5.7.1 Prüfmethoden
Ziele Teilziele des AP 6 waren die Papierprüfung der in AP 3 – AP 5 hergestellten Testpapiere, die Messung der Verteilung der Mikrokugeln im Papier (in z-Richtung bzw. laterale Verteilung) mittels Rasterelektronenmikroskopie und die Bestimmung des jeweiligen Gesamtgehalts an Mikrohohlkugeln per
Elektronenmikroskopie (REM), Gammastrahldensitometrie oder Röntgendensitometrie
Papierprüfung vor
Aufschäumung
Nach Herstellung der Testpapiere in AP 3 – AP 5 sollten diese hinsichtlich Papiereigenschaften geprüft werden:
Tabelle 14: Prüfmethoden
Eigenschaft Methode
Flächenmasse DIN ISO 536
Dicke / SPEZIFISCHES VOLUMEN DIN 53 105 Reisslänge Anteil an Mikrokugeln Nahinfrarotspektroskopie (NIR) Verteilung der Mikrokugeln Elektronenmikroskopie (REM)
Gammastrahldensitometrie Röntgendensitometrie
Mikrokugel-verteilung REM
Die Verteilung der Mikrokugeln im Papier (in z-Richtung bzw. laterale
Verteilung) wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie an Mikrotomschnitten geprüft.
Gesamtgehalt an
Mikrohohlkugel n
Der Gesamtgehalt an expandierbaren Mikrosphären wurde über NIR-Spektroskopie anhand von Kalibrierkurven ermittelt.
5.7.2 Papierprüfung vor Aufschäumung
Papier-prüfung
Tabelle 15: Physikalische Charakterisierung der Muster Teil 1 / 08
Muster Nr. 07 / 08 08 / 08 09 / 08 Faserstoff
Langfaserzellstoff (Fichte) % 60 60 60 Kurzfaserzellstoff (Euka) % 40 40 40 Additive bez. auf Zellstoff
Stärke % 1,5 1,5 1,5
Latex % 9 0 0
Retentionsmittel % 0 9 9
Expancel % 188 188 188
Papierzusammensetzung (gravimetrisch)
Faserstoff % 40 40 40
Expancel % 60 60 60
Papierzusammensetzung (Bestimmung mittels NIR)
Faserstoff % 32,2 34,1 43,1
Expancel-Mittelwert % 67,8 66,0 57,0
Expancel - Oberseite % 63,8 59,0 54,3 Expancel - Unterseite % 71,8 72,9 59,6
Flächenmasse g/m² 205 439 122
Dicke µm 431 838 256
Scheinbare Blattdichte g/cm³ 0,48 0,52 0,48 Spezifisches Volumen cm³/g 2,10 1,91 2,10 Bruchkraft längs N 35,3 42,6 21,1 Bruchkraft quer N 12,1 19,8 9,01 Dehnung längs % 1,17 1,72 1,61
Dehnung quer % 2,19 2,48 2,38
Reißlänge längs m 1170 670 1160
Reißlänge quer m 400 310 500
Zugindex längs Nm/g 11,5 6,52 11,4 Zugindex quer Nm/g 3,94 3,04 4,86
Berstfestigkeit kPa 32 42 48
Biegesteifigkeit längs Nmm - - - Biegesteifigkeit quer Nmm - - -
Spaltfestigkeit J/m² 32 42 48
Papier-prüfung Optimierung sversuche
Tabelle 16: Physikalische Charakterisierung der Muster Teil 1 / 09
Muster Nr. 11 / 09 12 / 09 19 / 09 21 / 09
Additive bez. auf Zellstoff
Stärke % 0,5 1 0,5 1
Latex %
Retentionsmittel % 0,15 0,15 0,15 0,15
Expancel % 219 219 345 345
Papierzusammensetzung (gravimetrisch)
Faserstoff % 54 54 45 42
Expancel % 46 46 55 58
Papierzusammensetzung (Bestimmung mittels NIR)
Faserstoff % - - - -
Scheinbare Blattdichte g/cm³ 0,50 1,28 0,53 0,54 Spezifisches Volumen cm³/g 1,99 0,78 1,90 1,86
Tabelle 17: Physikalische Charakterisierung der Muster Teil 2 / 09
Muster Nr. 32 / 09 29 / 09 30 / 09 31 / 09 Faserstoff
Langfaserzellstoff (Fichte)
% 0 0 0 0
Kurzfaserzellstoff
(Eukalyptus) % 100 100 100 100
Additive bez. auf Zellstoff
Stärke % 1 1 1 1
Latex %
Retentionsmittel % 0,25 0,25 0,25 0,25
Expancel % 363 490 564 689
Papierzusammensetzung (gravimetrisch)
Faserstoff % 38 31 29 25
Expancel % 62 69 71 75
Papierzusammensetzung (Bestimmung mittels NIR)
Faserstoff % 30,1 27,0 26,8 24,0
Expancel-Mittelwert % 70,0 73,1 73,2 76,0 Expancel - Oberseite % 65,0 68,3 69,8 70,3 Expancel - Unterseite % 74,9 77,8 76,6 81,7
Flächenmasse g/m² 858 959 974 1091
Dicke µm 1656 1892 1879 2126
Scheinbare Blattdichte g/cm³ 0,52 0,51 0,52 0,51 Spezifisches Volumen cm³/g 1,93 1,97 1,93 1,95 Bruchkraft längs N 69,8 49,1 37,8 36,9 Bruchkraft quer N 68,6 48,5 34 33,8 Dehnung längs % 3,10 1,69 1,30 1,23
Dehnung quer % 3,57 2,23 1,64 1,41
Reißlänge längs m 562 354 261 231
Reißlänge quer m 552 349 234 212
Zugindex längs Nm/g 5,4 3,4 2,6 2,3 Zugindex quer Nm/g 2,8 1,7 1,2 1,1
Berstfestigkeit kPa 286 212 188 183
Biegesteifigkeit längs Nmm 140 172 123 136 Biegesteifigkeit quer Nmm 140 155 122 158
Spaltfestigkeit J/m² - - 24,3 -
858 959 974
286 212 188 183
0
Flächenbezogene Masse in g/m² Dicke in µm
Reißlänge - längs in km Reißlänge - quer in km Berstfestigkeit in kPa
Abbildung 23: Papiereigenschaften der Muster Teil 2 / 09
Bewertung Eine Reihe von Parametern, z. B. Dicke, Bruchkraft quer, E-Modul quer, stehen in linearer Beziehung zur Flächenmasse. Die mit Wasser gemessenen Cobb-Werte steigen ebenfalls linear mit zunehmender Flächenmasse, die auf der Papier-oberseite (Filzseite) gemessenen Werte liegen dabei etwas höher als die Mess-werte der Unterseite. Dichte bzw. spezifisches Volumen bleiben annähernd gleich.
5.7.3 Mikrokugelverteilung in gefüllten Papieren
Abbildung 24: REM-Aufnahme Expancel 031 DUX 40 (Handelsware), nicht expandiert
Querschnittaufn ahmen der gefüllten, nicht expandierten Papiere
Abbildung 25: REM-Aufnahme Muster 08 / 08, nicht expandiert
Abbildung 26: REM-Aufnahme Muster 32 / 09, nicht expandiert Bewertung Die Querschnittaufnahmen zeigen eine gleichmäßige Verteilung der
Mikrohohlkugeln.
Draufsicht-aufnahmen der gefüllten, nicht expandierten Papiere
Abbildung 27: REM-Aufnahme Muster 08 / 08, Oberseite
Abbildung 28: REM-Aufnahme Muster 08 / 08, Siebseite Bewertung
Die REM-Aufnahmen der Oberflächen der gefüllten Papiere belegen eine deutliche Zweiseitigkeit.
5.7.4 Gesamtgehalt an Mikrokugeln
Durchführung Der Expancel-Gehalt kann mit Hilfe der NIR-Spektroskopie quantitativ bestimmt werden. Dafür wurde auf der Grundlage von Referenzproben mit bekannten Expancel-Gehalt von 0, 30, 40, 50 60 und 70 % ein Kalibriermodell erstellt. Das Modell hat einen Korrelationskoeffizienten von R2= 0,99 und eine Methoden Fehler von +/- 1 %.
NIR-Spektren
Abbildung 29: NIR-Spektum von Muster 08 / 08 mit ca. 66% Expancel (rote Linie) und Referenzpapier (blaue Linie)
Expancel-Gehalte der gefüllten Papiere
Tabelle 18: Mikrohohlkugel-Gehalt ausgewählter Muster
Muster Nr. 07 /
08 08 /
08 09 /
08 32 /
09 29 /
09 30 /
09 31 / 09 Papierzusammensetzung (Bestimmung mittels NIR)
Faserstoff % 32,2 34,1 43,1 30,1 27,0 26,8 24,0
Expancel-Mittelwert % 67,8 66,0 57,0 70,0 73,1 73,2 76,0 Expancel -
Oberseite
% 63,8 59,0 54,3 65,0 68,3 69,8 70,3 Expancel –
Siebseite % 71,8 72,9 59,6 74,9 77,8 76,6 81,7 Bewertung Mit der beschriebenen Messmethode ist es möglich den Gehalt an
Mikrohohlkugeln im Papier zu bestimmen. Es besteht eine gute Korrelation zum gravimetrisch ermittelten Wert. Der Vorteil der Methode liegt in der quantitativen Differenzierung des Mikrohohlkugel-Gehaltes in Gehalt an der Sieb- bzw.
Oberseite.
5.7.5 Expansionsverhalten gefüllter Papiere Expansionsverh
alten gefüllter Papiere
Zur Beurteilung des Expansionsverhaltens der in die Fasermatrix der gefüllten Papiere eingebetteten Mikrohohlkugeln erfolgten Prinzipversuche zur
drucklosen Expansion.
Unter Einfluss von Temperatur (3 Minuten im Trockenschrank bei 105°C) erfolgt eine schnelle Expansion bzw. Dickenzunahme
Abbildung 30: Muster 32 / 09 (drucklos expandiert)
REM-Aufnahmen drucklos expandierter gefüllter Papiere
Die Mikrokugelverteilung drucklos expandierter gefüllter Papiere wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie an Mikrotomschnitten geprüft.
Abbildung 31: REM-Aufnahme Muster 08 / 08 nach 3 Minuten Expansion im Trockenschrank bei 105 °C (100-fache Vergrößerung)
Abbildung 32: REM-Aufnahme Muster 08 / 08 nach 3 Minuten Expansion im Trockenschrank bei 105 °C (500-fache Vergrößerung)
Bewertung Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die expandierten Mikrohohlkugeln einen porösen Verbund bilden. Die Festigkeit des Papiers wird durch die teilweise sichtbare Verklebung der Mikrohohlkugeln miteinander und mit den
Zellstofffasern verursacht.
Schäum-versuche ohne Decklagen
Die Testpapiere wurden unter verschiedenen Temperaturen und für
unterschiedliche Zeiten im Trockenofen erhitzt. Die Expansion erfolgte drucklos und durch rein konvektive Erwärmung. Die Beschreibung und die
Zusammensetzung der Papiertypen sind aus Tabelle 11, Tabelle 12 und Tabelle 13 ersichtlich. Es zeigt sich eine Zunahme der Expansion mit steigendem Expancel-Gehalt und sinkender z-Festigkeit aufgrund der Wahl bzw. der Reduktion von Additiven. Die Papiere wurden jeweils für 5, 10, 15 und 20 Minuten auf 100, 110 bzw. 120 °C erwärmt. Dadurch sollte die Erwärmung in der Mittellage der Platte simuliert werden und wichtige Erkenntnisse über das Expansionsverhalten, die Expansionsgeschwindigkeit und das optimale Temperaturfenster gewonnen werden.
Bewertung Die Diagramme (Abbildung 33 bis Abbildung 42) zeigen die Abhängigkeit der beladenen Testpapiere von der Temperatur und der Heizzeit. Das
Expansionsvolumen nimmt von Muster 7 bis Muster 31 zu. Die Papiere 7-26 zeigten eine undeutliche Expansion. Ab Papier 27 nimmt die
Expansionsfähigkeit deutlich zu. Die Proben 22-0 und 30-1 sind unbeladene Referenzproben. Eine längere Verweilzeit im Ofen resultiert in einem Rückgang der maximalen Expansion aufgrund von Zersetzungen der thermoplastischen Mikrohohlkugeln. Entsprechend bewirkt die Erhöhung der Temperatur zwar eine beschleunigte Expansion, aber auch hier wirkt sich die Temperatur negativ auf die Stabilität aus. Als ideale Temperatur ergibt sich aufgrund der Versuche 110-120 °C, die über einen Zeitraum von nicht länger als 5-10 Minuten gehalten
Expansion
Abbildung 33: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 130 °C (10 Minuten)
0
Abbildung 34: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 130 °C (15 Minuten)
0
Abbildung 35: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (5 Minuten)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
22 22-0 23 23-A 24 25 26 27 28
Dicke (mm)
Probe 20°C
100°C 110°C 120°C
Abbildung 36: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (10 Minuten)
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
22 22-0 23 23-A 24 25 26 27 28
Dicke (mm)
Probe 20°C
100°C 110°C 120°C
Abbildung 37: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (15 Minuten)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
22 22-0 23 23-A 24 25 26 27 28
Dicke (mm)
ProbeNr.
20°C 100°C 110°C 120°C
Abbildung 38: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (20 Minuten)
0 2 4 6 8 10 12
28-1 28-2 29 30 30-1 31
Dicke (mm)
ProbeNr.
p 20°C
100°C 110°C 120°C
Abbildung 39: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (5 Minuten)
0
Abbildung 40: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (10 Minuten)
0
Abbildung 41: Expansion bei Temperaturen von 100 bis 120 °C (15 Minuten)
6
5.8 Herstellung der holzbasierten Decklagen (siehe AP 8)
Ziele Teilziele des AP8 waren die Herstellung geeigneter Decklagenmaterialien, wie vorverdichtete Fasermatten, vorbeleimte und direktbeleimte Furniere, die anschließend als Teil-Halbzeuge für den mehrlagigen Aufbau der
Schaumkernplatten dienen sollten.
Im Vordergrund stand die grundsätzliche Eignung des Pressprozesses für papierbasierte Mittellagen. In den Versuchen wurden daher keine
vorverdichteten Faserplatten bzw. vorbeleimte Furniere verwendet. Der Fokus lag auf direktbeleimten Furnieren, da diese Decklagen-Verwendung in der Praxis am häufigsten angewendet wird. Darüber hinaus war die durch die Optimierung der Papiere zu geringe Menge an Testmaterial entscheidend für die Eingrenzung der Versuchsbreite.
Aufbau eines Decklagen-materials
Durch die drei vorgenannten Methoden zur Herstellung von Decklagenmaterial wird es möglich, 3D-formbare Stapel aus Fasermatten, Furnieren und schäum-barem Kernmaterial-Precursor aufzubauen, die anschließend in einem Arbeits-schritt zu 3D-Formteilen mit Schaumkern verpresst werden können.
5.8.1 Direktbeleimte Furniere
Direkt-beleimung von Furnieren
Eine Variante zur Herstellung von holzbasierten Formteilen mit papierbasiertem Schaumkern stellt die Beleimung von Furnieren unmittelbar vor der
Verpressung dar. Diese Variante wird im praktischen Einsatz vor allem bei größeren Stückzahlen zur Anwendung kommen. Im Labormaßstab wird diese Methode im frühen Stadium der Versuche zum überwiegenden Teil
angewendet werden.
Material Als Material zur Herstellung der Furnierdecklagen kam Buchen-Sägefurnier mit einer Dicke von 1,25 mm zum Einsatz. Die Beleimung erfolgte sowohl mit handelsüblichem UF-Harz (BASF Kaurit 350), als auch PVAc-Weißleim (Ponal).
Die Verpressung erfolgte in einer Miniatur-Heißpresse (IPATES) mit einem Pressflächendurchmesser von 10 cm und einer Labor-Heißpresse
(Siempelkamp Typ2). Während der Versuche wurde die Temperaturentwicklung in den Zwischenschichten der Furniere mit Hilfe von Thermoelementen geloggt.
Methode Die Buchen-Furniere (500 x 500 mm) wurden gesperrt geschichtet (jeweils um 90 ° gedreht). Der Leimauftrag erfolgte manuell mit einer Rolle und einer Auftragsmenge von ca. 200 g/m². Die Furnierlagen wurden zwischen zwei Aluminiumblechen angeordnet, die für eine gleichmäßige Wärmeverteilung sorgen und die Handhabung der unverpressten Lagen vereinfachen.
Nach orientierenden Versuchen in der IPATES folgten Testreihen in der Siempelkamp-Heißpresse mit einer spezifischen Pressdrucksteuerung, die an konventionelle Sperrholzherstellung angelehnt ist. Ziel war es, den Druck so gering wie möglich einzustellen. Allerdings sind mind. 2 N/mm² erforderlich, um die Decklagen so zu verpressen, dass sich sowohl eine vollständige Verklebung ausbildet und als auch Unebenheiten verhindert werden.
Während der Versuche wurde die mittlere Leimfuge nicht beleimt, um das Verhalten der Decklagen nach dem Pressvorgang zu evaluieren.
Temperatur- Die Temperaturmessungen ergaben, dass der Anstieg der Temperatur in den
Bewertung Die Herstellung der Decklagen nach dem im AP beschriebenen Vorgehen ist problemlos möglich, Die Verklebung der Furnierlagen untereinander bildet sich bei allen verwendeten Leimarten gut aus. Die erforderliche
Temperaturentwicklung in der mittleren Zwischenschicht zeigt, dass ähnliche Bedingungen, wie in den Versuchen im Trockenofen zu erwarten sind.
Nach den durchgeführten Versuchen an den Decklagenmaterialien bleibt abzuwarten, welchen Einfluss die Einbringung der Mittellagen auf die Ausbildung der Decklagen nimmt. So kann es sein, dass die relativ weiche Kernschicht einen negativen Einfluss auf die Verbindung der Furniere untereinander ausübt, da der in der Presse aufgebaute Pressdruck evtl.
teilweise durch eine Komprimierung der Mikrohohlkugeln abgebaut wird.
Die hergestellten Decklagen mit 2 x 2 Furnierdecklagen und einer unbeleimten mittleren Kerntrennschicht zeigen nach der Entnahme ein deutliches
zweiseitiges Verhalten. Durch die ungleichmäßige Feuchteverteilung durch den jeweils einseitigen Leimauftrag findet insbesondere im heißen Zustand nach dem Pressvorgang ein anisotropes Quellen und Schwinden statt. Dieses führt zu einer starken Verwerfung und Schüsselung der beiden unverbundenen Decklagen. Beim Einbringen eines Kernmaterials muss dieses in der Lage sein, die entstehenden Scherkräfte an der Übergangszone Decklage-Kern
aufzunehmen.
5.9 Herstellung von mehrlagigen Holzwerkstoffen (siehe AP 9)
Heiß-verpressung
Im Anschluss an die Herstellung der Prototypen des Spezialpapiers und der verschiedenen Decklagenmaterialien werden labortechnische Versuchsproduk-tionen von 3D-Holzformteilen durchgeführt. Der Schaumkernprecursor in Form des Spezialpapiers wird zusammen mit üblichen Holzwerkstoffrezepturen zu Formteilen heißverpresst.
Ziel Herstellung eines mehrlagigen Holzwerkstoffes mit einer leichten Mittellage
5.9.1 Pressvorgang
Schema Die Abbildung 43 zeigt das Schema der Herstellung von mehrlagigen Holzwerkstoffen mit einem Schaumkern. Durch Aufeinanderschichten der einzelnen Elemente wird die Matte geformt, die anschließend in die Heißpresse eingebracht wird (a). Durch Hitze und Pressdruck erfolgt eine Komprimierung des Stapels und die Decklagen werden verdichtet und miteinander verklebt (b). Nach Erreichen der Expansionstemperatur der Mikrohohlkugeln, wird die Presse auf die definierte Zieldicke geöffnet (c).
Während der Expansion findet die Verklebung der Mittellage mit den Decklagen statt.
(a) (b) (c)
5.9.2 Expansionsfähigkeit des Kerns mit Gegendruck
Ziel Im Gegensatz zu den in AP6 durchgeführten Expansionsversuchen ist es ein Teilziel in AP8 das Expansionsverhalten unter quasi-realen Pressbedingungen zu simulieren und das Aufschäumen mit Gegendruck zu untersuchen. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Untersuchungen, da dies den Pressbedingungen mit der gleichzeitigen Verpressung der Decklagen entspricht.
Durchführung In der IPATES wird ein Aufbau aus zwei Decklagenfurnieren mit unterschiedlichen Mittellagen unter quasi-Heißpressbedingungen mit Gegendruck und hauptsächlich konduktiver Erwärmung verpresst. Dabei ist sowohl das Mittellagenmaterial, als insbesondere auch der Pressdruck, variabel.
Der aufgebrachte, über die Presszeit konstante, Gegendruck stellt einen Widerstand zum entstehenden Schäumdruck der Mikrohohlkugeln dar und bewertet somit die Expansionsfähigkeit.
Schäumversuche
IPATES Der Druck wurde konstant bei ca. 0,13 N/mm² in der ersten Testreihe und bei ca. 0,64 N/mm² in der zweiten Testreihe gehalten, die Presstemperatur betrug 150°C, die Presszeit: 2 Minuten, Die Distanz zwischen den Pressblechen war variabel, so dass Druck konstant über die Presszeit war.
Abbildung 44 zeigt die expandierten Papiere nach der Entnahme aus der IPATES. Probenmaterial waren (1A, 1C) Testpapier V20 unzerkleinert,
zerkleinert (PTS), (1B) Mikrohohlkugeln 031DUX40, (1C) Testpapier V1 (PTS);
Abbildung 45 zeigt die zweite Testreihe mit den Probenmaterialien (2A) V20, (2B) Mikrohohlkugeln 031DUX40
Abbildung 46 zeigt zwei Proben des Testpapiers V20. Die Prozedur entspricht der ersten Testreihe. Eine Probe wurde wie zuvor trocken erhitzt, die andere wurde befeuchtet.
Abbildung 44: (1A) Muster V20, (1B) ungebundene Mikrohohlkugeln, (1C) Muster V1, (1D) Muster V20 zerkleinert
Abbildung 45: (2A) Muster V20, (2B) ungebundene Mikrohohlkugeln
Abbildung 46: (4A) V20, (4B) V20 - angefeuchtet
Ergebnisse Pressdruck 0,13 N/mm²
(1A) PTS Papier V20, 10 Lagen, Enddicke der Mittellage: 8,5 mm (1B) Mikrohohlkugeln 031 DUX 40, Enddicke der Mittellage: 39 mm (1C) PTS Papier V1, Enddicke der Mittellage: 24 mm
(1D) PTS Papier V20, 10 Lagen zerkleinert, Enddicke der Mittellage: 9 mm Pressdruck 0,64 N/mm²
(2A) PTS Papier V20, 10 Lagen, Enddicke der Mittellage: 6 mm (2B) Mikrohohlkugeln 031 DUX 40, Enddicke der Mittellage: 34 mm Pressdruck 0,13 N/mm²
(4A) PTS Papier V20, 10 Lagen, Enddicke der Mittellage: 8,5 mm
(4B) PTS Papier V20, 10 Lagen, vorher angefeuchtet, Enddicke der Mittellage:
ca. 35 mm
Der Vergleich zwischen den im Papier gebundenen und den ungebundenen Mikrohohlkugeln zeigt, dass bei gleicher Einstreumenge eine deutlich erhöhte Expansion des ungebundenen Materials unter Gegendruck zu beobachten ist.
Da in der Regel auch an den Rändern der Papiere erhöhte Expansionsdicken zu beobachten waren, wurden die Papiere zerkleinert, um den Randeffekt
Bewertung Die im Papier gebundenen Mikrohohlkugeln erreichen die theoretische
Expansionshöhe nicht. Der Einfluss der z-Festigkeit auf die Expansionshöhe ist deutlich zu erkennen. Insbesondere ergab sich durch eine Befeuchtung der Papiere eine offensichtlich herabgesetzte z-Festigkeit, da die inneren Bindungen überwunden werden. Die starke Bindung innerhalb der Papiere muss daher gesenkt werden, um eine vollständige und gleichmäßige Expansion zu gewährleisten.
Weitere Versuche, die an späteren Testpapieren durchgeführt wurden, zeigen, dass die Festigkeit innerhalb des Papieres gesenkt werden konnte und dadurch ein erhöhtes Aufschäumen möglich wird. Insbesondere die Papiere V27 - V31 expandieren auch unter Gegendruck mit einem befriedigenden Ergebnis. Zu beachten ist auch hier jedoch die genaue Überwachung des
Temperaturfensters).
5.9.3 Wärmeleitfähigkeit des Decklagen- und Precursormaterials
Ziele Die Messung der Temperaturerhöhung über die Dicke der Matte dient der Visualisierung der Wärmeleitfähigkeit der Decklagenfurniere und der beladenen Testpapiere, insbesondere während der Expansion.
Durchführung Ein 14-lagiger Aufbau aus jeweils zwei Decklagenfurnieren und zehn Mittellagen (V20) wurde zwischen zwei Aluminium-Scheiben gelegt. In jeder Zwischenschicht wurde mittels eines Thermoelementes (TE-K-1 bis TE-K-15) der Temperaturverlauf gemessen und aufgezeichnet (Abbildung 47).
Der Pressdruck wurde mit 0,13 N/mm² konstant gehalten, so dass die Distanz der Pressstempel der Expansion folgt. Die Presstemperatur beträgt 150 °C.
Aluscheibe (3 mm)
Bewertung Abbildung 48 zeigt die Temperaturverläufe der einzelnen Thermoelemente. Die erwartete Abnahme der Temperaturerhöhung zum Kern hin ist eingetreten. Es zeigt sich, dass in der Mittellage nach einer Presszeit von 250 Sekunden eine Temperatur von ca. 110 °C erreicht wird. Nach Abbildung 48 ist dies die
maximale Temperatur, die während des Pressvorgangs erreicht werden soll. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Expansion bereits abgeschlossen sein. Somit scheint eine Pressentemperatur von 150 °C praktikabel.
0
Abbildung 48: Temperaturentwicklung innerhalb der 15 Messebenen bei 150 °C Pressentemperatur.
5.9.4 Innere Struktur der Mittellagen nach dem Pressen
Ziel Darstellung der inneren Struktur der Testpapiere und Erklärung der unvollständigen Expansion.
Durchführung Von den Mustern wurden nach der Prüfung (vgl. 5.9.3)
elektronenmikroskopischen Aufnahmen der Querschnitte angefertigt.
Abbildung 51: Spez. Pressdruck 0,13 N/mm²,
Dicke 1 mm Abbildung 52: Spez. Pressdruck 0,25 N/mm²,
Dicke 0,7 mm
Abbildung 53: Spez. Pressdruck 0,64 N/mm², Dicke 0,6 mm
Bewertung Die Expansion der Testpapiere V20 ist im Allgemeinen nicht befriedigend und korreliert nicht mit der theoretisch möglichen Expansion. Erhöhter Gegendruck führt weiterhin zu einer verminderten Expansion. Die Papiere zeigen eine deutliche Zweiseitigkeit. So ist in Abbildung 50 eine Schicht höherer Dichte auf der rechten Oberfläche zu erkennen. Die Ergebnisse korrelieren mit den in Kap. 6.7. 4 gemachten Beobachtungen (Oberseite-Siebseite). Die innere Struktur weist keinen geschlossenporigen Zellaufbau auf und deutet somit auf eine Zerstörung der Mikrohohlkugeln, entweder während der Produktion oder während des Pressvorgangs, hin.
5.9.5 Herstellung mehrlagiger Plattenwerkstoffe
Ziele Ziel des AP9 ist die Herstellung von mehrlagigen Plattenwerkstoffen, die aus HWS-basierten Decklagen und einer aus einem ein- oder mehrlagig
aufgebauten Kern aus beladenen Papieren bestehen.
Durchführung Auf einer Labor-Heißpresse wurden leichte HWS-Platten (500 x 500 mm) unter Verwendung der in 5.8.1 beschriebenen Decklagenfurniere hergestellt. Der Pressvorgang entspricht dabei dem unter 5.9.1 beschriebenen Ablauf.
Hergestellt wurden Schaumkernplatten mit jeweils zwei Mittellagen der Papiere V29–V31. Die Presse wurde nach Vorversuchen auf einen Druck von 1 N/mm² und einen Presszeitfaktor von 7 s/mm für die Verklebung der Decklagen eingestellt. Nach dem Härten der Decklagen wurde die Presse auf die vordefinierte Enddicke der Platte (16 mm) geöffnet. Der Schaum expandierte und baute einen Schäumdruck auf. Zur Unterschreitung der
Expansionstemperatur wurde die Presse aktiv gekühlt. Der Pressverlauf wurde aufgezeichnet und ist in Abbildung 54 exemplarisch dargestellt.
Da die ersten Versuche starke Delaminationen zwischen den Schichten zeigten, wurden Versuche mit einer zusätzlichen Beleimung (PVAc) der Übergänge Decklage-Mittellage und Mittellage-Mittellage durchgeführt, um die Verbindungen zwischen den Schichten zu verbessern.
0 50 100 150 200 250
0 100 200 Zeit (s) 300 400 500
Druck (bar) Distanz (mm)
Temperatur Presse (°C) Temperatur Kern (°C)
Druckaufbau durch Schäumdruck Beginn der Kühlung
Abbildung 54: Aufgezeichnetes Pressdiagramm während der Herstellung von
Abbildung 55: Schaumkernplatte mit 2 Lagen V29 zwischen je zwei Decklage Bu-Furnier
Abbildung 56: Delamination innerhalb des Kerns zwischen zwei Lagen V29
Abbildung 57: Schaumkernplatte mit 2 Lagen V31 zwischen je zwei Decklagen Bu-Furnier
Ergebnisse Das Expansionsverhalten der getesteten Papiere unterschied sich z.T. deutlich.
Während die Papiere V30 und V31 gute Resultate im Hinblick auf die
Expansion zeigten, neigte das Papier V29 zu ungleichmäßigem Aufschäumen.
Abbildung 55 zeigt eine Abnahme der Dicke zur Plattenmitte hin. Es zeigte sich darüber hinaus, dass das Papier V29 stärker zu inneren Delaminationen neigt, als die Papiere mit den höheren Beladungsgraden V30 und V31 (Abbildung 56). Der Grund hierfür ist im Aufbau eines inneren Dampfdruckes während des Pressvorgangs zu sehen, der sich durch das im Leim, im Papier und im Holz enthaltene Wasser bei Erhitzung entwickelt. Auch der Einsatz von PVAc-Leim brachte bei V29 keine Verbesserungen. Abbildung 57 zeigt eine
Schaumkernplatte mit einer Mittellage aus zwei Lagen V31. Aufgrund dieser Versuche scheinen die Papiere V30 und V31 für die Herstellung von Formteilen grundsätzlich geeignet zu sein. Da sie über wenig Additive und einen erhöhten Anteil an Expancel-Mikrohohlkugeln verfügen (vgl. Tabelle 13 ), ist ihre
Festigkeit reduziert, was das Expansionsvolumen erhöht, das Handling aber erschwert. Während des Pressvorgangs baut sich bei diesen Papieren nach etwa 160 Sekunden der notwendige Schäumdruck auf, der die Grundlage einer befriedigenden Verklebung der Einzelschichten ist (vgl. Abbildung 54).