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EP2974841B1 - Verfahren zur herstellung einer faserplatte - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer faserplatte Download PDF

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Publication number
EP2974841B1
EP2974841B1 EP15175533.7A EP15175533A EP2974841B1 EP 2974841 B1 EP2974841 B1 EP 2974841B1 EP 15175533 A EP15175533 A EP 15175533A EP 2974841 B1 EP2974841 B1 EP 2974841B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acid
wood
lignocellulose
containing material
treatment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP15175533.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2974841A1 (de
Inventor
Andreas Geyer
Thomas Schalkhammer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fritz Egger GmbH and Co OG
Original Assignee
Fritz Egger GmbH and Co OG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fritz Egger GmbH and Co OG filed Critical Fritz Egger GmbH and Co OG
Priority to PL15175533T priority Critical patent/PL2974841T3/pl
Publication of EP2974841A1 publication Critical patent/EP2974841A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2974841B1 publication Critical patent/EP2974841B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N1/00—Pretreatment of moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N1/00—Pretreatment of moulding material
    • B27N1/006—Pretreatment of moulding material for increasing resistance to swelling by humidity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N1/00—Pretreatment of moulding material
    • B27N1/02—Mixing the material with binding agent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a source-reduced fiber board.
  • Wood-based materials are used, for example, in construction as an insulating, constructive or cladding element as well as flooring.
  • Wood materials are made from wood shavings, wood chips or wood fibers as well as from sawn timber or veneers of various types of wood with the addition of natural and / or synthetic binders and other additives.
  • the properties of the wood are known to be significantly determined by the moisture content of the wood. As the absorption of water increases, as a rule the wood moisture increases, the strength and dimensional stability of the wood decrease, and the susceptibility to wood-destroying microorganisms increases.
  • the protruding fibers are then mechanically torn off, whereby the flooring has optically clear damage that leads to increased and accelerated wear. Furthermore, this behavior has a crucial importance in building materials.
  • swelling in addition to increased stress, an increased internal swelling pressure can arise, which counteracts the external mechanical load and also has an influence on the load capacity of the standing under continuous load wood construction.
  • Wood generally has as builders mainly cellulose, hemicelluloses and lignin. In the cell wall polymers free hydroxyl groups are found, which can make strong hydrogen bonds with water molecules, which hold the water molecules in the cells and thereby induce swelling.
  • Wood fibers are hydrophobized with wax dispersions for the production of modified wood materials. As a result, the thickness swelling and the water absorption rate of the wood materials produced with it should be delayed.
  • a reduction of the swellable fractions in the corresponding wood products is also a known strategy.
  • the DE 102 008 056 650 A1 proposed to wood fibers with wood extraneous components such as glass, metal, ceramic and / or plastics to produce wood-based materials.
  • non-swelling shares a delayed thickness swelling of the wood panels to be achieved.
  • the EP 1 762 671 B1 describes a building board, which has a reduced swelling and shrinkage behavior and on which a waterproof final layer of polyurethane, plastic or paint or mixtures thereof is applied.
  • the EP 2 181 818 A2 describes a process for the production of wood fiber materials and wood fiber materials from wood fibers, which are obtained after plasticization of wood and which should have a reduced emission of volatile organic compounds (VOC).
  • the wood fiber materials are prepared so that the uncut and / or comminuted wood is contacted with a formulation containing at least one compound to establish a neutral to basic pH and at least one complexing agent.
  • the EP 0 139 530 A3 describes a process for the preparation of lignocellulose-containing composites, films and the like with a di- or polyisocyanate based on a binder system in which a mineral acid is used.
  • a mineral acid HNO 3 , HCl, H 2 SO 4
  • PMDI gluing agent
  • the known methods have in common that a delay of the swelling is achieved by the coating and chemical modification. This is presumably due to the fact that a shielding, occupation or substitution of the free hydroxyl groups of the cell wall polymers is carried out and the hygroscopicity is lowered. In this way, presumably the interaction between water molecules and free hydroxyl groups of the cell wall polymers is reduced, thereby achieving a reduction in the swelling rate.
  • a disadvantage of the measures described above is that this only a delay of the absorption of water is achieved.
  • the chemical modification described above increases the weight of the wood material, which can be detrimental to processing and suitability as a building material.
  • the WO 2008/028183 A1 describes a process for producing a medium density fiberboard (MDF) wherein lignocellulosic fibers are pretreated with oxalic acid or oxalic acid derivatives prior to the refining step in a type of digester.
  • MDF medium density fiberboard
  • the DE 697 10 748 T2 describes in Example 2 a process for producing an MDF board in which wood chips are treated with dilute sulfuric acid for 6 minutes at a temperature of 184 ° C and a pressure of 10 bar.
  • a disadvantage of the treatment in Vorkocher is that due to the prevailing heat, the pressure and the high degree of dissociation of the acid, the wood fibers can be severely damaged. Under these hydrolysis conditions, the cellulose contained in the wood can easily be broken down. Not only can this result in a reduction in the quality of the fiber in general, but also the structure of the fiber can be so severely damaged that the fiber material can no longer be suitable for producing a fiberboard.
  • the invention has for its object to provide an effective, cost-effective method, with the source-reduced wood materials, especially a reduced source fiber board, standard processes used in the wood industry without increased time and cost can be produced.
  • the Er may be applied to a method for producing a reduced-source fiberboard by gluing lignocellulosic material, wherein the lignocellulosic material is treated prior to gluing with an acid, wherein the treatment is carried out at a temperature of 70 to 200 ° C and a pressure of 1 to 12 bar and wherein the acid is a Brönsted acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and mixtures thereof, and wherein the acid is an acid having a pKa of less than 4.
  • the inventive method for producing a reduced-source fiberboard provides that the lignocellulosic material is treated prior to gluing with an acid, wherein the treatment is carried out at a temperature of 70 to 200 ° C and a pressure of 1 to 12 bar.
  • the acid according to the invention is in particular a Bronsted acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and phosphonic acid.
  • the swelling capacity of fiberboard can be reduced in a particularly simple and cost-effective manner if the lignocellulose-containing material before gluing under the said pressure and temperature conditions with one of these acids and / or a mixture of the acid and its salts, esters or adducts (hereinafter "acid treatment").
  • acid treatment a mixture of the acid and its salts, esters or adducts
  • the addition of the acid to the precooker or digester takes place.
  • Particularly preferred is an addition before the refiner, in particular between the digester and refiner.
  • the addition of the acid may be e.g. in a feed or discharge screw that conveys the lignocellulosic material from the precooker / digester to the refiner.
  • water is partially or completely squeezed or removed between the digester and refiner steps.
  • the acid treatment is carried out on such a pressed or dehydrated lignocellulose-containing material.
  • Such a mixture of pressed lignocellulose-containing material and acid can then be fed to the refiner.
  • reducing the swelling capacity is believed to be due to elimination of the free-standing hydroxyl groups of the cell wall polymers mediated by the acid treatment, resulting in less interaction with the water molecules and resulting in hydrophobization of the material.
  • the acid treatment can be integrated in a simple manner into the usual processes in the wood industry for the production of fiberboard, i. Complex intermediate steps (e.g., drying) or process interruptions are not required.
  • acids used according to the invention for example phosphoric acid
  • the acids used according to the invention are available inexpensively and readily available.
  • Lignocellulosic material By “lignocellulosic material” is meant any type of material containing lignocellulose.
  • Lignocellulose according to the invention contains cellulose and / or hemicellulose and lignin.
  • Cellulose is an unbranched polysaccharide consisting of several hundred to ten thousand cellobiose units. These cellobiose units, in turn, consist of two molecules of glucose linked by a ⁇ -1,4-glucosidic bond.
  • Hemicellulose is a collective name for various components of plant cell walls.
  • the hemicelluloses are branched polysaccharides with a lower chain length - usually less than 500 sugar units - which are composed of different sugar monomers.
  • Hemicellulose is composed essentially of various sugar monomers such as glucose, xylose, arabinose, galactose and mannose, which sugars may have acetyl and methyl substituted groups. They have a random, amorphous structure and are readily hydrolyzable.
  • Xylose or arabinose consist for the most part Part of sugar monomers with five carbon atoms (pentoses).
  • Mannose or galactose consist mainly of sugar monomers with six carbon atoms (hexoses).
  • Ligans are amorphous, irregularly branched aromatic macromolecules, which occur in nature as part of cell walls and there cause the lignification (lignification) of the cell. They are composed of substituted phenylpropanol units, have a lipophilic character and are insoluble in room temperature in neutral solvents such as water. Precursors of lignin are, for example, p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol and sinapyl alcohol. The molecular weights of lignin are usually between 10,000 and 20,000 g / mol.
  • the lignocellulosic material may be in a frayed and / or unscreened state.
  • the lignocellulose-containing material is first added in undefiberated state (for example as wood chips) and then undergoes a defibering and / or comminution (for example in the refiner) in the course of the process.
  • undefiberated state for example as wood chips
  • defibering and / or comminution for example in the refiner
  • the treatment of the lignocellulosic material may be in both defibred, partially defibred, and / or uncorrugated state.
  • the acid treatment is preferably carried out on a lignocellulose-containing material which has a water content of from 30 to 400% by weight, in particular from 40 to 200% by weight, in particular from 50 to 150, based on the total weight of the lignocellulose-containing material.
  • lignocellulose-containing material which can be used according to the invention are wood particles, for example any form of finely divided wood material, ie in particular wood chips, wood chips, OSB strands, wood fibers and / or wood flour.
  • wood particles for example any form of finely divided wood material, ie in particular wood chips, wood chips, OSB strands, wood fibers and / or wood flour.
  • the wood particles especially if they are chips, fibers or strands, substantially or completely native wood.
  • substantially herein is meant up to 80, 85, 90, 95, 98, or 99 weight percent, based on the total weight of the lignocellulosic material. Chips, fibers and / or strands of native wood have proved to be particularly suitable.
  • the lignocellulosic material may be selected from the group consisting of finely divided wood material, wood fibers, wood shavings, and wood chips.
  • wood material is understood to mean a wide variety of materials that consist of wood or contain wood, examples of wood materials are wood boards, laminates, floor coverings, worktops, table tops, pallets and / or wood shaped parts, in particular composite materials of individual wood particles may be any of cellulose products such as wood particles, especially wood shavings, finely divided wood material, wood strands, wood fibers, wood chips and / or wood veneers.Wood materials disclosed herein are particularly those based on solid wood, veneer materials, chipboard, fiber materials, fiberboard or other composites.
  • the process disclosed herein is particularly well suited for the production of pressed wood materials, in particular for the production of fiberboard.
  • a fiberboard is for example a UDF, LDF, MDF, or HDF board into consideration.
  • the fiberboard, or the preliminary or intermediate product of the fiberboard consists essentially of lignocellulose-containing material.
  • essential here means up to 80, 85, 90, 95, 98 or 99 wt .-%, based on the Total weight of the wood material.
  • the fiberboard, or the precursor or intermediate contains further additives.
  • the lignocellulosic material which is treated with acid in the process of the present invention may be different.
  • the fiberboard can be produced, for example, by comminuting cellulose-containing materials and then joining the structural elements together.
  • the precursor or intermediate can be selected, for example, from the lignocellulose-containing starting material and / or the structural elements obtained by comminution, such as, for example, the wood particles, wood chips, wood strands, wood chips, wood fibers or wood veneers.
  • source-reduced fiberboard can be produced.
  • reduced swelling is meant a reduction in swelling compared to the untreated material.
  • swelling is meant the consequences of the contact of the wood fibers with water or water vapor. In particular, a wet swelling and / or a wet expansion can occur due to the contact with water. Swelling is understood to mean swelling capacity or thickness swelling.
  • the swelling capacity can be determined according to European standard EN 317 “Particleboard and fiberboard”.
  • Thickness swelling can be determined “after water storage” or ISO 24336 "Laminate floor coverings. Determination of thickness swelling after partial immersion in water”.
  • a reduction of the swelling by at least 10%, based on the untreated material is achieved by the inventive method.
  • the swelling can be determined according to EN 317 or ISO 24336.
  • the content of the acid is 0.1 to 15% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, in particular 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 or 12% by weight, based on the dry matter (atro) of the lignocellulose-containing material.
  • the acid may be used in admixture with one of its salts, esters or adducts.
  • the term "acid” includes Bronsted acids and / or Lewis acids. Examples of usable Brönsted acids described herein are, for example, mineral acids. Acids which can be used according to the invention preferably have a pK s value of less than 4, preferably less than 3.5, 3, 2.75, 2.5, 2.3 or 2. The acid can be used alone or in combination with one of its salts, esters or adducts.
  • the Brönsted acids may be selected, for example, from the group consisting of phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphonic acid, sulfuric acid, sulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, sulfosuccinic acid, methylsulfonic acid, methylphosphonic acid and ethylphosphonic acid or mixtures thereof.
  • the acid is selected from phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and phosphonic acid and mixtures thereof. Particular preference is given to using phosphoric acid, in particular ortho- phosphoric acid.
  • a treatment with a mixture of phosphoric acid and a salt of phosphoric acid has proved to be advantageous.
  • the salts may, for example, be alkali salts, alkaline earth salts and / or ammonium salts.
  • phosphoric acid phosphorous acid, hypophosphorous acid or mixtures thereof are used. Practical experiments have shown that this can reduce the risk of strongly acidic reactions with the lignocellulose-containing material and the concomitant reduction in quality of the lignocellulose-containing fiber or of the end product.
  • Another advantage lies that the phosphoric acid is less corrosive, so that the process equipment is less stressed.
  • Phosphoric acids in the context of this invention are those which have a free HO-P group.
  • Examples of phosphoric acids which can be used according to the invention are orthophosphoric acid, phosphonic acid and / or phosphinic acid.
  • phosphoric acid is especially ortho- phosphoric acid into consideration.
  • the phosphoric acid can be used as a 10 to 85 wt .-% solution in water. If the treatment with phosphoric acid is carried out in the refiner, it is preferable to use a 50 to 85% strength by weight solution in water, in particular a 70 to 85% strength by weight solution in water.
  • salts of ortho- phosphoric acid in particular phosphates, hydrogen phosphates and / or dihydrogen phosphates are meant.
  • the salts of phosphoric acid may be, for example, their alkali salts, alkaline earth salts and / or ammonium salts or compounds. Salts of phosphoric acid which can be used according to the invention are also phosphonates and / or phosphinates.
  • Alkyl esters are particularly suitable as the phosphoric acid esters, the alkyl chain length preferably being 1 to 12 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms and very particularly preferably 1 to 3 carbon atoms.
  • the adducts of phosphoric acid may be, for example, di-, tri- or meta-phosphates.
  • Lewis acids described herein are, for example, boron trifluoride, boron chloride, aluminum trichloride, iron (III) chloride and / or zinc chloride.
  • the addition of the acid can be done at any point in the process prior to gluing or gluing.
  • a treatment in the preheater and / or in the digester has proved to be advantageous.
  • the treatment may take place under elevated pressure (with respect to atmospheric pressure) and / or under elevated temperature (with respect to room temperature).
  • the treatment normally takes place under normal pressure and / or at a temperature of up to 100 ° C.
  • a further embodiment according to the invention provides that the treatment takes place after the digester, in particular in the intermediate stage after the digester and before the refiner or in the refiner.
  • the treatment is carried out at a temperature of 70 to 200 ° C, in particular 160 to 200 ° C. In one embodiment, the treatment may be carried out at a temperature of 120 to 180 ° C. According to the invention, the treatment is carried out at a pressure of 1 to 12 bar, in particular 2 to 10 bar. In one embodiment, the treatment may be carried out at a pressure of 6 to 9 bar.
  • the duration of the treatment may be 0.01 to 15 minutes, especially 0.3 to 5 minutes.
  • the acid is added before and / or during the crushing process in the refiner.
  • the treatment of the lignocellulosic material with the acid in a conventional refiner in the industry is usually carried out at a process temperature of 160 to 200 ° C and / or a pressure of 2 to 10 bar, in particular from 5 to 9 bar.
  • Refiner is understood to mean the machine used in the wood industry, which is used for comminution, in particular for grinding of fibers.
  • suitable refiners are disc refiners, cone refiners or cylindrical refiners. Refiner are for example in the “ Taschenbuch der Holztechnik ", Wagen1.2 / Scholz, 2nd ed. 2012, p. 235 ff , described.
  • In the refiner wood particles are treated at a process temperature of 70 to 200 ° C, in particular at 120 to 180 ° C, and / or a pressure between 1 to 10 bar, in particular at 5 to 9 bar.
  • treating is meant the processing or contacting of the lignocellulosic material (or a precursor or intermediate thereof) with the acid under the conditions described.
  • the lignocellulosic material may be present in the treatment in un-fibered, shredded and / or partially defibred state.
  • the acid is added after the precooker or digester.
  • this addition of acid takes place before the refiner, more preferably the acid is added to the still hot, lignocellulosic material that has leaked from the digester.
  • This is particularly practical in a feed or discharge screw, which conveys the lignocellulosic material from the pre-cooker or digester to the refiner.
  • the acid may be added according to another embodiment in the refiner and / or between the digester and refiner.
  • cooker is understood to mean the machine commonly used in the wood industry, which is used to soften the wood chips under the effect of temperature and excess water.
  • the common wood chips preparation for MDF production by means of a cooker and subsequent refining step is described, for example, in US Pat. Holzwerkstoffe ", Soiné, DRW-Verlag 1995, chapter 1.2.2.6 s.
  • the greater the surface area of the lignocellulose-containing material to be treated i.e., the precursor or intermediate product of the wood material
  • the surface is known to increase with decreasing particle size.
  • a higher reaction rate is achieved if the lignocellulose-containing material to be treated has a small particle size.
  • the material to be treated is brought into contact with the acid with simultaneous comminution.
  • the acid treatment takes place during the comminution of the lignocellulose-containing material (for example in the refiner).
  • the lignocellulosic material undergoes the swelling-reducing treatment, a swelling reduction is ensured down to the core of the entire wood material with low cost and process complexity and within the running of the process chain.
  • the reaction of the acid, in particular the phosphoric acid, with the surface of the lignocellulosic material may begin with the introduction of the acid in the preheater or the digester or only between the digester and the refiner and in the refiner. Due to the thermomechanical conditions in the refiner, the distribution and / or the reaction is further accelerated. By discharging water in the dryer and / or the further thermally induced drying of the nonwoven fabric during plate formation in the press, the reaction can also be driven forward become. The final reaction is often complete only after the finished plate has cooled in the warehouse.
  • Another advantage of the method according to the invention is that the diffusion process takes place here within a few minutes.
  • a further advantage is the short treatment time in Voriserrmbetude, Vorkocher and / or refiner or in between. This is generally not longer than 15 minutes, preferably 0.01 to 10 minutes, particularly preferably 0.1 to 5 minutes, in particular 0.3 to 2 minutes.
  • the inventive method is compatible with current production processes of the wood industry. It can be used within an ongoing production without significantly changing the productivity of the equipment used.
  • step a) the lignocellulosic material to be processed is preheated to the desired temperature.
  • the lignocellulose-containing material is digested in the digester under elevated pressure and at elevated temperature.
  • steps a) and / or b) take place using an excess of water.
  • the proportion of water in the mixture of water and the lignocellulose-containing material in step a) and / or b) can be from 100 to 400% by weight, in particular from 150 to 300% by weight, based on the total weight of the lignocellulose-containing material.
  • the addition of the acid may occur in step a) and / or b). Due to the increased water content in step a) and / or b), the added acid is diluted again. This may be advantageous because, according to Ostwald's law of dilution, the degree of proteolysis increases with increasing dilution. This allows a particularly effective use of the acid used.
  • the reaction of the acid is further enhanced by the increased surface area of the fiberized lignocellulosic material and / or the elevated temperature and consequent pore opening of the fibers.
  • step a) and / or b) can be problematic since exact dosing is difficult due to the considerable and sometimes fluctuating dilution. It can easily happen that either too little acid is added or too much, which then causes the reaction of the acid with the lignocellulose-containing material to proceed so strongly that it suffers from the quality of the lignocellulose-containing material and thus also the quality of the end product. Due to the dilution effect of the water present, it may also happen that not enough acid penetrates into the lignocellulosic material, which is why in turn the treatment time in step a) and / or b) must be extended.
  • step c the lignocellulosic material is fed to the refiner (step c)).
  • This phase between the digester and the refiner is referred to herein as "intermediate step bc)". It has proven to be particularly practical if the acid treatment takes place in this intermediate step bc).
  • Step bc) involves the transfer of the lignocellulosic material from the digester to the refiner, but may also include other processes, in particular intermediate storage or further processing of the lignocellulose-containing material.
  • the defibrated lignocellulose-containing material obtained from step b) becomes the refiner used in step c) by means of a feed or discharge screw fed.
  • the still hot lignocellulosic material is carried out of the digester and transported in the direction of refiner. Since the previous step a) and / or b) has an increased water content, which is not desired in the following process steps, the water from the lignocellulose-containing material is usually at least partially pressed or removed in the intermediate transport step bc).
  • the lignocellulosic material After pressing, the lignocellulosic material typically has a water content of from 50 to 200% by weight, in particular from 75 to 150% by weight, based on the total weight of the lignocellulose-containing material.
  • the acid treatment is carried out after such pressing or removal of the water, which takes place after removal from the digester.
  • the lignocellulosic material still has an elevated temperature during transport from the precooker to the refiner. This has a positive effect on the acid treatment.
  • the addition of the acid is particularly preferably carried out in intermediate step bc).
  • the addition of the acid in intermediate step bc) can be carried out by initially squeezing or removing water completely or partially and then adding the acid.
  • the acid may be added after or during at least partial squeezing or removal of the water from the lignocellulosic material.
  • the treatment time with the acid in intermediate step bc) can be 0.1 seconds to 2 minutes, preferably from 0.5 seconds to 1 minute and particularly preferably from 1 second to 30 seconds.
  • the disadvantages, as they exist in the addition in step a) and / or b) can be largely avoided by the acid addition in intermediate step bc).
  • the acid is not diluted so much, which also ensures better dosage and the risk Uncontrolled reactions can be reduced.
  • the treatment time can be reduced, which can have a positive effect on the production costs.
  • the lignocellulosic material has an increased surface area and elevated temperature such that the pores of the lignocellulosic material are at least partially opened or widened, allowing the acid to more easily diffuse into the lignocellulosic material.
  • step bc) the acid is added in intermediate step bc) or step c) and thus can remain in the lignocellulose-containing material in the further process. If the acid is added in step a) and / or b), the acid is at least partially removed by the removal or removal of the water in step c) and can then no longer be available for the reaction.
  • the acid used is a Bronsted acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid phosphonic acid and mixtures thereof in intermediate step bc) and / or step c).
  • the acid can be used in an amount of from 0.1 to 10% by weight, based on the lignocellulose-containing material (atro).
  • Phosphoric acid is particularly preferred according to the invention as the acid.
  • the phosphoric acid can be added in admixture with one of its salts, esters or adducts in intermediate step bc) and / or step c).
  • the lignocellulose-containing material (refiner) is comminuted.
  • the acid is before and / or during the crushing process added in the refiner.
  • the treatment of the lignocellulosic material with the acid in a conventional refiner in the industry is usually carried out at a process temperature of 160 to 200 ° C and / or a pressure of 2 to 10 bar, in particular from 5 to 9 bar. These conditions allow for rapid diffusion of the acid molecules into the core of the lignocellulosic material.
  • the acid treatment can be done in each step before gluing or gluing.
  • the treatment preferably takes place in at least one of the steps a), b), bc) and / or c).
  • the acid treatment may also be carried out before or after at least one of steps a), b), c) and d). Examples of this are the feeding of the acid in feed or Austragsschnecken which carry the lignocellulosic material.
  • the acid may be added directly to the preheater, precooker and / or refiner. Most preferably, the addition of the acid is between steps b) and c), i. in intermediate step bc), and / or during step c). In a preferred embodiment, the acid is added in step bc).
  • the acid used is a Bronsted acid which is selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and phosphonic acid and mixtures thereof.
  • the acid can be used in an amount of from 0.1 to 10% by weight, based on the lignocellulose-containing material (atro).
  • Phosphoric acid is particularly preferred according to the invention as the acid.
  • the phosphoric acid may be added in admixture with one of its salts, esters or adducts.
  • step e) the lignocellulose-containing material is glued with a binder.
  • Suitable binders are in particular a melamine and / or urea resin.
  • gluing it can be understood as wholly or partially wetting with a composition that contains a binder.
  • Such compositions are also referred to by the person skilled in the art as “glue liquor”.
  • Gluing can in particular also mean the uniform distribution of the binder-containing composition on the wood particles.
  • the application of the binder-containing composition can be carried out, for example, by impregnation or spraying, in particular in a blowline.
  • a blow-line connects to the refiner.
  • surface-modifying agents which neutralize the surface and / or encapsulate the fiber can optionally also be sprayed on in the blowline.
  • the amount of the binder used in the gluing or gluing is preferably 0.1 to 20 wt .-%, in particular 1.0 to 16 wt .-%, more preferably 4.0 to 14.0 wt .-%, based on the Wood dry weight (solid resin / atro). For many applications, it is particularly practical if the binder in an amount of 0.1 to 15 wt .-% based on the dry weight of wood (solid resin / atro) is used.
  • the application of the binder can be carried out, for example, in the blowline known to the person skilled in the art.
  • the method according to the invention is suitable for a multiplicity of binder-wood particle combinations.
  • binders which can be used according to the invention are aminoplasts, phenoplasts, vinyl acetates, isocyanates, epoxy resins and / or acrylic resins.
  • Particularly preferred binders are urea-formaldehyde resin (UF), melamine-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin (PF), polyvinyl acetate and / or white glue.
  • the binder used for the gluing is a system based on urea-formaldehyde resins (UF), melamine-reinforced urea-formaldehyde resins (MUF), melamine-urea-phenol-formaldehyde resins (MUPF), Phenol-formaldehyde resins (PF), polymeric diisocyanates (PMDI) and / or isocyanates used.
  • the binder is an aminoplast resin.
  • the binder used in the process of the invention may further contain hardeners.
  • the curing can also be carried out by pressing the composite material under the action of heat.
  • a drying of the glued mixture containing the lignocellulose-containing material can be carried out between the gluing (step e) and the pressing (step g).
  • step g) the mixture containing the lignocellulose-containing material is finally pressed into a fiberboard.
  • a pressing temperature of at least about 150 ° C.
  • the glued wood particles are pressed in step g) into a wood chip material.
  • a wood chip material Preferably it is in step g) is a hot pressing.
  • the press factor during hot pressing is from 2 to 10 s / mm, preferably from 3 to 6 s / mm.
  • Press factor is understood to mean in particular the residence time of the lignocellulose-containing wood chip material in seconds per millimeter thickness or thickness of the finished pressed lignocellulose-containing wood chip material in the press.
  • Suitable temperatures for the compression in step g) of the process according to the invention or one of its embodiments are temperatures of 150 ° C to 250 ° C, preferably from 160 ° C to 240 ° C, particularly preferably from 180 ° C to 230 ° C. At temperatures in these ranges, the process can be carried out particularly economically.
  • Also described herein is a fiberboard obtainable by the method of the invention or one of its embodiments and by further processing the fiber board available laminate, a floor covering, a worktop, table top or pallet.
  • the wood chips arrive for hydrothermal pretreatment in a preheating, where they are "pre-steamed” together with 1 wt .-% ortho- phosphoric acid (based on the total amount of water and wood chips) at atmospheric pressure at a temperature of up to 100 ° C.
  • the partially plasticized and modified wood chips then pass through the vibration discharge floor and a screw conveyor in the digester.
  • the pitch of the helix decreases continuously, compressing the chips into a relatively pressure-tight plug. With this plug, the seal takes place to the stove.
  • the chips are "cooked” at a vapor pressure between 6 and 10 bar at 140 to 180 ° C.
  • the chips remain about 1 to 6 minutes before being fed by a screw conveyor (discharge screw) and via the feed screw into the refiner and pulverized into fibers at a vapor pressure of 6 to 10 bar.
  • a screw conveyor discharge screw
  • further hydrophobing agents as well as surface-modifying agents which neutralize the surface or encapsulate the fiber can be sprayed on in the blowline adjoining the refiner.
  • the glued fibers now enter the dryer and are dried to the desired residual moisture.
  • the fibers on a circumferential Forming band scattered and the height of the resulting fiber mat is adjusted by calibration rollers (scalper). After precompression, the endless fiber mat is pressed in a continuous hot press at 200 ° C and 30 bar for about 3 minutes to its desired thickness.
  • the wood fiberboard thus obtained has a significantly reduced thickness swelling.
  • the wood chips arrive for hydrothermal pretreatment in a Vorierrm actuallyer, where they are "pre-damped” at atmospheric pressure of a temperature of up to 100 ° C.
  • the partially plasticized and modified woodchips then pass through the vibration discharge floor and / or a screw conveyor in the digester.
  • the pitch of the helix decreases continuously, compressing the chips into a relatively pressure-tight plug. With this plug, the seal takes place to the stove.
  • the chips are "cooked” at a vapor pressure between 6 and 10 bar at 140 to 180 ° C.
  • the chips remain about 1 to 6 minutes before being fed by a screw conveyor (discharge screw) together with ortho- phosphoric acid in an amount of 10% by weight, based on the amount of the wood material, into the refiner and at be pulverized to fibers to a vapor pressure of 6 to 10 bar.
  • a screw conveyor discharge screw
  • ortho- phosphoric acid in an amount of 10% by weight, based on the amount of the wood material
  • further hydrophobing agents as well as surface-modifying agents which neutralize the surface or encapsulate the fiber can be sprayed on in the blowline adjoining the refiner.
  • the glued fibers now enter the dryer and are dried to the desired residual moisture.
  • the fibers are scattered on a rotating forming belt and the height of the resulting fiber mat is adjusted by calibration rollers (scalper). After precompression, the endless fiber mat is pressed in a continuous hot press at 200 ° C and 30 bar for about 3 minutes to its desired thickness.
  • the wood fiberboard thus obtained has a significantly reduced thickness swelling.
  • the wood fibers were subjected to a pulping process. For this wood chips were cooked in a pre-cooker. The wood fibers were fed from the precooker to the refiner by means of a discharge screw while pressing off water. Even before the wood fibers reached the refiner, phosphoric acid was added. The wood fibers thus obtained were examined for their swelling properties. For this purpose, in a beaker, wood fibers, both the reference fibers (0% phosphoric acid) and those treated with phosphoric acid, were weighed (weighed, EW) and covered with water so that they were completely covered. The proportion of phosphoric acid is given in Table 1 as wt .-% phosphoric acid based on the total weight of wood fibers (atro).
  • the swelling was calculated as follows: WAV REFERENCE - WAV sample * 100 / WAV REFERENCE

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte.
  • Holzwerkstoffe finden beispielsweise im Bauwesen als isolierendes, konstruktives oder verkleidendes Element sowie als Bodenbelag Verwendung.
  • Bei der Herstellung von Holzwerkstoffen kann eine hohe stoffliche Verwertung des Holzes sichergestellt werden. So findet neben Waldholz, Restholz aus der Industrie und Gebrauchtholz seinen Einsatz. Holzwerkstoffe werden aus Holzspänen, Holzschnitzeln oder Holzfasern sowie aus Schnittholz oder Furnieren verschiedener Holzarten unter Hinzufügung natürlicher und/oder synthetischer Bindemittel sowie weiterer Additive hergestellt.
  • Die Eigenschaften des Holzes werden bekanntermaßen wesentlich durch die Holzfeuchte bestimmt. Bei zunehmender Wasseraufnahme steigt in der Regel die Holzfeuchte, die Festigkeit und Dimensionsstabilität des Holzes sinken und die Anfälligkeit gegenüber holzzerstörenden Mikroorganismen steigt.
  • Bei der Herstellung von Holzwerkstoffen tritt die Minimierung der natürlichen Nachteile von Holz in den Vordergrund. Die Beständigkeit von Holz gegenüber Wasser ist durch Quellung und Schwindung bestimmt und kann aufgrund dieser Dimensionsänderung zu Problemen bei der Verarbeitung als auch beim täglichen Gebrauch führen.
  • Bei Verwendung im Außenbereich weisen Holzprodukte unter anderem den Nachteil auf, dass durch die Aufnahme von Wasser in die Zellwände eine Quellung des Holzes in alle drei Raumrichtungen erfolgt. Die wiederkehrende Abfolge von Quellung und Schwindung kann bei Massivholz zu Rissbildung sowie bei Holzwerkstoffen wie Span- und Faserplatten zu einer irreversiblen Quellung führen. Die Quellung bei kraftschlüssig verbundenen Holzwerkstoffen, insbesondere bei Bodenbelägen, ist besonders problematisch. Bei Holzwerkstoffen, die senkrecht zueinander verklebte Schichten aufweisen, wird das Holz beim Quellen und Schwinden behindert, so dass Spannungen entstehen können, die zur plastischen Verformungen führen. Durch das Eindringen von Wasser, beispielsweise bei Bodenbelägen, können die kraftschlüssigen Verbindungen zerstört werden, es kann zur Quellung der Schnittkanten kommen. Die vorstehenden Fasern werden dann mechanisch abgerissen, wodurch der Bodenbelag optisch klar erkennbare Schäden aufweist, die zu einem erhöhten und beschleunigten Verschleiß führen. Weiterhin hat dieses Verhalten eine entscheidende Bedeutung bei Baustoffen. Bei Quellung kann neben vermehrter Spannung auch ein erhöhter innerer Quelldruck entstehen, welcher der äußeren mechanischen Last entgegenwirkt und auch einen Einfluss auf die Belastbarkeit der unter Dauerbelastung stehenden Holzkonstruktion hat.
  • Holz weist im Allgemeinen als Gerüstsubstanzen hauptsächlich Cellulose, Hemicellulosen und Lignin auf. In den Zellwandpolymeren sind freie Hydroxylgruppen zu finden, die mit Wassermolekülen starke Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können, die die Wassermoleküle in den Zellen festhalten und dadurch Quellung herbeiführen.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungsverfahren und weitere chemische Methoden zur Modifikation von Holz oder Holzoberflächen zur Verminderung des Eindringens von Wasser bekannt.
  • In "Chemical Modification of Wood"(S. 419-430, "Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources", 1. Auflage, 2008) beschreiben Belgacem und Gandini unterschiedliche chemische Behandlungsmethoden von Holz zur Verbesserung des Widerstands gegen atmosphärischen und biologischen Abbau sowie zur Erzielung einer geringeren Benetzbarkeit. Hierin werden Holzoberflächen mit Plasma, Isocyanaten, Siloxanen und Furfurylalkohol behandelt sowie die freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere des Holzmaterials werden durch Verestern mit beispielsweise Octanylchlorid oder Verethern mit beispielsweise Glycidylmethacrylat substituiert. Dadurch soll die Eigenschaft des Holzes, Wasser aufzunehmen bzw. abzugeben, eingeschränkt werden.
  • In der EP 2 032 323 B1 werden zur Herstellung von modifizierten Holzwerkstoffen Holzfasern mit Wachsdispersionen hydrophobisiert. Hierdurch soll die Dickenquellungs- und die Wasseraufnahmegeschwindigkeit der damit hergestellten Holzwerkstoffe verzögert werden.
  • Auch eine Reduzierung der quellbaren Anteile in den entsprechenden Holzprodukten ist eine bekannte Strategie. Diesbezüglich wird in der DE 102 008 056 650 A1 vorgeschlagen, Holzfasern mit holzfremden Bestandsteilen wie Glas, Metall, Keramik und/oder Kunststoffen zu Holzwerkstoffen zu verpressen. Durch diesen Zusatz nicht quellender Anteile soll eine verzögerte Dickenquellung der Holzplatten erreicht werden.
  • Die EP 1 762 671 B1 beschreibt eine Bauplatte, die ein vermindertes Quell- und Schwindverhalten aufweist und auf die eine wasserfeste Abschlussschicht aus Polyurethan, Kunststoff oder Lack oder aus Mischungen daraus aufgebracht ist.
  • Die EP 2 181 818 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Holzfaserwerkstoffen sowie Holzfaserwerkstoffe aus Holzfasern, welche nach Plastifizierung von Holz gewonnen werden und die eine verringerte Emission an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) aufweisen sollen. Die Holzfaserwerkstoffen werden so hergestellt, dass das unzerkleinerte und/oder das zerkleinerte Holz mit einer Formulierung, die mindestens eine Verbindung zur Einstellung eines neutralen bis basischen pH-Wertes und mindestens einen Komplexbildner enthält, kontaktiert wird.
  • Die EP 0 139 530 A3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von lignocellulosehaltigen Verbundkörpern, Folien und dergleichen mit einem Di- oder Polyisocyanat auf Basis eines Bindemittelsystems, bei dem eine Mineralsäure verwendet wird. Hierzu wird in einer Mischtrommel trockenes, feinteiliges Holzmaterial zuerst mit einer Mineralsäure (HNO3, HCl, H2SO4) und dann mit einem Beleimungsmittel (PMDI) besprüht und schließlich zu einem Holzwerkstoff verpresst.
  • Die bekannten Verfahren haben gemein, dass durch die Beschichtung und chemische Modifikation eine Verzögerung der Quellung erreicht wird. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass eine Abschirmung, Besetzung bzw. Substitution der freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere vorgenommen und die Hygroskopizität gesenkt wird. Auf diese Weise wird vermutlich die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere verringert und dadurch eine Verminderung der Quellgeschwindigkeit erzielt.
  • Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Maßnahmen ist, dass dadurch nur eine Verzögerung der Aufnahme von Wasser erreicht wird. Zudem wird durch die oben beschriebene chemische Modifikation das Gewicht des Holzmaterials erhöht, was nachteilig bei der Verarbeitung und Eignung als Baumaterial sein kann.
  • Dem Fachmann sind unterschiedliche Einbringverfahren für Holzschutzmittel bekannt. Hierzu gehören das Streichen, Spritzen, Tauchen und die Trogtränkung. Der Einsatz dieser Verfahren ist abhängig von Inhaltsstoffen, Anwendungsort und der späteren Verwendung. Nachteilig bei den bekannten Verfahren sind entweder eine geringe Eindringtiefe oder ein erhöhter Arbeitsaufwand und lange Wartezeiten bis zur Weiterverarbeitung. So können die Arbeitsschritte des Streichens, Spritzens oder Tauchens zwar eine kurze Zeitspanne erfordern, jedoch ist die geringe Eindringtiefe nachteilig. Bei der Trogtränkung und Kesseldruckimprägnierung (Tränkung des Holzes durch abwechselnden Unter- und Überdruck) können zwar tiefere Eindringtiefen erreicht werden, jedoch müssen in beiden Fällen weitere aufwendige Arbeitsschritte in den Herstellungsprozess integriert werden. Somit sind die Verfahren entweder aufwendig, kostenintensiv und/oder können gegebenenfalls nicht ohne weiteres in den in der Holzindustrie gebräuchlichen Verfahrensprozess ohne Erhöhung des Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwands integriert werden.
  • Die WO 2008/028183 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer mitteldichten Faserplatte (MDF), wobei lignocellulosehaltige Fasern mit Oxalsäure oder Oxsalsäurederivaten vor dem Refinerschritt in einer Art Kocher vorbehandelt werden.
  • Die DE 697 10 748 T2 beschreibt in Beispiel 2 ein Verfahren zur Herstellung einer MDF-Platte, bei welchem Holzspäne mit verdünnter Schwefelsäure für 6 Minuten bei einer Temperatur von 184 °C und einem Druck von 10 bar behandelt werden.
  • Nachteilig an der Behandlung im Vorkocher ist, dass durch die dort herrschende Hitze, den Druck und den hohen Dissoziationsgrad der Säure die Holzfasern stark geschädigt werden können. Unter diesen Hydrolysebedingungen kann die im Holz enthaltene Cellulose leicht abgebaut werden. Hierdurch kann es nicht nur zu einer Herabsetzung der Qualität der Faser im Allgemeinen kommen, sondern auch die Struktur der Faser kann derart stark beschädigt werden, dass das Fasermaterial nicht mehr zur Herstellung einer Faserplatte geeignet sein kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives, kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, mit dem quellreduzierte Holzwerkstoffe, insbesondere eine quellreduzierte Faserplatte, in der Holzindustrie gebräuchlichen Standardprozessen ohne erhöhten Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserplatte nach Anspruch 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfidnung betriffte ein Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte durch Verleimen von lignocellulosehaltigem Material, wobei das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen mit einer Säure behandelt wird, wobei die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200 °C und einem Druck von 1 bis 12 bar erfolgt und wobei die Säure eine Brönsted-Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure und deren Mischungen ist, und wobei die Säure eine Säure mit einem pKs-Wert kleiner 4 ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte sieht vor, dass das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen mit einer Säure behandelt wird, wobei die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200 °C und einem Druck von 1 bis 12 bar erfolgt. Die Säure ist erfindungsgemäß dabei insbesondere eine Brönstedsäure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure und Phosphonsäure.
  • Überraschend wurde gefunden, dass das Quellvermögen von Faserplatten auf besonders einfache und kostengünstige Weise verringert werden kann, wenn das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen unter den genannten Druck- und Temperaturbedingungen mit einer dieser Säuren und/oder einer Mischung aus der Säure und ihrer Salze, Ester oder Addukte behandelt wird (nachfolgend "Säurebehandlung"). Die Zugabe der Säure kann zu jedem Zeitpunkt vor dem Verleimen erfolgen.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Zugabe der Säure nach dem Vorkocher oder Kocher erfolgt. Besonders bevorzugt ist eine Zugabe vor dem Refiner, insbesondere zwischen Kocher und Refiner. Die Zugabe der Säure kann dabei z.B. in einer Ein- oder Austragsschnecke, die das lignocellulosehaltige Material aus dem Vorkocher/Kocher zum Refiner befördert, erfolgen. Üblicherweise wird zwischen dem Kocher- und Refiner-Schritt Wasser teilweise oder vollständig abgepresst bzw. entfernt. Vorzugsweise wird die Säurebehandlung an einem derart abgepressten oder entwässerten lignocellulosehaltigen Material vorgenommen. Eine derartige Mischung aus abgepresstem lignocellulosehaltigem Material und Säure kann anschließend dem Refiner zugeführt werden.
  • Ohne sich auf eine bestimmte wissenschaftliche Theorie festlegen zu wollen, ist für die Verringerung des Quellvermögens vermutlich die durch die Säurebehandlung vermittelte Elimination der freistehenden Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere verantwortlich, was zu einer geringeren Interaktion mit den Wassermolekülen führt und in einer Hydrophobierung des Materials resultiert.
  • Vorteilhaft ist, dass sich die Säurebehandlung auf einfache Weise in die in der Holzindustrie üblichen Verfahren zur Herstellung von Faserplatten integrieren lässt, d.h. aufwändige Zwischenschritte (z.B. Trocknungen) oder Verfahrensunterbrechungen sind nicht erforderlich.
  • Vorteilhaft ist ferner, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Säuren (z.B. Phosphorsäure) kostengünstig erhältlich und leicht verfügbar sind.
  • Lignocellulosehaltiges Material:
    Unter "lignocellulosehaltigem Material" wird jede Art von Material verstanden, das Lignocellulose enthält.
  • Lignocellulose im Sinne der Erfindung enthält Cellulose und/oder Hemicellulose sowie Lignin.
  • "Cellulose" ist ein unverzweigtes Polysaccharid, das aus mehreren hundert bis zehntausend Cellobiose-Einheiten besteht. Diese Cellobiose-Einheiten bestehen wiederum aus zwei Molekülen Glucose, die über eine β-1,4-glykosidische Bindung verknüpft sind.
  • "Hemicellulose" ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene Bestandteile pflanzlicher Zellwände. Bei den Hemicellulosen handelt sich um verzweigte Polysaccharide mit einer geringeren Kettenlänge - üblicherweise weniger als 500 Zuckereinheiten - welche aus verschiedenen Zucker-Monomeren aufgebaut sind. Hemicellulose ist im Wesentlichen aus verschiedenen Zucker-Monomeren, wie beispielsweise Glucose, Xylose, Arabinose, Galactose und Mannose, aufgebaut, wobei die Zucker Acetyl- sowie Methylsubstituierte Gruppen aufweisen können. Sie besitzen eine zufällige, amorphe Struktur und sind gut hydrolysierbar. Xylose bzw. Arabinose bestehen zum überwiegenden Teil aus Zucker-Monomeren mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentosen). Mannose bzw. Galactose bestehen hauptsächlich aus Zucker-Monomeren mit sechs Kohlenstoffatomen (Hexosen).
  • "Lignine" sind amorphe, unregelmäßig verzweigte aromatische Makromoleküle, welche in der Natur als Bestandteil von Zellwänden vorkommen und dort die Verholzung (Lignifizierung) der Zelle bewirken. Sie sind aus substituierten Phenylpropanol-Einheiten aufgebaut, zeigen einen lipophilen Charakter und sind bei Zimmertemperatur in neutralen Lösemitteln, wie beispielsweise Wasser, unlöslich. Vorläufersubstanzen von Lignin sind beispielsweise p-Coumaryl-Alkohol, Coniferyl-Alkohol und Sinapyl-Alkohol. Die Molmassen von Lignin liegen üblicherweise zwischen 10000 und 20000 g/mol.
  • Das lignocellulosehaltige Material kann in zerfasertem und/oder unzerfasertem Zustand vorliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das lignocellulosehaltige Material zunächst in unzerfasertem Zustand (beispielsweise als Hackschnitzel) zugegeben und erfährt dann im Laufe des Verfahrens eine Zerfaserung und/oder Zerkleinerung (beispielsweise im Refiner). Es ist aber auch möglich, das lignocellulosehaltige Material bereits in zerfasertem Zustand oder in einem Gemisch aus zerfasertem und unzerfasertem Material hinzuzugeben. Die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials kann sowohl in zerfasertem, teilweise zerfasertem und/oder unzerfasertem Zustand erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Säurebehandlung an einem lignocellulosehaltigen Material, welches einen Wassergehalt von 30 bis 400 Gew.-%, insbesondere 40 bis 200 Gew.-%, besonders 50 bis 150 bezogen auf das Gesamtgewicht des lignocellulosehaltigen Materials, aufweist.
  • Ein Beispiel für erfindungsgemäß einsetzbares lignocellulosehaltiges Material sind Holzpartikel, z.B. jede Form von feinteiligem Holzmaterial, d.h. insbesondere Holzspäne, Hackschnitzel, OSB-Strands, Holzfasern und/oder Holzmehl. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Holzpartikel, insbesondere wenn es sich dabei um Späne, Fasern oder Strands handelt, im Wesentlichen oder vollständig natives Holz. Im "Wesentlichen" bedeutet hier bis zu 80, 85, 90, 95, 98 oder 99 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des lignocellulosehaltigen Materials. Als besonders geeignet haben sich Späne, Fasern und/oder Strands aus nativem Holz erwiesen. In einer Ausführungsform kann das lignocellulosehaltige Material ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus feinteiligem Holzmaterial, Holzfasern, Holzspänen und Hackschnitzel.
    • Holzwerkstoff
  • Unter dem Begriff "Holzwerkstoff' werden verschiedenste Werkstoffe verstanden, die aus Holz bestehen oder Holz enthalten. Beispiele für Holzwerkstoffe sind Holzplatten, Laminate, Bodenbeläge, Arbeitsplatten, Tischplatten, Paletten und/oder Holzformteile, insbesondere Verbundwerkstoffe aus einzelnen Holzpartikeln. Solche Holzpartikel bzw. Strukturelemente können jegliche Zerkleinerungsprodukte von Cellulose enthaltenden Materialien sein, wie beispielsweise Holzpartikel, insbesondere Holzspäne, feinteiliges Holzmaterial, Holzstrands, Holzfasern, Hackschnitzel und/oder Holzfurniere. Hierin offenbarte Holzwerkstoffe sind insbesondere solche auf Vollholzbasis, Furnierwerkstoffe, Spanwerkstoffe, Faserwerkstoffe, Faserplatten oder andere Verbundwerkstoffe.
  • Das hierin offenbarte Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von gepressten Holzwerkstoffen, insbesondere zur Herstellung von Faserplatten. Als Faserplatte kommt beispielsweise eine UDF-, LDF-, MDF-, oder HDF-Platte in Betracht.
  • Vorzugsweise besteht die Faserplatte, beziehungsweise das Vor- oder Zwischenprodukt der Faserplatte, im Wesentlichen aus lignocellulosehaltigem Material. Im "Wesentlichen" bedeutet hier bis zu 80, 85, 90, 95, 98 oder 99 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Holzwerkstoffs. Es ist jedoch möglich, dass die Faserplatte, beziehungsweise das Vor- oder Zwischenprodukt, weitere Zusatzstoffe enthält. Je nach Art der Faserplatte kann das lignocellulosehaltige Material, welches im erfindungsgemäßen Verfahren mit Säure behandelt wird, unterschiedlich sein. Die Faserplatte kann beispielsweise durch Zerkleinern von Cellulose enthaltenden Materialien und anschließendes Zusammenfügen der Strukturelemente erzeugt werden. Das Vor- oder Zwischenprodukt kann beispielsweise aus dem lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterial und/oder den durch Zerkleinerung erhaltenen Strukturelementen, wie beispielsweise den Holzpartikeln, Holzspänen, Holzstrands, Hackschnitzeln, Holzfasern oder Holzfurnieren ausgewählt sein.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich quellreduzierte Faserplatten herstellen. Unter "quellreduziert" wird eine Verminderung der Quellung im Vergleich zum unbehandelten Material verstanden. Mit "Quellung" sind die Folgen des Kontakts der Holzfasern mit Wasser bzw. Wasserdampf gemeint. Durch den Kontakt mit Wasser können insbesondere eine Nassquellung und/oder eine Feuchtdehnung eintreten. Unter Quellung wird das Quellvermögen bzw. die Dickenquellung verstanden. Das Quellvermögen kann nach der europäischen Norm EN 317 "Spanplatten und Faserplatten" bestimmt werden. Die Dickenquellung kann "nach Wasserlagerung" bzw. ISO 24336 "Laminate floor coverings. Determination of thickness swelling after partial immersion in water" bestimmt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Quellung um mindestens 10%, bezogen auf das unbehandelte Material, erreicht. Die Quellung kann nach EN 317 bzw. ISO 24336 bestimmt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Gehalt der Säure 0.1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0.1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 oder 12 Gew.-%, bezogen auf die Trockenmasse (atro) des lignocellulosehaltigen Materials. In einer Ausführungsform kann die Säure im Gemisch mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte eingesetzt werden.
    • Säure
  • Der Begriff "Säure" umfasst Brönsted-Säuren und/oder Lewis-Säuren. Hierin beschriebene mäß einsetzbare Brönsted-Säuren sind beispielsweise Mineralsäuren. Erfindungsgemäß einsetzbare Säuren weisen vorzugsweise einen pKs-Wert von kleiner 4, bevorzugt kleiner 3.5, 3, 2.75, 2.5, 2.3 oder 2 auf. Die Säure kann allein oder in Kombination mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte verwendet werden.
  • Die Brönsted-Säuren können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure, Phosphonsäure, Schwefelsäure, Sulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Benzolsul-fonsäure, Sulfobernsteinsäure, Methylsulfonsäure, Methylphosphonsäure und Ethylphosphonsäure oder deren Mischungen. Vorzugsweise ist die Säure ausgewählt aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure und Phosphonsäure sowie deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird Phosphorsäure, insbesondere die ortho-Phosphorsäure, verwendet. Als vorteilhaft hat sich weiterhin eine Behandlung mit einer Mischung aus Phosphorsäure und einem Salz der Phosphorsäure erwiesen. Bei den Salzen kann es sich beispielsweise um Alkalisalze, Erdalkalisalze und/oder Ammoniumsalze handeln.
  • Erfindungsgemäß wird Phosphorsäure, phosphorige Säure, unterphosphorige Säure oder deren Mischungen eingesetzt. Praktische Versuche haben gezeigt, dass hierdurch die Gefahr zu stark saurer Reaktionen mit dem lignocellulosehaltigen Material und damit einhergehender Qualitätsminderung der lignocellulosehaltigen Faser oder des Endprodukts reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Phosphorsäure weniger korrosiv wirkt, sodass die Prozessanlagen weniger stark beansprucht werden.
  • Phosphorsäuren im Sinne dieser Erfindung sind solche, die eine freie HO-P-Gruppe aufweisen. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Phosphorsäuren sind ortho-Phosphorsäure, Phosphonsäure und/oder Phosphinsäure. Als Phosphorsäure kommt insbesondere ortho-Phosphorsäure in Betracht. Die Phosphorsäure kann als 10 bis 85 Gew.-%-ige Lösung in Wasser eingesetzt werden. Wird die Behandlung mit Phosphorsäure im Refiner durchgeführt, wird vorzugsweise eine 50 bis 85 Gew.-%-ige Lösung in Wasser, insbesondere eine 70 bis 85 Gew.-%-ige Lösung in Wasser, eingesetzt. Wenn hier von Salzen der ortho-Phosphorsäure die Rede ist, sind insbesondere Phosphate, Hydrogenphosphate und/oder Dihydrogenphosphate gemeint. Die Salze der Phosphorsäure können beispielsweise ihre Alkalisalze, Erdalkalisalze und/oder Ammoniumsalze oder -verbindungen sein. Erfindungsgemäß einsetzbare Salze der Phosphorsäure sind weiterhin Phosphonate und/oder Phosphinate.
  • Als Phosphorsäureester kommen insbesondere Alkylester in Betracht, wobei die Alkylkettenlänge vorzugsweise 1 bis 12 Kohlenstoffatome, bevorzugt 1 bis 10 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome und ganz besonders bevorzugt 1 bis 3 Kohlenstoffatome beträgt. Bei den Addukten der Phosphorsäure kann es sich beispielsweise um di-, tri- oder meta-Phosphate handeln.
  • Hierin beschriebene Lewis-Säuren sind beispielsweise Bortrifluorid, Bortichlorid, Aluminiumtrichlorid, Eisen(III)chlorid und/oder Zinkchlorid.
  • Die Zugabe der Säure kann an jeder Stelle im Verfahren vor dem Be- oder Verleimen erfolgen. Als vorteilhaft hat sich eine Behandlung im Vorwärmer und/oder im Kocher erwiesen. Die Behandlung kann unter erhöhtem Druck (gegenüber atmosphärischem Druck) und/oder unter erhöhter Temperatur (gegenüber Raumtemperatur) stattfinden. Im Vorwärmer (Vorkocher) findet die Behandlung normalerweise unter Normaldruck und/oder bei einer Temperatur von bis zu 100°C statt.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Behandlung nach dem Kocher erfolgt, insbesondere im Zwischenstadium nach dem Kocher und vor dem Refiner oder im Refiner.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200 °C, insbesondere 160 bis 200 °C. In einer Ausführungsform kann die Behandlung bei einer Temperatur von 120 bis 180 °C erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgt die Behandlung bei einem Druck von 1 bis 12 bar, insbesondere 2 bis 10 bar. In einer Ausführungsform kann die Behandlung bei einem Druck von 6 bis 9 bar erfolgen.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Dauer der Behandlung 0,01 bis 15 Minuten, insbesondere 0,3 bis 5 Minuten, betragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Säure vor und/oder während des Zerkleinerungsvorgangs im Refiner zugegeben. Die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure in einem in der Industrie gebräuchlichen Refiner erfolgt in der Regel bei einer Prozesstemperatur von 160 bis 200 °C und/oder einem Druck von 2 bis 10 bar, insbesondere von 5 bis 9 bar.
  • Unter "Refiner" wird die in der Holzindustrie gebräuchliche Maschine verstanden, welche zur Zerkleinerung, insbesondere zur Zermahlung von Fasern verwendet wird. Beispiele für geeignete Refiner sind Scheibenrefiner, Kegelrefiner oder Zylinderrefiner. Refiner sind beispielsweise im "Taschenbuch der Holztechnik", Wagenführ/Scholz, 2. Aufl. 2012, S. 235 ff. beschrieben. Im Refiner werden Holzpartikel bei einer Prozesstemperatur von 70 bis 200 °C, insbesondere bei 120 bis 180 °C, und/oder einem Druck zwischen 1 bis 10 bar, insbesondere bei 5 bis 9 bar, behandelt.
  • Unter "Behandeln" wird die Verarbeitung oder das In-Kontakt-Bringen des lignocellulosehaltigen Materials (bzw. eines Vor- oder Zwischenprodukts davon) mit der Säure unter den beschriebenen Bedingungen verstanden. Das lignocellulosehaltige Material kann bei der Behandlung in unzerfasertem, zerfasertem und/oder teilweise zerfasertem Zustand vorliegen.
  • Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure im Vorwärmer, Kocher und/oder Refiner erfolgt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Säure nach dem Vorkocher oder Kocher zugesetzt. Vorzugsweise erfolgt diese Säurezugabe noch vor dem Refiner, besonders bevorzugt wird die Säure dem noch heißen, aus dem Kocher ausgetretenen lignocellulosehaltigen Material zugesetzt. Dies erfolgt besonders praxisgerecht in einer Ein- oder Austragsschnecke, die das lignocellulosehaltige Material aus dem Vorkocher oder Kocher zum Refiner befördert. Die Säure kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Refiner und/oder zwischen Kocher und Refiner zugegeben werden.
  • Unter "Kocher" wird die in der Holzindustrie gebräuchliche Maschine verstanden, welche zur Erweichung der Hackschnitzel unter Temperatureinwirkung und Wasserüberschuss verwendet wird. Die geläufige Hackschnitzelaufbereitung für die MDF-Produktion mittels Kocher und anschließendem Refinerschritt wird beispielsweise in "Holzwerkstoffe", Soiné, DRW-Verlag 1995, Kap. 1.2.2.6 beschrieben.
  • Es wird angenommen, dass durch die Behandlung in Gegenwart von Feuchtigkeit, unter erhöhtem Druck, unter erhöhter Temperatur und/oder bei gleichzeitiger Zerkleinerung eine Erweiterung der Faserporen und damit einhergehend eine Vergrößerung der Faseroberfläche eintritt, sodass die erfindungsgemäß eingesetzte Säure leichter in den Faserkern diffundieren kann. Dies gilt analog auch für das lignocellulosehaltige Material, das gerade erst diesen Bedingungen unterzogen wurde, beispielsweise das lignocellulosehaltige Material, das aus dem Vorkocher mittels einer Ein- oder Austragsschnecke zum Refiner transportiert wird. Die Behandlungszeit mit der Säure beträgt in der Regel weniger als 15 Minuten, bevorzugt reichen etwa 2 bis 3 Minuten, um eine ausreichende Diffusion zu ermöglichen.
  • Grundsätzlich ist die Reaktionsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens umso höher, je größer die Oberfläche des zu behandelnden lignocellulosehaltigen Materials (d.h. des Vor- oder Zwischenproduktes des Holzwerkstoffs) ist. Die Oberfläche nimmt bekanntermaßen mit abnehmender Partikelgröße zu. Somit wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit erzielt, wenn das zu behandelnde lignocellulosehaltige Material eine kleine Partikelgröße aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das zu behandelnde Material unter gleichzeitiger Zerkleinerung mit der Säure in Kontakt gebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Säurebehandlung dabei während der Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials (z.B. im Refiner). Dadurch, dass das lignocellulosehaltige Material die quellvermindernde Behandlung erfährt, wird eine Quellverminderung bis in den Kern des gesamten Holzwerkstoffs unter geringem Kosten- und Prozessaufwand und innerhalb der laufenden der Prozesskette sichergestellt.
  • Die Reaktion der Säure, insbesondere der Phosphorsäure, mit der Oberfläche des lignocellulosehaltigen Materials kann mit dem Einbringen der Säure im Vorwärmer bzw. dem Kocher oder erst zwischen dem Kocher und dem Refiner und im Refiner beginnen. Durch die thermomechanischen Verhältnisse im Refiner wird die Verteilung und/oder die Reaktion weiter beschleunigt. Durch das Ausschleusen von Wasser im Trockner und/oder die weitere thermisch induzierte Trocknung des Faservlieses während der Plattenbildung in der Presse kann die Reaktion ebenfalls weiter vorangetrieben werden. Die endgültige Reaktion ist häufig erst nach dem Abkühlen der fertigen Platte im Lager abgeschlossen.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Diffusionsprozess hierbei innerhalb weniger Minuten abläuft. Vorteilhaft ist weiterhin die kurze Behandlungsdauer im Vorwärmbehäter, Vorkocher und/oder Refiner oder dazwischen. Diese beträgt in der Regel nicht länger als 15 Minuten, bevorzugt 0.01 bis 10 Minuten, besonders bevorzugt 0.1 bis 5 Minuten, insbesondere 0.3 bis 2 Minuten. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren mit gängigen Produktionsprozessen der Holzindustrie kompatibel. Es kann innerhalb einer laufenden Produktion ohne signifikante Änderung der Produktivität der genutzten Anlagen verwendet werden.
  • Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Holzverbundwerkstoffen, insbesondere einer Faserplatte, angewendet wird.
  • Grundsätzlich sind dem Fachmann verschiedene Methoden zur Herstellung von Holzwerkstoffen, wie beispielsweise Faserplatten, insbesondere HDF- oder MDF-Platten bekannt. Dadurch kann eine Behandlung mit der Säure problemlos bei einer Vielzahl von Produktionsprozessen, wie beispielsweise bei einem HDF- oder MDF-Standardprozess, vorgenommen werden
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei so ausgestaltet sein, dass es mindestens folgende Schritte umfasst:
    1. a) Anwärmen des lignocellulosehaltigen Materials in einem Vorwärmbehälter;
    2. b) Aufschluss des lignocellulosehaltigen Materials in einem Kocher;
    3. c) Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials in einem Refiner;
    4. d) Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure und/oder einer Mischung aus der Säure und ihrem Salz vor oder in mindestens einem der Schritte a), b) und/oder c); und/oder zwischen den Schritten b) und c);
    5. e) Beleimen des lignocellulosehaltigen Materials mit einem Bindemittel;
    6. f) optional: Trocknen der Mischung enthaltend das lignocellulosehaltige Material;
    7. g) Verpressen der Mischung enthaltend das lignocellulosehaltiges Material zu einem Holzwerkstoff.
    Schritt a)
  • In Schritt a) wird das zu verarbeitende lignocellulosehaltige Material auf die gewünschte Temperatur vorgewärmt.
    • Schritt b)
  • In Schritt b) wird das lignocellulosehaltige Material im Kocher unter erhöhtem Druck und unter erhöhter Temperatur feucht aufgeschlossen. Vorzugsweise wird dabei eine Temperatur von 160 bis 200 °C und/oder ein Druck von 1 bis 12 bar, insbesondere von 1,5 bis 12 bar, 2 bis 10 bar, 3 bis 10 bar oder 5 bis 9 bar, eingestellt.
  • Grundsätzlich finden die Schritte a) und/oder b) unter Verwendung eines Überschusses an Wasser statt. Der Wasseranteil im Gemisch aus Wasser und dem lignocellulosehaltigem Material in Schritt a) und/oder b) kann 100 bis 400 Gew.-%, insbesondere 150 bis 300 Gew.-% Menge, bezogen auf das Gesamtgewicht des lignocellulosehaltigen Materials, betragen.
  • In einer Ausführungsform kann die Zugabe der Säure in Schritt a) und/oder b) erfolgen. Aufgrund des erhöhten Wasseranteils in Schritt a) und/oder b) wird die zugegebene Säure nochmals verdünnt. Dies kann vorteilhaft sein, da nach dem Ostwaldschen Verdünnungsgesetz der Proteolysegrad mit zunehmender Verdünnung zunimmt. Dies erlaubt eine besonders effektive Nutzung der eingesetzten Säure. Die Reaktion der Säure wird zusätzlich durch die vergrößerte Oberfläche des zerfaserten lignocellulosehaltigen Materials und/oder die erhöhte Temperatur und damit häufig einhergehende Porenöffnung der Fasern verstärkt.
  • Während grundsätzlich durch die Zugabe der Säure in Schritt a) und/oder b) die Quelleigenschaften verbessert werden können, haben praktische Versuche gezeigt, dass sich eine derartige Zugabe negativ auf die Querzugfestigkeit auswirken kann.
  • Die Zugabe der Säure in Schritt a) und/oder b) kann problematisch sein, da eine exakte Dosierung aufgrund der erheblichen und teilweise schwankenden Verdünnung schwierig ist. Leicht kann es dazu kommen, dass entweder zu wenig Säure hinzugegeben wird oder zuviel, was dann dazu führt, dass die Reaktion der Säure mit dem lignocellulosehaltigem Material derart stark abläuft, dass darunter die Qualität des lignocellulosehaltigen Materials und damit auch die Qualität des Endproduktes leidet. Durch den Verdünnungseffekt des anwesenden Wassers kann es auch dazu kommen, dass nicht ausreichend Säure in das lignocellulosehaltige Material eindringt, weshalb wiederrum die Behandlungszeit in Schritt a) und/oder b) verlängert werden muss.
    • Zwischenschritt bc)
  • Nach dem Kochen in Schritt b) wird das lignocellulosehaltige Material dem Refiner (Schritt c)) zugeführt. Diese Phase zwischen dem Kocher und dem Refiner wird hier als "Zwischenschritt bc)" bezeichnet. Es hat sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Säurebehandlung in diesem Zwischenschritt bc) stattfindet.
  • Zwischenschritt bc) beinhaltet den Transfer des lignocellulosehaltigen Materials vom Kocher zum Refiner, kann jedoch auch noch weitere Vorgänge, insbesondere auch eine Zwischenlagerung oder weitere Verarbeitung des lignocellulosehaltigen Materials umfassen. Üblicherweise wird das aus Schritt b) erhaltene zerfaserte lignocellulosehaltige Material dem in Schritt c) verwendeten Refiner mittels einer Ein- oder Austragsschnecke zugeführt. Hierbei wird das noch heiße lignocellulosehaltige Material aus dem Kocher ausgeführt und in Richtung Refiner transportiert. Da der vorherige Schritt a) und/oder b) einen erhöhten Wasseranteil aufweist, der in den folgenden Verfahrensschritten nicht erwünscht ist, wird im Transport-Zwischenschritt bc) üblicherweise das Wasser aus dem lignocellulosehaltigen Material mindestens teilweise abgepresst bzw. entfernt. Nach dem Abpressen weist das lignocellulosehaltige Material typischerweise einen Wasseranteil von 50 bis 200 Gew.-%, insbesondere von 75 bis 150 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des lignocellulosehaltigen Materials, auf. Vorzugsweise erfolgt die Säurebehandlung nach einem derartigen Abpressen bzw. Entfernen des Wassers, welches im Anschluss an die Entnahme aus dem Kocher erfolgt.
  • Typischerweise weist das lignocellulosehaltige Material während des Transportes aus dem Vorkocher zum Refiner noch eine erhöhte Temperatur auf. Dies wirkt sich positiv auf die Säurebehandlung aus.
  • Die Zugabe der Säure erfolgt besonders bevorzugt in Zwischenschritt bc). Die Zugabe der Säure in Zwischenschritt bc) kann in der Art erfolgen, dass zunächst ganz oder teilweise Wasser abgepresst bzw. entfernt wird und dann die Zugabe der Säure erfolgt. Insbesondere kann die Säure nach oder während des mindestens teilweisen Abpressens bzw. Entfernens des Wassers aus dem lignocellulosehaltigem Material zugegeben werden. Die Behandlungsdauer mit der Säure in Zwischenschritt bc) kann 0,1 Sekunden bis 2 Minuten, bevorzugt von 0,5 Sekunden bis 1 Minute und insbesondere bevorzugt von 1 Sekunde bis 30 Sekunden betragen.
  • Die Nachteile, wie sie bei der Zugabe in Schritt a) und/oder b) bestehen, können durch die Säurezugabe in Zwischenschritt bc) weitestgehend vermieden werden. Durch das Abpressen bzw. Entfernen des Wassers in Zwischenschritt bc) wird die Säure nicht so stark verdünnt, wodurch auch eine bessere Dosierung gewährleistet ist und die Gefahr unkontrollierter Reaktionen gesenkt werden kann. Da die Säure so konzentrierter eingesetzt wird, kann auch die Behandlungszeit reduziert werden, was sich positiv auf die Produktionskosten auswirken kann. Zudem weist das lignocellulosehaltige Material nach der Zerfaserung in Schritt a) und/oder b) eine erhöhte Oberfläche und eine erhöhte Temperatur auf, sodass die Poren des lignocellulosehaltigen Materials mindestens teilweise geöffnet oder erweitert sind, womit die Säure leichter in das lignocellulosehaltige Material diffundieren kann.
  • Praktische Versuche haben ferner gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn die Reaktion der Säure erst nach Abkühlen des fertigen Produkts im Lager abgeschlossen ist. Deshalb kann es auch von Vorteil sein, wenn die Säure in Zwischenschritt bc) oder Schritt c) zugegeben wird und damit im weiteren Verfahren im lignocellulosehaltigen Material verbleiben kann. Wird die Säure in Schritt a) und/oder b) zugegeben, wird die Säure zumindest teilweise durch das Abpressen bzw. Entfernen des Wassers in Schritt c) gleichzeitig mitentfernt und kann dann zur Reaktion nicht mehr zur Verfügung stehen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Säure eine Brönstedsäure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure Phosphonsäure, und deren Mischungen in Zwischenschritt bc) und/oder Schritt c) eingesetzt. Insbesondere kann die Säure dabei in einer Menge von 0.1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das lignocellulosehaltige Material (atro), eingesetzt werden. Phosphorsäure ist als Säure erfindungsgemäß besonders bevorzugt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Phosphorsäure im Gemisch mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte in Zwischenschritt bc) und/oder Schritt c) zugegeben werden.
    • Schritt c)
  • In Schritt c) erfolgt eine Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials (Refiner). Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Säure vor und/oder während des Zerkleinerungsvorgangs im Refiner zugegeben. Die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure in einem in der Industrie gebräuchlichen Refiner erfolgt in der Regel bei einer Prozesstemperatur von 160 bis 200 °C und/oder einem Druck von 2 bis 10 bar, insbesondere von 5 bis 9 bar. Diese Bedingungen ermöglichen eine rasche Diffusion der Säuremoleküle bis in den Kern des lignocellulosehaltigen Materials.
    • Schritt d)
  • Die Säurebehandlung kann in jedem Schritt vor dem Be- oder Verleimen erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Behandlung in mindestens einem der Schritte a), b), bc) und/oder c). Die Säurebehandlung kann auch vor oder nach mindestens einem der Schritte a), b), c) und d) erfolgen. Beispiele hierfür sind das Zuführen der Säure in Ein- oder Austragsschnecken, welche das lignocellulosehaltiges Material befördern. Alternativ kann die Zugabe der Säure direkt in den Vorwärmbehäter, Vorkocher und/oder Refiner erfolgen. Besonders bevorzugt ist die Zugabe der Säure zwischen Schritten b) und c), d.h. in Zwischenschritt bc), und/oder während des Schritts c). In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Säure in Schritt bc) zugegeben.
  • Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens hat sich ferner eine mehrfache Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials als vorteilhaft erwiesen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Säure eine Brönstedsäure verwendet, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure und Phosphonsäure und deren Mischungen. Insbesondere kann die Säure dabei in einer Menge von 0.1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das lignocellulosehaltige Material (atro), eingesetzt werden. Phosphorsäure ist als Säure erfindungsgemäß besonders bevorzugt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Phosphorsäure im Gemisch mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte zugegeben werden.
    • Schritt e)
  • In Schritt e) wird das lignocellulosehaltige Material mit einem Bindemittel beleimt. Geeignete Bindemittel sind insbesondere ein Melamin- und/oder Harnstoffharz.
  • Wenn hier von "Beleimen" die Rede ist, dann kann darunter das ganz oder teilweise Benetzen mit einer Zusammensetzung, die ein Bindemittel enthält verstanden werden. Derartige Zusammensetzungen werden vom Fachmann insbesondere auch als "Leimflotte" bezeichnet. Beleimen kann insbesondere auch das gleichmäßige Verteilen der bindemittelhaltigen Zusammensetzung auf den Holzpartikeln bedeuten. Das Auftragen der Bindemittel-haltigen Zusammensetzung kann beispielsweise durch Tränken oder Aufsprühen, insbesondere in einer Blowline erfolgen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den Refiner eine Blowline an. In der Blowline können neben den zugesetzten Bindemitteln und Hydrophobierungsmitteln optional auch noch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren und/oder die Faser verkapseln.
  • Die Menge des beim Be- oder Verleimen eingesetzten Bindemittels beträgt vorzugsweise 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 1,0 bis 16 Gew.-%, noch bevorzugter 4,0 bis 14,0 Gew.-%, bezogen auf das Holztrockengewicht (Festharz/atro). Für viele Anwendungen ist es besonders praxisgerecht, wenn das Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 15 Gew.-% bezogen auf das Holztrockengewicht (Festharz/atro) eingesetzt wird. Das Auftragen des Bindemittels kann beispielsweise in der dem Fachmann bekannten Blowline erfolgen.
  • Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von Bindemittel-Holzpartikel-Kombinationen geeignet. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Bindemittel sind Aminoplaste, Phenoplaste, Vinylacetate, Isocyanate, Epoxidharze und/oder Acrylharze. Besonders bevorzugte Bindemittel sind Harnstoff-Formaldehyd-Harz (UF), Melamin-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz (PF), Polyvinylacetat und/oder Weissleim.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Bindemittel für die Verleimung ein System auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (UF), Melamin verstärkten Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (MUF), Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harzen(MUPF), Phenol-Formaldehyd-Harzen (PF), polymere Diisocyanaten (PMDI) und/oder Isocyanaten eingesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bindemittel um ein Aminoplastharz.
  • Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Bindemittel kann ferner Härter enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Härten auch durch Pressen des Verbundmaterials unter Wärmeeinwirkung erfolgen.
    • Schritt f)
  • Optional kann zwischen dem Beleimen (Schritt e) und dem Verpressen (Schritt g) noch eine Trocknung der beleimten Mischung enthaltend das lignocellulosehaltige Material vorgenommen werden.
    • Schritt g)
  • In Schritt g) wird die Mischung enthaltend das lignocellulosehaltige Material schließlich zu einer Faserplatte verpresst. Grundsätzlich sind dem Fachmann verschiedene Methoden bekannt, beleimte Holzpartikel zu einem Verbundwerkstoff zu verpressen. Optimale Ergebnisse können erzielt werden, wenn das Verpressen bei einer Presstemperatur von mindestens etwa 150°C durchgeführt wird.
  • Dem Fachmann sind verschiedene Methoden bekannt, um Holzspanwerkstoffe durch Verpressen herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die beleimten Holzpartikel in Schritt g) zu einem Holzspanwerkstoff verpresst. Vorzugsweise handelt es sich bei Schritt g)um eine Heißverpressung. Optimale Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Pressfaktor beim Heißpressen von 2 bis 10 s/mm, bevorzugt von 3 bis 6 s/mm, beträgt. Unter Pressfaktor wird hier insbesondere die Verweilzeit des lignocellulosehaltigen Holzspanwerkstoffs in Sekunden je Millimeter Dicke oder Stärke des fertigen gepressten lignocellulosehaltigen Holzspanwerkstoffs in der Presse verstanden.
  • Geeignete Temperaturen für das Verpressen in Schritt g) des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen sind Temperaturen von 150 °C bis 250 °C, bevorzugt von 160 °C bis 240 °C, insbesondere bevorzugt von 180 °C bis 230 °C. Bei Temperaturen in diesen Bereichen kann das Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden.
  • Aus ökonomischen und verfahrenstechnischen Gründen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Verpressen ein spezifischer Pressdruck (aktiver Druck auf der Plattenoberfläche) von 50 bis 300 N/cm2, verwendet wird. Derartige Drücke stellen eine besonders gute Verklebung der lignocellulosehaltigen Partikel miteinander sicher. Zudem kann mit einem solchen Pressdruck eine hohe Festigkeit der lignocellulosehaltigen Holzspanwerkstoffe erreicht werden.
  • Hierin beschrieben ist ferner auch die Verwendung des Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen zur Herstellung eines quellreduzierten Holzwerkstoffs.
  • Hierin beschrieben auch die Verwendung von Phosphorsäure, einem ihrer Salze, Ester oder Addukte zur Herstellung eines quellreduzierten Holzwerkstoffs.
  • Hierin beschrieben ist auch eine Faserplatte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer seiner Ausführungsformen erhältlich ist sowie ein durch Weiterverarbeitung der Faserplatte erhältliches Laminat, ein Bodenbelag, eine Arbeitsplatte, Tischplatte oder Palette.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
    • Beispiel 1
  • Es wird eine quellreduzierte Holzfaserplatte nach dem in der Holzindustrie gebräuchlichen MDF-Verfahren hergestellt.
  • Die Hackschnitzel gelangen zur hydrothermischen Vorbehandlung in einen Vorwärmbehälter, wo sie zusammen mit 1 Gew.-% ortho-Phosphorsäure (bezogen auf die Gesamtmenge Wasser und Hackschnitzel) bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur von bis zu 100 °C "vorgedämpft" werden. Die teilweise plastifizierten und modifizierten Hackschnitzel gelangen dann über den Vibrationsaustragsboden und eine Förderschnecke in den Kocher. Die Steigung der Schneckenwendel verringert sich kontinuierlich, wodurch sie die Hackschnitzel zu einem relativ druckdichten Pfropfen komprimiert. Mit diesem Pfropfen findet die Abdichtung zum Kocher statt. Hier werden die Hackschnitzel bei einem Dampfdruck zwischen 6 und 10 bar bei 140 bis 180 °C "gekocht". Im Kocher bleiben die Hackschnitzel etwa 1 bis 6 Minuten, bevor sie durch eine Förderschnecke (Austragsschnecke) und über die Einspeiseschnecke in den Refiner (Zerfaserer) in gespeist und bei einem Dampfdruck von 6 bis 10 bar zu Fasern zermahlen werden. In der an den Refiner anschließenden Blowline können neben den zugesetzten Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harz (Bindemittel) noch weitere Hydrophobierungsmitteln als auch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren oder die Faser verkapseln. Die beleimten Fasern gelangen nun in den Trockner und werden zur gewünschten Restfeuchte getrocknet. Durch Streuwalzen werden die Fasern auf ein umlaufendes Formband gestreut und die Höhe der so entstehenden Fasermatte wird durch Kalibrierwalzen (Skalper) eingestellt. Nach einer Vorverdichtung wird die endlose Fasermatte in einer kontinuierlichen Heißpresse bei 200°C und 30 bar für etwa 3 Minuten auf ihre gewünschte Dicke gepresst.
  • Die so erhaltene Holzfaserplatte weist eine signifikant reduzierte Dickenquellung auf.
    • Beispiel 2
  • Es wird eine Holzfaserplatte nach dem in der Holzindustrie gebräuchlichen MDF-Verfahren hergestellt.
  • Die Hackschnitzel gelangen zur hydrothermischen Vorbehandlung in einen Vorwärmbehälter, wo sie bei atmosphärischem Druck einer Temperatur von bis zu 100 °C "vorgedämpft" werden. Die teilweise plastifizierten und modifizierten Hackschnitzel gelangen dann über den Vibrationsaustragsboden und/oder eine Förderschnecke in den Kocher. Die Steigung der Schneckenwendel verringert sich kontinuierlich, wodurch sie die Hackschnitzel zu einem relativ druckdichten Pfropfen komprimiert. Mit diesem Pfropfen findet die Abdichtung zum Kocher statt. Hier werden die Hackschnitzel bei einem Dampfdruck zwischen 6 und 10 bar bei 140 bis 180 °C "gekocht". Im Kocher bleiben die Hackschnitzel etwa 1 bis 6 Minuten, bevor sie durch eine Förderschnecke (Austragsschnecke) zusammen mit ortho-Phosphorsäure in einer Menge von 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge des Holzmaterials, in den Refiner (Zerfaserer) eingespeist und bei einem Dampfdruck von 6 bis 10 bar zu Fasern zermahlen werden. In der an den Refiner anschließenden Blowline können neben den zugesetzten Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harz (Bindemittel) noch weitere Hydrophobierungsmitteln, als auch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren oder die Faser verkapseln. Die beleimten Fasern gelangen nun in den Trockner und werden zur gewünschten Restfeuchte getrocknet. Durch Streuwalzen werden die Fasern auf ein umlaufendes Formband gestreut und die Höhe der so entstehenden Fasermatte wird durch Kalibrierwalzen (Skalper) eingestellt. Nach einer Vorverdichtung wird die endlose Fasermatte in einer kontinuierlichen Heißpresse bei 200°C und 30 bar für etwa 3 Minuten auf ihre gewünschte Dicke gepresst.
  • Die so erhaltene Holzfaserplatte weist eine signifikant reduzierte Dickenquellung auf.
    • Beispiel 3:
  • Es wurde der quellvermindernde Effekt einer 85 %-igen Phosphorsäure (m/m) auf Holzfasern bestimmt.
  • Die Holzfasern wurden einem Zerfaserungsprozess unterzogen. Dazu wurden Holzhackschnitzel in einem Vorkocher gekocht. Die Holzfasern wurden aus dem Vorkocher mittels einer Austragsschnecke unter Abpressen von Wasser dem Refiner zugeführt. Noch bevor die Holzfasern den Refiner erreichten, wurde Phosphorsäure zugegeben. Die so erhaltenen Holzfasern wurden auf ihre Quelleigenschaften untersucht. Dazu wurden in einem Becherglas Holzfasern, sowohl die Referenzfasern (0 % Phosphorsäure) als auch diejenigen, die mit Phosphorsäure behandelt wurden, eingewogen (Einwaage, EW) und mit Wasser überschichtet, sodass diese vollständig bedeckt waren. Der Anteil der Phosphorsäure ist in Tabelle 1 als Gew.-% Phosphorsäure bezogen auf Gesamtgewicht der Holzfasern (atro) angegeben. Nach unterschiedlichen Einwirkzeiten wurde das Wasser der Proben über einem Papierfilter, der auf einem 800 µm Sieb lag, 15 Minuten lang abgetropft. Danach wurden die Holzfasern gewogen (Auswaage, AW) und das Wasseraufnahmevermögen (WAV) wie folgt bestimmt: WAV = AW − EW * 100 % / EW
    Figure imgb0001
  • Weiterhin wurde die Quellverminderung der Holzfasern (Proben 1-1 bis 3-3) im Vergleich zu den jeweiligen Referenzplatten 1 bis 3 bestimmt.
  • Die Quellverminderung wurde wie folgt berechnet: WAV REFERENZ − WAV Probe * 100 / WAV REFERENZ
    Figure imgb0002
  • Die Einwaagen, Auswaagen, Einwirkzeiten und die Ergebnisse sind in untenstehender Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1:
    Probennummer Anteil Phosphorsäure EW AW WAV Einwirkzeit Quellverminderung
    [Gew.-%] [g] [g] [%] [min] [%]
    Referenz-1 0 2,1103 37,127 1659,3 30 Referenz-1
    Referenz-2 0 2,1361 38,865 1719,4 150 Referenz-2
    Referenz-3 0 3,2543 61,2541 1782,3 390 Referenz-3
    Nr. 1 2,5 2,4143 36,919 1429,2 30 13,8
    Nr. 2 2,5 2,5567 41,7506 1533 150 10,8
    Nr. 3 5 3,1985 45,899 1335 30 19,5
    Nr. 4 5 2,6354 40,864 1450,6 150 15,6
    Nr. 5 5 2,5597 42,1079 1545 390 13,3
    Nr. 6 10 2,8525 40,2027 1309,4 30 21,1
    Nr. 7 10 2,6235 41,725 1490,4 390 16,4
  • Insgesamt zeigte sich eine deutliche Quellverminderung der mit Phosphorsäure behandelten Holzfasern (Proben 1 bis 7) im Vergleich zu den unbehandelten Holzfasern (Referenz 1 bis 3).

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte durch Verleimen von lignocellulosehaltigem Material, wobei das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen mit einer Säure behandelt wird, wobei die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200 °C und einem Druck von 1 bis 12 bar erfolgt und wobei die Säure eine Brönsted-Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, phosphoriger Säure, unterphosphoriger Säure und deren Mischungen ist, und wobei die Säure eine Säure mit einem pKs-Wert kleiner 4 ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Säure in einer Menge von 0.1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das lignocellulosehaltige Material (atro), eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Säure im Gemisch mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Säure eine Säure mit einem pks-Wert kleiner 3 oder kleiner 2,5, eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Behandlung bei einer Temperatur von 120 bis 180 °C erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Behandlung bei einem Druck von 6 bis 9 bar erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dauer der Behandlung 0,01 bis 15 Minuten, insbesondere 0,3 bis 5 Minuten, beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Behandlung in dem Zwischenstadium nach dem Kocher und vor dem Refiner erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das lignocellulosehaltige Material in zerfasertem und/oder unzerfasertem Zustand vorliegt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das lignocellulosehaltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus feinteiligem Holzmaterial, Holzfasern, Holzspänen und Hackschnitzel.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte umfasst:
    a) Vorwärmen des lignocellulosehaltigen Materials in einem Vorwärmbehälter;
    b) Aufschließen des lignocellulosehaltigen Materials in einem Kocher;
    c) Zerkleinern des lignocellulosehaltigen Materials in einem Refiner;
    d) Behandeln des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure in Schritt a), b) und/oder c) und/oder zwischen den Schritten b) und c);
    e) Beleimen des lignocellulosehaltigen Materials mit einem Bindemittel;
    f) optional: Trocknen der Mischung enthaltend das lignocellulose Material;
    g) Verpressen der Mischung enthaltend das lignocellulosehaltige Material zu einer Faserplatte.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Faserplatte eine UDF-, LDF-, MDF-, oder HDF-Platte ist.
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