Verfahren zur Vergütung von Holz

Abstract

 Die Dimensionsstabilität von Holz und daraus hergestellten Produkten bei wechselnden Luftfeuchtigkeitsgehalten wird erreicht durch ein Vergütungsverfahren durch Wärmebehandlung in einem geschlossenen heizbaren Gefäß) wenn der Wassergehalt des Ausgangsmaterials nicht höher als 10 Gew,-% ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergütung von Holz und daraus hergestellten Holzprodukten durch Wärmebehandlung.

[0002] Neben der Pilzbeständigkeit sind die Dimensionsstabilität bei wechselnden Luftfeuchtigkeitsgehalten, eine glatte Oberfläche und eine gute Bearbeitbarkeit die wichtigsten geforderten Eigenschaften; denn bei Dimensionsänderungen ist z.B. die Abdichtungs- und Wärmeisolierfunktion von Fenstern und Türen nicht mehr gewährleistet und bei einer spannungsreichen und mit Rissen versehenen Oberfläche ist das Holz nicht nur wartungsanfälliger, sondern es kann auch nicht in befriedigender Qualität mit Kunststoffen beschichtet werden. Eine glatte Oberfläche nach der Beschichtung setzt bei modernen Beschichtungsverfahren, z.B. Extrusionsbeschichtungstechniken, eine glatte, rißfreie Oberfläche des Einsatzmaterials voraus. Auch bei einer Kunststoffbeschichtung muß eine Dimensionsstabilität und Pilzbeständigkeit gewährleistet sein, um bei Beschädigungen des Oberzugs keine Zerstörung des Holzes und keine nachfolgende Ablösung des Kunststoffmantels befürchten zu müssen.

[0003] Aus der DE-PS 2 263 758 ist es bekannt, daß durch thermische Behandlung von Holz bei Holzfeuchtigkeiten zwischen 15 und 30% und Temperaturen zwischen 100 und 180°C eine Verminderung der Quellung erzielt werden kann. Bei dicken Hölzern tritt jedoch bei diesen Feuchtigkeitsgehalten bei der thermischen Behandlung leicht eine Rißbildung im Holz ein, die um so ausgeprägter ist, je höher die Holzfeuchtigkeit und je höher die Reaktionstemperaturen sind. Die Ursachen liegen in den Spannungen, die beim zu schnellen Trocknen erfahrungsgemäß entstehen. Buchenholz ist dabei wesentlich empfindlicher als Tannen- oder Kiefernholz; andererseits kann Buchenholz durch eine rißfreie Dimensionsstabilisierung eine wesentliche Wertsteigerung erfahren. Dünne Hölzer, wie z.B. Furniere, mit Ausgangsfeuchten oberhalb von 10 %, erleiden während der Behandlung zwar keine Rißbildung, gehen aber stark gewellt aus der Behandlung hervor. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der nachfolgenden Verleimung, denn eine gleichmäßige maschinelle Auftragung des Klebers ist dann kaum möglich und bei den zum Verleimen notwendigen Pressdrücken tritt häufig eine Rißbildung ein. Ein weiterer Nachteil liegt in den langen Reaktionszeiten*,)wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt ist.

[0004] Aus der DE-OS 2 654 958 ist es weiterhin bekannt, durch ein mehrstufiges aufwendiges Verfahren Holz in wässrigen Lösungen unter Zusatz von oberflächenaktiven Substanzen und Alkalien bei Drücken bis 3 bar und Temperaturen bis 130°C zu vergüten. Es wird dabei eine Zunahme der Festigkeit des Holzes erreicht, ^*) bei Temp. unter 180 _C außerdem wird das Holz pilzbeständiger und in der Farbgebung einheitlicher. Es handelt sich aber dabei um ein aufwendiges und teueres Verfahren, insbesondere im Hinblick auf die Aufarbeitung der wäßrigen Lösungen aus Umweltschutzgründen.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur Vergütung von Holz bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vergütung von Holz und daraus hergestellten Holzprodukten durch Wärmebehandlung in einem geschlossenen heizbaren Gefäß, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wassergehalt des Ausgangsmaterials nicht höher als 10 Gew.-% ist. Vorzugsweise wird Holz mit einem Wassergehalt von 3 bis 8 Gew.-% verwendet.

[0006] Es hat sich gezeigt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Holz vergütet werden kann, ohne daß es zu der nachteiligen Rißbildung bei dicken Hölzern oder zu einer stark ausgeprägten Wellenbildung bei Furnieren kommt.

[0007] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch unproblematisch bei Temperaturen oberhalb von 180°C gearbeitet werden, was den Vorteil bedeutend kürzerer Reaktionszeiten mit sich bringt. Zweckmäßigerweise arbeitet man bei Temperaturen von 160 bis 240°C, insbesondere zwischen 180 - 230°C.

[0008] Die Arbeitsdrücke liegen im allgemeinen zwischen 3 und 20 bar, insbesondere zwischen 5 und 10 bar.

[0009] Die Behandlungsdauer liegt in der Regel zwischen 0,5 und 8 Stunden; sie ist im allgemeinen um so kürzer, je höher die Temperatur gewählt wird.

[0010] Besonders gute Ergebnisse werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten, wenn man relativ dicke Hölzer, vorzugsweise mit einem Durchmesser von mindestens 2 cm, z.B. Holzkanteln mit einer Kantlänge von mindestens 2 cm, einsetzt.

[0011] Besonders gute Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Spannungen und Druckgradienten, können auch erzielt werden, wenn man die bei der thermischen Behandlung aus dem Holz entweichenden Produkte im Reaktionsgefäß anreichert. Dies kann erreicht werden z.B. durch einen hohen Füllungsgrad des Reaktors, also durch ein niedriges Verhältnis von Reaktorvolumen zu Holzvolumen, vorzugsweise niedriger als 7, und/oder durch einen Zusatz von Holzkondensat und/oder eines oder mehrerer Holzkondensat-Inhaltsstoffe.

[0012] Von dem im Holzkondensat.vorhandenen Inhaltsstoffen, wie z.B. Ameisensäure, Essigsäure, Furfural, Furfurylalkohol, Methanol, oder auch Wasser, sind insbesondere Essigsäure und/oder Ameisensäure geeignet. Auch höhere Alkankarbonsäuren, insbesondere mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen, bzw. auch die Anhydride der genannten Säuren, z.B. Essigsäureanhydrid, kommen als Zusatz in Frage. Die Zusätze können dabei vor der Wärmebehandlung in den Reaktionsraum eingegeben werden, oder werden vorzugsweise während der Behandlung dem Reaktor von außen zugeführt. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, das zu behandelnde Holz vor der Behandlung mit den Zusatzstoffen zu tränken.

[0013] Die Menge an Zusatzstoff ist im allgemeinen nicht kritisch. Die Summe der Partialdrücke sollte in der Regel 12 bar nicht überschreiten; es sollen auf keinen Fall Konzentrationen erreicht werden, bei denen bereits eine Teilkondensation der Zusatzstoffe im Reaktionsgefäß erfolgt.

[0014] Aus Sicherheitsgründen, und um einen oxidativen Holzabbau zu unterdrücken, soll die Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgefäß 10 Volumenprozente nicht überschreiten. Um eine möglichst helle Tönung des behandelten Holzes sicherzustellen, ist es zweckmäßig, Sauerstoff ganz auszuschalten; man arbeitet dann in einer Inertgasatmosphäre, z.B. unter Stickstoff.

[0015] Als Reaktionsgefäß (Reaktor) wird vorzugsweise ein Autoklav aus korrosionsbeständigem Material _z.B. aus _V2Ä A oder V4A-* Stahl verwendet. Die Größe und Dimensionierung richtet sich dabei nach der Größe der einzusetzenden Hölzer. Die Wärmezufuhr erfolgt vorzugsweise über im Reaktionsgefäß eingebaute Heizschlangen durch überhitzten Wasserdampf von z.B. 40 bar. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches vom Wärmeträger in die Gasatmosphäre und von der Gasatmosphäre in das Holz hat sich dabei eine Gasumwälzung im Reaktionsraum, z.B. mittels eines Ventilators oder eines Gebläses, als zweckmäßig erwiesen.

[0016] Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vergütetes Holz eignet sich z.B. sehr gut für die Außenanwendung, insbesondere als Baumaterial für Fenster und Türen. Es eignet sich infolge seiner Eigenschaften auch hervorragend für eine Beschichtung mit Kunststoffen. Als Ausgangsmaterial kann auch nicht zugeschnittenes Rohholz eingesetzt werden. So eignet sich z.B. Schwachholz mit Durchmessern bis zu ca. 15 cm, das bisher kaum eine Verwendung gefunden hatte, und in großen Mengen ungenutzt verkommt, als kostengünstiges Rohmaterial. Zur Senkung

^*) (1.4571-Stahl)

^**) (1.4541-Stahl)

der Gesamtkosten des Verfahrens ist es vorteilhaft, das Holz vor der Behandlung nicht zu entrinden. Nach der thermischen Behandlung blättert die Rinde leicht ab und stellt einen gut vermahibaren Rohstoff dar, der sich z.B. als Extender für Kleber eignet. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Verkürzung der Reaktionszeiten ist beachtlich. Die Reaktionszeit zur Erreichung einer maximalen Restquellung von ca. 5 % beträgt z.B. bei Buchenholzkanteln mit Kantenlängen zwischen 30 mm und 50 mm bei einer Temperatur von 200°C 1 bis 2,5 Stunden.

[0017] Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich Temperaturangaben auf die Celsius-Skale, Druckangaben auf bar und %-Angaben auf Gewichtsprozente.

Beispiele

[0018] Die in den Beispielen angegebenen Quellungswerte wurden nach DIN 52 184 bestimmt.

Beispiel 1 (mit Vergleichsbeispiel)

[0019] Einfluß der Ausgancisfeuchte auf die Vergüitung von Furnieren.

[0020] In einem indirekt mit Wasserdampf (40 bar) beheizten Autoklaven aus 1.4571-Stahl (Durchmesser 600 mm, Länge 1500 mm) werden Schälfurniere der Rotbuche in den Abmessungen 4 x 200 x 1300 mm bei 10 bar in einer Stickstoffatmosphäre 1 1/2 Stunden bei 220°C behandelt. Die Temperaturkonstanz im Autoklaven wird nach ca. 10 Minute ernaicht, da eine Gasumwälzung den Wärmeuberqano und den Temperaturausgleich beschleunigt. Die Reaktionsbedingungen bei Charge 1 und unterscheiden sich nur in der Ausgangsfeuchte der Furnien

Ergebnisse:

Charge 1 (Ausgangsfeuchte 20 %):

[0021] Die maximale Quellfähigkeit (in tangentialer Richtung) ist um 58 % (Mittelwert) vermindert worden. Die Furniere sind aber stark gewellt(ca. 50 mm aus der Ebene heraus). In der Klebepresse reißen die Furniere deshalb mehrfach in Faserrichtung. Die durch Verleimen der Furniere hergestellten Platten und Schichthölzer sind durch diese Rißbildung minderwertig.

Charge 2 (Ausgangsfeuchte 6 %):

[0022] Die maximale Quellung liegt bei 5,5 % (Mittelwert) und ist damit um 56 % reduziert worden. Die Furniere sind nur leicht gewellt (10 - 20 mm aus der Ebene heraus). Der Kleber läßt sich gleichmäßig maschinell auftragen. In der Klebepresse tritt keine Rißbildung auf.

Beispiel 2

Einfluß des Wasserdampfpartialdrucks auf die Vergütung von Furnieren

[0023] In dem in Beispiel 1 skizzierten Autoklaven werden Buchenholzschälfurniere (4 x 200 x 1300 mm) behandelt. Bei den Chargen 3, 4 und 5 liegen als gemeinsame Bedingungen vor eine Temperatur von 1950C, ein Druck von 10 bar und eine Verweilzeit von 2 1/2 h. Die Versuchsbedingungen unterscheiden sich in folgenden Punkten:

Ergebnisse:

[0024] Bei allen drei Ansätzen gehen die Furniere (14 Stück pro Ansatz) gering gewelltund rißfrei verleimbar aus dem Ansatz hervor. Die Abnahme des Quellvermögens beträgt bei Charge 3 nur 35 %, bei Charge 4 schon 48 % und bei Charge 5 52 %.
Dies Beispiel belegt, daß die Anwesenheit von Wasserdampf die Dimensionsstabilisierung fördert und es in dieser Hinsicht nahezu gleichgültig ist, ob Wasser zudosiert wird oder in Form der Holzfeuchte in den Reaktor gelangt. Zur Vermeidung einer starken Verformung der Furniere wird Wasserdampf aber vorzugsweise zudosiert.

Beispiel 3

Einfluß des Druckes auf die Vergütung von Furnieren

[0025] In dem in Beispiel 1 skizzierten Autoklaven werden Buchenschälfurniere bei 220°C in Stickstoffatmosphäre jeweils 1 h behandelt. Die Ausgangsfeuchte der Furniere ist 5,2 %. Die Bedingungen bei den Chargen 6, 7 und 8 unterscheiden sich nur im Gesamtdruck, der bei Charge 6 1,7 bar, bei Charge 7 6 bar und bei Charge 8 11 bar beträgt.

Ergebnisse:

[0026] Alle Furniere sind gering gewellt und gut verarbeitbar, aber hinsichtlich der Dimensionsstabilisierung unterschiedlich vergütet. Bei 11 bar (Charge 8) ist das Quellvermögen um 53 % vermindert worden, bei 6 bar (Charge 7) um 44 % und bei 1,7 bar (Charge 6) nur noch um 34 %.

Beispiel 4 (mit Vergleichsbeispiel)

Einfluß der Holzausgangsfeuchte auf die Vergütung von Kanthölzern

[0027] Buchenholzkanteln (50 x 50 x 300 mm) werden im Autoklaven (vgl. Beispiel 1) 2 1/2 h bei 200°C und 10 bar in Stickstoffatmosphäre vergütet. Die in fünf verschiedenen Chargen eingesetzten Kanteln unterscheiden sich in den Feuchtigkeitsgehalten. Alle Kanteln waren vor der Behandlung rißfrei.

Ergebnis:

[0028] 

[0029] Nach der Behandlung sind die Kanteln mit 0 % und 5 % Ausgangsfeuchte äußerlich und im Innern rißfrei. Die Kanteln mit 10 % Ausgangsfeuchte weisen zu ca. 20 % im Innern Rißweiten bis zu 1 mm auf. 3Q % der Kanteln mit einer Ausgangsfeuchte von 14 % weisen Risse mit ca. 3 mm Rißweite auf. Alle Kanteln mit Feuchtigkeitsgehalten von 22 % sind im Innern stark gerissen (Rißweite 4 - 6 mm).
In der maximalen Restquellung (s. Tabelle) unterscheiden sich die Kanteln mit unterschiedlicher Ausgangsfeuchte kaum.

Beispiel 5

Einfluß der Kantholzdicke auf die Vergütung

[0030] Buchenholzkanteln unterschiedlicher Abmessung werden gemeinsam in einem Autoklaven nach Beispiel 1 2 1/2 h bei 200°C in Stickstoffatmosphäre /10 bar) behandelt. Die Ausgangsfeuchte ist 0 %. Die behandelten Kanteln werden hinsichtlich Rißbildung, Quellvermögen und Biegefestigkeit begutachtet. In der Tabelle ist ebenfalls der Quotient aus relativer Quellungsabnahme ΔQ und relativer Abnahme der Biegefestigkeit ΔB angegeben, der bei den am höchsten vergüteten Kanteln den größten Wert hat (Vergütung~ΔQ/Δß)

[0031] 

[0032] Das Beispiel zeigt eine Zunahme der Vergütung mit steigender Querschnittsfläche der im Querschnitt quadratischen Kanteln bis zu einem Maximum, das bei den hier gewählten Bedingungen bei den Abmessungen 30 x 30 mm liegt, sich aber bei anderen Bedingungen verschieben kann.

Beispiel 6

Einfluß von gasförmigen Holzkondensationsprodukten auf die Vergütung von Kanteln

[0033] Buchenholzkanteln mit den Abmessungen 30 x 30 x 300 mm werden 1 1/2 h bei 200°C und 10 bar vergütet. Die eingesetzten Kanteln sind darrtrocken, jedoch wird die Gaszusammensetzung im Autoklaven variiert, indem Wasser bzw. Holzkondensat in den Autoklaven dosiert und dort zu Beginn der Vergütung verdampft werden. Das Holzkondensat enthält 80 % Wasser, 15 % Essigsäure, 2 % Ameisensäure und 3 % sonstige Komponenten.

[0034] 

Ansprüche

1. Verfahren zur Vergütung von Holz und daraus hergestellten Holzprodukten durch Wärmebehandlung in einem geschlossenen heizbaren Gefäß, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt des Ausgangsmaterials nicht höher als 10 Gew.-% ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt 3 - 8 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Temperaturen von 160 - 240°C arbeitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Drücken von 3 bis 15 bar arbeitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsdauer 0,5 bis 8 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man dicke Hölzer mit einem Durchmesser von mindestens 2 cm vergütet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Reaktorvolumen zu Holzvolumen kleiner als 7 ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart eines oder mehrerer Holzkondensatinhaltsstoffe arbeitet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart von Ameisensäure und/oder Essigsäure arbeitet.