AT508715A1 - System zur überführung von holzfasern in einen durch dosiervorrichtungen verarbeitbaren zustand, sowie aufbereitetes holzfasermaterial und extrudat daraus - Google Patents

Description

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System zur Überführung von Holzfasern in einen durch

Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, sowie aufbereitetes Holzfasermaterial und Extrudat daraus

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Holzfasern.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Holzfasermaterial.

Die Erfindung betrifft ferner ein Extrudat.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Faserverbundprodukt.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Behandlung von Holzfasern.

Obwohl sich der Stand der Technik schon mit der Dosierung und der eventuell vorangehenden Vorbehandlung von faserförmigen Materialen oder Naturfasern im allgemeinen befassen, so bietet keines der darin genannten Verfahren oder deren Vorrichtungen eine geeignete Möglichkeit zur Überführung von Holzfasern in einen mit Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, wobei die typische Faserstruktur weitgehend erhalten bleiben soll und keine starke Verkürzung des Fasermaterials damit einhergeht.

Zumeist wird der Begriff "Holzfasern" - vor allem Zusammenhang mit thermoplastischen Kompositen - zu Unrecht verwendet, da in Wahrheit gemahlene Holzspäne zum Einsatz kommen. So wird beispielsweise in der Veröffentlichung WO 2006/060714 Al mehrfach auf "cellulosic material... selected from ... wood fibers" Bezug genommen, allerdings kann aus den Ausführungsbeispielen ersehen werden, dass "wood flour", also vermahlene Holzspäne ("Holzmehl") mit den typischen Korngrößen, dokumentiert an den Maschenweiten "40 / 60 mesh", verarbeitet wird.

Es ist nämlich bei der Verarbeitung von Holzspänen für Kompositwerkstoffe, beispielsweise für Wood Polymer Composites (WPC) im Extrusionsverfahren, für eine anzustrebende Prozessstabilität und Kompositqualität notwendig, dass die Späne recht einheitliche Korngrößen aufweisen. So liegt das gebräuchlichste Holzspanprodukt für WPC meist in einem Größenbereich von ca. 300 - 500 pm (max. ca. 1000 pm). Die Schüttdichten für dieses Material liegen in der Regel zwischen 0,19 bis 0,22 g/cm3, während gröbere Späne auch Schüttdichten bei oder unterhalb von 0,10 g/cm3 aufweisen können. Das typische Verhältnis von Länge zur Breite (aspect ratio bzw. Schlankheitsgrad) liegt bei Holzspänen hauptsächlich zwischen 1 und 4 (max. bei ca. 6), diese sind also eher von kubischer Form. Demgegenüber weisen Holzfasern einen Schlankheitsgrad im Mittel zwischen 20:1 und 80:1 auf, wobei aber bis zu 100:1 erreicht werden kann. Holzfasern sind also von deutlich langgestreckter Form - beispielsweise können Holzfaserbündel Abmessungen von 20.000 : 1.000 pm zeigen, während die anatomische Holzfasereinzelzelle etwa ein Verhältnis von ca. 5.000 : 50 pm aufweist. Daneben darf auch das manchmal aufscheinende Holzfaserpulver verarbeitungstechnisch keinesfalls mit Holz- bzw. Refinerfasern verglichen werden.

Weiters wird in dem bisher dokumentierten Stand der Technik zwar mehrfach auf Methoden und Vorrichtungen zur kontrollierten Abgabe von Naturfasermaterial eingegangen, jedoch geht aus den Ansprüchen selbst oder den Beschreibungen zur Aufgabenlösung sowie evt. Ausführungsbeispielen deutlich hervor, dass im speziellen die Erfindungen auf geschnittene Langfasern von Flachs, Hanf, Kenaf, Jute, Ramie oder Sisal usw. Bezug nehmen, während Holzfasern nicht erwähnt werden. So macht die Veröffentlichung WO 2007/137378 A2 ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Compounds aus Naturfasern und Polyamiden bekannt, welches voraussetzt, dass das Fasermaterial zuvor in einer "cutting knive miU" auf verarbeitbare Längen von 0,1 bis 15 mm gekürzt wird und erst dann, nach weiterer chemischer Behandlung und Trocknung, einer Extrusion zugeführt. In der Anmeldung CA 2 473 319 (Al) wiederum werden zur Herstellung des thermoplastischen Komposits durch Extrusion Flachsfasern verwendet, welche zuvor "on a Standard scutching mill / grinding mill" gekürzt werden müssen.

Da die angeführten Fasern von Caraua und Flachs, sowie jene aller übrigen aus Nicht-Holz-Pflanzen, in ihrer Gestalt und ihren Eigenschaften markante Unterschiede zu den Holzfasern selbst aufweisen, soll im Weiteren kurz auf die chemischen, biologischen und produktionstechnischen Ursachen hierfür und deren Konsequenzen für die weitere Verarbeitung eingegangen werden. Während nachfolgend Begriffe wie Faser, Naturfaser, Holzfaser oder Refinerfaser das industriell gewonnene Fasermaterial benennen, nimmt die Bezeichnung Faserzelle auf die anatomische Einzelzelle im ursprünglichen Zellverband Bezug.

In erster Hinsicht ist bei Holzzellen in der Zellwand neben den Polysacchariden wie Zellulose und den Hemizellulosen auch das davon völlig verschiedene Lignin, der eigentliche „Verholzungs- oder Holzstoff', in einem sehr • ♦ • · T13288 viel höherem Anteil vorhanden als bei den übrigen Faserpflanzen. Lignin ist amorph und übernimmt entscheidenden Anteil an Druckfestigkeiten, allerdings sind die isolierten Holzfasern dadurch auch spröder.

Weiters werden die Faserzellen im Stammholz von einem über Jahrzehnte bis Jahrhunderte hinweg aktiven Mantel-Kambium aus durch Zellteilung in stetig gleicher Ausgestaltung gebildet ("sekundäres Dickenwachstum"). Diese sind damit fest in einen umfangreichen Verband aus gleichwertigen Zellen eingebunden, wobei sich die langgestreckten Faserzellen der Nadelhölzern sehr ähneln und eine Länge von typischerweise unter 5 mm aufweisen. Im Gegensatz dazu sind die restlichen Faserpflanzen solche, die sich nur durch ein Spitzen Wachstum vergrößern, während eine scheinbare Zunahme der Sprossdicke lediglich durch Streckung der vorhandenen Zellen ohne Zellvermehrung erfolgt ("primäres Dickenwachstum"), worin auch ihre kurze Lebensdauer von nur 1 oder wenigen Jahren begründet liegt. In solchen Pflanzen sind meist nur die dauerhafteren Faserzellen lignifiziert. Diese sind zu sehr langen Faserbündeln aus zum Teil hunderten Einzelzellen angeordnet und können leicht vom übrigen, nicht faserigen Zellverband getrennt werden. Bei Flachs,

Hanf, Kenaf, Jute und Ramie beispielsweise kommen die Faserbündel im Bast, also dem weichen Teil der Rinde, und somit in Randlage um den Sproß ("Bastfasern") vor, während jene von Sisal eingebettet in Gewebe aus dünnwandigen, zumeist parenchymatischen Zellen im Blatt angeordnet sind ("Blattfasern").

Zuletzt besteht aufgrund der dargelegten Anatomie ein wesentlicher Unterschied zwischen der Holzfaser und den übrigen Naturfasern bedeutenderweise in den Verfahren zur Aufschließung aus dem Zellverband und in den Ausformungen der Faserprodukte selbst. Mit den Aufschließungsverfahren für Faserpflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum können wegen der leichteren Lösung aus der Pflanze diese langen Faserbündel fast vollständig in Ihrer natürlichen Länge isoliert werden. Diese Naturfasern werden somit, abhängig von der Spezies, mit mittleren Längen von ca. 30 - 60 cm gehandelt und können leicht zu Rovings gebündelt, zu Fäden oder Seilen gedreht oder weiter zu Geweben bzw. Vliesen verwoben und, falls erwünscht, auch wieder aufgeschnitten, also in kürzere Abschnitte aufgeteilt werden.

Die Aufschließung von Stammholz hingegen benötigt andere Verfahren, die in verschiedener Weise mechanische (Aufmahlen), thermische (Druck-Wärme)

T13288 und chemische Aufschließungsschritte umfassen. Im Rahmen der heute industriell fast ausschließlich verwendeten thermo-mechanischen Refinertechnoiogie wird es zuerst zerkleinert, die Holzteile anschließend unter Zuführung von Dampf und unter Druck aufgekocht und schließlich einem Scheibenrefiner, ein Mahlwerkzeug, zugeführt werden, wo der Zellverband - im Gegensatz zur Aufschließung der übrigen Faserpflanzen - bis hinunter zur anatomischen Einzelfaser aufgelöst wird ohne diese selbst im größeren Ausmaß zu zerstören. Daneben bleibt aber auch hier noch ein gewisser Anteil an Faserbündel bestehen, die natürlich größere Abmessungen besitzen, wenn auch weit unter den zuvor beschriebenen.

Der so gewonnene Holzfaserstoff, auch TMP(Thermo-mechanical Pulp) oder Refinerfasern genannt, kann daher bezüglich der Längen seiner Faserbestandteile einen weiten Bereich von 1/10 mm bis zu 35 mm oder mehr aufweisen, wobei allerdings der Mittelwert im Bereich etwas unterhalb der natürlichen Länge der Einzelfaser zu liegen kommt, so etwa beispielsweise zwischen 2 mm und 4 mm. Eine ähnlich weit ausladende Normalverteilung gilt für deren Durchmesser. Alle industriell aus dem Stammholz von Bäumen isolierten Holzfasern bleiben somit in Ihrer Länge deutlich hinter den aus den übrigen Faserpflanzen isolierten Faserbündeln zurück.

Ein entscheidender Vorteil der Holzfaser ist deren weltweite Versorgungssicherheit. So betrug laut FAO 2005 die weltweite Produktion von Holzfasern alleine für Zellstoff und Faserplatten ca. 440 Mio Tonnen, während sich die produzierten Mengen von Hanf, Flach, Jute, Kenaf und Sisal zusammen nur auf ca. 5 Mio Tonnen summierten. Zudem stehen Holzfasern ohne die für saisonal angebaute Faserpflanzen typischen Schwankungen im Ernteerfolg zur Verfügung.

Nun werden in der Schutzrechtsliteratur, welche die Verarbeitung und Vorbehandlung von Naturfasern für nachfolgende Dosiervorrichtungen beschreibt, beispielsweise in Extrusionsanlagen, einerseits Holzfasern, beispielsweise Refinerfasern aus thermo-mechanischer Aufschließung, nicht erwähnt und deren Besonderheiten im Vergleich zu anderen Naturfasern somit nicht berücksichtigt, andererseits aber auch für die zitierten Naturfasern gar keine Aussagen zur Art der Faservorbehandlung getroffen, so etwa in den Veröffentlichungen CA 2565260 Al oder CA 2 584 888 (Al). Dies ist aber, wie oben dargelegt zumindest im Fall von Holzfasern, notwendig. T13288

Denn die typischen Eigenschaften von selbst kurzen Holzfasern, sich zu krümmen, zu verhaken, zu Knäuel zusammenzuschließen usw. unterscheidet diese wesentlich von geschnittenen Fasern aus Faserpflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum. Da letztere, wie oben ausgeführt, aus gestreckten Faserbündel mit Längen von bis zu 30 oder 60 cm stammen, ist es vor deren Zuführung zu Dosierapparaten oder ähnlichen Vorrichtungen zur kontrollierten Materialabgabe geradezu notwendig, die langen Stränge zu kürzen, da diese sich sonst auch mit Hilfe von Abstreif-, Abkämm-, Stift- oder Dosierwalzen nicht weiter verarbeitet werden könnten. Durch das Schneiden, insbesondere auch durch das Kurzschneiden, kann hier aber Material mit relativ geraden Faserabschnitten gewonnen werden, wodurch ein kontrolliertes Abführen durch die Austragungsvorrichtung von Dosierbehältern oder sogar ein selbsttätiges Abrieseln sowie ein pneumatisches Abführen ermöglicht wird. Dies wird entweder durch geeignete Schnittmaschinen oder beispielsweise auch durch Ballenfräsen, welche lagenweise Fasermaterial von Pressballen abnehmen, erreicht.

In diesem Zusammenhang bildet die Patentanmeldung AT 504 709 Al kein Verfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung, da die darin bekannt gemachte Vorrichtung zur Zugabe von Komponenten an eventuell im Aufnahmebehälter vorliegende Holzfasern bereits selbst der Vermischung dient. Auch hier bleibt aber unklar, in welcher Gestalt die Holzfasern eingefüllt werden, da nicht nachvollzogen werden kann, wie die Holzfasern im Aufnahmebehälter in eine "stückige oder teilchenförmige" Form übergehen bzw. als solche dort vorliegen sollen.

In der Patentschrift DE 101 21 034 B4 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der unter anderem Fasermaterial mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit dergestalt in einen Massenstrom überführt werden soll, dass damit ein Extruder zur Herstellung von thermoplastischem Compound beschickt werden kann. Aus dem beschreibenden Teil samt angeführten Beispiel geht hervor, dass der Betrieb mit bereits gekürzten Fasern bzw. Kurzschnittfasern aus Pflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum - in diesem Fall Flachs mit Längen zw. 1-15 mm (mittlere Faserlänge 6 mm) - gestaltet wurde. Ähnliche typische Längenangaben für diese Fasersorten finden sich in weiteren Veröffentlichungen.

Tatsächlich ist es aber im Fall von Holzfasern, beispielsweise Refinerfasern aus thermo-mechanischer Aufschließung, nicht möglich, eine für Flachs oder ähnliche Langfasern übliche Vorbehandlung durch Fräsen oder Schneiden bis zur Μ ·* T13288 ·· ··

annähernden Rieselfähigkeft durchzuführen, ohne dass dadurch nicht auch eine äußerst starke Verkürzung des im Vergleich zu den restlichen Naturfasern ohnehin schon kürzeren Holzfasermaterials einhergeht, die faktisch einer Vermahlung und Auftrennung bis zur Einzelfaser gleichkommt, womit die mittlere Faserlänge von beispielsweise 2-4 mm weiter stark reduziert werden würde.

Mit durchaus schon seit längerer Zeit bekannten Methoden zur Aufschließung von Fasermaterial im Zusammenhang mit nachfolgender Dosierung zur Herstellung von thermoplastischem Compound beschäftigt sich die Patentschrift DE 102 14 654 B4. Allerdings werden auch hier im Zuge der beschriebenen Öffnung und Auflösung von Faserballen mit Ballenfräse oder mit Shredder samt nachfolgender Hammer- oder Schneidmühle keine Aussagen über die Art der erreichten Umformung, die damit einhergehenden Veränderungen in der Faserstruktur und insgesamt über den Zustand des Fasermaterials nach der Aufbereitung getroffen. Aufgrund der Begriffe "vorzerkleinert" und "aufgelöst" kann jedoch erkannt werden, dass dieses Verfahren für solches Fasermaterial vorgesehen ist, welches nach Durchlauf durch die Hammer- oder Schneidmühle annähernd in Einzelfasern überführt und sodann abgesaugt werden kann. Dies mag, wie zuvor beschrieben, für kurzgeschnittene Fasern aus Pflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum, beispielsweise Flachs oder Hanf, gelten, würde aber bei Holzfasern direkt zu einer Kürzung bis weit unter die ohnehin schon geringe mittlere Faserlänge von 2 -4 mm führen. Folglich verwundert es nicht, dass in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen einerseits Versuche mit den schon mehrfach erwähnten Flachsfasern, hier mit 6-8 mm Länge, andererseits aber mit Synthesefasern aus PET angeführt werden. Insgesamt erscheint der 2stufige Aufbereitungsprozess mit Shredder und nachfolgender Hammer- oder Schneidmühle aufwändig, unwirtschaftlich und ist auch in technischer Hinsicht für Holzfasern nicht geeignet. Holzfasern können weiters nicht in der beschriebenen Ausgestaltung als lose Fasern zur Verfügung stehen, wohl aber Schnitt- oder Kurzschnittfasern aus Pflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum. Zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass die unter dem Punkt Faserdosierung als geeignet zitierten gravimetrischen Dosiervorrichtungen spezielle Bauarten für Fasermaterial, insbesondere für Kurzschnittfasern aus Pflanzen ohne sekundärem Dickenwachstum, darstellen und daher nicht mit den herkömmlichen Vorrichtungen im Vorfeld von Extrusionsanlagen gleichgestellt werden können. Dies bedeutet, dass neben umfangreichen und aufwändigen

Aufschließungsverfahren für das Fasermaterial auch eigene Vorrichtungen zur Dosierung heranzuziehen sind, womit die Wirtschaftlichkeit gegenüber WPC-Compound aus Holzmehl weiter zurückfällt.

Aus dem bisher dokumentierten Stand der Technik zu Verfahren oder Vorrichtungen, welche eine kontinuierliche Dosierung von Naturfasern beschreiben, ist zusammenfassend unmittelbar ersichtlich, dass Holzfasern, beispielsweise Refinerfasern aus thermo-mechanischer Aufschließung, einerseits nicht erwähnt und deren Besonderheiten im Vergleich zu anderen Naturfasern nicht berücksichtigt wurden, andererseits kann aus den zitierten Schriften aber auch abgeleitet werden, dass solche Holzfasern mit den beschriebenen Verfahren gar nicht verarbeitet werden können, ohne nicht auch deren Ausgestaltung und Faserstruktur stark zu verändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System zur Aufbereitung von Holzfasern bereitzustellen, sodass diese in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand überführt werden, wobei die typische Faserstruktur weitgehend erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, durch ein Holzfasermaterial, durch ein Extrudat, durch ein Faserverbundprodukt und durch eine Anordnung zur Behandlung von Holzfasern mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand geschaffen, wobei bei dem Verfahren ein zusammenhängendes Ausgangsmaterial aus Holzfasern durch eine Portioniervorrichtung mit einem bewegten Werkzeug in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen unter weitgehender Beibehaltung der Faserstruktur aufgeteilt wird.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Holzfasermaterial bereitgestellt, hergestellt entsprechend einem Verfahren mit den oben beschriebenen Merkmalen.

Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Extrudat bereitgestellt, hergestellt entsprechend einem Verfahren mit den oben beschriebenen Merkmalen. T13288

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Faserverbundprodukt geschaffen, hergestellt aus einem Holzfasermaterial mit den oben beschriebenen Merkmalen oder aus einem Extrudat mit den oben beschriebenen Merkmalen.

Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Anordnung zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand bereitgestellt, wobei die Anordnung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines zusammenhängenden Ausgangsmaterials aus Holzfasern und eine Portioniervorrichtung mit einem bewegten Werkzeug aufweist, die eingerichtet ist, das zugeführte zusammenhängende Ausgangsmaterial aus Holzfasern in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen unter weitgehender Beibehaltung der Faserstruktur aufzuteilen.

Als „Holz" kann insbesondere das feste oder harte Gewebe der Sprossachsen (Stamm, Äste, Zweige) von Bäumen angesehen werden. Holz kann insbesondere als Material angesehen werden, das (insbesondere in signifikantem Umfang) Lignin in die Zellwand einlagert.

Unter einer „Faser" kann im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere eine Struktur verstanden werden, die ein Verhältnis von Länge zur Breite (aspect ratio bzw. Schlankheitsgrad) von größer als 10, insbesondere größer als 20, aufweist. Fasern sind im Unterschied zu Spänen daher langgestreckte Strukturen. Holzfasern können einen Schlankheitsgrad von im Mittel zwischen 20:1 und 80:1 aufweisen, wobei bis zu 100:1 oder mehr erreicht werden kann. Holzfaserbündel können Abmessungen von 20.000 : 1.000 pm zeigen, während die anatomische Holzfasereinzelzelle etwa ein Verhältnis von ca. 5.000 : 50 pm aufweist.

Unter einer „weitgehenden Beibehaltung der Faserstruktur" kann insbesondere verstanden werden, dass infolge des erfindungsgemäßen Verarbeitungsprozesses in den Portionen die Holzfasern immer noch eine Faserstruktur aufweisen, insbesondere ein Verhältnis von Länge zur Breite (aspect ratio bzw. Schlankheitsgrad) von größer als 10, insbesondere größer als 20. Bei einer weitgehenden Beibehaltung sollten zumindest 80 Masseprozent, insbesondere zumindest 90 Masseprozent, der Holzfasern in den Portionen solche Aspektverhältnisse aufweisen. Vorzugsweise haben zumindest 90 Masseprozent der Holzfasern in den Portionen ein Aspektverhältnis von größer als 10 und zumindest 80 Masseprozent der Holzfasern in den Portionen ein Aspektverhältnis T13288 von größer als 20. Anders ausgedrückt wird durch das erfindungsgemäße Behandeln die typische Faserstruktur im Wesentlichen kürzungsfrei beibehalten und nicht vermahlen.

Als „Thermoplaste” können insbesondere Kunststoffe angesehen werden, die sich bei Wärme verformen und beim Erkalten seine Form beibehalten.

Beispiel für Thermoplaste sind Polypropylen oder Polyethylen. Thermoplaste, auch Plastomere genannt, sind daher Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung wiederholt werden.

Als „Duroplaste”, auch Duromere genannt, können insbesondere Kunststoffe angesehen werden, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können.

Unter einer „Dosierung” wird insbesondere eine kontrollierte und innerhalb regelbarer Grenzen gleichmäßige Zu- oder Abgabe verstanden.

Als „Mühlen" werden insbesondere mechanische Zerkleinerungsgeräte durch Schlagen oder Reiben verstanden. In einer Hammermühle können schlagende Metallstäbe eingesetzt werden. In einer Kugelmühle können Kugeln mit Mahlgut in einer Trommel eingesetzt werden. Auch Doppelstrommühlen können erfindungsgemäß eingesetzt werden.

Unter einem „Hacker” kann ein mechanisches Zerkleinerungsgerät unter Einsatz von einem Messer oder einer Messeranordnung verstanden werden. Ein „Scheibenhacker" kann ein Hackmesser aufweisen, das auf einer Scheibe radial angeordnet ist. Ein „Trommelhacker'' kann ein Hackmesser, wie bei einem Hobelkopf, auf einer zylindrischen Trommel aufweisen. Messerringzerspaner können ebenfalls eingesetzt werden.

Eine „Schneidmühle" kann ebenfalls eingesetzt werden und hat eine

Funktion wie ein Hacker. Das Gut wird hier zwischen einem Rotormesser und einem fixem Gegenmesser zerkleinert.

Bei einer „Messermühle" werden nur rotierende Messer eingesetzt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zur Überführung von Holzfasern in einen mit Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand geschaffen, wobei die typische Faserstruktur weitgehend erhalten bleibt. Weiters sind erfindungsgemäß ein mit diesem Verfahren aufbereitetes

Holzfasermaterial sowie ein daraus hergestelltes Extrudat in Form von granuliertem Compound, von Profilen oder von Spritzgussteilen bereitgestellt.

Durch die Aufteilung kleine, diskrete, in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare und somit dosierbare Faserportionen mittels eines bewegten (zum Beispiel translatorisch oder rotatorisch bewegten) Werkzeuges samt Lochplatte kann eine Dosiervorrichtung das so aufbereitete Material in reproduzierbarer Form austragen, wobei die Faserstruktur weitgehend erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß ist das lange bestehende technische Problem gelöst worden, speziell Fasern aus Holz (die zum Beispiel als zusammenhängender Pressballen vorliegen können), in Portionen vorgebbarer Eigenschaften (zum Beispiel hinsichtlich Größe und/oder Form) zu zerlegen, was für eine dosierbare Weiterverarbeitung der Portionen (zum Beispiel in einem Extruder) wichtig ist. Holzfasern sind aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit ein bevorzugtes Material, das aber nicht rieselfähig ist und daher herkömmlich schwierig portionierbar war. Durch ein bewegtes Messer kann der Ballen aufgeteilt werden und bei Erreichung einer vorgebbaren Portionsgröße, zum Beispiel mittels einer Lochplatte, einer nachgeschalteten Dosiereinrichtung zugeführt werden. Da die vorgeschaltete Apparatur bereits Portionen definierter Eigenschaften als dosierbare Einheiten liefert, kann erfindungsgemäß auch eine herkömmliche Dosiereinrichtung eingesetzt werden, was eine eigene Entwicklung entbehrlich machen kann.

Obwohl sich der Stand der Technik schon mit der Dosierung und der eventuell vorangehenden Vorbehandlung von faserförmigen Materialen oder Naturfasern im allgemeinen befasst, so bietet keines der darin genannten Verfahren oder deren Vorrichtungen eine geeignete Möglichkeit zur Überführung von Holzfasern in einen mit Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, wobei die typische Faserstruktur weitgehend erhalten bleiben soll und keine starke Verkürzung des Fasermaterials damit einhergeht.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren geschaffen, welches zur Überführung von Holzfasern, beispielsweise Refinerfasern aus thermomechanischer Aufschließung, in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand geeignet ist, gekennzeichnet dadurch, dass ein kompaktiertes oder sonstwie zusammenhängendes Ausgangsmaterial durch eine Portioniervorrichtung in kleinere, diskrete, in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare und somit dosierbare Faserportionen aufgeteilt wird und die typische Faserstruktur weitgehend erhalten bleibt.

Da es, wie oben dargestellt, im Fall von Holzfasern, beispielsweise Refinerfasern aus thermo-mechanischer Aufschließung, nicht möglich ist, eine für Flachs oder ähnliche Langfasern übliche Vorbehandlung durch Fräsen oder Schneiden bis zur annähernden Rieselfähigkeit durchzuführen, ohne dass dadurch nicht auch eine äußerst starke Verkürzung des Holzfasermaterials einhergeht, die faktisch einer Vermahlung und Auftrennung bis zur Einzelfaser gleichkommt, womit die mittlere Faserlänge von beispielsweise 2-4 mm weiter stark reduziert werden würde, wird hier vorgeschlagen, das kompaktiertes oder sonstwie zusammenhängende Ausgangsmaterial dergestalt in kleinere, diskrete Faserportionen aufgeteilt wird, sodass diese von der Austragungsvorrichtung eines Dosiertrichters, beispielsweise einer lfach-Schnecke, ohne Probleme erfasst und ausgetragen werden können. Dabei kann der Portionierprozess so gewählt werden, dass Faserportionen von einheitlicher Form und Größe entstehen.

Zur Erreichung von reproduzierbarer Form und Größe ist die Vorgabe eines festen Größenmaßes notwendig. Dies kann in geeigneter Art und Weise durch eine Lochplatte, welche konstant große Lochstanzungen in einer Trägerplatte, beispielsweise einer Metallplatte, aufweist, erreicht werden. Durch den Austausch der Lochplatte ist das Verfahren hinsichtlich der Portionsgrößen änderbar. So können beispielsweise die Öffnungen zwischen 6 und 16 mm in 2-mm-Stufen gewählt werden, liegen also stets weit über der typischen, mittleren Länge von Holzfasern aus Refinerprozessen. Diese Lochplatte kann in Form und Lage dem Eingriffsbereich eines vorgeschalteten, sich in wiederholenden Schritten bewegenden Werkzeuges dergestalt angeschmiegt werden, sodass der Eingriffsbereich mit genügendem Abstand nach unten hin von der Lochplatte begrenzt wird. Das Werkzeug nimmt nun durch die Bewegung von einem anstehenden Pressballen Material ab und streift dieses so lange über die Lochplatte, bis sich Portionen geformt haben, welche durch die Lochstanzungen fallen. Das Werkzeug kann beispielsweise Rotationsbewegungen ausführen, wobei der Eingriffsbereich einen Flugkreis abbildet. In diesem Fall ist es möglich, dieses aus Schneidmessern zu formen oder mit solchen zu bestücken. Es kann weiters einen Walzenkörper darstellen, welcher in geeigneter Weise mit Stacheln, Stiften oder Kämmen bestückt ist. Die Walze kann somit z.B. Kämme, Stifte, T13288 » · * · • · ΐ2 :

Riffeln, Stacheln oder Ähnliches an der Oberfläche aufweisen. Holzfasern, insbesondere Refinerfasern aus thermo-mechanischen Aufschließungsprozessen, werden für einen wirtschaftlichen Transport in verdichteter Form in sogenannten Pressballen mit ca. 250 - 300 kg/m3, und zum Beispiel mit typischen Abmessungen in Abstimmung mit Palettenmaßen von zum Beispiel 0,7 x 1,1 x 1,2 m (L * B * H), gehandelt. Ein solcher Pressballen oder Teile davon können durch eine geeignete Fördervorrichtung, insbesondere einem Förderband, in einen Einfüllstutzen, welcher oberhalb oder vor dem rotierenden Werkzeug angebracht ist, gefüllt werden.

Im Gegensatz zur notwendigen Kürzung der Langfasern aus Pflanzen ohne sekundärem Dicken Wachstum ist allerdings im vorliegenden Fall das rotierende Messerwerkzeug, beispielsweise jene eines Trommelhackers oder eine Schneidmühle, nicht zur Kürzung von ansonsten unverarbeitbaren Langfasern vorgesehen, vielmehr soll das kompaktierte oder sonstwie zusammenhängende Ausgangsmaterial aus Holzfasern nur in dosierbare Faserportionen aufgeteilt werden. Eine allfällige Kürzung ist nur dort notwendig, wo überlange Faserbündel mit Längen weit über dem beschriebenen Mittel getrennt werden müssen, um die Aufteilung in Faserportionen zu erreichen.

Das Werkzeug kann weiters Translationsbewegungen ausführen, um vom anstehenden Holzfasermaterial Faserbrocken abzunehmen und um diese bis zur Formung geeigneter, durch die Lochplatte abtransportierbarer Faserportionen zu bearbeiten.

Die daraus hervorgehenden Faserportionen sollten gerade klein genug sein, um später einen stabilen, kontinuierlichen Austrag aus einer Dosiervorrichtung samt Übergabe in eine nachfolgende Verarbeitungseinheit zu ermöglichen.

Jedoch sollte die Portionierung nicht zu klein gewählt werden, um keine allzu starken Faserkürzungen als unerwünschten Nebeneffekt zu erhalten. In Versuchen hat sich gezeigt, dass ein geeignetes Größenband beispielsweise durch Lochöffnungen zwischen 6 und 16 mm gewählt werden kann.

Eine solche Dosiervorrichtung kann beispielsweise bei die Vermischung des nach obigem Verfahren aufbereiteten Holzfasermaterials mit thermoplastischen Polymeren und / oder Additiven in einem Extrusionsprozess verwendet werden (bei anderen Verarbeitungsprozessen kann auch ein duroplastisches Material zum Einsatz kommen). In diesem Fall ist die gewählte Größe der Portionieröffnungen in der Lochplatte auch für einen stabilen Prozess und vor allem die zu erzielende • ·

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Homogenität der Holzfaser-Polymer-Schmelze entscheidend. Ein so gewonnener thermoplastischer Kompositwerkstoff hat gegenüber üblichen WPC-Kompositen mehrere Vorteile. Da der Holzanteil nicht in Form kubischer Holzpartikel (Holzmehl oder Holzspäne) sondern faserförmig vorliegt, weist der Werkstoff bessere mechanische Werte bezüglich Festigkeit und der Elastizitätsmoduli auf. Weiters stammen die Holzfasern aus industriellen Prozessen und können daher im Hinblick auf den für die Extrusion gewünschten Feuchtigkeitsgehalt bereits im Herstellprozess nach Kundenwunsch getrocknet werden. Demgegenüber müssen Holzspäne für die WPC-Produktion, welche meist als Abfallprodukt der Holzindustrie zur Verfügung stehen, aufwändig gesichtet und nachgetrocknet werden. Insgesamt sind die Gestehungskosten für Holzspäne zur WPC-Produktion beträchtlich höher als jene von Holz-Refinerfasern.

Weiters bietet die hier beschriebene Aufteilung des Holzfasermaterials in vorherbestimmbare Faserportionen die Möglichkeit, das aufbereitete Material auf einfachen volumetrischen Dosiervorrichtungen zu dosieren. Hierfür können gravimetrische Dosiervorrichtungen eingesetzt werden. Dabei übernimmt eine Waage am Boden der Dosiervorrichtung eine ständige Überwachung der ausgetragenen Masse pro Zeiteinheit Am/At, um jene Schwankungen in der Dosierleistung gering zu halten, welche durch die typischen Eigenschaften von uneinheitlichen Korn- oder Materialgrößen entstehen. Durch die Aufteilung des Holzfasermaterials in einheitliche Faserportionen kann nun der volumetrische Austrag genügend konstant gehalten zu werden, sodass noch hinreichende Homogenitäten in den nachfolgenden Prozessen gewährleistet werden.

Beispiele für ein Faserverbundprodukt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Automobilverkleidungen (zum Beispiel Profile oder Spritzgussteile), Flugzeugverkleidungen, Möbelteile (zum Beispiel Sesselleisten, Bodenleisten), Paneele und sonstige Verkleidungselemente für den Innenbereich und für den Außenbereich (zum Beispiel Terassenböden oder Fassadenprofile). Andere Anwendungsgebiete sind möglich.

Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen: • · * ♦ ·· 4

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Fig. 1 eine Anordnung zum Durchführen eines Verfahrens zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ein Diagramm, das eine typische Siebkennlinie unbehandelter Refiner-Holzfasern der Erfindung darstellt.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Bilder von Faserportionen, wie sie ausgehend von einem Ballen unbehandelter Holzfasern gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung gewonnen werden können.

Fig. 5 zeigt einen Ballen unbehandelter Holzfasern, der gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung portionierbar ist.

Die Darstellungen der Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 100 zur Faserportionierung, beispielsweise mit einer Schneidmühle 102 und nachfolgender Dosierungseinrichtung 104 mit Einfachschnecken-Austrag gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Anordnung 100 ist zur Überführung von Holzfasern in einen durch die Dosiervorrichtung 104 verarbeitbaren Zustand bereitgestellt. Die Anordnung 100 einhält ein Förderband als eine Zuführeinrichtung 106 zum Zuführen von Pressballen 108 als ein zusammenhängendes Ausgangsmaterial aus Holzfasern zu der Portioniervorrichtung 110 mit dem bewegten Werkzeug 102. Die Portioniervorrichtung 110 ist eingerichtet, das zugeführte zusammenhängende Ausgangsmaterial 108 aus Holzfasern in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen 112 unter Beibehaltung der Faserstruktur aufzuteilen. Die Größe wird durch Lochplatte 114 definiert. Die am Ausgang der Dosierungseinrichtung 104 bereitgestellte dosierte Menge von Faserportionen 112 kann dann einer nachgeschalteten, nicht gezeigten Mischeinrichtung zugeführt werden. Hier können die Faserportionen 112 zum Beispiel mit Kunststoff gemischt werden. Diese Mischung kann dann einem nicht gezeigten Extruder zum Herstellen eines Faserverbundprodukts zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Siebkennlinie zur Darstellung der Längenverteilung im unaufbereiteten Holzfasermaterial (Refinerfasern aus thermo-mechanischem Aufschluss).

Fig. 5 zeigt ein Foto zur Darstellung der Zusammensetzung von unbehandeltem, kompaktiertem (in Pressballen befindlichem) Holzfasermaterial.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Fotos mit Fasermaterial nach Portionierung des Hoizfaserrohmaterials gemäß Fig. 5 entsprechend dem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (deutlich erkennbar die "Bällchen-Struktur").

Im Weiteren wird ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Beispielsweise kann Holzfasermaterial, welches durch ein thermomechanisches Aufschließungsverfahren aus Nadelhölzern mit Hauptanteil Fichte, Tanne und Kiefer gewonnen wird, welches weiters einen Feuchtegehalt zwischen 8-12 % und laut Siebanalyse eine Längenverteilung zwischen wenigen 1/10 mm bis max. 30 mm, zu ca. 66 % aber zwischen 1 und 6 mm mit einer mittlere Länge von ca. 3 mm und einer aspect ratio zwischen 20 - 80 aufweisen kann und in verdichteter Form als Pressballen mit einer Dichte von ca. 280 kg/m3 vorliegen kann, in den Einfüllstutzen einer Vorrichtung mit rotierendem Werkzeug, beispielsweise einer Schneidmühle gegeben werden. In verschiedenen Verarbeitungsgängen kann das Holzfasermaterial durch austauschbare Lochplatten mit unterschiedlich großen Öffnungen in leicht dosierbare Faserportionen, welche hauptsächlich die maximale die Größe der Sieböffnung aufweisen, jedoch auch jede darunterliegende Größe bis hin zur Einzelfaser annehmen können, aufgeteilt werden.

Bei Öffnungen von 12 mm Durchmesser kann somit aufbereitetes Holzfasermaterial mit einer Schüttdichte von ca. 0,02 kg/dm3 gewonnen werden, während diese bei Öffnungen von 8 mm Durchmesser ca. 0,04 kg/dm3 betragen kann.

Die Schüttdichte hat wiederum insofern direkte Auswirkungen auf die Dosierleistung, als bei gleichbleibender Drehzahl der Austragungsvorrichtung die Austragsmengen im etwa gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Schüttdichten, wobei die Mengen mit höheren Schüttdichten ansteigen.

Das so aufbereitete Holzfasermaterial kann in eine gravimetrische oder volumetrische Dosiervorrichtung im Vorfeld eines 2-Schnecken-Extruders geleitet werden und in einer üblichen WPC-Rezeptur mit beispielsweise 60 % Holzfaseranteil, 37 % PP-Granulat (insbesondere mit MFR bei 8 g/10 min) und 3 % Additiv (beispielsweise Maleinsäureanhydrid als Haftvermittler) extrudiert werden.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl T13288 * · · · · ν *· · φ » · • · · · · · 16 · + · · * I · * ·#« *"r · I *·4 • · · * · · * · · von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch macht.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims (24)

1. ·· «· T13288 ·» ·· ♦ · * Patenta nsprüche 1. Verfahren zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, wobei bei dem Verfahren ein zusammenhängendes Ausgangsmaterial aus Holzfasern durch eine Portioniervorrichtung mit einem bewegten Werkzeug in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen unter weitgehender Beibehaltung der Faserstruktur aufgeteilt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufteilung des Ausgangsmaterials aus Holzfasern in dosierbare Faserportionen durch die Größe von Öffnungen in einer als Portioniervorrichtung fungierenden Lochplatte eingestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei neben den vorherbestimmbaren Faserportionen auch alle kleineren Faserportionen bis hin zur Einzelfaser im aufbereiteten Holzfasermaterial enthalten sein können.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, wobei die Lochplatte unterhalb eines Eingriffbereiches des bewegten Werkzeuges angeordnet wird und einen Arbeitsraum des Werkzeuges nach unten hin abschließt.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, wobei die Aufteilung in dosierbare Faserportionen durch ein vor der Lochplatte laufendes rotierendes Werkzeug erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Aufteilung in dosierbare Faserportionen durch Schneidmesser eines Trommelhackers, Schneidmesser einer Schneidmühle oder eine zur Aufteilung geeignete Oberfläche eines walzenförmigen Werkzeuges erfolgt.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei das zusammenhängende Holzfasermaterial in verdichteter Form, insbesondere als Pressballen, der Portioniervorrichtung zugeführt wird.
8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei das portionierte Holzfasermaterial einer Dosiervorrichtung zugeführt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Dosiervorrichtung eine Vermischeinrichtung zur Vermischung des dosierten portionierten Holzfasermaterials mit zumindest einer weiteren Komponente nachgeschaltet ist.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zumindest eine weitere Komponente einen thermoplastischen Kunststoff aufweist, und die Mischung einem Extrusionsprozess zugeführt wird.
11. 11. Verfahren nach Ansprüchen 8 bis 10, wobei die Dosiervorrichtung einen Vorratstrichter samt Dosierregelung und Materialaustrag aufweist.
12. 12. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 11, wobei die zumindest eine weitere Komponente thermoplastische Polymere und/oder Additive aufweist.
13. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, wobei die Dosiervorrichtung eine gravi metrische Dosierung durchführt.
14. 14. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, wobei die Dosiervorrichtung eine volumetrische Dosierung durchführt.
15. 15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, wobei bei dem Verfahren ein zusammenhängendes Ausgangsmaterial aus Holzfasern durch eine Portioniervorrichtung mit einem bewegten Werkzeug in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen unter Beibehaltung der Faserstruktur aufgeteilt wird.
16. 16. Holzfasermaterial, hergestellt entsprechend einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9. 19 : T13288
17. 17. Holzfasermaterial nach Anspruch 16, wobei das Holzfasermaterial Schüttdichten zwischen 0,015 kg/dm3 und 0,1 kg/dm3, insbesondere Schüttdichten zwischen 0,02 kg/dm3 und 0,04 kg/dm3, aufweist.
18. 18. Extrudat, hergestellt entsprechend den Ansprüchen 10 bis 17.
19. 19. Extrudat nach Anspruch 18, ausgebildet in Form eines granulierten Compounds, eines Profils oder eines Spritzgussteils.
20. 20. Extrudat nach Anspruch 18 oder 19, wobei der Holzfaseranteil in dem Extrudat einen Massenanteil am Gesamtkomposit zwischen 20 % und 80 %, insbesondere zwischen 50 % und 70 %, einnimmt.
21. 21. Faserverbundprodukt, hergestellt aus einem Holzfasermaterial gemäß Anspruch 16 oder 17 oder aus einem Extrudat gemäß Ansprüchen 18 bis 20.
22. 22. Anordnung zur Überführung von Holzfasern in einen durch Dosiervorrichtungen verarbeitbaren Zustand, wobei die Anordnung aufweist: eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines zusammenhängenden Ausgangsmaterials aus Holzfasern; eine Portioniervorrichtung mit einem bewegten Werkzeug, die eingerichtet ist, das zugeführte zusammenhängende Ausgangsmaterial aus Holzfasern in kleinere, diskrete und in Größe und Eigenschaften vorherbestimmbare Faserportionen unter weitgehender Beibehaltung der Faserstruktur aufzuteilen.
23. 23. Anordnung nach Anspruch 22, aufweisend eine Dosiereinrichtung zum Dosieren einer vorgebbaren Menge des portionierten Holzfasermaterials.
24. 24. Anordnung nach Anspruch 23, aufweisend eine Einheit zur Vermischung der vorgebbaren Menge des portionierten Holzfasermaterials mit einer weiteren Komponente, und aufweisend einen Extruder, mit dem die Mischung einem Extrusionsprozess zuführbar ist.