindung umfasst, welche in diesem Lösungsmittel löslich ist
und mit den gewünschten
Harzverbindungen co-extrahiert wird. Einige dieser co-extrahierten
Verbindungen sind geruchs-intensiv (z.B. Lacton, eine beißende Verbindung),
während
andere das P/N-Harz verdünnen.
Die thermische Gewinnungsmethode der vorliegenden Erfindung ist
selektiv, da im Wesentlichen alle gewünschten Harz-Bestandteile (natürliche phenolische
Substanzen, die sich von Lignin ableiten) gewonnen werden, während andere
unerwünschte
Verbindungen in anderen Fraktionen entfernt werden. Im Ergebnis
weist das erfindungsgemäße NR zahlreiche
vorteilhafte Eigenschaften gegenüber
im Stand der Technik bekannten Extraktionen von pyrolytischem Öl auf und
benötigt
signifikant weniger Aufarbeitung. Zum Beispiel:
- 1.
Das NR weist einen angenehmen "rauchigen" Geruch auf; ihm
fehlt der beißende
Geruch von Lösungsmittel-extrahierten
Fraktionen – wenn
es in adhäsiven
Anwendungen verwendet wird, gibt es keinen Rest-Geruch. Lösungsmittel-extrahierte Zubereitungen,
wie beispielsweise P/N-Extraktion erfordern eine weitere Bearbeitung,
um den Säure-Geruch
zu entfernen;
- 2. in Lösungsmittel-Extraktions-Verfahren,
einschließlich
dem Verfahren, welches verwendet wird, um P/N zu erhalten, reagiert
das Lösungsmittel
mit Resten in der Fraktion, die nicht für das P/N verwendet wird, wobei
Salze gebildet werden. Diese Salze müssen unter zusätzlichen
Kosten in einem Gewinnungs-Kessel (recovery boiler) gewonnen werden,
und das restliche Bio-Öl
ist nicht für
andere kommerzielle Anwendungen verfügbar. Andererseits wird das
NR durch thermisches Trennen isoliert, das dem verbleibenden Bio-Öl weiterhin
erlaubt, wie für
andere kommerzielle Anwendungen erforderlich ohne Kontamination
bearbeitet zu werden;
- 3. das für
die Herstellung von Bio-Öl
(einschließlich
NR) verwendete Verfahren der schnellen Pyrolyse wurde erfolgreich
vom Laborbank-Versuch zum industriellen/kommerziellen Produktsmaßstab weiterentwickelt (vgl.
WO 91/11499). Daher werden NR-Zubereitungen auf einfache Weise im
kommerziellem Maßstab
hergestellt.
-
Eigenschaften
des NR
-
Es
wurde herausgefunden, dass das erfindungsgemäß hergestellte NR (wenn es
wie für
die Verwendung für
die OSB-Herstellung untersucht wurde, siehe unten) in NR-Produktionsläufen von
Ansatz zu Ansatz konsistent ist, sogar wenn verschiedene Ausgangsmaterialien
verwendet werden, einschließlich
Hartholz und Weichholz.
-
Das
Molekulargewicht wird üblicherweise
als ein Index für
die Reaktivität
und Viskosität
eines adhäsiven
Harzes verwendet, wobei höhere
Molekulargewichte auf eine höhere
Viskosität
ver weisen und entsprechend auf ein Fehlen von aktiven Stellen, die
für die
Quervernetzung und die Bindungsstärke in kommerziellen Harz-Formulierungen
erforderlich sind. Sofern jedoch das NR-Produkt nach dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist die Beziehung zwischen
Molekulargewicht, Viskosität
und Reaktivität
nicht gültig.
-
Der
Gehalt an freiem Phenol einer Harz-Formulierung wird ferner verwendet,
um die Eignung von alternativen Materialien in PF-Harz-Formulierungen
zu bestimmen. Das bearbeitete NR, das nach dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass es
einen sehr geringen Gehalt an freiem Phenol aufweist, etwa von 0,001
bis etwa 0,05 % (Gew./Gew.), wobei der Gesamtgehalt an phenolischen
Substanzen verhältnismäßig hoch
ist, bis zu etwa 80 %. Es ist der Gehalt an phenolischen Substanzen,
der sehr reaktiv ist und eine Reihe von aktiven Stellen für die Bindung
und Quervernetzung in NR-Formulierungen bereitstellt.
-
Darüber hinaus
ist das unbearbeitete NR durch die folgenden Parameter charakterisiert,
wobei diese Parameter (obwohl sie üblich sind) von einer Probe
stammen und Schwankungen bei diesen Werte zu erwarten sind:
-
Die
Viskosität
von NR bei verschiedenen Temperaturen ist in 2 dargestellt.
-
Das
Infrarotspektrum von NR und Alkali-NR ist in 3A bzw. 3B dargestellt.
Bei beiden NR-Proben werden ähnliche
Spektren beobachtet. Die 1700 cm–1-Bande,
die der Carbonylgruppe entspricht (als Bande 3 gekennzeichnet) ist
in 3B verringert, da R-COOH unter alkalischen Bedingungen
zu R-COO– wird.
-
Das
unbearbeitete NR umfasst von 10 bis 20 % Wasser, ist jedoch wegen
seiner geringen Polarität und
seinem hohen Gehalt an nicht-polaren organischen Verbindungen in
Wasser unlöslich.
Durch Erhöhung des
pH-Wertes des unbearbeiteten NR (auf etwa 10) und Umwandlung desselben
in seine Phenoxid-Iononform erhält
es eine Gummi-ähnliche
Konsistenz, ist wasserlöslich
und kann in Formaldehyd-Phenol-Formulierungen verwendet werden.
Das unbarbeitete NR ist in organischen Lösungsmitteln löslich, beispielsweise
in Aceton, Methanol, Ethanol und Isopropanol. Aufgrund der Hydrophobizität des unbearbeiteten
NR ist es hinsichtlich der Formulierung von Harzen chemisch geeignet,
die auf phenolischen Substanzen basieren. Das unbearbeitete NR ist
in einer Mischung von Wasser/Phenol löslich, und ergibt Methylol-Wasser-lösliche Derivate, wenn
es mit Formaldehyd umgesetzt wird.
-
Die
Infrarot-Analysen von unbearbeitetem NR und Alkali-NR sind in 2A und 2B dargestellt. Es
wurden bei beiden NR-Proben
die gleichen Banden nachgewiesen; im Alkali-NR (3B)
wird jedoch die 1700 cm–1-Bande (die die Carbonylgruppe
#3 betrifft; R-COOH) unter alkalischen Bedingungen zu R-COO–.
-
Kalorimetrische
Analysen verweisen darauf, dass unbearbeitetes NR einen Netto-Kalorienwert
von 4355 cal/g (18,22 MJ/kg) und einen Brutto-Kalorienwert von 4690
cal/g (19,62 MJ/kg) hat.
-
Unbearbeitetes
NR ist stabil und homogen und wurde über mehr als 12 Monate gelagert,
ohne dass es seine Eigenschaften verloren hätte.
-
Die
NRP-Zubereitungen der vorliegenden Erfindung weisen Eigenschaften
auf, die denjenigen des unbearbeiteten NR ähneln, mit der bemerkenswerten
Ausnahme, dass der Gehalt an phenolischen Substanzen von NRP bis
auf etwa 80 % (Gew./Gew.) zunimmt und der pH neutraler ist. Der
exakte pH-Wert von NRP ist schwierig zu bestimmen, da für diesen
Test Wasser erforderlich ist; jedoch kann der Säure-Gehalt von NRP unter Verwendung
einer Gas-Chromatographie
(GC) bestimmt werden. Die GC-Analyse verweist darauf, dass bis zu
90 % oder mehr des Gehalts an organischer Säure des NR infolge des Waschverfahrens
entfernt werden. Aufgrund des Entfernens des Gehalts an organischer
Säure ist
das NRP eine konzentriertere Form von NR. Der Gehalt an phenolischen
Substanzen und der pH-Wert von NR-NRP-Mischungen, z.B. NR50, wird
in Abhängigkeit
von den Anteilen von NR oder NRP in der Mischung schwanken.
-
NR-50
besteht aus ungefähr
50 % NRP und 50 % Roh-NR. NR-50 wird durch Mischen zweier NR-Produkte
hergestellt, Roh-NR aus dem Verfahren und NRP.
-
NR60
-
NR-60
ist eine Flüssigkeit,
die zu ungefähr
60 % aus NRP besteht. Der Begriff "NR60" ist
jedoch nicht für
ein einzelnes NR-Produkt repräsentativ.
NR60 wird nicht wie im Fall von NR-50 durch Mischen von Roh-NR und
NRP hergestellt. NR-60 wird aus Roh-NR hergestellt, nachdem Roh-NR
von flüchtigen
Bestandteilen befreit worden ist, wodurch das Roh-NR zu NR-60 konzentriert
wird (d.h. Erhöhen
der NRP-Konzentration durch Austreiben der flüchtigen nicht-NRP-Bestandteile).
Die flüchtigen
nicht-NRP-Bestandteile können
unter Verwendung jedes geeigneten Mittels entfernt werden, beispielsweise
(jedoch nicht beschränkt
auf) Erwärmen oder
Verdampfen unter Vakuum. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff "NR60" ein NR bezeichnet,
das in Abhängigkeit
von dem ursprünglich
verwendeten NRP-Gehalt
eine Vielzahl von NRP-Konzentrationen umfassen kann.
-
"NR60" schließt daher
ein NR ein, das von etwa 40 % bis etwa 90 % NRP umfasst. NR60 kann
von einer Vielzahl von Lignocellulose-Rohstoff-Quellen erhalten
werden, einschließlich
Weichholz, Hartholz, Rinde, Weißholz
und von anderen Lignocellulose-Biomasse-Rohstoffen, wie beispielsweise
von Bagasse (Zuckerrohr-Rückstand).
Die Verwendung von PF/NR60-Harzen wird in den Beispielen 7-10 diskutiert;
eine spezifische von Rinde erhaltene NR60-Harzformulierung (NRB)
wird in Beispiel 10 diskutiert.
-
Im
Gegensatz zu NR oder NR-50 wird der charakteristische rauchige Geruch
bei NR-60 während
des Verfahrens zum Entfernen der flüssigen Bestandteile/Konzentrierungs-Verfahrens
signifikant reduziert.
-
NR-60
kann von NR oder von ausgewählten
NR-Fraktionen, die wie oben beschrieben bei der schnellen Pyrolyse
von Holz (d.h. von bestimmten Kondensatoren, Filtern, Abscheidern,
etc.) erhalten werden, oder es kann von dem Gesamt-Roh-Bio-Öl, das beim
Pyrolyse-Verfahren erzeugt wird, erhalten werden. Die NR-Fraktionen
und das Gesamt-Bio-Öl
können
auf verschiedene Arten bearbeitet und konzentriert werden, um NR-60
herzustellen; Verdampfen oder Destillieren (beispielsweise Fallfilm
(falling film), Vakuum-Destillation, Feuchtfilm-Verdampfung (wet
film evaporation), etc. oder selektive Kondensation des Roh-NR,
der NR-Fraktion oder des Gesamt-Bio-Öls), selektive Präzipitation
oder jedes andere physikalische oder chemische Verfahren, welches
bestimmte Säuren,
flüchtige
Bestandteile, Wasser und andere leichten Bestandteile, welche im Hinblick
auf die Harz-Eigenschaften weniger wirksam sind und geruchsintensive
Bestandteile enthalten, entfernt, verdampft, isoliert oder auf andere
Weise austreibt.
-
Ohne
die vorliegende Erfindung auf irgendeine Weise einschränken zu
wollen, kann NR-60 durch Erwärmen
von NR-Material (d.h. Roh-NR, NR-Fraktion oder Gesamt-Bio-Öl) unter
Vakuum auf eine Temperatur, die ausreicht, um flüchtige geruchsintensive Bestandteile
und flüchtige
Nicht-Harz-Bestandteile zu entfernen, hergestellt werden. Der Wasser-Gehalt
wird überwacht,
um den Grad zu bestimmen, zu dem die flüchtigen Bestandteile entfernt
sind, sodass ein endgültiger
Wasser-Gehalt von zwischen etwa 1 und etwa 10 % erhalten wird. Vorzugsweise
beträgt
der endgültige
Wasser-Gehalt zwischen etwa 3 und etwa 5 %.
-
Sobald
der erwünschte
Grad, zu dem die flüchtigen
Bestandteile entfernt sind, erreicht ist, wird das Wasser zurückgegeben,
um die Viskosität
des NR-60-Produkts auf die erwünschte
Spezifikation zu reduzieren. Üblicherweise
wird ausreichend Wasser zugegeben, um den Wasser-Gehalt auf ein
Ausmaß im
Bereich von etwa 10 bis etwa 25 % einzustellen. Vorzugsweise beträgt der Wasser-Gehalt
etwa 15 bis etwa 18 %.
-
Die
Bestimmung von Viskosität,
Säure-Gehalt
und NRP-Gehalt für
NR-60, das 60 % NRP umfasst, ist charakterisiert durch: Säuren (Trockengew.-%)
2 bis 4 %; Wasser-Gehalt zwischen 15 bis 18 %; NRP beträgt etwa
60 %, und die Viskosität
bei 70°C
liegt im Bereich von 30 bis 150 cSt. Ein NR60, das eine Vielzahl
von NRP-Konzentrationen umfasst, läßt sich auf eine Weise herstellen,
die der oben beschriebenen ähnlich
ist.
-
Der
Vergleich einiger Eigenschaften des unbearbeiteten NR, NR50 und
NRP ist nachfolgend dargestellt:
-
NR-enthaltende Phenol-Formaldehyd
(PF)- oder Harnstoff-Formaldehyd
(UF)-Harze
-
Um
das erfindungsgemäße NR in
Phenol-enthaltende Formaldehyd-Harze
oder in Harnstoff-enthaltende Formaldehyd-Harze zu formulieren,
werden Phenol oder Harnstoff, Wasser, para-Formaldehyd und andere Inhaltsstoffe
des Klebemittels miteinander vermischt und erwärmt, sofern dies für das Lösen der
Bestandteile erforderlich ist. Wenn die Mischung erwärmt wird,
wird sie vor Zusetzen des NR abgekühlt. Es wird der Mischung,
die Phenol oder Harnstoff, Formaldehyd und NR enthält, eine
Lauge (beispielsweise NaOH) zugesetzt, bis der gewünschte pH-Wert erreicht ist.
Der Zusatz der Lauge gewährleistet
die Solubilisierung des NR und startet die Reaktion. Die Mischung
wird anschließend
erwärmt
oder abgekühlt,
und falls erforderlich wird weitere Lauge während der Herstellung des Harzes
zugesetzt. Das Harz wird üblicherweise
bis zu seiner Verwendung bei 10°C
gehalten und weist eine ähnliche
Stabilität
auf, wie sie bei kommerziellen PF-Harz-Formulierungen bekannt ist.
Phenol-Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (PMUF)-Harze, Melamin- Harnstoff-Formaldehyd
(MUF)-Harze, Phenol-Harnstoff-Formaldehyd (PUF)-Harze werden auf ähnliche
Weise hergestellt.
-
Das
erfindungsgemäße NR kann
bis zu einer Menge von etwa 60 (Gew./Gew.) des Phenol-Gehalts der
Harzes zugesetzt werden, oder es können vorzugsweise bis zu etwa
100 % (Gew./Gew.) des Phenol-Gehalts ausgetauscht werden. Ferner
kann der Formaldehyd-Gehalt der Phenol-enthaltenden Harze oder Harnstoffenthaltenden
Harze aufgrund der im NR vorhandenen natürlichen Aldehyde gegen NR ausgetauscht
sein; beispielsweise kann NR dazu verwendet werden, bis zu etwa
50 % (Gew./Gew.) des Formaldehyd-Gehalts dieser Harze zu ersetzen.
In ähnlicher
Weise können
bis zu etwa 60 % (Gew./Gew.) des Harnstoff-Formaldehyd-Gehalts eines UF-Harzes
durch Verwendung von NR ersetzt werden. Daher können PF-Harze, UF-Harze und
verwandte Harze formuliert werden, die bis zu etwa 40 % (Gew./Gew.)
NR an der Gesamt-Harz-Zusammensetzung umfassen.
-
Platten-Herstellung
mit NR-enthaltenden Klebemitteln
-
Die
wie oben hergestellten Phenol-enthaltenden oder Harnstoffenthaltenden
Formaldehyd-Harze können
für die
Herstellung einer Vielzahl von Plattenerzeugnissen, beispielsweise
(jedoch nicht beschränkt
auf) Schichtholz-Platten, Sperrholz, Spanplatte, hochdichte Spanplatte,
Platte mit ausgerichteten Spänen
("oriented strang
board"), mitteldichte
Faserplatte, Hartfaserplatte oder Wafer-Platte verwendet werden.
-
Vorzugsweise
werden die NR-enthaltenden PF-Harze in Platten verwendet, die aufgrund
der exzellenten Wasserabweisung des Harzes für die Außenanwendung gedacht sind. Üblicherweise
sind UF-Harze nicht für
die Außenanwendung
erwünscht;
jedoch können
NR-enthaltende UF-Harze für
die Verwendung im Freien benutzt werden, da bei Platten, die mit
NR-umfassenden Harnstoff- Formaldehyd-Klebemitteln
hergestellt wurden im Vergleich zu Platten, die unter Verwendung
von herkömmlichem
UF-Harz hergestellt wurden, ein reduziertes Quellen beobachtet wird.
-
NR-enthaltendes
PF- oder UF-Harz kann wie unten beschrieben für die Herstellung von Platten
mit ausgerichteten Spänen
("oriented strang
board", OSB) verwendet
werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Verwendung von NR-enthaltendem
Harz nicht in irgendeiner Weise als eingeschränkt anzusehen ist, da andere
von Holz abgeleitete Erzeugnisse, die unter Verwendung im Stand
der Technik bekannter kommerziell verfügbarer PF-Harze, UF-Harze oder
verwandter Harze hergestellt wurden, unter Verwendung von NR-umfassenden
Harz-Formulierungen hergestellt werden können.
-
Platten
mit ausgerichteten Spänen
(oriented strang boards) können
unter Verwendung von Standardverfahren hergestellt werden, die im
Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise (jedoch nicht in
irgendeiner Weise einschränkend
gemeint) kann die Herstellung von OSB die folgenden Parameter umfassen:
Holz-Matrix: | aus
Partikeln bestehendes Holz-Erzeugnis, Holzspäne, Wafer, Furnier oder Sperrholz
usw. |
Plattendicke: | von
etwa 1/16'' bis 2'' |
Harz-Gehalt: | von
etwa 0,5 bis etwa 20 % |
Wachs-Gehalt: | von
etwa 0,5 bis etwa 5 % |
Material-Feuchte: | von
etwa 2 bis etwa 10 % |
Presszeit: | von
etwa 2 Minuten bis 30 Minuten |
Presstemperatur: | von
etwa 150°C
bis etwa 275°C |
-
Es
ist darauf hinzuweisen, dass diese Parameter sofern erforderlich
angepasst werden können,
um ein geeignetes Platten-Erzeugnis
unter Verwendung des erfindungsgemäßen NR-enthaltenden Harzes herzustellen.
-
Platten
mit ausgerichteten Spänen
(oriented strang boards) oder andere Platten-Arten (wie oben aufgeführt), die
unter Verwendung NR-enthaltender PF-Harze hergestellt werden, werden
auf einfache Weise auf ihre Eignung in der Industrie untersucht.
Die oben hergestellten OSB-Platten sind beispielsweise nach dem Kanadischen
Produktstandard für
OSB untersucht worden (CSA 0437.1-93, April 1993). Diese Tests umfassen:
Bestimmung von Dichte, Querzugfestigkeit (internal bond, IB), Bruchmodul
(modulus of rupture, MOR) und Elastizitätsmodul (modulus of elasticity,
MOE). Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass Phenol bis
zu 60 % (oder bis zu 100 % im Falle von NRP) durch NR ersetzt werden
kann, und dass Harnstoff-enthaltende Harze ebenfalls bis zu 60 %
durch NR ersetzt werden können,
und zu einem OSB-Produkt führen, das
den industriellen Standards entspricht und äquivalent zu OSBs ist, die
unter Verwendung kommerziell verfügbarer Phenol-enthaltender
oder Harnstoff-enthaltender Formaldehyd-Harze hergestellt worden
sind. Ferner erfordern OSB-Platten, die mit NR-enthaltenden Harzen
hergestellt worden sind, weniger Formaldehyd in den Harz-Formulierungen, um äquivalente
quervernetzende und bindende Eigenschaften, wie sie typischerweise in
Kontroll-Harz-Formulierungen
vorgefunden werden, bereitzustellen. Ohne darauf festgelegt sein
zu wollen, wird vermutet, dass die natürlichen Carbonyl-Bestandteile
(wie beispielsweise Aldehyde und Ketone) im NR die Verwendung von
weniger Formaldehyd ermöglichen.
In Anwendungen, die ein Klebmittel von geringerer Stärke erfordern,
kann das NR allein ohne jeglichen Zusatz von Formaldehyd verwendet
werden; es ist jedoch bevorzugt, Formaldehyd zuzusetzen, um ein
besseres Harz zu erhalten. Diese Carbonylverbindungen haben ein
Molekulargewicht von etwa 30 bis etwa 800 Dalton und umfassen etwa
23 % des NR.
-
Das
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellte NR weist eine dunkelbraune
Farbe auf führt
zu einer dunkelrot-braunen Farbe, wenn es in ein Harz formuliert
wird. Während
der Produktions-Läufe
unter Verwendung des NR sind OSB-Platten
farblich heller als PF-Kontrollplatten. Ferner weist das NR einen milden,
angenehmen Geruch auf, wobei OSB-Platten die unter Verwendung des
NR hergestellt worden sind, keinen Geruch aufweisen. Der Geruch
kann nach Erwärmen
des NR oder durch Entfernen der flüchtigen Bestandteile mittels
Spülen
reduziert sein. Das erfindungsgemäße NR wird ferner weiterbearbeitet,
um den pH-Wert zu erhöhen,
beispielsweise durch Waschen von Roh-NR in Gegenwart von Wasser
und Gewinnen einer NRP-Fraktion, die einen höheren Gehalt an phenolischen
Substanzen und einen neutraleren pH-Wert aufweist und eine konzentriertere
Form des Roh-NR darstellt.
-
Beispiele
-
Beispiel 1: Verfahren
zum Erhalt von unbearbeitetem NR und Eigenschaften von unbearbeitetem
NR
-
Natürliches
Harz wurde unter Verwendung von Ausgangsmaterial vom roten Ahorn
in einem Reaktor für
die schnelle Pyrolyse wie in WO 91/11499 beschrieben erhalten. Das
Ausgangsmaterial vom roten Ahorn wird dem Reaktor in einem Verhältnis von
Ausgangsmaterial/Wärmeträger von
etwa 5 : 1 bis etwa 200 : 1 zugegeben. Die Holzkohle wird schnell
von dem Produkt-Dampf/Gas-Strom
getrennt und der Produkt-Dampf wird schnell im ersten Kondensator
unter Verwendung eines Flüssig-Mischkondensators
abgekühlt.
Die im Produkt-Dampf verbleibenden Verbindungen werden zu einem
sekundären
Kondensator transferiert, der mit dem primären Kondensator in Reihe geschaltet
ist. Der Produkt-Dampf
wird anschließend
unter Verwendung eines Flüssig-Mischkondensators
im sekundären
Kondensator abgekühlt,
und das kondensierte Produkt wird gesammelt. Jegliches verbleibende
Produkt in dem Produkt-Dampf wird im Abscheider und im Filterbett
gesammelt (vgl. 1). Das sekundäre Kondensator-Produkt sowie die
Produkte von Abscheider und Filterbett werden vereinigt, um das
NR zu erfassen. Die Ausbeute an unbear beitetem NR unter Verwendung
von rotem Ahorn als Ausgangsmaterial beträgt 18 %.
-
Das
NR ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen geringen Gehalt an
freiem Phenol aufweist, der von etwa 0,001 bis 0,1 (Gew./Gew.) reicht;
einen Gesamtgehalt an phenolischen Substanzen von etwa 35 bis 80
% (Gew./Gew.); eine dunkelbraune Farbe und einen milden, angenehmen
rauchigen Geruch; einen pH-Wert
von etwa 2,0 bis etwa 3,9; unlöslich
in Wasser ist und löslich
in organischen Lösungsmitteln,
einschließlich
Aceton, Methanol, Ethanol und Isopropanol ist.
-
Unbearbeitetes
NR wird auf einfache Weise mit Wasser gewaschen, um NRP herzustellen,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es im Vergleich zu NR einen
neutraleren pH-Wert sowie einen bis zu 90 % verringerten Gehalt
an organischer Säuren
aufweist. Des Weiteren beträgt
der Gehalt an phenolischen Substanzen des NRP aufgrund des Entfernens
des Bestandteils der organischen Säure bis zu etwa 80 % (Gew./Gew.)
oder mehr, und es stellt eine konzentriertere Form des NR dar.
-
Ein
Vergleich der gesammelten Produkte vom primären Kondensator (1°) und unbearbeitetem
NR (NR) (erhalten vom sekundären
Kondensator, Abscheider und Faser-Filterbett) ist unten dargestellt.
Die Werte für
NRP und NR50 sind zu Vergleichszwecken dargestellt:
-
Beispiel 2: Ersetzen von
Phenol in NR-enthaltenden PF-Harzen
-
Das
unbearbeitete, nach dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellte NR
wurde gemäß dem Industriestandard
in ein Harz formuliert, mit der Ausnahme, dass 40 % des Phenol-Gehalts
gegen das NR ausgetauscht wurde. Die resultierende Formulierung
wurde E-L-1-6 genannt. E-L-1-6 wurde mit einem kommerziell erhältlichen
PF-Harz (Tembec CL300) und mit E-K-4-6, einem PF-Harz, welches nach
Industriestandards (Tabelle 1) hergestellt worden war und 100 %
Phenol enthielt, bei der OSB-Herstellung
verglichen.
-
Typische
NR-Harz-Formulierungen umfassten das Einbringen von Phenol, Wasser
und para-Formaldehyd in ein Behältnis
und das Erwärmen
auf 95°C,
um das para-Formaldehyd zu lösen.
Die Mischungen wurden auf 45°C
abgekühlt,
und das NR wurde zugesetzt. Lauge (NaOH) wurde anschließend bis
zu dem gewünschten
pH-Wert zugesetzt, wobei das NR solubilisiert und die Reaktion gestartet
wurde. Bei der Zugabe von Lauge wurde die Mischung für die erste
Zugabe der Lauge (ungefähr
2/3 der erforderlichen Menge) bei 45°C gehalten. Die Mischung wurde
anschließend
langsam über
einen Zeitraum von 30 Minuten auf 90°C erwärmt, (wobei das Harz während dieser
Zeit hinsichtlich der Viskosität
beobachtet wurde) und anschließend abgekühlt, wobei
währenddessen
die verbleibende Lauge zugegeben wurde. Das Harz wurde bis zu seiner Verwendung
bei 10°C
gehalten.
-
Tabelle
1: Vergleich von Eigenschaften von unbearbeitetem NR (NR) und auf
Phenol basierenden Harzen
-
Die
OSBs wurden nach Standard-Industrieverfahren hergestellt, wobei
entweder E-L-1-6 (NR) mit einem auf 10,4 eingestellten pH-Wert,
E-K-4-6 (Kontrolle) oder CL300 verwendet wurde. Die Parameter für die OSB-Herstellung
waren die folgenden:
Späne: | 3
Inch, Pappel, aus einer OSB-Mühle |
Platten-Typ: | homogen |
Plattendicke: | 7/16'' |
Plattengröße: | 18'' × 18'' |
Harz-Gehalt: | 2,0 |
Wachs-Gehalt: | 1,5 |
Materialfeuchte: | 5,5 |
Presszeit: | 3
min oder 4,5 min |
Presstemperatur: | 215°C |
Wiederholung: | 4 |
-
Die
hergestellten OSBs wurden nach dem Kanadischen Produktstandard für OSB (CSA
0437.1-93, April 1993) auf folgende Eigenschaften untersucht: Dichte,
IB (Querzugfestigkeit, internal bond), MOR (Bruchmodul, modulus
of rupture) und MOE (Elastizitätsmodul,
modulus of elasticity).
-
Die
Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
-
Tabelle
2: Vergleich von mechanischen Eigenschaften von Paneelen, die unter
Verwendung von Formulierungen hergestellt wurden, bei denen 0 %
und 40 % Phenol durch NR-Öl-Nr.1
ersetzt war.
-
- Beachte: Der pH-Wert von E-L-1-6 wurde vor Herstellung der
Paneele auf 10,40 eingestellt.
-
Paneele,
die unter Verwendung einer Harz-Formulierung hergestellt worden
sind, welche nicht-optimiertes NR umfasste, welches 40 % des Phenols
ersetzte, zeigten Eigenschaften, die bei Presszeiten von 4,5 Minuten äquivalent
zu denjenigen der industriellen PF-Harz-Zusammensetzung waren. Die
OSB, die unter Verwendung von auf NR basierenden Harzen hergestellt
worden war, zeigte im Vergleich mit OSBs, die unter Verwendung von
PF-Harzen hergestellt worden waren, keinen Unterschied.
-
Ohne
auf eine Theorie festgelegt sein zu wollen, ist es möglich, dass
der Gehalt an organischer Säure der
auf dem unbearbeiteten NR basierenden Harz-Formulierung die Lauge
neutralisiert, die normalerweise verwendet wird, um die Kondensationsreaktion
zu katalysieren, die für
den Aushärtungsprozess
(setting) der OSB benutzt wird, wodurch längere Presszeiten erforderlich
sind, um das Aushärten
des Harzes zu gewährleisten.
Diese Ergebnisse verweisen darauf, dass ein wesentlicher An teil
des Phenols in PF-Harz-Formulierungen durch eine aus Bio-Öl erhaltene NR-Fraktion ersetzt
werden kann.
-
Beispiel 3: NR-enthaltende
PF-Harz-Formulierungen – Ersetzen
von Formaldehyd
-
Aufgrund
der im NR vorliegenden natürlichen
Aldehyde wurde eine Verringerung der Formaldehyd-Menge in NR umfassenden
PF-Harz-Formulierungen
untersucht. Die Ergebnisse verweisen darauf, dass bis zu 20 % des
Formaldehyds durch NR ersetzt werden können, wobei die OSB weiterhin
die Eigenschaften der Kontroll-OSBs beibehält.
-
Ein
Kontroll-PF-Harz mit einem molaren Verhältnis von F/P von 2,16 : 1,00
wurde formuliert. Verschiedene auf NR basierende Harze wurden durch
Ersetzen von 40 % des Phenols (Gew./Gew.) hergestellt und wiesen
ein molares Verhältnis
von F/P von 2,16 : 1,00; 1,8 : 1,00 oder 1,50 : 1,00 auf. Die Eigenschaften
dieser verschiedenen verwendeten Harze sind in Tabelle 3 aufgeführt, wobei
die folgenden NRs verwendet wurden:
- NR
- – unbearbeitetes, von Hartholz
stammendes Standard-NR
- NRP
- – gewaschenes NR
- PO
- – von Weichholz stammendes
NR
-
Tabelle
3: Physikalische und chemische Eigenschaften von Harzen
-
Es
wurden OSB-Paneele hergestellt und wie in Beispiel 2 beschrieben
unter Verwendung von CL300 (Industrie-Kontrolle), einer Kontrolle,
sowie unter Verwendung der in Tabelle 3 beschriebenen PF-Harz-Formulierungen,
die auf NR, NRP oder PO basieren, untersucht. Eine Ausnahme bestand
darin, dass eine Presszeit von nur 3 Minuten verwendet wurde. Die
Ergebnisse der Untersuchungen sind in den Tabellen 4 und 5 dargestellt.
-
Tabelle
4: Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Paneelen, die durch
Ersetzen von Phenol und Formaldehyd (HCHO) durch NR hergestellt
wurden
-
Tabelle
5: Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Paneelen, die durch
Ersetzen von Phenol und Formaldehyd (HCHO) durch NR hergestellt
wurden
-
Den
Ergebnissen lässt
sich entnehmen, dass OSBs, die unter Verwendung eines molaren Verhältnisses
von F/P von 1,80 : 1,00 hergestellt worden waren, Ergebnisse zeigten,
die äquivalent
zu denjenigen waren, die unter Verwendung von PF-Harzen bei 3 Minuten
Presszeit hergestellt worden waren. Ferner zeigten NRP-enthaltende
Harze Eigenschaften, die denjenigen von kommerziell verfügbaren PF-Harzen ähnlich waren.
Diese Ergebnisse verweisen ferner darauf, dass von Weichholz abgeleitetes,
nicht-optimiertes, unbearbeitetes NR auch in PF-Harz-Formulierungen verwendet
werden kann.
-
Beispiel 4: NR-umfassende
PF-Harz-Formulierungen
-
Es
wurde eine Reihe von PF-Harzen mit den in Tabelle 6 aufgeführten Zusammensetzungen
hergestellt. Die Basis-Zusammensetzung
eines Phenol-Formaldehyd-Harzes bildete ein Harz vom Resol-Typ mit
einem pH-Wert von 11 und einem P:F-Verhältnis
von 2,5 : 1. Das in den Proben-Zubereitungen verwendete NR wurde
wie in Beispiel 1 beschrieben erhalten.
-
Tabelle
6: FP-Harz-Zusammensetzungen
-
Diese
Proben wurden verwendet, um unter den nachfolgenden Bedingungen
Spanplatten herzustellen:
Presstemperatur: | 175°C |
Maximaldruck: | 30
bar |
Dicke: | 9,0
mm |
Presszeit: | 15
s/mm |
Entgasungszeit: | 30
sec. |
-
Die
hergestellten Paneele zeigten die in Tabelle 7 offenbarten Eigenschaften:
-
Tabelle
7: Eigenschaften von Spanplatten-Paneelen, die mit den Harzen aus
Tabelle 6 hergestellt wurden
-
Diese
Ergebnisse verweisen darauf, dass in PF-Harz-Zusammensetzungen Phenol (bis zu 40
%) ohne signifikante Auswirkung auf die Querzugfestigkeit oder die
Biegefestigkeit gegen NR ausgetauscht werden kann.
-
Beispiel 5: Mit unbearbeitetem
NR formulierte Harnstoff-Formaldehyd-Harze
-
Es
wurde ein von Rescol (Italien) hergestelltes, kommerziell verfügbares UF-Harz
(L2600) verwendet, das einen Trockengehalt von 63 % und ein Verhältnis von
Formaldehyd:Harnstoff von 1,2 : 1 aufwies.
-
Das
Harz wurde als Basis-Harz für
eine Reihe NR-umfassender UF-Formulierungen verwendet, die wie in
Beispiel 1 beschrieben erhalten wurden. Spanplatten wurden wie in
Beispiel 6 beschrieben hergestellt, mit insgesamt 12 % trockenem
Klebstoff auf trockenem Holz. Die Harz-Zusammensetzungen und Testergebnisse
sind in Tabelle 8 offenbart. Die Mengen wurden für trockenes Harz und trockenes
Holz berechnet. Die Klebstoff-Mischungen
wurden alle mit 1,5 % Ammoniumsulfat ausgehärtet.
-
Tabelle
8: Verwendete adhäsive
UF-Mischungen und mechanische Eigenschaften von Spanplatten, die
mit den definierten adhäsive
Zusammensetzungen hergestellt wurde
-
Die
Ergebnisse in Tabelle 8 zeigen, dass sich mit verringerten Mengen
OF (beachte: kein zugesetztes NR) einige der Spanplatten-Eigenschaften
verschlechtern (siehe A und B). Der Zusatz von NR (siehe D) verstärkt jedoch
die Eigenschaften, die in den mittels OF hergestellten Paneelen
beobachtet wurden. Des Weiteren führte das Ersetzen von 40 %
des OF in der Harz-Formulierung
zu einem ähnlichen
Spanplatten-Erzeugnis wie das, welches mit dem UF-Harz hergestellt
wurde.
-
Beispiel 6: Untersuchen
von verschiedenen unbearbeiteten NRs in PF-Klebemitteln bei verschiedenen
molaren Verhältnissen
von Formaldehyd
-
Mehrere
verschiedene NR-Zubereitungen wurden in PF-Harz-Formulierungen untersucht. Die NRs wurden
wie in Beispiel 1 beschrieben erhalten, mit Ausnahme der Tatsache,
dass Kiefer als Ausgangsmaterial verwendet wurde.
-
Das
untersuchte molare Verhältnis
von Formaldehyd:Phenol betrug 1,5 : 1, und 1,8 : 1, wobei 40 % des
Phenols durch NR ersetzt waren. Die Eigenschaften der NR-umfassenden
PF-Harz-Formulierungen
sind in Tabelle 9 beschrieben.
-
Tabelle
9: Physikalische und chemische Eigenschaften von Harzen
-
Die
Harz-Formulierungen von Tabelle 9 wurden unter den folgenden Bedingungen
zur Herstellung von OSBs verwendet:
Wiederholungen: | 4
pro Presszyklus |
Späne: | 3
in Pappel |
Träger: | Druckkissen
(cauls) |
Platten-Typ: | homogen |
Dicke: | 11,1
mm |
Harz-Gehalt: | 2,0
% |
MC%: | 5,0 |
Presszyklus: | 3,0
Minuten (einschließlich
30 Sekunden Schließen und
30 Sekunden Öffnen) |
Presstemperatur: | 215°C |
Wachs: | 1,5 |
-
Die
Platten wurden auf Querzugfestigkeit (IB), Bruchmodul (MOR), Elastizitätsmodul
(MOE), Torsionsschub (torsion shear, TS) untersucht, und einige
Platten wurden hinsichtlich der Dickenquellung (thickness swelling,
ThS) untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle
10 dargestellt.
-
Tabelle
10: Auswirkung des molaren Verhältnisses
von Formaldehyd:Phenol auf mechanische Eigenschaften eines Weichholz-NR
(Kiefer) und eines "konditionierten
NR".
-
Die
Ergebnisse von Tabelle 10 zeigen, dass PF-Harze, die 40 von Weichholz
(Kiefer) stammendes NR umfassen, bei einem Formaldehyd:Phenol-Verhältnis von
1,8 : 1 oder 1,5 : 1 OSBs erzeugen, die Eigenschaften aufweisen,
die mit denen von OSBs vergleichbar sind, welche unter Verwendung
kommerzieller PF-Harz-Formulierungen
mit einem Formaldehyd:Phenol-Verhältnis von 2,16 : 1 hergestellt
worden sind.
-
Beispiel 7 – Untersuchen
von NR60 mit PF-Klebemitteln
-
Elf
Sperrholz-Paneele von 3' × 3' × 0,5'' wurden
hergestellt, um die Auswirkungen von variierenden Konzentrationen
von NR60 als Austauschmittel für
Phenol in PF-Harz zu untersuchen.
-
1.0 Sperrholz-Paneelen-Herstellung
-
1.1 Mischen und Formen
-
Drei
verschiedene Harz-Zusammensetzungen wurden auf Kiefer-Furniere aufgebracht
(Tabelle 9). Dies führte
zu drei Gruppen mit einem Minimum von drei Paneelen pro Gruppe.
Alle Anwendungen wurden bei einer Beladungsrate (loading rate) von
35 lb/1000 ft2 durchgeführt. Alle Harze wurden unter
Verwendung eines Sperrholz-Klebstoff-Spachtels (plywood glue spreader)
aufgetragen und wurden als einzelne Klebstoff-Linie aufgetragen.
-
Die
Scheit-Auflage (billet lay-up) für
jede Paneele bestand aus vier Schichten. Die oberen Schichten wurden
parallel zur Maschinenrichtung aufgelegt, und die Kern-Schichten
wurden senkrecht zur Maschinenrichtung aufgelegt. Drei Kontroll-Paneele,
vier PF/NR60 mit 10 % und vier PF/NR60 mit 20 % wurden in dem Versuch
hergestellt.
-
1.2 Pressen und Untersuchen:
-
Vor
dem Pressen wurden die Scheite bei 150 psi für 4 Minuten in einer 4' × 8'-Presse vorgepresst (kalt). Die Paneele
wurden anschließend
für das
Heißpressen
in eine 3' × 3'-Presse überführt. Die
Paneele wurden unter konstanter Druck-Kontrolle für 300 Sekunden
bei 300°F
gepresst. Das Pressen wurde mit einem PressMAN©-Press-Überwachungs-System überwacht
und kontrolliert.
-
Nach
dem Pressen wurden die Paneele auf 28'' × 28''-Format zurechtgeschnitten und als heiße Stapel getrocknet
(hot stacked). Nach dem Abkühlen
wurden die Paneele untersucht. Die Paneele wurden hinsichtlich der
Sperrholz-Klebstoff-Haftung
und Biegefestigkeit untersucht (CSA 0151-M1978).
-
1.3 Beobachtungen
-
Es
würden
während
der Herstellung der Paneele visuell keine qualitativen Unterschiede
bei den Harzen bemerkt. Das Kontrollharz und das NR-ausgetauschte
Harz verhielten sich bei gleicher Dehnbarkeit gleich. Die Schubdaten
(shear data) verweisen darauf, dass sich das NR-ausgetauschte Harz
genauso gut wie die Kontrolle verhielt (Tabelle 10). Das NR60-10
%-Harz und das NR60-20 %-Harz verhielten sich unter beiden Testbedingungen
in Bezug auf die Schubfestigkeit vergleichbar zur Kontrolle. Die
Harze zeigten beispielhafte Stärke-Eigenschaften,
wobei die Schicht unter beiden Testbedingungen lediglich zu maximal
12 % bei der Klebstoff-Haftung
versagte (PG2-88% durchschnittliches Holzversagen). Die Stärke der
NR-Harz-Daten wird ferner durch die Tatsache gestützt, dass
nicht eine Probe unter beiden Testbedingungen weniger als 60 % oder weniger
als 30 % Holz-Versagen zeigte.
-
-
Tabelle 10A ZUSAMMENFASSUNG
DER SPERRHOLZ-SCHUBTESTS MIT DEM GEORGIA PACIFIC-KONTROLL-HARZ UND
DEM GEOR-GIA PACIFIC
NR-HARZ: NR10-HARZ & NR20-HARZ
-
- (Durchschnittswerte für
10 Proben pro Paneele von 3 Paneelen pro Gruppe).
-
-
Beispiel 8: NR-60, verwendet
in einer Menge von 25 % für
die Herstellung von Sperrholz- und OSB-Paneelen
-
Insgesamt
siebzehn 3' × 3' × 0,50'' OSB-Paneele
und fünfzehn
3' × 3' × 0,50''-Sperrholz-Paneele
wurden hergestellt, um so wohl für
OSB als auch für
Sperrholz die Auswirkung eines 25%igen Austauschs von Phenol gegen
NR60 in PF-Harz zu ermitteln.
-
1.0 OSB-Paneelen-Herstellung
-
1.1 Mischen und Formen:
-
Die
Harze wurden von Neste in den folgenden Formaten geliefert: Neste
PF-Oberflächen-Kontrolle#1, Neste
PF Kern-Kontrolle#2
und Neste PF/NR-60-25 % (experimentell). Drei Gruppen Paneele wurden
wie in Tabelle 11 beschrieben hergestellt. Die Kontrollgruppe (SNC)
bestand aus dem Neste Oberflächen-Kontrolle#1-Harz,
das zusammen mit kommerziellem E-Wachs auf die Späne aufgetragen
wurde; die Späne
wurden anschließend
in homogene Matten mit zufälliger
Anordnung geformt. Die erste experimentelle Gruppe (SNE) bestand
aus dem Austausch des Oberflächen
Kontroll-Harzes gegen das Neste PF/NR60-25 %-Harz beim selben Herstellungsverfahren.
Die letzte experimentelle OSB-Gruppe (SN) verwendete Neste PF/NR60-25 % auf den Spänen der
Paneelen-Oberfläche
und Neste Kern-Kontrolle#2
auf den Spänen
des Paneelen-Kerns. Die SN-Matten bestanden aus 50/50 Oberflächen-Kern-Zufallskonstrukten.
-
TABELLE
11: PF- und PF-NR60-HARZ-OSB-TEST5
-
Alle
Harze wurden auf Basis von 3,5 % Feststoffen verwendet. Das kommerzielle
e-Wachs wurde auf Basis von 1 % Feststoffen angewendet. Alle Scheite
wurden handgeformt, um eine Dichte von 39 lb/ft3 zu
ergeben, wenn sie auf eine Dicke von 0,5'' gepresst
wurden.
-
1.2 Pressen und Untersuchen
-
Nach
dem Formen wurden die Matten unter Verwendung eines Standard-OSB-Presszyklus
gepresst. Die Gesamtpresszeit wurde auf einen konservativen 400-Sekunden-Zyklus
eingestellt, um das vollständige Aushärten des
verwendeten Harzes zu gewährleisten.
Das Pressen wurde mittels eines PressMAN©-Press-Überwachungs-Systems überwacht
und kontrolliert.
-
Nach
dem Pressen wurden die Paneele entfernt, auf 28'' × 28''-Formate zurechtgeschnitten und anschließend im
Hinblick auf die Dicke und die Dichte nach dem Pressen gemessen.
-
Nachdem
die Messungen durchgeführt
worden waren, wurden die Platten als heiße Stapel getrocknet (hot stacked).
Bei Abkühlen
wurden die Paneele nach CSA 0437.2-93 in Bezug auf folgendes untersucht: MOR/MOE,
IB, Haftungsdauer (2h- und 6h-Zyklen), Dickenquellung (24h Einweichen)
und lineare Expansion (ODVPS) sowie Biegefestigkeit.
-
2.0 Sperrholz-Paneelen-Herstellung
-
2.1 Klebstoffverteilung
und Furnierauflage
-
Der
Sperrholzteil dieser Studie umfasste das Kleben und Auflegen von
kommerziellen Kiefer-Furnieren. Zwei Sperrholz-Harze wurden für diese
Untersuchung verwendet. Das erste Harz wurde als Neste PF (Sperrholz-Kontrolle)
bezeichnet, während
das zweite als Neste PF/NR 25 (Sperrholz experimentell) bezeichnet
wurde.
-
Die
Harze wurden unter Verwendung eines Klebstoff-Spachtels auf die
Furniere aufgebracht. Eine Rate von 35 lbs. pro 1000 ft2 wurde
verwendet und als einzelne Klebstoff-Linie aufgetragen. Die Auflage
bestand für
jede Paneele aus zwei Oberflächen-Furnieren
parallel zur Maschinenrichtung und zwei Kern-Furnieren senkrecht
zur Maschinenrichtung. Es wurden elf Kontroll-Paneele (Gruppe PNC)
und vier experimentelle Paneele (Gruppe PNE) hergestellt (siehe
Tabelle 12).
-
TABELLE
12: PF- UND NR60-HARZ-SPERRHOLZ-SCHUBTESTS
-
Während des
Auflegens wurde die Verklebungszeit, die Zeit für das Öffnen der Anlage, die Vorpresszeit
und die Zeit für
das Schließen
der Anlage für
jede Platte gemessen.
-
2.2 Pressen und Untersuchen
-
Nach
Vorpressen für
4 Minuten und 150 psi wurden die Scheite für das endgültige Aushärten und Pressen in eine Presse
eingebracht. Die ersten 7 Kontroll-Paneele (PNC 1-7) wurden verwendet,
um die Presszeit zu etablieren. Dies führte zur Etablierung von 300
Sekunden als erforderliche Presszeit. Das Pressen wurde mittels
eines PressMAN©-Press-Überwachungs-Systems überwacht
und kontrolliert.
-
Nach
dem Pressen wurden die Paneele auf 28'' × 28''-Formate zugeschnitten und als heiße Stapel
getrocknet (hot stacked). Bei Abkühlen wurden die Paneele untersucht.
Die Untersuchung bestand aus der Klebstoffhaftung-Schubuntersuchung
und der Zeitstand-Biegeversuch-Untersuchung.
-
3.0 Beobachtungen und
Ergebnisse
-
Es
wurde annähernd
kein Unterschied zwischen der Kontrolle und den NR-Austausch-Harzen
beobachtet. Farbe, Viskosität
und Verteilbarkeit schienen für
alle Harze gleich zu sein. Ein geringfügig unterschiedlicher Geruch
wurde bei den NR-Harzen
gegenüber
den Kontrollen verzeichnet. Dieser Geruch erwies sich jedoch nicht
als durchdringend oder aufdringlich. Daneben schienen alle Harze
sich in einer bestimmten Herstellungs-Situation gleich zu verhalten.
-
Ein
Vergleich der NR-ausgetauschten Harze mit den Kontrollen (SN, SNE,
vs. SNC) zeigte, dass die Biege- und Haftungseigenschaften zwischen
den drei Gruppen gleich war (Tabelle 13). Diese Ergebnisse verweisen
insbesondere bei der Gruppe SN auf ein Abfallen der Haftungsdauer
und der linearen Expansion gegenüber
der Kontrolle. Die Gruppe SN zeigte einen Wasserquellungs-Wert,
der hinreichend im Bereich des Maximal-Erfordernisses lag.
-
Tabelle
13 ZUSAMMENFASSUNG DER PF- UND PF/NR60 25 %-OSB-TESTS
-
Im
Hinblick auf den Sperrholz-Schubtest waren die Ergebnisse sowohl
gegenüber
der Standardgruppe als auch gegenüber der Kontrollgruppe besser
(Tabelle 14). Eine starke Haftung wurde durch die Schubfestigkeit-Performance
unter beiden Testbedingungen gezeigt. Unter beiden Bedingungen konnten
11 % oder weniger Versagen dem Klebstoff zugeordnet werden, während maxi mal
20 % erlaubt ist (89 % Holzversagen für Gruppe PNE bei Kochen-Trocknen-Kochen).
Ein weiterer Indikator für
die Stärke
der Daten bestand darin, dass nicht eine PNE-Probe Werte für ein Holz-Versagen
von weniger als 60 % oder 30 % unter beiden Testbedingungen zeigte
(100 % beider Erfordernisse in beiden Testsansätzen erfüllt).
-
Tabelle
14 ZUSAMMENFASSUNG DER PF- UND PF/NR60 – 25 % HARZ-SPERRHOLZ-SCHUBTESTS
-
Beispiel 10: Verwendung
von NR60 in einer Menge von 40 % bei der Herstellung von OSB-Paneelen
-
Es
wurde eine experimentelle Harzformulierung verwendet, um ausgehend
von vier verschiedenen Proben (markiertes NR60-D, NRB 166, 1°CT und CALCT)
vier 40 %-Phenol-Austausch-Harze unter Verwendung von NR60 (Verhältnis von
Formaldehyd zu Phenol 1,6 : 1) herzustellen. Eine Laborkontrolle
wurde ebenfalls hergestellt und als Referenz für die Bewertung aller experimentellen
Harze verwendet. NRB ist ein NR60, welches von Rinde erhalten wird.
-
Die
Performance der formulierten Harze ist durch Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften, wie beispielsweise Querzugfestigkeit (IB), Elastizitätsmodul
(MOE), Bruchmodul (MOR, trocken und nass), Torsionsschub, Dickenquellung
und Wasserabsorption von 20 OSB-Platten bewertet worden, die mit
den fünf Harzen
hergestellt worden waren. Alle diese Harze wurden unter Verwendung
von verschiedenen bestgeeigneten Standardverfahren charakterisiert,
wie beispielsweise Gehalt an Feststoffen, Viskosität, pH, Gelierzeit und
freies Formaldehyd. Allgemeine
Platten-Parameter:
Wiederholungen: | 4 |
Späne: | 3-in,
Pappel |
Träger: | Schirm
(screen) |
Platten-Typ: | homogen |
Dicke: | 11,1
mm |
Zieldichte: | 640
kg/m3 |
Presstemperatur: | 215°C |
Presszyklus: | 3,0
min |
Feuchte-Gehalt: | 5 |
Wachsgehalt: | 1,5 |
Harzgehalt: | 2,0 |
-
Testergebnisse
-
Tabelle
15 zeigt die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Harze,
die aus den verschiedenen NR60-40 % Proben (NR60-D, NRB 166, 1°CT und CALCT)
hergestellt worden sind. Die mit der Phenol/Formaldehyd-Kontrolle
erhaltenen Ergebnisse sind zum Zwecke des Vergleichs eingeschlossen.
In jedem Fall benötigten
das mit NR60 formulierte Harz 1,5 bis 2,2 % mehr Laugen-Katalysatoren,
um ein Harz mit äquivalentem
pH-Wert in Bezug auf die Kontrolle herzustellen. Die pH- und Viskositäts-Werte von E-F-4-8-
und E-F-5-8-Harzen sind der Kontrolle ähnlich, zeigen jedoch weniger
vorteilhafte Eigenschaften für
E-F-2-8, und E-F-3-8. Derselbe Faktor gilt für die Gelierzeit, die mit den
vier experimentellen Harzen erhalten wurde, selbst wenn diese länger benötigten als
der Wert der Laborkontrolle.
-
Tabelle
16 fasst die OSB-Testergebnisse für E-F-2-8 (NR60-D), E-F-3-8
(1°CT),
E-F-4-8 (CALCT) und E-F-5-8 (NRB166) im Vergleich zu E-F-1-8 (Laborkontrolle)
zusammen. Die Ergebnisse in Bezug auf die Querzugfestigkeit und
den Torsionsschub sind geringer als die der Kontrolle. MOE- und
MOR-Werte (trocken und nass) sind der Kontrolle ähnlich. Für die Dickenquellung und die
Wasserabsorption waren die Ergebnisse ebenfalls geringer als für die Kontrolle,
außer
bei E-F-4-8 (CALCT), welches bessere Werte ergab.
-
Folgerung
-
Von
allen Harzen führte
E-F-4-8 (CALCT-Öl)
zu den besten Ergebnissen. Die anderen drei wiesen geringere Ergebnisse
in fast jedem Test auf.
-
Tabelle
15: Physikalische und chemische Eigenschaften der Harze E-F-1-8,
E-F-2-8, E-F-3-8, E-F-4-8 und E-F-5-8
-
Tabelle
16: Mechanische Eigenschaften der Harze E-F-1-8, E-F-2-8, E-F-3-8,
E-F-4-8 und E-F-5-8,
-
Literaturhinweise:
-
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adhesives with air-blown, fluidized-bed pyrolysis oil.
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