DE60221799T2

DE60221799T2 - Verfahren zur herstellung von verbundwerkstoffen, die naturbindemittel enthalten

Info

Publication number: DE60221799T2
Application number: DE2002621799
Authority: DE
Inventors: Stephane Guilbert; Andreas Redl; Marie-Helène MOREL
Original assignee: Tate and Lyle Europe NV; Ecole Nationale Superieure Agronomique de Montpellier ENSAM
Current assignee: Tate and Lyle Europe NV; Ecole Nationale Superieure Agronomique de Montpellier ENSAM
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: EP1363974A1; US7387756B2; EP1363974B1; AU2002247652B2; CN1243060C; WO2002059212A1; ATE370198T1; CN1487979A; DE60221799D1; ES2292739T3; PT1363974E; JP4170760B2; CA2434895A1; JP2004524187A; DK1363974T3; US20040062920A1; CA2434895C; GB0101630D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffen, die Naturfasern und pulverförmige Proteine enthalten.
Mit Hilfe dieses Verfahrens werden Produkte in Form von Gegenständen wie Tafeln und Platten gewonnen, die aus Holz- und/oder Nicht-Holz-Naturfasermaterialien und einem Eiweiß als einzigem Bindemittel-Bestandteil (hinzugefügt) bestehen.
Heutzutage werden Tafeln und Platten im Allgemeinen durch Heißpressen von Holz- oder anderen pflanzlichen Fasern in Gegenwart eines Reaktivharzes hergestellt. Typische Beispiele für Harze, die während des Mischprozesses verwendet werden, sind Harnstoff-Formaldehyd(UF)-Harze, Phenol-Formaldehyd(PF)-Harze und Melamin-Harnstoff-Formaldehyd(MUF)-Harze. Während des anfänglichen Mischungsprozesses wird wässriges Harz auf die trockenen Holz- oder Pflanzenfasern (2–4% Feuchte) aufgesprüht und das Ganze vermischt. Die mit dem Harz versetzten Fasern können dann einem weiteren Trocknungsschritt unterzogen werden. Während dieses Trocknungsprozesses werden die mit Harz versehenen Fasern pneumatisch oder mechanisch in die Zwischenlagerbehälter gefördert. Von dort wird das Fasermaterial zur Mat tenformstrasse und zur Vorpresse transportiert. Die so geformten Matten werden dann der Presse zugeführt und gestapelt. Die Matten werden sodann einer Heißpressung unterzogen, um die Matten zu einer gewünschten Plattendichte und -dicke zu verfestigen, die Harze zu härten und die Platte mittels Hitze zu stabilisieren, so dass sie unter normalen Nutzungsbedingungen ihre Solldicke und -dichte beibehält. Es können auch kontinuierliche Pressen zum Einsatz kommen. Die so erhaltenen Platten werden dann durch Besäumen und Schleifen fertig bearbeitet.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Fasermaterial bis auf ein ausreichendes Niveau getrocknet werden muss, um das Vermischen mit dem flüssigen Harz zu ermöglichen; anderenfalls ist keine homogene Mischung möglich, und bei zu hohem Feuchtegehalt bilden sich Klumpen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Zugabe des Harzes die Temperatur während des Mischungs- und Formschrittes gesteuert werden muss, da es anderenfalls zu einer vorzeitigen Reaktion kommt, die nicht erwünscht ist.
Um die Verwendung von Harzklebstoffen zu vermindern oder ganz zu vermeiden, können diese Harzklebstoffe teilweise oder vollständig durch erneuerbare Quellen ersetzt werden.
Die Verwendung von tierischen oder pflanzlichen Proteinen in Faserplatten ist in Forest Products Journal (1998, Band 47, Nr. 2, S. 71–75) offenbart; hierin wird die Verwendung von Sojaproteinisolaten in Kombination mit synthetischen Harzen behandelt. Des Weiteren wird die Verwendung von Sojaisolatpulver besprochen. Bei diesem Verfahren werden Holzpartikel mit 4% Phenol-Fomaldehyd-Harz besprüht, danach wird die Mischung in einem Mischer weiter getrommelt, wobei 4% Sojaisolatpulver langsam zugegeben werden. Die Verwendung einer Sojaisolatdispersion als einzigem Klebstoff ist ebenfalls offenbart.
Jedoch hat die resultierende Faserplatte den Nachteil, dass sie keine Feuchtebeständigkeit besitzt.
Die Verwendung von tierischen Proteinen in Pulverform ist weiterhin in der sowjetischen Patentanmeldung SU 1 813 640 offenbart. Bei dem offenbarten Verfahren werden Kalkmilch (1.6–3,2%) und Wasser (35–45%) zu einem Fasermaterial, das einen Feuchtegehalt von etwa 4% aufweist, hinzugegeben. In einem nächsten Schritt werden 8–16% Albumin- oder Caseinpulverkleber zugegeben und das Ganze solange gemischt, bis der Kleber gleichmäßig in dem Fasermaterial verteilt ist. Die Zusammensetzung wird dann bei einem Druck von 1,4–2,5 MPa auf eine Temperatur zwischen 140 und 170°C erhitzt; dieser Vorgang dauert 0,6–1,0 min/mm.
Die Verwendung von Weizengluten als Klebstoff ist in Starch (1968, Band 20, Nr. 12, Seiten 395–399) offenbart. Das verwendete Gluten wird mit Natriumsulfit oder Thioglykolsäure reduziert.
Der mit diesen Produkten verbundene Nachteil besteht darin, dass der Weizenglutenklebstoff durch eine chemische Reaktion in einem wässrigen Medium erhalten wird.
In der niederländischen Patentanmeldung NL 1 003 133 ist die Verwendung eines auf Weizengluten basierenden Klebstoffs zur Herstellung von Faserplatten offenbart. Der verwendete Weizenglutenklebstoff ist eine Dispersion mit 55–60% Trockenmasse, die durch Dispergieren von Gluten in einer Lösung von Harnstoff, Zitronensäure und Natriumbisulfit erhalten wird. Der Glutenklebstoff, der zunächst mit einem Vernetzungsmittel (Formaldehyd, Glutardialdehyd oder Maleinanhydrid) gemischt wird, wird anschließend auf das Holzfasersubstrat aufgesprüht und mit diesem mechanisch vermischt.
Hierbei besteht der Nachteil darin, dass zur Herstellung der Glutenkleberdispersion Dispergiermittel eingesetzt werden müssen.
Ferner ist die Verwendung von Proteinen als Formaldehydfänger in der niederländischen Patentanmeldung NL 1 003 133 offenbart, wobei 10% eines Standard-Harnstoff-Formaldehyd-Harzes durch Glutenklebstoff ersetzt werden.
Hier besteht der Nachteil darin, dass es bei Ersetzen von mehr als 10% des Standard-Harnstoff-Formaldehyd-Harzes zu einem deutlichen Verlust an interner Bindefestigkeit kommt.
In der europäischen Patentanmeldung EP 976 790 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen offenbart, bei dem ein Fasern enthaltendes pflanzliches Material, oder eine Mischung aus solchen pflanzlichen Materialien, wenigstens einem thermoplastischen Verarbeitungsschritt unterzogen wird. Die thermoplastische Verarbeitung kann in Gegen wart eines Bindemittels, zum Beispiel eines chemischen Bindemittels wie Harnstoffformaldehyd oder eines Proteins (wobei das Protein in dem pflanzlichen Material enthalten sein oder diesem hinzugefügt werden kann) durchgeführt werden. Vor dem/den thermoplastischen Verarbeitungsschritt(en) wird/werden das/die pflanzliche(n) Material(ien) wenigstens einer Vorbehandlung unterzogen. Das Produkt aus dem/den thermoplastischen Verarbeitungsschritt(en) kann einer Nachbehandlung unterzogen werden. Das pflanzliche Material bzw. die pflanzlichen Materialien kann/können vor und/oder während des thermoplastischen Verarbeitungsschrittes bzw. der thermoplastischen Verarbeitungsschritte mit Zusatzstoffen gemischt werden. Die Verbundwerkstoffe können in einer Vielfalt von Konfigurationen ausgeformt werden, zum Beispiel als Platten, dünne Platten und Folien, und können als Konstruktionselemente Verwendung finden.
Der Nachteil besteht darin, dass bei Verwendung von Proteinen als einzigem Bindemittel, die Menge an Wasser, relativ zur Gesamtmenge an pflanzlichem Fasermaterial und Protein, im Bereich von 25 bis 50 Gew.-% liegen kann. Folglich müssen die Pressteile einem zusätzlichen, zeit- und energieaufwändigen Trocknungsschritt unterzogen werden.
US 5,360,586 offenbart ein Beispiel, in welchem ein biologisch abbaubarer Artikel offenbart ist. In diesem Beispiel werden Zeitungspapier (mit einem Wassergehalt im Bereich von 3–25 Gew.-%), Weizenstärke, Weizengluten und Maismehl gemischt, diese Mischung wird der Mischkammer eines Extruders zugeführt, dann wird Wasser zugegeben, so dass der Wassergehalt der Mischung etwa 25 Gew.-% beträgt. Während des Verlaufs des Versuches erfolgte eine Wärmezufuhr und Druckbeaufschlagung im Extruder.
Bei diesem Verfahren besteht der Nachteil darin, dass es sich um ein sehr kompliziertes Verfahren zur Erzeugung eines biologisch abbaubaren Artikels handelt, welcher als ein natürlicher, auf Fasern basierender Verbundwerkstoff angesehen werden kann, der natürliche Bindemittel und pulverförmige Proteine enthält.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der oben genannten Nachteile. Dieses Ziel wird erreicht durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffen, die Naturfasern und pulverförmige Proteine enthalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Hinzufügen eines pulverförmigen Proteinkleber-Bindemittels zu Naturfasern, die einen Feuchtegehalt von 1–15% aufweisen;
– Mischen der Naturfasern mit dem pulverförmigen Proteinkleber;
– Einstellen des Feuchtegehaltes der Zusammensetzung auf 6–24 Gew.-%; und
– Wärme-Druck-Behandlung der Mischung durch Formpressen oder Heißpressen in offenen Pressen, um den auf Naturfasern basierenden Werkstoff zu formen.

Gemäß einem spezifischen erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Heißpress-Behandlung ein Druck ausgeübt, der ausreicht, um einen auf Naturfasern basierenden Verbund werkstoff mit einer zwischen 0,5 kg/dm³ und 1,5 kg/dm³ variierenden Dichte zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 19:1 und 1:1.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Wärme-Druck-Behandlung innerhalb eines Temperaturbereichs von 100–250°C.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren weisen die den Fasern hinzugefügten Proteine einen zwischen 4 und 14 Gew.-% variierenden Feuchtegehalt auf.
Bei einem stärker bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren weisen die den Naturfasern hinzugefügten Proteine einen Feuchtegehalt zwischen 8 und 12 Gew.-% auf.
Bei einem spezifischen erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich bei den Naturfasern um Holz- oder Pflanzenfasern, die einen Feuchtegehalt zwischen 2 und 15 Gew.-% aufweisen.
Vorzugsweise enthalten die auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffe eines der Produkte aus der Gruppe, die aus Verpackungsmaterialien, dekorativen Gegenständen, Trägermaterialien oder Strukturwerkstoffen besteht.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren können die Naturfasern aus ganzen Pflanzen oder verschiedenen Pflanzenteilen gewonnen werden.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren können die Naturfasern tierischen Ursprungs sein.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren können die pulverförmigen Proteinkleber tierischen Ursprungs sein.
Bei einem weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren können die pulverförmigen Proteinkleber pflanzlichen Ursprungs sein.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird der Endfeuchtegehalt der Zusammensetzung auf 12–20 Gew.-% eingestellt.
Bei einem stärker bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird der Endfeuchtegehalt der Zusammensetzung auf 14–18 Gew.-% eingestellt.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren variiert das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 9:1 und 2:1.
Bei einem stärker bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren variiert das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 9:1 und 2,5:1 variiert.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Wärme-Druck-Behandlung in einem Temperaturbereich von 175–225°C.
Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff der auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffen auf rekonstituierte Produkte, die aus Holz und/oder annuellen Pflanzen stammende Naturfasern und einen Klebstoff enthalten. Derartige Verbundwerkstoffe umfassen beispielsweise Verpackungsmaterialien, dekorative Gegenstände, Trägermaterialien, Strukturwerkstoffe. Insbesondere bezeichnet dieser Begriff Konstruktionsmaterialien oder Bauwerkstoffe wie beispielsweise Spanplatten, mitteldichte und hochdichte Faserplatten, Grobspanplatten oder Holzspanplatten. Andere Zusammensetzungen umfassen beispielsweise Verpackungsmaterialien (Flaschen, Behälter), dekorative Gegenstände (Türpaneele), Trägermaterialien (Teppichfliesen, Bedachungswerkstoffe) oder Strukturwerkstoffe (z.B. Kraftfahrzeugstoßfänger).
Abgesehen von Holz können Naturfasermaterialien auch aus ganzen Pflanzen oder aus unterschiedlichen Teilen von Pflanzen gewonnen werden. Textile Fasern wie Baumwolle, Flachs, Hanf oder Ramie können Verwendung finden, aber auch Schrotprodukte aus der Getreide oder Ölsaat verarbeitenden Industrie. Typische Beispiele hierfür sind Weizenkleie, Maisschrot, Weizenstroh, Gerstenspelze, Rapsschrot, Sonnenblumenextraktionsschrot, Sojaschrot. Die Naturfasermaterialien können auch tierischen Ursprungs sein, wie z.B. Wolle, Seide oder Keratinabfall.
Der pulverförmige Proteinkleber kann tierischen oder pflanzlichen Ursprungs sein. Tierische Proteinquellen sind beispielsweise Milchproteine, Caseinate, Molkenkonzentrate und -isolate, Gelatine, Fischproteine, Eialbumin, Plasmaproteine, Tiermehle. Die pflanzlichen Proteine können bei spielsweise aus Getreideproteinen, Knollenproteinen, aus Hülsenfrüchten gewonnenen Proteinen oder aus Ölsamenproteinen ausgewählt sein. Typische verwendbare Getreideproteine sind Weizengluten oder Maisgluten und deren Derivate. Von den Ölsamenproteinen können auch Sojaproteinkonzentrate und -isolate, Rapssamenproteinkonzentrate oder Sonnenblumenproteinkonzentrate, oder Derivate davon, verwendet werden. Diese Auflistung ist nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine Veranschaulichung der verwendbaren Proteinquellen.
Die den Naturfasern hinzugefügten Proteine haben einen Feuchtegehalt, der zwischen 4 und 14 Gew.-% variiert, vorzugsweise zwischen 8 und 12 Gew.-%. Die Holz- oder Pflanzenfasern können einen Feuchtegehalt zwischen 2 und 15 Gew.-% aufweisen. Im Vergleich zu den standardmäßigen Bedingungen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Platten herrschen, kann der Feuchtegehalt der Fasern höher liegen, da keine zusätzliche Feuchtigkeit über das Bindemittel hinzugefügt wird. Hierdurch kann sich der zusätzliche Vorteil einer Reduzierung der Kosten für die Trocknung der Holz- oder Pflanzenfasern ergeben.
Die Naturfasern werden mit dem pulverförmigen Klebstoff gemischt; der Endfeuchtegehalt der Faser/Protein-Zusammensetzung, vor der Wärme-Druck-Behandlung, kann zwischen 6 und 24 Gew.-% variieren. Bevorzugte Bereiche des Feuchtegehaltes liegen zwischen 12 und 20 Gew.-%, stärker bevorzugt sind Bereiche zwischen 14 und 18 Gew.-%. Es wird angenommen, dass dieser Feuchtegehalt einen anfänglichen Klebeprozess aktiviert, bei welchem es zu einer Wechselwirkung zwischen den Proteinen und Fasern kommt. Auf diese Weise kommt es bereits vor der Wärme-Druck-Behandlung zu einer Stabilisierung. Ist der Feuchtegehalt der Protein/Faser-Zusammensetzung zu gering, so kann es zu einer Trennung der Phasen kommen. Ist der Feuchtegehalt der Faser/Protein-Zusammensetzunq zu hoch, so ist mehr Wärme erforderlich, um das Wasser zu entfernen, und das Endprodukt weist eine geringere mechanische Festigkeit auf. Bei einem Feuchtegehalt zwischen 6 und 24 Gew.-% ist die Faser/Protein-Zusammensetzung bereits ausreichend homogen, wodurch ein zusätzlicher Knetschritt vermieden wird.
Das Verhältnis von Naturfasermaterial zu pulverförmigem Proteinkleber kann zwischen 19:1 und 1:1 variieren, vorzugsweise zwischen 9:1 und 2:1 und mit gröberem Vorzug zwischen 9:1 und 2,5:1.
Die Wärme-Druck-Behandlung der Faser/Klebstoff-Zusammensetzung erfolgt innerhalb eines Temperaturbereichs von 100–250°C, vorzugsweise zwischen 175°C und 225°C. Der während des Heißpressens ausgeübte Druck muss ausreichend hoch sein, um Dichten zu erhalten, die zwischen 0,5 kg/dm³ und 1,5 kg/dm³ liegen.
Die Wärme-Druck-Behandlung der Zusammensetzungen kann durch Formpressen oder Heißpressen der Faser/Protein-Zusammensetzung erfolgen. Im Einzelfall hängen die Verfahrensparameter, insbesondere die Temperatur, der Druck und die Verarbeitungszeit von den Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes ab. Hierbei wird beobachtet, dass die Temperaturentwicklung im Kern des Produktes während des Heißpressens oder Formpressens recht schnell abläuft, wie in 1 dargestellt (siehe Beispiel 4).
Die Plattenerzeugnisse, die mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften und eine ausreichend niedrige Empfindlichkeit gegenüber Wasser.
Es kann als ein zusätzlicher Vorteil angesehen werden, dass die hergestellten erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe aus biologisch abbaubaren Verbindungen bestehen. Dies kann von Bedeutung sein, wenn sich sie Werkstoffe nur schwer recyceln lassen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von spezifischen Beispielen erläutert, welche lediglich der Erläuterung dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Beispiel 1:
Dieses Beispiel erläutert den Einfluss der Glutenfraktion (GF), des Feuchtegehalts (MC) und der Presstemperatur (T) auf die Dichte (D) und die Dickenquellung (TS) von Hanffasern enthaltender Hartpappe. Insbesondere ist die Dickenquellung (Wasserempfindlichkeit) ein Maß für die Qualität der Adhäsion zwischen Fasern und Matrix.
Verwendet Materialien:

– Weizenvitalgluten, Feuchtegehalt 8,6% (Amylum Aquitaine, Bordeaux, Frankreich)
– Hanffasern, Feuchtegehalt 8,9%, mittlere Größe 3 mm (Landwirtschaftliche Kooperative "La Chanvrière de l'Aube")

Die Hanffasern werden mit Weizengluten in einem Taumelmischer (Heidolph Rheax 2, Deutschland) 10 Minuten lang mit Weizengluten vermischt. Das Volumen der Mischgefäße beträgt 100 ml, die Gesamtmasse beträgt 10 g, der Faser-Gewichtsanteil beträgt 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 Gew.-%. In das Mischgefäß wird Wasser eingesprüht, um den Wasser-Endgehalt auf 18% zu erhöhen; ohne Wasserzugabe beträgt der Wassergehalt der Mischung 9%.
Die Faser/Gluten-Mischung wird in eine zylindrische Form gegossen (Durchmesser 35 mm) und 10 Minuten lang bei 100, 125, 150, 175 und 200°C unter einer Last von 10 t verpresst.
Die so erhaltenen Proben werden 24 h lang in destilliertes Wasser (bei 25°C) getaucht. Danach wird die Dickenquellung als die prozentuale Erhöhung der Probendicke bestimmt; die Probendicke wird im Zentrum der Scheiben mit einer digitalen Schiebelehre gemessen.
Nach dem Messen der Probendicke und des Durchmessers mit einer digitalen Schiebelehre auf den 100stel mm sowie dem Wiegen der Probe auf einer Präzisionswaage wird die Materialdichte bestimmt.
Der Feuchtegehalt der Rohmaterialien und der Proben wird anhand der Gewichtsdifferenz nach einer 24-stündigen Trocknung bei 104°C bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
TABELLE 1: Gluten/Hanffaser-Zusammensetzungen: Einfluss des Feuchtegehaltes (MC) und der Presstemperatur (T) auf die Dichte (D) und die Dickenquellung (TS)
Beispiel 2:
In diesem Beispiel werden unterschiedliche Arten von Naturfasern verwendet. Das Herstellungsverfahren ist hierbei analog zu dem in Beispiel 1 geschilderten Verfahren. Außerdem werden hier die Dichte und Dickenquellung in Abhängigkeit von der Presstemperatur und des Feuchtegehaltes bestimmt.
Die folgenden Materialien werden verwendet: Weizenstroh, Weizenkleie und Quebrachoholzmehl.
Die Glutenfraktion beträgt jeweils 0,3. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse bezüglich der Dickenquellung und der Dichte wiedergegeben.
TABELLE 2: Vergleich unterschiedlicher Fasern: Einfluss des Feuchtegehaltes (MC) und der Presstemperatur (T) auf die Dichte (D) und die Dickenquellung (TS)
Beispiel 3:
In diesem Beispiel werden die mechanischen Eigenschaften von Gluten/Faser-Zusammensetzungen bestimmt. Es wird das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 angewendet, mit der Ausnahme, dass die Platten in einer rechteckigen Form von 120 mm × 10 mm geformt werden. Die so erhaltene Dicke liegt zwischen 5 und 6 mm.
Die mechanischen Eigenschaften werden gemäß der Norm EN ISO14125 im Biegemodus mit einem TAXT2-Texture-Analyser (Stable Microsystems, UK) untersucht. Der Abstand zwischen den Biegepunkten beträgt 100 mm. Die Proben werden direkt nach der Herstellung analysiert.
Verwendete Materialien:

– Weizenvitalgluten, Feuchtegehalt 8,6% (Amylum Aquitaine, Bordeaux, Frankreich)
– Hanffasern, Feuchtegehalt 8,9%, mittlere Größe 2 und 6 mm (Landwirtschaftliche Kooperative "La Chanvrière de l'Aube")
– Leinenstroh (8,9% MC, Unilin NV, B-8710 Wielsbeke)

Die Ergebnisse der mechanischen Prüfung sind in Tabelle 3 aufgeführt.
TABELLE 3: Einfluss von Fasertyp, Feuchtegehalt (MC), Presstemperatur (T) und Glutenfraktion (GF) auf den Elastizitätsmodul (MOE) und den Bruchmodul (MOR). Mittlere Werte von 4 Replikaten.
Beispiel 4:
Materialien

Weizenvitalgluten (8,6% Feuchtegehalt, Amylum Aquitaine, Bordeaux, Fr)
Holzpartikel (8,5% MC, Unilin NV, Schaapdreef 36, B-8710 Wielsbeke)

Verfahren

– Mischen: Die Fasern werden mit Weizengluten in einem rechteckigen 5-l-Mischgefäß 10 min lang per Hand gemischt, wobei die Bewegungen eines Taumelmischers simuliert wurden.
– Pressen: Eine rechteckige Fasermatte mit den Abmessungen 17 × 26 cm und einer Höhe von etwa 4 cm wird per Hand unter Verwendung eines Holzrahmens geformt. Ein Thermoelement Typ k wird im Zentrum der Fasermatte angeordnet. Nach der Entfernung des Holzrahmens wird die Matte in der beheizten Presse (auf 175°C reguliert) angeordnet und die Temperaturaufzeichnung begonnen. Die Matte wird auf 11 mm Enddicke in einer mit Handpumpe ausgestatteten hydraulischen Presse verpresst. Die bis zu einer Schließung der Presse auf 11 mm benötigte Zeit beträgt 60 s, die Belastung wird 120 s lang aufrecht erhalten, danach wird die Last während 1 min allmählich auf Null verringert. Die gesamte Presszeit ist 4 min. 4 Biegeproben (30·170 mm) und 2 Proben (50·50 mm) für die Dickenquellung und die Bestimmung der Dichte werden aus jeder Platte geschnitten.

Die mechanischen Eigenschaften werden im Biegemodus mit einer ZWICK-500N-Universalprüfmaschine untersucht. Der Abstand zwischen den Biegepunkten beträgt 100 mm; die Geschwindigkeit des Querhauptes beträgt 2 mm/min. Die Proben werden sofort nach ihrer Herstellung getestet.
Die Dickenquellung wird gemäß der Norm EN 319 untersucht. Die Prüfkörper werden in destilliertes Wasser (20°C) getaucht; die Dicke wird im Zentrum des Probenkörpers nach einer Tauchzeit von 2 und 24 h bestimmt. Ergebnisse – Kerntemperaturentwicklung

regulation Temperature = Regeltemperatur
press closed = Presse geschlossen
Time (s) = Zeit (s)

1: Entwicklung der Kerntemperatur während des Verpressens von Gluten und Holzpartikeln. 175°C Regeltemperatur, 300 g Holz (9% MC), 60 g Gluten (7% MC)
1 zeigt die Entwicklung der Kerntemperatur während der Herstellung einer Gluten-Holz-Spanplatte. Sobald die Presse geschlossen und die Solldicke erreicht ist, wird ein sehr rascher Anstieg der Temperatur beobachtet. Die Kerntemperatur erreicht 150°C innerhalb von 30 s nach Schließen der Presse (90 s Gesamtpresszeit). – Mechanische Eigenschaften TABELLE 4: Mechanische Eigenschaften und Wasserempfindlichkeit von Gluten-Holz-Spanplatten.

MOE ist der Elastizitätsmodul, MOR ist der Bruchmodul, TS ist die Dickenquellung nach Tauchen in 20-°C-warmem Wasser.
Die Anforderungen sind: EN 312-2, Spanplatten für allgemeine Zwecke

Die Herstellung von Gluten-Holz-Spanplatten ist möglich. Bisher erfüllen Platten mit einem Gluten-Gewichtsanteil von 0,2 die Anforderungen an Spanplatten für allgemeine Zwecke (EN 312-2).
Beispiel 5:
In diesem Beispiel werden die mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Protein/Faser-Zusammensetzungen bestimmt. Es wird das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 angewendet, mit der Ausnahme, dass die Platten in einer rechteckigen Form von 120 mm × 10 mm geformt wurden. Die Formtemperatur beträgt 175°C und der Feuchtegehalt 9%. Der Faseranteil ist 0,8. Die so erhaltene Dicke liegt zwischen 5 und 6 mm. Die mechanischen Eigenschaften werden gemäß der Norm EN ISO14125 im Biegemodus mit einem TAXT2-Texture-Analyser (Stable Microsystems, UK) untersucht. Der Abstand zwischen den Biegepunkten beträgt 100 mm. Die Proben werden direkt nach der Herstellung analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt.
Verwendete Materialien:

– Weizenvitalgluten, Feuchtegehalt 8,6% (Amylum Aquitaine, Bordeaux, Frankreich)
– Leinenstroh (8,9% MC, Unilin NV, B-8710 Wielsbeke)
– Zein (8% MC, Sigma Chemicals)
– Maisglutenmehl (8,5% MC)
– Sojaproteinisolat (7,8 MC PTI)

TABELLE 5: Elastizitätsmodul (MOE) und Bruchmodul (MOR) von Protein/Leinenstroh-Verbundwerkstoffen, geformt bei 175°C, 9% MC und 10 min Presszeit:
Beispiel 6:
Dieses Beispiel erläutert die Wirkung der Presstemperatur auf die mechanischen Eigenschaften der mit Weizengluten als einzigem Bindemittel hergestellten Faserplatten
Die Platten werden in diesem Beispiel durch 3-minütiges Mischen von 300 g Holzfasern (2% Feuchte) mit 33,3 g Wei zengluten (7% Feuchte) in einem Rotationsmischer mit T-Stange hergestellt. Dann wurden 25 g Wasser, vermischt mit 5,5 g Parafin-Emulsion, hinzugegeben, und es wurde für zusätzliche 7 Minuten gemischt.
Das im Beispiel 4 beschriebene Pressverfahren wird geringfügig modifiziert, wobei die Presstemperatur auf Werte von 200°C und 225°C erhöht wurde und die Presszeit 10 s/mm betrug. Die Dichte der so hergestellten Platten variierte zwischen 0,732 und 0,735.
Die auf diese Weise hergestellten Platten wurden einer mechanischen Prüfung, wie bereits in Beispiel 4 beschrieben, unterzogen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffen, die Naturfasern und pulverförmige Proteine enthalten, umfassend die folgenden Schritte: – Hinzufügen eines pulverförmigen Proteinkleber-Bindemittels zu Naturfasern, die einen Feuchtegehalt von 1–15% aufweisen; – Mischen der Naturfasern mit dem pulverförmigen Proteinkleber; – Einstellen des Feuchtegehaltes der Zusammensetzung auf 6–24 Gew.-%; und – Wärme-Druck-Behandlung der Mischung durch Formpressen oder Heißpressen in offenen Pressen, um den auf Naturfasern basierenden Werkstoff zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Heißpressens ein Druck ausgeübt wird, der ausreicht, um einen auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoff mit einer zwischen 0,5 kg/dm³ und 1,5 kg/dm³ variierenden Dichte zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 19:1 und 1:1 variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Druck-Behandlung innerhalb eines Temperaturbereichs von 100–250°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Naturfasern hinzugefügten Proteine einen zwischen 4 und 14 Gew.-% variierenden Feuchtegehalt aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Naturfasern hinzugefügten Proteine einen Feuchtegehalt zwischen 8 und 12 Gew.-% aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Naturfasern um Holz- oder Pflanzenfasern mit einem Feuchtegehalt zwischen 2 und 15 Gew.-% handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Naturfasern basierenden Verbundwerkstoffe eines der Produkte aus der Gruppe, die aus Verpackungsmaterialien, dekorativen Gegenständen, Trägermaterialien oder Strukturwerkstoffen besteht, enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern aus ganzen Pflanzen oder verschiedenen Pflanzenteilen gewonnen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern tierischen Ursprungs sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Proteinkleber tierischen Ursprungs sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Proteinkleber pflanzlichen Ursprungs sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Endfeuchtegehalt der Zusammensetzung auf 12–20 Gew.-% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Endfeuchtegehalt der Zusammensetzung auf 14–18 Gew.-% eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 9:1 und 2:1 variiert.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Naturfasern zu pulverförmigem Proteinkleber zwischen 9:1 und 2,5:1 variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Druck-Behandlung innerhalb eines Temperaturbereichs von 175–225°C erfolgt.