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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dimensionsstabilen Verdichtung und/oder Formgebung von Vollholz nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Möglichkeit Holz durch eine Werkstoffveränderung (Modifikation) gezielt so zu beeinflussen, dass eine Verdichtung-/Formgebung und Formfixierung in einem Fertigungsschritt realisierbar sind, besteht mit derzeit bekannten Verfahren nicht. Weder durch aktuelle Forschungen auf dem Gebiet der Holzmodifikation, noch durch den Einsatz von Harzen, Plastifizierungsmitteln oder Softenern konnte bisher ein Werkstoff hergestellt werden, der solche Möglichkeiten eröffnet.
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Durch Holzverdichtung eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu erzielen, ist Gegenstand einer Vielzahl von Forschungsarbeiten und Verfahren. Die Holzverdichtung wird durch das Aufbringen eines hohen Druckes erreicht, wobei die Zellen bzw. Fasern in longitudinaler oder radialer/tangentialer Richtung zusammen gepresst werden können. Eine Modifizierung des Zellgefüges durch Druck auf die Fasern in ihrer longitudinalen Richtung wird als Stauchen bezeichnet (DRP Nr. 321629A, 1917). Ziel dieser Modifizierung ist das Schaffen einer Dehnreserve für eine verbesserte Verformbarkeit in Faserlängsrichtung.
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Das Verdichten von Holz senkrecht zur Faserrichtung wird seit mehr als 100 Jahren praktiziert (z. B. DRY Nr. 668493, 1920,
US Patent No. 1834895 , 1931, DRP Nr. 601162, 1929). Eine Übersicht hierzu gibt die Druckschrift von
Vorreiter 1949 „Holztechnologisches Handbuch, Band I und II." Verlag Georg Fromme Co., Wien. Ziel der Verdichtung senkrecht zur Faserrichtung ist eine Eigenschaftsverbesserung, wie z. B die Erhöhung der Festigkeit oder Härte. Verdichtet werden vorrangig die Frühholzbereiche mit großen Lumen und niedriger Dichte, jedoch werden auch verdichtungsgradabhängig Spätholzanteile modifiziert.
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Um Holz unter Druck ohne große Gefügeschädigungen verdichten zu können wird es in einem vorgelagerten Prozessschritt plastifiziert. Das geschieht meist durch Erwärmen des Holzes auf Temperaturen im Bereich zwischen 120°C und 160°C und unter Zugabe von Wasserdampf. Bei Temperaturen im o. g. Bereich plastifiziert die stark lignifizierte Mittellamelle, was zu einer deutlich verbesserten Umformbarkeit führt. Die Wasserdampfbehandlung führt zum Aufquellen der Zellwand, wodurch eine bessere Verschieblichkeit der Einzelfibrillen ermöglicht wird. Problematisch war und ist der sogenannte Spring-Back-Effekt des Holzes. Unter Wassereinwirkung wird die Verformung zu einem großen Teil reversibel, d. h. verdichtetes Holz formt sich bei Wasserkontakt zurück (es „springt zurück”). Dabei erreicht es nahezu seine Ausgangsdimensionen.
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In der Literatur wird eine Vielzahl weiterer Plastifizierungsmittel zur Verbesserung der Verformbarkeit (sogenannte Softener) für Holz beschrieben.
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Neben Wasserdampf kann mit anderen chemischen Substanzen wie Ammoniak (z. B. DRP No. 495 146, 1930), Glycerol (z. B.
US-Patent No. 2 030 819 , 1936), Harnstoff (z. B.
US Patent No. 4108226 , 1978) oder Polyethylenglycol (
Stamm A J (1959) Effect of polyethylene glycol an the dimensional stability of wood. Forest Products Journal 9: 375–381) ein deutlicher Plastifizierungseffekt erzielt werden.
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Beim Einsatz aller genannten Softener weisen die realisierbaren Verformungen jedoch ebenfalls einen deutlichen Spring-Back-Effekt auf.
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Insbesondere durch den Spring-Back Effekt sind die Einsatzgebiete für verdichtetes und verformtes Holz begrenzt, was dazu geführt hat, nach Methoden zur Formbeständigkeit von verdichtetem und verformten Holz unter Wassereinwirkung zu suchen.
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Eine Möglichkeit zur Formfixierung von verdichtetem und verformten Holz ist die Tränkung mit Kunstharzen. Eines der ältesten Veredelungsverfahren stellt das von Vorreiter (Vorreiter L (1934) Lignostone, das neue Holzveredelungsverfahren. Forstwissenschaftliches Centralblatt 56: 533–542) vorgestellte Verfahren zur Herstellung von „Lignostone” dar. Bei diesem Verfahren wurden Buchen- oder Lindenholz unter hohem Druck und Temperatur mit einer Gummimasse resp. Asphaltmasse modifiziert. Später wurden auch Leichtöle und Phenol-Formaldehyd-Lösungen verwendet.
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Heute ist die Herstellung von Kunstharzpressholz technisch etabliert (z. B. Patentschrift
DE 19509899 C2 , 1997). Kunstharzpressholz ist ein Werkstoff, der aus Rotbuchenschälfurnieren und Kunstharzen besteht. Durch Imprägnierung und Verpressen unter hohem Druck und Temperatur entsteht ein homogener Werkstoff. Die Fixierung der Verdichtung wird durch das Kunstharz, das als Klebstoff fungiert, realisiert. Als Kunstharze werden meist Phenol-Formaldehyd-Kondensationsharze aber auch Melamin-Formaldehydharz verwendet.
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Das Behandeln der Holzoberfläche mit Monomeren, wie Melaminharz oder Polyesterharz, die durch Vernetzung aushärten, ist in der Parkettindustrie ein übliches Verfahren zur Erhöhung der Oberflächenhärte. Der Effekt der Härtesteigerung wird in diesen Fällen jedoch hauptsächlich durch das Einlagern von zusätzlichen Stoffen in der Zellwand verursacht.
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Alle diese Verfahren zum Beheben des Rückerinnerungsvermögens des Holzes wurden ausschließlich unter Zuhilfenahme von synthetisch hergestellten Stoffen, teilweise mit ausgasendem Formaldehyd, realisiert.
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Der Einsatz von Furfurylalkohol wird in der Literatur im Zusammenhang mit der Holzmodifikation beschrieben (Schneider, M. H. und Witt, A. E. (2004) History of wood polymer composite commercialization. Forest Product Journal 54(2): 19–24). Die Modifikation von Holz mit Furfurylalkohol unter Nutzung starker Säuren führt zu einer deutlich verbesserten biologischen Dauerhaftigkeit sowie Dimensionsstabilisierung unter Wechselklimabeanspruchung. Die starken Säuren, die zur Aushärtung des Furfurylalkohols notwendig sind, schädigen die Holzsubstanz durch sauren Aufschluss. Eine plastifizierende Wirkung dieser Substanz wird nicht beschrieben und ist nicht Intention der Holzmodifikation.
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Die Möglichkeit, Materialeigenschaften von Holz, wahlweise gekoppelt mit einem Formgebungsprozess, durch eine Werkstoffveränderung (Modifikation) gezielt so zu beeinflussen, dass Verdichtung-/Formgebung und Formfixierung in einem Fertigungsschritt realisierbar sind, besteht mit derzeit bekannten Verfahren nicht. Weder durch aktuelle Forschungen auf dem Gebiet der Holzmodifikation, noch durch den Einsatz von Harzen, Plastifizierungsmitteln oder Softenern konnte bisher ein Werkstoff hergestellt werden, der solche Möglichkeiten eröffnet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufwertung heimischer Laubholzarten durch ein kombiniertes Modifikations-, Verdichtungs- und/oder Formgebungsverfahren anzugeben. Dabei soll der Formgebungsprozess eine Erhöhung der Dichte einer ebenen Holzprobe (Verdichtung als plastische Verformung), eine spanlose Formung bei nahezu unveränderter Dichte oder eine Kombination dieser beiden Prozesse ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren werden die Prozessschritte Plastifizierung des Holzes, Verdichtung, Formgebung und Formfixierung in einem Arbeitsgang, z. B. in einer beheizten Presse, Pressform oder Pressgesenk ausgeführt. Das Holz wird hierfür mit einer Zweikomponentenlösung, bestehend aus Furfurylalkohol und Anhydriden von Carbonsäuren, vorzugsweise Maleinsäureanhydrid, imprägniert, die sowohl die Aufgaben der Plastifizierung sowie später, nach dem Verdichtungs- bzw. Formgebungsprozess, durch temperaturinduzierte säurekatalytische Polymerisation die Formfixierung übernimmt. Es werden kovalente Bindungen zur Holzsubstanz ausgebildet.
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Bei Versuchen wurde überraschend gefunden, dass ein deutlicher Plastifizierungseffekt bereits bei niedrigen Temperaturen und kurzen Imprägnierzeiten nachweisbar ist. Die Tränkung von Holz mit Furfurylalkohol führte zu einem Aufquellen der Zellwände, was sich makroskopisch durch eine deutliche Dicken- und Breitenquellung darstellte. Ähnliche Effekte stellen sich erst nach langer Lagerung in Wasserdampfatmosphäre (Dampfen von Holz über mehrere Stunden bis Tage), bei der Lagerung im Wasser über mehrere Tage oder durch Nutzung sogenannter Softener ein. Der bei üblichen Formgebungs- und Verdichtungsverfahren durch diese Plastifizierung mit Wasser, Ammoniak oder Softener bekannte Spring-Back Effekt wird durch die in-situ Polymerisation des Furfurylalkohols zu Furanharzen und der damit verbundenen Formfixierung verhindert. Es ergeben sich Halbzeuge mit formstabilen Umformungs- bzw. Verdichtungsgraden, die auch bei späterem Wasserkontakt irreversibel sind.
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Die Formgebung erfolgt endkonturnah und wird fixiert, d. h. es sind keine wesentlichen weiteren Prozessschritte zur weiteren Formgebung nötig. Neben der Formgebung werden infolge der Erhöhung der Dichte die Festigkeiten, dabei insbesondere auch die Oberflächenhärte und Dimensionsstabilität einheimischer Laubholzarten verbessert und diese damit aufgewertet. Es wird somit ein Substitutionsmaterial für tropische Hölzer sowie für Holzwerkstoffe oder Kunststoffe geschaffen.
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Vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass die gleiche organische Lösung zur Plastifizierung und Formfixierung genutzt wird. Durch die Plastifizierung kann das Holz deutlich leichter verdichtet und endkonturnah geformt werden. Die Verdichtung/Formgebung, Formfixierung und Aushärtung finden anders als bei bekannten Verfahren in einem Arbeitsgang statt. Es können in einem Arbeitsschritt Produkte mit nahezu fertiger Form produziert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der einzigen 1 ist die Oberflächenhärte von Hainbuche bei unterschiedlicher Modifikation dargestellt.
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20 mm dicke Massivholzproben aus Hainbuche (Carpinus betulus L.) wurden mit einer Mischung aus Furfurylalkohol (98%) und Maleinsäureanhydrid (2%) durch eine kombinierte Vakuum-Druck-Behandlung imprägniert. Die Massezunahme nach der Imprägnierung lag bei 20%. Anschließend wurden die so imprägnierte Massivholzprobe in einer Heißpresse bei 140°C auf 14 mm Dicke verdichtet. Parallel hierzu wurden nicht imprägnierte, also native Vergleichshölzer unter gleichen Pressbedingungen verdichtet. Im Vergleich zu diesen nativen Vergleichsproben reduzierten sich bei imprägnierten Proben die notwendigen Verformungskräfte um bis zu 75%. Alle Proben wurden 30 Minuten in der Presse unter Druck gehalten und anschließend in einem Nachbehandlungsschritt im Trockenschrank bei 103°C für 24 Stunden getrocknet. Nach diesem vollständigen Aushärtvorgang wiesen die mit Furfurylalkohol und Maleinsäureanhydrid imprägnierten, verdichteten und ausgehärteten Proben eine Verdoppelung der Oberflächenhärte gegenüber unverdichteten, nativen Proben auf (1). Dieser Effekt fällt deutlich größer aus, als bei einer ausschließlichen Verdichtung von Hainbuchenholz. Ausschließlich verdichtetes Hainbuchenholz weist nur einen moderaten Anstieg der Oberflächenhärte gegenüber nativen Vergleichsproben auf (1).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1834895 [0004]
- US 2030819 [0007]
- US 4108226 [0007]
- DE 19509899 C2 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Vorreiter 1949 „Holztechnologisches Handbuch, Band I und II.” Verlag Georg Fromme Co., Wien [0004]
- Stamm A J (1959) Effect of polyethylene glycol an the dimensional stability of wood. Forest Products Journal 9: 375–381 [0007]
- Vorreiter L (1934) Lignostone, das neue Holzveredelungsverfahren. Forstwissenschaftliches Centralblatt 56: 533–542 [0010]
- Schneider, M. H. und Witt, A. E. (2004) History of wood polymer composite commercialization. Forest Product Journal 54(2): 19–24 [0014]