CH656343A5

CH656343A5 - Process for the dimensional stabilisation of compressed wood-based materials

Info

Publication number: CH656343A5
Application number: CH5986/81A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Dr Giebeler
Original assignee: Ruetgerswerke Ag
Priority date: 1980-11-25
Filing date: 1981-09-16
Publication date: 1986-06-30
Also published as: SE8106141L; CA1159643A; DE3044221A1; FR2494623B3; FI813725A7; FI813725L; FR2494623A1; NO813990L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dimensionsstabilisierung von ein temperaturbeständiges Bindemittel, das kein Harnstoffharz darstellt, enthaltenden Holzwerkstoffen, die durch ein Pressverfahren verdichtet worden sind, durch Wärme-Druck-Behandlung.

Die natürliche Dimensionsänderung von Holz und Holzprodukten bei wechselnden Holzfeuchtigkeiten ist ein Nachteil dieser Werkstoffgruppe. Die Dimensionsstabilität kann durch konstruktive, chemische und physikalische Massnahmen verbessert werden. Dazu existieren in der Praxis und in der Literatur zahlreiche Lösungsvorschläge.

Als besonders wirtschaftliche Methode wird in der DE-PS 2 263 758 ein Verfahren zur Dimensionsstabilisierung von Holz bei Temperaturen zwischen 120 und 180 °C in einer Gasatmosphäre bei Gasdrücken bis zu 15 bar beschrieben. Bei diesen Verfahrensbedingungen können innerhalb weniger Stunden Verbesserungen der Dimensionsstabilität um 50—70 % erzielt werden. Jedoch ist bei Massivhölzern die Gefahr der Rissbildung bei feuchtem Holz gross. Aus diesem Grund wird im Verfahren gemäss DE-OS 2 916 677 Holz mit einer Holzausgangsfeuchte unter 10 % eingesetzt und bei Temperaturen zwischen 160 und 240 °C in einer Gasatmosphäre unter Druck vergütet.

Bei Holzwerkstoffen, die durch ein Pressverfahren verdichtet worden sind, wie Span- oder Faserplatten sowie Sperr- oder Schichtholz, ist der Nachteil der natürlichen Dimensionsänderung des Holzes in der Plattenebene nur noch sehr gering wirksam, aber senkrecht zur Plattenebene liegt bei Feuchtigkeitsaufnahme eine extrem hohe Dickenquel-lung von bis zu 30 % vor, die die natürliche Quellung von Holz weit übertrifft. Die Ursache für diese grosse Dicken-quellung ist das Bestreben der Holzfasern und -laminate, in die Ausgangslage vor dem Verpressen und Verdichten zurückzukehren.

Man hat daher versucht, eine Dimensionsstabilisierung von Spanplatten zu erzielen, indem man Holzspäne nach Verfahren gemäss DE-PS 2 263 758 oder DE-OS 2 916 677 mittels Wärme und Druck vergütet und aus diesen behandelten Spänen die Spanplatten herstellt.

Diese Arbeitsweise ist jedoch mit einer erheblichen Brandgefahr verbunden. Ausserdem werden die Späne bei der Wärme-Druck-Behandlung spröde, so dass bei der Herstellung der Spanplatten Schwierigkeiten auftreten.

Im Verfahren gemäss DE-OS 1 453 382 werden kochfest verleimte Holzspanplatten mit feuchter Luft unter Druck bei Temperaturen zwischen 70 und 150 °C behandelt. Aufgrund der notwendigen Behandlungsdauer von ein oder sogar mehreren Tagen ist dieses Verfahren äusserst unwirtschaftlich. Zudem ist die Reduzierung der Dickenquellung relativ geringfügig und muss noch durch zusätzliches Aufbringen eines Hydrophobierungsmittels auf die Späne verbessert werden.

Es bestand demnach die Aufgabe, ein sicheres, wirtschaftliches Verfahren zu finden, zur Dimensionsstabilisierung von Holzwerkstoffen, die durch ein Pressverfahren verdichtet worden sind, mit dem man innerhalb kurzer Behandlungszeit eine optimale Quellfestigkeit des behandelten Holzwerkstoffs erzielt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die durch ein Pressverfahren verdichteten Holzwerkstoffe bei Temperaturen von 160—200 °C in einer Gasatmosphäre behandelt werden, die 4 bis 15 bar verdichtet worden ist.

Obwohl man ursprünglich annahm, dass unter den erfin-dungsgemässen Verfahrensbedingungen die Verleimung der Holzwerkstoffe zerstört würde, dass die Handhabung vorge-formter Teile, verbunden mit einer gleichmässigen Reklima-tisierung, schwierig sein würde und dass durch ungleichmäs-sige Spannungen irreparable Verwerfungen entstünden, stellte es sich heraus, dass unter den erfindungsgemässen Bedingungen Holzwerkstoffe wie Spanplatten und Schichthölzer leicht und problemlos vergütet werden können und dass die Formänderungen während des Behandlungsprozesses vernachlässigbar gering sein können. Durch die Vergütung bei hohen Drücken und Temperaturen wird der Zustand nach dem Verdichten des Holzwerkstoffs stabilisiert; das Rückfederungsbestreben der Fasern in den Ausgangszustand ist sehr stark reduziert. Gleichzeitig werden die Holzfasern, wie in den Patentschriften DE-OS 2 916 677 und DE-PS 2 263 758 beschrieben, in ihrem Quellverhalten verbessert. Deshalb nimmt durch das beschriebene Verfahren auch die bei Sperrholz und Spanplatten schon relativ geringe Feuchteverformung in den Plattenebenen noch weiter ab. Dies ist ein Vorteil insbesondere bei grossflächigen oder sehr langen Bauteilen.

Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, dass vergütete Holzwerkstoffe erhalten werden, deren Dickenquellung bei Feuchtigkeitseinfluss geringer ist als die Dickenquellung von Holzwerkstoffen, die aus gemäss DE-PS 2 263 758 und DE-OS 2 916 677 behandelten Holzspänen hergestellt worden sind.

Durch die erzielte Reduzierung der Dickenquellung lassen sich die Einsazmöglichkeiten masshaltiger Profile auf Spanholzbasis verbessern und ausweiten. Denkbar ist die Herstellung von kunststoffummantelten Fensterprofilen auf der Basis von Schichtholz oder Spanplatten. Wegen des Abfalls der Biegefestigkeit der Holzwerkstoffe nach diesem Verfahren sind unter den Spanplatten die Typen mit hoher Biegefestigkeit wie z. B. die OSB-Platten bevorzugt.

Eine wesentliche Voraussetzung für das Verfahren ist die Temperaturbeständigkeit der im Holzwerkstoff eingesetzten Bindemittel. Bevorzugt kommen hier Phenolharze zum Einsatz. Harnstoffharze können nicht verwendet werden.

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Holzwerkstoffe sind hinsichtlich der Rissbildung weniger empfindlich als Massivhölzer. Deshalb kann der Wassergehalt im Bereich von 0—20 % variiert werden. Je grösser die kleinste Holzdimension in der Regel die Plattendicke ist, um so niedriger sollte der Wassergehalt liegen. Die Formstabilität der vergüteten Platte ist immer umso besser, je niedriger die Holzfeuchte ist. Andererseits ist die Holzdimensionsstabilisierung bei hohen Feuchtegraden besser. Der optimale Bereich der Holzfeuchtigkeit liegt deshalb zwischen 4 und 12 %.

Die Holzwerkstoffe werden in einem Reaktionsgefäss in einer verdichteten Gasatmosphäre bei Temperaturen von 160—220 °C behandelt. Die Arbeitsdrücke liegen zwischen 4 und 15 bar, insbesondere zwischen 6 und 12 bar.

Die Behandlungsdauer liegt in der Regel zwischen 0,5 und 8 Stunden; sie ist im allgemeinen um so kürzer, je höher die Temperatur gewählt wird.

Besonders gute Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidimg von Spannungen und Partialdruckgradien-ten, können erzielt werden, wenn man die bei der thermischen Behandlung aus dem Holz entweichenden Produkte im Reaktionsgefäss anreichert. Dies kann erreicht werden z.B. durch einen hohen Füllungsgrad des Reaktors, also durch ein niedriges Verhältnis von Reaktorvolumen zu Holzvolumen, vorzugsweise niedriger als 7, und/oder durch einen Zusatz von Holzkondensat und/oder eines oder mehrerer Holzkondensat-Inhaltsstoffe.

Von dem im Holzkondensat vorhandenen Inhaltsstoffen, wie z. B. Ameisensäure, Essigsäure, Furfural, Furfurylako-hol, Methanol, oder auch Wasser, sind insbesondere Essigsäure und/oder Ameisensäure geeignet. Auch höhere Alkan-carbonsäuren, insbesondere mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen, bzw. auch die Anhydride der genannten Säuren, z.B. Essigsäureanhydrid, kommen als Zusatz in Frage. Die Zusätze können dabei vor der Wärmebehandlung in den Reaktionsraum eingegeben werden, oder werden vorzugsweise während der Behandlung dem Reaktor von aussen zugeführt. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, das zu behandelnde Holz vor der Behandlung mit den Zusatzstoffen zu tränken.

Die Menge an Zusatzstoff ist im allgemeinen nicht kritisch. Die Summe der Partialdrücke sollte in der Regel 12 bar nicht überschreiten; es sollen auf keinen Fall Konzentrationen erreicht werden, bei denen bereits eine Teilkondensation der Zusatzstoffe im Reaktionsgefäss erfolgt.

Aus Sicherheitsgründen, und um einen oxidativen Holzabbau zu unterdrücken, soll die Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgefäss 5 Volumenprozente nicht überschreiten. Um eine möglichst helle Tönung des behandelten Holzes sicherzustellen, ist es zweckmässig, Sauerstoff ganz auszuschalten; man arbeitet dann in einer Inertgasatmosphäre, z.B. unter Stickstoff.

Als Reaktionsgefäss (Reaktor) wird vorzugsweise ein Autoklav aus korrosionsbeständigem Material, z. B. aus 1.4571- oder 1.4541-Stahl verwendet. Die Grösse und Dimensionierung richtet sich dabei nach der Grösse der einzusetzenden Hölzer. Die Wärmezufuhr erfolgt vorzugsweise über im Reaktionsgefäss eingebaute Heizschlangen durch überhitzten Wasserdampf von z. B. 40 bar. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches vom Wärmeträger in die Gasatmosphäre und von der Gasatmosphäre in das Holz hat sich dabei eine Gasumwälzung im Reaktionsraum, z. B. mittels eines Ventilators oder eines Gebläses, als zweckmässig erwiesen.

Das Entspannen und Abkühlen des Reaktors und seines Inhalts muss langsam erfolgen, um Produktschädigungen zu vermeiden.

Die jeweilige Zeitspanne ist produktabhängig. Bei Spanplatten in der Dicke 16 mm kann z. B. innerhalb von 15 Min. von 10 bar auf 1 bar entspannt und von 190 °C Umlufttem-peratur auf Zimmertemperatur abgekühlt werden.

Beispiele

Beispiel 1 (mit Vergleichsbeispiel) Buchenschichtholz in den Abmessungen 50 x 100 x 1000 mm (radial x tangential x axial), das aus mit Phenolharz verleimten 1,2 mm Schälfurnieren hergestellt war, wurde bei 195 °C in N2-Atmosphäre bei 10 bar Gesamtdruck des umgewälzten Gases behandelt. Die Anfangsfeuchtigkeit des Holzes betrug 5 %. Nach einer Behandlungsdauer von 2'/2 h wurde der Reaktor innerhalb von 20 Min. entspannt und auf etwa 70 °C abgekühlt.

Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften des so vergüteten Schichtholzes im Vergleich zu unvergütetem Buchenschichtholz. Die Quellung wurde jeweils bestimmt nach 14-tägiger Lagerung der Probekörper in Wasser bei 20 °C.

Tabelle 1

Buchenschicht- Buchenschichtholz unvergütet holz vergütet

Dichte (kg/m3) 850 770

tangentiale Quellung (%) 10 3,2

radiale Quellung (%) 16 2,8

axiale Quellung (%) 0,25 0,15

E-Modul (N/mm2) 14 000 13 000

Biegefestigkeit 160 100

(Die Tabelle enthält statistische Mittelwerte)

Beispiel 2

Buchenschichtholz, hergestellt aus 4 mm Schälfurnieren mit Phenolharzverleimung in dem Abmessungen 50 x 100 x 1000 mm wird wie in Beispiel 1 angegeben behandelt und untersucht. Die Ausgangsfeuchte der Platten war 8 %.

Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften des so vergüteten Schichtholzes im Vergleich zu unbehandeltem Buchenschichtholz.

Tabelle 2

Buchenschicht- Buchenschichtholz unvergütet holz vergütet

Dichte (kg/m3)

710

630

tangentiale Quellung (%)

10,2

3,6

radiale Quellung (%)

8

2,2

axiale Quellung (%)

0,25

0,15

E-Modul (N/mm2)

11 300

13 300

Biegefestigkeit

122

65

Beispiel 3

Eine handelsübliche mit Phenolharz verleimte Spanplatte in 16 mm Plattenstärke wurde 2 V2 hbei 195 °C und 10 bar Gasdruck in einer umgewälzten Stickstoffatomosphäre behandelt. Die Ausgangsfeuchte betrug 10 %

Tabelle 3 zeigt die entsprechenden Prüfwerte im Vergleich zu denen einer nicht behandelten Spanplatte.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

656 343

Tabelle 3

Tabelle 4

Spanplatte unvergütet

Spanplatte vergütet

Hartfaserplatte unvergütet

Hartfaserplatte vergütet

Dichte (kg/m3)

720

630

Ò

Quellung nach 24 h

Dickenquellung nach

Wasserlagerung bei 20 °C

Wasserlagerung

(%)

a) 24 h/20 °C

14

3,2

a) Dickenquellung

30

15

b) 1 h/100°C

18,5

5,7

10 b) Flächenquellung

1,2

1,0

Biegefestigkeit (N/mm2)

25

12

Biegefestigkeit (N/mm2)

55

38

Querzugfestigkeit nach

E-Modul (N/mm2)

6000

Kochtest V 100 (N/mm2)

0,15

Dichte (kg/m3)

1060

1020

nach DIN 68763

Beispiel 4

4 mm starke Hartfaserplatten werden lh bei 195 °C in einer N2-Atmosphäre vergütet. Der Gesamtgasdruck liegt bei 10 bar. Die Anfangsfeuchtigkeit der Hartfaserplatten beträgt 10%

Tabelle 4 zeigt die entsprechenden Prüfwerte im Vergleich zu denen einer nicht vergüteten Hartfaserplatte.

20

Beispiel 5

Die Vergütung einer Spanplatte mit orientierten Spänen (OSB-Typ) wurde bei 195 °C, 10 bar N2-Atmosphäre 1 h behandelt. Die verwendete OSB-Platte ist vom 1-ply-Typ, d.h. es liegt nur eine einheitliche Schicht und Spanorientirung vor. Die Dicke beträgt 3,6 mm.

Tabelle 5 zeigt die entsprechenden Prüfwerte im Vergleich zu denen einer nicht vergüteten OSB-Platte.

Tabelle 5

OSB-Platte unbehandelt

OSB-Platte behandelt

Dichte (kg/m3)

Quellung nach 24 h Wasserlagerung bei 20 °C

a) Dickenquellung b) Quellung in Faserrichtung

Biegefestigkeit (längs zur Faser) (N/mm2) E-Modul (längs zur Faser) (N/mm2)

650

29 0,28 47 6650

600 11

0,20 35 7200

45

50

55

60

65

Claims

656343 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Dimensionsstabilisierung von ein temperaturbeständiges Bindemittel, das kein Harnstoffharz darstellt, enthaltenden Holzwerkstoffen, die durch ein Pressverfahren verdichtet worden sind, durch Wärme-Druck-Behandlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzwerkstoffe bei Temperaturen von 160 — 220 °C in einer Gasatmosphäre behandelt werden, die auf 4 bis 15 bar verdichtet worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre auf 6 bis 12 bar verdichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsdauer 0,5 bis 8 h beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt des Holzwerkstoffs zwischen 0 und 20 Gew.% liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt des Holzwerkstoffs zwischen 4 und 12 Gew.-% liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesatmosphäre umgewälzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Behandlung des Holzwerkstoffs entstehenden Holzabbauprokukte und Wasser gezielt in der Gasatmosphäre angereichert sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasatmosphäre Inertgase wie Stickstoff, angereichert sind und Luftsauerstoff unter 5 Vol.% vorliegt.