AT404106B

AT404106B - Thermoplastisch verformbarer formteil auf der basis einer holzmatrix in kombination mit einem thermoplastischen werkstoff

Info

Publication number: AT404106B
Application number: AT58296A
Authority: AT
Inventors: Markus Dipl Ing Rettenbacher; Norbert Dipl Ing Dr Mundigler
Original assignee: Markus Dipl Ing Rettenbacher; Norbert Dipl Ing Dr Mundigler
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 1998-08-25
Also published as: ATA58296A

Description

AT 404 106 B

Die Erfindung betrifft einen Formteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Kombination von Holz und Kunststoffen vor allem Harnstofformaldehydharz ist seit langem bekannt und führt zu duroplastischen Werkstoffen, die nach der Formgebung und anschließender Quervernetzung einer thermoplastischen Umformung nicht mehr zugänglich sind. Außerdem führt die Kombination Kunststoff und Holz zu Produkten, 5 die nicht mehr bioabbaubar sind und daher ein Entsorgungsproblem darstellen können.

In einigen Anwendungsfällen ist die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen eine gewünschte Eigenschaft. Die Charakteristik dieser Produkte und Werkstoffe ist denen von Kunststoff sehr ähnlich bzw. ident. Holz fungiert nur als Verstärkung, Fasereinlage oder preiswerter Füllstoff.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Nachteile der Kombination aus Holz und herkömmlichen io Kunststoffen in Bezug auf Bioabbaubarkeit und Thermoplastizität zu überwinden. Überraschend war bei der Kombination von bioabbaubaren zum Teil hydrophilen Thermoplasten und dem hydrophilen Duroplasten Holz, daß es zu Produkten, Formteilen oder Werkstoffen kommt bei denen die charakteristischen Eigenschaften von Holz (Wasseraufnahme, -abgabe, exzellente mechanische Eigenschaften, Bioabbaubarkeit) nicht verloren ging. Holz wurden die Eigenschaften Thermoplastizität, verbesserte 75 Oberfläche und eventuell raschere Bioabbaubarkeit hinzugefügt, dadurch sind für diese Formteile völlig neue Einsatzgebiete eröffnet worden.

Wenn bei der Durchtränkung der Vollholzteile höhere Temperaturen oder sogar ein Gasdruck angelegt wird, so erfolgt das Durchdringen der Holzmatrix mit diesem thermoplastischen Werkstoff wesentlich schneller. 20 Für die Herstellung der Formteil kann Holz der unterschiedlichsten Art verwendet werden. Ob mit Hartoder Weichholz mit sehr dünnwandigen oder stärkeren Holzteilen gearbeitet wird, hängt vorwiegend von den Anforderungen des Endproduktes ab.

Der thermoplastische Werkstoff wird in der weiteren Beschreibung als BAW (biologisch abbaubarer Werkstoff) bezeichnet. In den letzten Jahren sind auf Grund der Umweltdiskussion eine Menge verschiede-25 ner BAW’s auf der Basis von Naturstoffen wie auch fossilen Quellen entwickelt worden. Viele dieser BAW's zeigen sogar hydrophilen Charakter, das heißt sie sind in der Lage wie viele Naturstoffe und insbesondere auch Holz, Wasser aufzunehmen und abzugeben. Diese BAW's enthalten daher entsprechend der relativen Umgebungsfeuchte gewisse Prozentsätze an Wasser und sind daher zur Kombination besser geeignet als Kunststoff im herkömmlichen Sinn. Der hydrophile Charakter dieser BAW's erleichtert auch das Eindringen 30 in die Holzmatrix, wobei die Eigenschaften von Holz nicht völlig überdeckt sondern nur ergänzt werden.

Neben der Beladung von Holzteilen mit BAW's können noch weitere Zusatzstoffe, wie verschiedene Fette, Öle, Wachse oder Harze, aber auch Lignin oder Alkohole verwendet werden um bestimmte Eigenschaften zu erzeugen ohne die Thermoplastizität oder Bioabbaubarkeit wesentlich einzuschränken. Als Beispiel soll hier nur Glycerin angesprochen werden, das als Weichmacher oder Feuchthaltemittel einge-35 setzt wird. Holz besitzt von Natur aus nur sehr geringe thermoplastische Eigenschaften, die durch die Aufnahme der BAW's wesentlich verbessert werden. Die Formteile, die durch das Durchdringen der Holzteile mit BAW's gebildet werden, sind den herkömmlichen Techniken der thermoplastischen Umformung, wie zum Beispiel Prägen, Pressen, Biegen, Formen, ähnlich leicht zugänglich wie herkömmliche Kunststoffteile. Dieses thermoplastische Umformen erfolgt weitgehend ohne der Zerstörung der inneren 40 Holzstruktur, so daß in bestimmten Fällen sogar die Holzmaserung vollkommen erhalten bleibt.

Durch die Auswahl der richtigen BAW's und der entsprechenden Menge kann die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus des Formteils sehr genau eingestellt werden. Sie kann durch die Verwendung von langsam abbaubaren BAW's, wie Celluloseacetat gegenüber Holz verzögert werden.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Mengen an BAW's in Bezug auf Holz und dem Einsatz von 45 unterschiedlichen Verfahrensparametern, wie Temperatur und Druck, kann das spezifische Gewicht der Formteile in einem weiten Bereich verändert werden. Dies geht von sehr geringer Beladung von leichtem Holz (Dichte 0,2t/m3) bis hin zu einer völlig beladenen Holzmatrix mit ca. 1,5t/m3. Ein oftmals gewünschter Effekt, vor allem wenn man Weichholzteile verwendet, ist die drastische Erhöhung der Oberflächenhärte durch die Einlagerung eines BAW's in die Holzmatrix, so daß von Natur aus weiche Hölzer auch für so hochwertig Fußböden geeignet sind.

Um den Holzteil mit einem BAW zu beladen muß dieser BAW in einer geeigneten Form vorliegen, so daß es ihm überhaupt möglich ist in die Holzmatrix eindringen zu können, das heißt der BAW muß flüssig sein. Dieser flüssige BAW wirkt so lange auf den Holzteil ein bis der gewünschte Durchdringungsgrad erreicht ist. Dieser Vorgang kann durch Temperaturerhöhung und Druckanlegung weiter unterstützt werden. 55 Es gibt aber auch die Möglichkeit, daß der BAW durch Temperaturerhöhung verflüssigt wird (Schmelze) und so auf Holz einwirkt. Auch dieser Vorgang kann durch noch weitergehende Temperaturerhöhung und äußerem Gas-, Luft- oder Dampfdruck wesentlich verbessert werden. 2

Claims

AT 404 106 B Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß Holz vorgetrocknet wird und der flüssige BAW auf völlig trockenes Holz einwirkt und so begierig auch in tiefere Holzschichten eingesaugt wird. Ein angelegter Gasdruck läßt den Vorgang wesentlich rascher zu dem gewünschten Ergebnis einer vollständigen und gleichmäßigen Verteilung der thermoplastischen Komponente kommen. Eine mögliche Verfahrensweise wäre das vollständige Eintauchen des Holzteiles in einen geschmolzenen BAW und das sofortige Anlegen eines Überdrucks. Die so erhaltenen Formstücke lassen sich wie Holz verarbeiten mit der zusätzlichen Eigenschaft der leichten Verformbarkeit, obwohl sie noch immer leicht über die biologische Abbaubarkeit entsorgt werden können. Den fertigen eventuell thermoplastisch nachverformten Teilen steht ein weites Einsatzgebiet offen. Die Einsatzbereiche Verpackung, Möbelbau, Fußboden, Fahrzeug- und Holzbau, Innenausbau, Spielwaren können noch beliebig viele Beispiele angeschlossen werden. Beispiel 1 Weichholz der Dichte 420 kg/m3 und mit einer Dimension von Länge 400 mm Breite 250 mm Dicke 12 mm wird auf 120*C erhitzt und beidseitig mit einem geschmolzenen Polylaktid allseitig über 10 Minuten behandelt bis keine Flüssigkeitsaufnahme mehr beobachtet werden konnte. Anschließend wird der Formteil in einer Druckkammer einem Gasdruck von 10 bar über 30 Minuten bei einer Temperatur von 100*C ausgesetzt um das Polylaktid auch in tiefere Holzschichten eindringen zu lassen. Der so erhaltene Formteil kann bei Temperaturen von 160*C sehr leicht dauerhaft verformt werden. Dieser Verformungsprozeß kann durch Wasserdampf oder höheren Wassergehalt im Formteil unterstützt werden. Patentansprüche 1. Thermoplastisch verformbarer Formteil auf der Basis einer Holzmatrix in Kombination mit einem thermoplastischen Werkstoff sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen, dadurch gekennzeichnet daß der Formteil als Vollholzteil mit im wesentlichen unverändertem ursprünglichem Holzgefüge vorliegt, worin die Holzmatrix mit einem biologisch abbaubaren, natürlichen und/oder künstlichen thermoplastischen Werkstoff, unter Ausschluß von Stärke und im wesentlichen porenfrei, beladen ist.
2. Formteil nach Anspruch 1, erhältlich in einem Verfahren, worin der Vollholzteil bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck mit dem biologisch abbaubaren thermoplastischen Werkstoff getränkt wird und der thermoplastische Werkstoff in die Holzmatrix eindringt.
3. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Vollholzteil eine Dicke von mindestens 0,3 mm aufweist.
4. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als biologisch abbaubaren, thermoplastischen Werkstoff folgende Komponenten alleine oder in beliebiger Mischung untereinander enthält: Cellulosederivate; Polyhydroxycarbonsäureester, beispielsweise Polyhydroxybuttersäure oder Polylaktide; Polyester, Polyesteramide, Polyesterurethane.
5. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Zusatz mindestens eine Komponente aus der Gruppe Fett, Öl, Wachs, Lignin, Harz, Alkohol, insbesondere mehrwertiger Alkohol, und Salz enthalten ist.
6. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einer nachträglichen thermoplastischen Verformung ohne wesentliche Zerstörung der inneren Holzstruktur zugänglich ist. 3 AT 404 106 B
7. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er biologisch rascher oder langsamer als gewöhnliches Holz abbaubar ist.
8. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine höhere Dichte als der dazu verwendete Vollholzteil, beispielsweise 0,2 bis 1,5 t/m3, aufweist und die Oberflächenhärte gegenüber dem ursprünglichen Vollholzteil wesentlich erhöht ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verformbaren Formteils auf der Basis einer Holzmatrix mit im wesentlichen unverändertem ursprünglichem Holzgefüge, in Kombination mit einem biologisch abbaubaren thermoplastischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vollholzteil mit einem in flüssiger Form vorliegenden thermoplastischen Werkstoff getränkt wird, wobei die Holzmatrix von diesem Werkstoff von außen nach innen durchdrungen und dabei beladen wird, bis keine weitere Aufnahme des flüssigen Werkstoffes mehr stattfindet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Werkstoff durch Temperaturerhöhung im Bereich zwischen 20 und 250 *C, insbesondere zwischen 70 und 180*C, verflüssigt wird und danach in die Holzmatrix eindiffundiert oder eingesaugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Holz vor Beladung mit dem thermoplastischen Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 20 und 250 *C, insbesondere zwischen 70 und 180 *C, erhitzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindringen des thermoplastischen Werkstoffes durch Anlegen eines Gasdrucks im Bereich zwischen 1 und 100 bar vorzugsweise zwischen 2 und 20 bar unterstützt wird.
13. Verfahren nach einem dern Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Holz eine Feuchtigkeit zwischen 0,3 und 40 Gew.-%, insbesondere von 3 bis 15 Gew.-% Wasser aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Zusatzstoffe, insbesondere mindestens eine Komponente aus der Gruppe Fett, Öl, Wachs, Lignin, Harz, Alkohol, insbesondere mehrwertiger Alkohol, und Salz vor, zugleich oder nach der Beladung mit dem thermoplastischen, bioabbaubaren Werkstoff in das Holz mit eingebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der so erhaltene Formteil durch Druck und Temperatureinwirkung oberflächlich oder als Gesamtwerkstück nachverformt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als biologisch abbaubarer, thermoplastischer Werkstoff folgende Komponenten alleine oder in beliebiger Mischung untereinander eingesetzt werden: Cellulosederivate; Polyhydroxycarbonsäureester, beispielsweise Polyhydroxybuttersäure oder Polylaktide; Polyester, Polyesteramide, Polyesterurethane.
17. Verwendung der Formteile gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 bis 16, für Elemente des Fahrzeug-, Holz- und Möbelbaues oder als Verpackungsmaterial. 4