5.12 Mechanisch-technologische Eigenschaften Laccase gebundener MDF - Platten137
5.12.5 Fazit der Herstellung enzymgebundener, bindemittelfreier MDF-Platten
Abschießend kann man aus dem Kapitel der Laccase bzw. Laccase und Mediator gebundenen MDF-Platten mehrere Schlüsse ziehen.
1. Bei der Überprüfung optimaler Herstellungsparameter beim Verpressen der Laccase bzw.
Laccase-Mediator gebundenen MDF-Platten wurde festgestellt, dass eine Presstemperatur von 200 °C zu den besten mechanisch-technologischen Eigenschaften führt. Eine Presstemperatur von 190 °C war zu niedrig, um eine ausreichende Festigkeit der MDF-Platten zu gewährleisten. Zudem war die Dickenquellung der Platten nach 24 Stunden Wasserlagerung deutlich höher, als bei den bei 200 °C gepressten MDF-Platten.
Eine Temperatur von 210 °C verursachte nach wenigen Minuten Pressdauer eine Zerstörung der Holzfasern auf der Plattenober- und –unterseite. Die Platten wiesen eine starke Bräunung auf, ihr Zustand war spröde, die mechanisch-technologischen Eigenschaften waren schlechter, als die der bei 200 °C gepressten MDF-Platten.
2. Ein weiterer Parameter zur Optimierung der Platteneigenschaften war die Pressdauer. Die Presszeiten wurden hierbei zwischen 3, 4, 5 und 6 Minuten variiert. Zu jeder Presszeit wurden die Querzugfestigkeiten, Biegefestigkeiten und Dickenquellungen nach 24 Stunden Wasserlagerung der in dieser Dissertation dazu hergestellten MDF-Platten ermittelt. Es stellte sich heraus, dass bei einer Presszeit von 5 Minuten die besten mechanisch-technologischen Eigenschaften erreicht werden konnten. Eine kürzere, aber auch längere Presszeit wirkte sich nachteilig auf die Platteneigenschaften aus. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die MDF-Platten eine Dicke von 8 mm besaßen, womit sich eine Presszeit von 37,5 s/mm Plattenstärke ergab.
3. Die Plattendicke war unter Berücksichtigung der anderen Herstellungsparameter ein weiteres Kriterium, Laccase bzw. Laccase-Mediator gebundene MDF-Platten herzustellen, die sich durch gute mechanisch-technologische Eigenschaften auszeichnen sollten. Dabei wiesen die Platten mit einer Dicke von 8 mm unter gleichen Herstellungsbedingungen bessere Eigenschaften auf, als die MDF-Platten mit einer Dicke von 10 mm. Eine Erhöhung der Presstemperatur auf 210 °C bei gleich bleibender Presszeit von 5 Minuten konnte bei den 10 mm starken Platten keine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften erbringen. Vielmehr waren die Platten wieder zu stark gebräunt und spröde wirkend, was auf eine Zerstörung der Holzfasern durch Hitze zurückzuführen war. Eine Verkürzung der Presszeit von 5 Minuten auf 4 Minuten bewirkte
zwar keine so starke Verbräunung der Platten, doch verschlechterten sich wieder die mechanisch-technologischen Eigenschaften.
4. Ein weiterer Aspekt bei der Herstellung der Laccase bzw. Laccase-Mediator gebundenen MDF-Platten spielte die Rohdichte. Als mögliche Dichten wurden 600 kg/m³, 700 kg/m³ und 800 kg/m³ ausgewählt. Die Herstellung der Platten erfolgte bereits nach den bisher optimierten Parametern statt. So wurden die Platten mit 8 mm Dicke bei 200 °C für 5 Minuten gepresst und anschließend den mechanisch-technologischen Eigenschaftsprüfungen unterworfen. Wie sich herausstellte, nahmen die Festigkeiten der MDF-Platten mit steigender Rohdichte zu, die Dickenquellwerte ab. Doch waren nur die Eigenschaften der MDF-Platten mit 800 kg/m³ so gut, um die Anforderungen der jeweiligen EN-Normen zu erfüllen.
5. Die Ergebnisse der Herstellungsparameteroptimierung wurden für die Produktion verschiedener Plattenvarianten verwendet. Es handelte sich um mit verschiedenen Laccase- und Mediatorkonzentrationen behandelte Holzfasern. Bei den einen Plattenvarianten wurde nur Laccase verwendet, bei den anderen Laccase und Mediator.
Als Kontrollplatten dienten Holzfasern, die im Puffer ohne Laccase und Mediator behandelt wurden. Aufgrund der analytischen Untersuchungen in dieser Dissertation wurde eine Inkubationszeit von 2 Stunden ausgewählt, um eine optimale Aktivierung und Radikalisierung des Lignins auf der Holzfaseroberfläche zu erhalten und somit eine bestmögliche „Verklebung“ der Fasern zueinander zu bewirken. Während der MDF-Plattenproduktion wurden zusätzlich kürzere Inkubationszeiten ausgewählt, 30 Minuten
und wenige Minuten (< 2 Minuten). Bei der sehr kurzen Inkubationszeit von
< 2 Minuten wurden die mit Laccase bzw. Laccase-Mediator Pufferlösung besprühten Fasern direkt weiterverarbeitet und zu MDF-Platten verpresst. Bei der Plattenherstellung mit 2-stündiger Inkubationszeit wurden zwei Besprühungsarten untersucht. So wurden die Fasern zu 50 % : 50 % (zweistufige Besprühung) und zu 100 % (einstufige Besprühung) besprüht. Dabei stellte sich heraus, dass die Besprühung der Holzfasern in einem Schritt (100 %) bei den MDF-Platten bessere mechanisch-technologische Eigenschaftswerte bewirkte, da die Fasern daraus resultierend eine höhere Inkubationsfeuchte hatten, was für die Aktivierung der Holzfaseroberfläche von Bedeutung war. Eine zweistufige Besprühung wurde hiernach nicht mehr durchgeführt.
Bei dem Vergleich der Plattenvarianten stellte sich heraus, dass die MDF-Platten mit einer Laccasekonzentration von 200 U/ml bessere Eigenschaftswerte erreichten, als die mit 100 U/ml. Darüber hinaus war unabhängig von der Laccasekonzentration eine deutliche
Steigerung der Eigenschaftswerte durch die Verwendung des Mediators 4-Hydroxybenzoesäure (HBA) eingetreten. Als optimale Mediatorkonzentration eigneten
sich 10 mM. Bei einer Konzentration von 20 mM HBA war keine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften mehr zu erkennen. Zwar konnten zahlreiche MDF-Platten nach 2-stündiger Inkubation die Anforderungen des Biegefestigkeitstests (nach EN 310) erfüllen, die Querzugfestigkeiten (nach EN 319) waren jedoch zu gering und die Dickenquellwerte (nach EN 317) zu hoch.
6. Nach der Plattenherstellung mit einer vorherigen 2-stündigen Inkubation wurden in weiteren Untersuchungen MDF-Platten verpresst, deren Fasern zuvor nur für 30 Minuten inkubierten. Bei der Überprüfung der mechanisch-technologischen Eigenschaften stellte sich heraus, dass alle Laccase bzw. Laccase-Mediator gebundenen MDF-Platten gute Biegefestigkeiten erreichten. Die Plattenvarianten mit 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA sowie mit 200 U/ml und 20 mM Mediator HBA erfüllten bei der Bestimmung der Querzugfestigkeiten gegenüber den MDF-Platten nach zweistündiger Inkubation den nach der EN-Norm 319 erforderlichen Mindestwert. Die Ermittlung der Dickenquellwerte nach 24 Stunden Wasserlagerung ergab, dass die Plattenvariante mit 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA sehr nah an der Erfüllung der EN-Norm 317 war, die Plattenvariante mit 20 mM lag jedoch wieder deutlich über dem Grenzwert.
7. Diese Ergebnisse führten dazu, sich auf die Plattenvariante mit 200 U/ml Laccase sowie 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA zu konzentrieren, um für die folgenden Versuche mit einer vorherigen Inkubationszeit von wenigen Minuten (< 2 Minuten) getestet zu werden. Trotz der sehr kurzen Einwirkzeit der Inkubationslösung auf die Fasern im Mischer mit anschließender, sofortigen Trocknung und Verpressung der Fasern ergaben sich deutlich bessere Querzugfestigkeiten und Biegefestigkeiten als bei einer voherigen Inkubation von 30 Minuten. Selbst die nur mit 200 U/ml Laccase gebundenen MDF-Platten erfüllten den Mindestwert für die Querzugfestigkeit der EN 319. Bei der Dickenquellung nach 24 Stunden Wasserlagerung lagen die Werte bei dieser Plattenvariante dennoch über dem Grenzwert der EN-Norm 317. Bei der Plattenvariante mit 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA dagegen wurden die Vorgaben zur Erfüllung der entsprechenden Norm erfüllt. Eine Reaktion zwischen der Inkubationslösung und dem auf der Faseroberfläche befindlichen Mittellamellenlignin muss innerhalb weniger Minuten bei der Besprühung im Mischer stattgefunden haben, welche zu einer ausreichenden Aktivierung und Radikalisierung des Lignins geführt haben muss, um bei den MDF-Platten so gute mechanisch-technologische Eigenschaftswerte zu bewirken, die zur Erfüllung der in dieser Dissertation verwendeten Normen (EN 310, EN 317, EN 319) genügen. Diese Methode verkürzt erheblich die Produktionszeit der enzymgebundenen MDF-Platten. Eine Inkubationszeit im Faserbunker der MDF-Anlage ist nicht mehr notwendig.
8. Das Fazit dieser Untersuchungen unter Einbeziehung aller optimierten Herstellungsparameter kann demnach lauten:
Mit der Verwendung von 200 U/ml Laccase und 10 mM Mediator HBA ist es möglich, im Pilotmaßstab 8 mm starke MDF-Platten mit einer Rohdichte von 800 kg/m³ bei einer Presstemperatur von 200 °C und einer Pressdauer von 5 Minuten herzustellen, die so hohe Querzug- und Biegefestigkeiten, sowie niedrige Dickenquellwertenach 24 h Wasserlagerung erreichen, um die entspechenden EN-Normen zu erfüllen. Dazu sollten die Fasern in einem Schritt besprüht (100 %), direkt getrocknet und verpresst werden.
Die Ergebnisse aus den Laboruntersuchungen zum Laccase-Mediator-System, bei der eine optimale Inkubationszeit von 2 Stunden ermittelt wurde, dienen zur modellhaften Interpretation des Laccase-Mediator-Systems. In der praktischen Anwendung des Laccase-Mediator-Systems zur Herstellung enzymgebundener, bindemittelfreier MDF-Platten stellte sich heraus, dass eine Inkubationszeit von 2 Stunden nicht erforderlich ist, sondern die Inkubation nur wenige Minuten betragen kann.