Expansions-verhalten in der Heißpresse
In den Kapitel 0und 5.9 wurde beschrieben, dass erhebliche Unterschiede im Expansionsverhalten der papierbasierten Schaum-Precursoren bestehen, je nachdem ob das Material bei Temperatureinwirkung ohne Gegendruck oder mit Gegendruck expandiert wird. Außerdem spielt die Feuchte des papierbasierten Schaum-Precursors eine große Rolle bei der Expansion.
Während sich Schaum-Precursoren noch hohem Feuchtegehalt oder wieder künstlich erhöhtem Feuchtegehalt bei Temperatureinwirkung ähnlich verhalten wie pulverförmige Mikrosphären, zeigt sich bei trockenen Precursoren ein gänzlich anderes Bild.
Bedingt durch den Herstellungsprozess von Holzwerkstoffen sind
Presstemperaturen zwischen 130°C und etwa 160°C die Regel, vereinzelt wird sogar mit Presstemperaturen von 200° und mehr gearbeitet. Die hohen
Temperaturen sind erforderlich, um die Klebstoffe in der Holzfraktion
auszuhärten. Bei den hohen Temperaturen kommt es zwangsläufig zu einer Verdampfung des in der Papiermatrix enthaltenen Wassers. Der Wasserdampf strömt dabei in Richtung Plattenmitte. Die trockene Papiermatrix bildet
besonders starke Wasserstoffbrückenbindungen aus und setzt der Expansion der eingebundenen Mikrosphären einen großen Widerstand entgegen.
Die ausgehärteten Decklagen weisen eine geringe Wasserdampfpermeabilität auf. Der Wasserdampfdruck im Inneren der Schaumprecursoren steigt und führt beim langsamen Öffnen der Presse und der dabei stattfindenden Expansion zu Delaminationen zwischen den Lagen.
Es konnte ein geeignetes Pressprogramm entwickelt werden, nach dem zufriedenstellende Platten hergestellt werden konnten. Auch wenn die hergestellten Platten verfahrenstechnisch gut zu handhaben sind, ist das Handling der Papiere durch den Verzicht auf einen Großteil der Additive erschwert.
Verbundbildung zwischen Holz und Schaum
Eine gute Verbundbildung zwischen Holz und Schaum ist die Voraussetzung für gute Querzug-Eigenschaften. Diese werden bei Holzwerkstoffen üblicherweise als Internal Bond bezeichnet. Bedingt durch die unsymmetrische Stoffverteilung in den mit Mikrosphären beladenen Papieren kann es zu Problemen bei der Verbundausbildung kommen.
Verbundbildung zwischen Schaum und Schaum
Gleiches gilt im Prinzip für die Verbundausbildung zwischen der übereinander gelegten expandierbaren Papierlagen. Nur wenn sich zwischen den Lagen ein guter Verbund ausbildet, werden ausreichende Querzüge erreicht.
Bewertung Aus den durch die Forschungsstelle 1 hergestellten expandierbaren Papieren konnten, wie ursprünglich geplant, in einem einzigen Prozessschritt
Holzwerkstoffe mit Schaumkern hergestellt werden. Allerdings sind die erzielten Ergebnisse derzeit noch nicht wirklich befriedigend.
6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 6.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen
Papierbasierter
Schaum-Precursor
Die verschiedenen im Projekt getesteten Verfahren der Herstellung von papierbasierten Schaum-Precursoren sind mehr oder weniger weit von der industriellen Praxis entfernt.
Um die für eine ausreichende Expansionsfähigkeit notwendigen Anteile Mikro-Hohlkugeln in das Faser-Gefüge zu fixieren ist ein Mindestmaß an
Papierchemikalien notwendig. Der minimal notwendige Anteile von
Mikrohohlkugeln im Verbund ist mit ca. 70% anzusetzen. Dieser hohe Füllgrad der Papiere bedingt auf der Gegenseite eine nur noch minimal ausgeprägte Papierfestigkeit. (siehe Abbildung 23) Eine weitere Zugabe von nass- bzw.
trockenfestigkeitssteigernder Additive wiederum bewirkt eine Einschränkung der Expansionsfähigkeit und ist als nicht zielführend anzusehen.
Bedingt durch den hohen Füllgrad, der hohen Flächengewichte und durch die notwendige homogene Verteilung der Mikrohohlkugeln in Z-Richtung ist nur eine einlagige Papierherstellung mit aufgrund der Entwässerungsproblematik sehr niedrigen Geschwindigkeiten realistisch.
Die Trocknung der Papiere muss auf einem alternativen Weg zur konventionellen Kontakttrocknung auf Trockenzylindern erfolgen.
Holzwerkstoffe mit Schaumkern
Aus Vorversuchen mit in Pulverform in die Mittellagen von Holzwerkstoffmatten eingestreuten Mikrosphären ist bekannt, dass Schaumdichten um ca. 100 kg/m3 im Bereich des Möglichen liegen und hiermit sehr gute Ergebnisse hinsichtlich Verbund zwischen Holz und Schaum sowie innerhalb des
Schaumes erreicht werden können. Für plattenförmige Holzwerkstoffe wurde der Einsatz als zu teuer angesehen. Bei Preisen um 10 Euro je kg
Mikrosphären ergeben sich bei einem Volumenanteil von etwa 50% Schaum unrealistisch hohe Herstellungskosten.
Bei 2D- oder 3D-geformten Holzwerkstoffen mit reduziertem Gewicht stellt sich die Situation jedoch anders dar. Bisher können solche geformten Teile nur mit sehr hohen Dichten erzeugt werden. In bestimmten Einsatzbereichen, z.B.
Fahrzeugbau oder bei hochwertigen Sitzmöbeln, sind die Materialkosten von untergeordneter Bedeutung, wenn eine erhebliche Gewichtsreduktion erreicht und Freiheitsgrade bei der Gestaltung von Produkten geschaffen werden.
Derzeit ist es zu früh, eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anzustellen. Dies macht erst dann Sinn, wenn für die folgenden Problemebereiche Lösungen gefunden sind:
Reduzierte Expansionskraft Unsymmetrischer Aufbau
Unzureichender Holz/Schaum- bzw. Schaum/Schaum-Verbund
2D/3D-Holzwerkstoffe mit Schaumkern
Sowohl die Vertreter der Wirtschaft im projektbegleitenden Ausschuss als auch weitere Experten aus dem Kreis der Holzverarbeitung zeigten großes Interesse an den im Projekt gemachten Erfahrungen und an den Ergebnissen.
Hochwertige Holzformteile werden insbesondere von kleinen und mittleren Unternehmen hergestellt. Der Wunsch nach leichteren Werkstoffen bezieht sich nicht nur auf die plattenförmige Massenware sondern auch auf die 2- und 3 dimensional geformten Teile. Solche kommen zum Beispiel bei der Herstellung von Sitzschalen und Rückenlehnen von Stühlen für den Einsatz in Büros, in Bussen, Zügen und Bahnen zum Einsatz. Vor allem im Transportbereich wird der Gewichtseinsparungen ein hoher Stellenwert eingeräumt, da hierdurch über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges Energie eingespart werden kann und nicht nur in der Herstellungsphase.
Die Ergebnisse des Projektes erlauben Rückschlüsse darauf, welche der anfänglich vorgeschlagenen Herstellungsvarianten gangbar sind und nach entsprechender Optimierung zu einer wirtschaftlichen Umsetzung führen könnten.
Die Einbringung von expandierbaren Mikrosphären zwischen die Lagen von Tissue-Papier ist zwar technisch möglich. Allerdings zeigte sich in den Aufschäumversuchen unter den in Heizpressen üblichen Bedingungen, dass die Tissue-Lagen eine Trennschicht zwischen Schaummittellage und
Holzdecklage bilden. Der Expansionsdruck der Mikrosphären reicht
offensichtlich nicht, um die Tissue-Lage bei der Expansion zu zerstören. Der erzielbare Verbund zwischen Schaum und Holz war nicht ausreichend.
Bei den mit Mikrosphären beladenen Papieren stellte sich die Situation anders dar. Hier blieb die Expansionsfähigkeit der Schaumprecursoren bei den meisten Varianten hinter den Erwartungen zurück. Nur die Varianten, die mit extrem niedrigen Additivbeimengungen hergestellt wurden, ergaben zufriedenstellende Expansionen. Allerdings wird die gute Expansionsfähigkeit mit Problemen bei der Herstellung der Schaumprecursoren auf der Papiermaschine erkauft.
Erstmalige Erzeugung von expandierbaren Schaumprecursoren auf Papierbasis
Kenntniszugewinn hinsichtlich des Verhaltens von Mikrosphären in Stoffaufläufen und bei der Fliesbildung
Kenntniszugewinn bei der Trocknung von hochbeladenen Papieren, ohne dass diese expandieren.
Verbund-ausbildung
Der im Rahmen des Projektes erarbeitete Kenntniszugewinn hinsichtlich Holz/Schaum sowie Schaum/Schaum-Verbundbildung erlaubt es zu
entscheiden, in welcher Richtung die Entwicklung weiter vorangetrieben werden sollte.
Trennschichten wirken sich sehr negativ auf die Schaum/Schaum sowie Schaum/Holz Verbundausbildung aus. Expandierbare Mikrosphären sind offensichtlich nicht in der Lage die dünnen Trennschichten zu durchbrechen.
Bei den mit Mikrosphären beladenen Papieren wirken
6.2 Wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Wege zur Herstellung von Bahnen/Folien-förmigen Schaum-Precursoren identifiziert, beschrieben realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für das Expandieren im Rahmen eines Heizpressvorgangs erprobt. Hierbei wurden die Varianten Adhäsion von expandierbaren Mikrosphären an beidseitig beleimten Papieren sowie die Lokalisierung der Mikrosphären zwischen geprägten dünnen Tissue-Lagen als nicht gangbar/erfolgversprechend identifiziert.
Als eine Erfolg versprechende Lösung wurde die Herstellung von mit expandierbaren Mikrosphären hochbeladenen Papieren beschrieben. Im Rahmen der Herstellungsoptimierung konnten Prozessbedingungen ermittelt werden, mit deren Hilfe Papiere mit hoher Expansionsfähigkeit hergestellt werden können. Ob diese Papiere allerdings wirtschaftlich hergestellt werden können ist eher fraglich. Gründe hierfür sind der hohe Preis der expandierbaren Mikrosphären, die Notwendigkeit die im Nassverfahren hergestellten beladenen Papiere bei Temperaturen weit unter 100°C trocknen zu müssen, um eine vorzeitiges Expandieren der Mikrosphären zu verhindern.
Das Umsetzungspotenzial zur Herstellung von 2D/3D-Holzformteilen mit Schaumkern in einem Herstellungsschritt wurde bewertet. Durch Verwendung der im Rahmen des Projektes entwickelten Technik ist es nunmehr möglich 2D/3D Holzformteile mit einem Schaumkern in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen. Allerdings sind die heutzutage in der Praxis angewandten
Holzformteilpressen derzeit weder bidirektional auf Distanz verfahrbar noch sind die Pressen kühlbar. Beide Voraussetzungen müssen für einen Einsatz der neuen Technik gegeben sein.
In einem Folgeprojekt könnten die maschinenbaulichen Anforderungen ermittelt, eine Prototyp-Presse als Pilotanlage geplant und gebaut werden. Mit einer solchen Anlage könnten dann Formteile in realer Größe hergestellt und unter Einsatzbedingungen erprobt werden.
7 Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Herstellung von Schaum-Precursoren in Form von hochbeladenen Papieren mit expandierbaren Mikrosphären möglich ist. Die im Labormaßstab erzeugten Papiere konnten erfolgreich in einem Prozessschritt zur leichten Holzwerkstoffen mit Schaumkern verpresst werden. Mit dieser Entwicklung bietet sich nur erstmalig die Möglichkeit 2- und 3-dimensional geformte Holzwerkstoffe mit einem Schaumkern zu produzieren.
Bis zur Umsetzung in der Wirtschaft sind jedoch noch weitere Untersuchungen und Verbesserungen erforderlich. Insbesondere muss dafür gesorgt werden, dass das Expansionspotenzial der hier eingesetzten Mikrosphären voll ausgeschöpft werden kann. Hierfür sind Modifikationen des
Herstellungsprozesses der Precursoren erforderlich. Auch hinsichtlich der Herstellung der geformten Holzwerkstoffe besteht weiterhin Handlungsbedarf im Hinblick auf die Gestaltung von Pressprogrammen und Verbesserung der Kenntnisse über die Ausbildung von Verbünden zwischen den
Ausgangsmaterialien für Holzwerkstoffe und in der Heizpresse expandierbaren
Forschungsstelle 1: Papiertechnische Stiftung
Institut für Zellstoff und Papier – PTS-IZP, Heidenau Pirnaer Straße 37
01809 Heidenau
Projektleiter: Steffen Schramm
03529 551 679
steffen.schramm@ptspaper.de
Forschungsstelle 2: Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI)
Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei Institut für Holztechnologie und Holzbiologie,
Leuschnerstr. 91 21031 Hamburg
Projektleiter: Dr. Johannes Welling
040 73962 634
johannes.welling@vTI.bund.de
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