[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Solche auch als Imprägnieren bezeichnete Verfahren dienen dem Schutz von aus Festmaterial
mit Hohlräumen bestehenden porösen Materialien gegen eindringende Feuchtigkeit, die
bei organischen Materialien, wie z. B. organischen Fasermaterialien und insbesondere
bei Holz, zur biologischen Verrottung führt. Dadurch entstehen erhebliche Schäden
beim Einsatz von Nutzhölzern. Der Begriff Feuchte
u ist definiert als die Masse des im Material enthaltenen Wassers
mw, geteilt durch die Masse des Materials ohne Wasser
m0 (darrtrocken):

.
[0003] Man könnte auch vom gravimetrischen Wassergehalt sprechen:
In Frage kommende poröse Materialien sind insbesondere Hölzer aller Art, die sehr
verrottungsempfindlich sind. Lediglich spezielle Tropenhölzer besitzen auch noch im
toten Zustand ausreichenden Eigenschutz gegen Verrottung. Andere Hölzer, wie insbesondere
die in Deutschland heimischen Nutzhölzer, sind sehr witterungsempfindlich und für
ungeschützte Verwendung im Außenbereich nicht geeignet. Schon die in Deutschland üblicherweise
herrschende hohe Luftfeuchtigkeit sowie Regenbelastung führt dazu, dass die Feuchte
im Holz auf Werte oberhalb des Fasersättigungspunktes ansteigt, der bei typischen
heimischen Nutzhölzern z.B. bei etwa 12% liegt, wodurch das Wachstum von das Holz
angreifenden Mikroorganismen möglich wird. Der Fasersättigungspunkt ist dabei definiert
durch die Menge an Feuchtigkeit, die von den Fasern des Holzes aufgenommen werden
kann. Darüber hinausgehende Feuchtigkeit wird in den Hohlräumen zwischen den Fasern
eingelagert.
[0004] Totes Holz ist dann gegen Verrotten geschützt, wenn es trocken oder mit das Wachstum
von Mikroorganismen verhindernden Substanzen getränkt ist. Viele Konservierungsverfahren
trocknen also das Holz auf einen ausreichend niedrigen Feuchtigkeitswert und verschließen
es dann durch Oberflächenbeschichtung oder durch oberflächliches Tränken mit Wachsen,
Farbanstrichen oder dergleichen, die das spätere Eindringen von Feuchtigkeit verhindern.
[0005] Man kann die Verrottung auch durch Tränken mit zumeist wasserlöslichen Giften verhindern,
wobei die Gifte gegen die oben genannten Mikroorganismen wirksam sind. Problematisch
ist hierbei jedoch, wie bei allen Tränkungsverfahren, die geringe Eindringtiefe und
zusätzlich die Umweltverträglichkeit. Größere, innere Bereiche des Holzes bleiben
ungeschützt und können bei eindringender Feuchtigkeit verrotten.
[0006] Als Tränkungsmittel kommen z.B. wässrige Lösungen in Frage, die beispielsweise Gifte
enthalten oder chemische Reagenzien, die das Holz chemisch modifizieren und dadurch
stabiler und verrottungsunempfindlicher machen. Ein Verfahren der letztgenannten Art
wird von der Firma BASF unter der Bezeichnung Belmadur vertrieben. Das Drucktränken
mit teerähnlichen giftigen Substanzen gehört ebenso zu den bekannten Verfahren (Eisenbahnschwellen),
wie auch die chemische Behandlung durch Acetylierung.
[0007] Das Tränkungsmittel kann auch ein Gas sein, beispielsweise ein Monomer, das nach
Eindringen in das Holz polymerisiert wird.
[0008] Ein grundsätzliches Problem bei allen Verfahren zum Tränken porösen Materials ist
das schwierige Einbringen des Tränkungsmittels in das Volumen des porösen Materials,
damit dieses so weit wie möglich durchgetränkt wird.
[0009] Viele bekannte Verfahren lassen das flüssige Tränkungsmittel in das poröse Material
kapillar einsaugen. Das kapillare Saugen ist jedoch sehr zeitaufwendig und im Ergebnis
unzuverlässig. Es erfordert außerdem, dass sowohl das Material als auch das Tränkungsmittel
über ausreichende kapillare Eigenschaften verfügen.
[0010] Es gibt sehr aufwändige Möglichkeiten, die Saugwirkung von Holz zu verbessern, beispielsweise
durch Nadeln und Schlitzen. Die
WO 99/64213 zeigt ein Verfahren, durch Bestrahlung mit Hochfrequenz das Holz besser durchlässig
und tränkbar zu gestalten.
[0011] Das Eindringen eines Tränkungsmittels in poröses Material, wie beispielsweise Holz,
kann durch Erhöhung des Außendruckes verbessert werden. Beim Druckimprägnieren wird
in einem Kessel das Holz mit dem Tränkungsmittel unter Druck gesetzt, wodurch das
Tränkungsmittel in das Holz gedrückt wird. Gern wird dabei auch zunächst evakuiert
und sodann gedrückt, mit dem Ziel, zunächst den Druck im Holz zu verringern und anschließend
durch Überdruck Tränkungsmittel hineinzudrücken. Solche Verfahren sind sehr aufwändig
und meist immer noch unbefriedigend in der Wirkung, da das Tränkungsmittel nur in
den oberflächennahen Volumenbereich eindringt.
[0012] Bei der Druckimprägnierung drückt das Tränkungsmittel in das Holz, dessen innere
Hohlräume aber nicht leer sind. Vielmehr befinden sich dort Wasserreste und natürlich
Luft. Beides muss zunächst weitgehend entfernt werden, bevor ein ausreichendes Tränken
möglich ist. Wasser wird üblicherweise durch vorheriges Trocknen entfernt. Die dann
verbleibende Luft wird durch Evakuieren entfernt, was mit industriellen Mitteln aber
nur teilweise gelingt. Mehr als 20% der Luft bleiben bei industriellem Vakuum im Holz
zurück und verhindern das Eindringen des Tränkungsmittels.
[0013] Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der
EP 1 862 278 A1 bekannt. Das in diesem Verfahren zu imprägnierende Holz soll feucht sein. Es wird
mit Tränkungsmittel in Kontakt gebracht und bei Temperaturen von mehr als 100° C wird
nun das Wasser im Holz zum Sieden gebracht, um auf diese Weise ausgetrieben zu werden.
Dabei soll gleichzeitig das Tränkungsmittel in das Holz eindringen. Auch hier erfolgt
der Transport des Tränkungsmittels in das Holz ausschließlich durch kapillare Saugwirkung,
wobei der Flüssigkeitstransport in das Holzinnere noch durch den in Gegenrichtung
strömenden Dampf behindert wird. Es herrscht hierbei Gleichdruck zwischen dem Inneren
und Äußeren des Holzes, beziehungsweise zeitweilig sogar Überdruck im Inneren des
Holzes. Das Eindringen des Tränkungsmittels erfolgt im Ergebnis somit sehr langsam.
Einigermaßen zufriedenstellend arbeitet dieses Verfahren nur mit sehr frischem Holz,
das noch gut kapillar saugen kann. Außerdem nachteilig bei derartigen Verfahren ist,
dass das dem porösen Material anliegende Tränkungsmittel ständig von aus dem Holz
austretendem Dampf durchströmt wird. Von dem Dampf aus dem Holz mitgebrachte Verunreinigungen
aller Art, wie z. B. Harze, kontaminieren das Tränkungsmittel, so dass dieses seine
chemischen und physikalischen Eigenschaften verändern kann, wie z.B. die für das Tränken
wesentliche Kapillarwirkung.
[0014] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem gattungsgemäßen Verfahren,
unter Verringerung der Abhängigkeiten des Verfahrens von den Materialeigenschaften
des Tränkungsmaterials, das Tränken zu beschleunigen.
[0015] Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.
[0016] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst wie beim gattungsgemäßen Verfahren
in einem Behälter (die auch eine Kammer sein kann) die siedefähige Flüssigkeit durch
Sieden aus dem porösen Material ausgetrieben. Im Gegensatz zum bekannten, gattungsgemäßen
Verfahren wird das Material aber erst anschließend und unmittelbar nachfolgend mit
dem Tränkungsmittel in Kontakt gebracht. Das Tränkungsmittel kann hierbei eine Flüssigkeit
oder auch ein. Gas sein, beispielsweise ein Monomergemisch, das nach Eindringen in
das Holz polymerisiert wird. Die Kontaktierung mit dem Tränkungsmittels soll dabei
bevorzugt so rasch erfolgten, dass der im Material befindliche Dampf noch nicht signifikant
kondensiert, um störendes Einsaugen von Umgebungsluft zu vermeiden.
[0017] Das Material benötigt verfahrensgemäß eine ausreichend hohe anfängliche Feuchte.
Es entsteht dann beim Sieden ausreichend Dampf im Material, so dass von dem Dampf
auch die vorhandene Luft ausgetrieben wird. Soll trockenes Material bearbeitet werden,
ist deshalb ggf. in einem vorgeschalteten Prozessschritt das Material zu Befeuchten.
[0018] Wenn nun das Tränkungsmittel kühler ist, als die sich in der Dampfphase befindliche
Siedeflüssigkeit, dann wandelt sich die Dampfphase in eine Kondensationsphase. Durch
diese Kondensationsphase entsteht eine Volumenabnahme der Siedeflüssigkeit um einen
Faktor >1000, wodurch sich im Material ein Vakuum bildet. Dadurch wird das Tränkungsmittel
in das Material gesaugt, wo es durch seine niedrigere Temperatur die restliche sich
in der Dampfphase befindliche Siedeflüssigkeit ebenfalls in die Kondensationsphase
überführt.
[0019] Der oben beschriebene Saugvorgang kann durch eine Druckerhöhung im Tränkungsmittel
weiter beschleunigt werden.
[0020] Durch Absenken des Umgebungsdruckes im Behälter beim Siedeschritt kann die zum Sieden
erforderliche Temperatur abgesenkt werden, da im Siedebereich
[0021] Druck und Temperatur miteinander gekoppelt sind. Dadurch wird eine schonende Behandlung
des Skelettmaterials ermöglicht.
[0022] Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) durch Sieden zum Verdampfen zu bringen ist
aufgrund der hohen Siedeenthalpie sehr energieaufwändig. Eine Verbesserung der Energie-
und Zeiteffizienz des Vorganges lässt sich nach Anspruch 6 und 7 erreichen, indem
das Wasser im Material nicht gleichmäßig, sondern entlang der Faserrichtung von Innen
nach Außen zum Sieden gebracht wird. Der im Innenbereich des Materials entstehende
Dampfdruck treibt auf seinem Weg nach außen dann das noch flüssige Wasser in den Außenbereichen
aus dem Material, und sorgt zugleich für dessen Erwärmung. Dieses ausgetriebene Wasser
braucht dann nicht zum Verdampfen gebracht werden. Über die zeitliche und räumliche
Änderung der Heizleistung über die Materialgeometrie kann der Siedevorgang z.B. zeitlich
und energetisch optimiert werden.
[0023] Nachdem die Siedeflüssigkeit aus dem Material ausgetrieben wurde, wird das Material
in den z.B. durch eine Trennvorrichtung oder Schleuse abgetrennten Tränkbehälter (der
auch eine Tränkkammer sein kann) gebracht und in das Tränkungsmittel getaucht. Es
besteht alternativ auch die Möglichkeit, das Tränkungsmittel nach dem Siedeprozess
direkt in den Siedebehälter (oder die Siedekammer) einzubringen. Das Material ist
bis auf restlichen Flüssigkeitsdampf leer und kann nun große Mengen Tränkungsmittel
aufnehmen, wobei die restliche, siedefähige Flüssigkeit aus dem überhitzten Gaszustand
wieder kondensiert und dabei ihr Volumen vom gasförmigen in den flüssigen Zustand
auf unter 1/1000 der ursprünglichen Gasvolumens verringert.
[0024] Als siedefähige Flüssigkeiten kommen hauptsächlich das im Holz enthaltene Wasser
in Frage, aber auch andere Flüssigkeiten, wie z.B. Aceton, die in trockenes Material,
beziehungsweise im Austausch gegen vorhandenes Wasser, eingebracht werden können.
In der Beschreibung wird aber ohne Beschränkung der Allgemeinheit primär Wasser als
Beispiel herangezogen
[0025] Das Tränken kann ganz oder überwiegend mittels Kapillarwirkung erfolgen, erfolgt
vorzugsweise jedoch durch Temperaturverringerung des Materials, beziehungsweise Druckverringerung
im Material, oder durch eine Kombination von beiden Maßnahmen, und zwar bis auf Werte,
bei denen die Flüssigkeit im Material kondensiert, und dabei vom überhitzten gasförmigen
Zustand in den Nassdampfzustand übergeht. Im einfachsten Falle kann das Material gemäß
Anspruch 2 nach abgeschlossenem Siedevorgang in kaltes Tränkungsmittel getaucht werden.
"Kalt" bezieht sich dabei auf die Prozesstemperatur beim Siedeprozess, und ist dazu
und zum Prozessdruck in Relation zu sehen. Bei gleichem Prozessdruck heißt "kalt"
tatsächlich niedrigere Temperatur und bevorzugt eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes.
[0026] Der Siedevorgang kann z.B. ohne nähere Kontrolle über einen bestimmten Zeitraum erfolgen.
Vorzugsweise wird jedoch gemäß Anspruch 3 bis zu einer Restfeuchte im Material im
Bereich, bevorzugt unterhalb der Fasersättigung des Holzes gearbeitet. Dann liegt
die restlich enthaltene Feuchtigkeit unterhalb der Grenze, bei der Holz verrottet.
[0027] Vorzugsweise, gemäß Anspruch 4, wird weiter entfeuchtet bis zur Restfeuchte in der
Nähe von 0.
[0028] Die Wärmezufuhr beim Sieden kann auf geeignete Weise erfolgen. Relativ gut geeignet
wäre z.B. eine Heißdampf- oder Heißluftheizung, oder der Einsatz von Wärmestrahlern.
Dabei wird, wie bei den meisten anderen Heizungsmöglichkeiten, das Material jedoch
nur von der Oberfläche her erwärmt, so dass der Siedebereich nur langsam von außen
in den Kernbereich eindringt. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 5
vorgesehen. Bei Hochfrequenz- (z.B. Mikrowellenheizung) und Ultraschallheizung handelt
es sich um Volumenheizverfahren, die auch unmittelbar im Kernbereich des Materials
Heizleistung aufbringen, so dass schnell und vollständig von innen getrocknet wird.
[0029] Die Feuchte des Materials sollte während des Siedevorganges laufend kontrolliert
werden, um zu ermitteln, wann die gewünschte bzw. noch tolerierte Restfeuchte erreicht
ist. Vorzugsweise, gemäß Anspruch 8, wird die Feuchte durch Wägung des Materials ermittelt.
Dies ist ein einfaches und hochgenaues Verfahren. Es lässt sich zur Ermittlung der
Feuchte des Materials verwenden und ebenso auch beim Tränken zur Ermittlung des Tränkungsgrades,
um den Tränkungsvorgang nach Erreichen eines gewünschten Wertes stoppen zu können.
Der Tränkungsvorgang kann aber auch z.B. über einen bestimmten Zeitraum erfolgen,
der als ausreichend angesehen wird.
[0030] Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Dabei soll Pappelholz mit einem Harz als Tränkungsmittel imprägniert
werden, das beispielsweise ein Zwei-Komponenten-Kunstharz mit ausreichend langer Topfzeit
ist, welches flüssig eindringen kann, um dann im Holz auszuhärten.
[0031] Dabei kann zunächst optional die Feuchte des Holzes geprüft werden, und wenn diese
als unzureichend angesehen wird durch geeignete Maßnahmen auf einen geeigneteren Wert
erhöht werden. Sodann wird das Holz erhitzt, unter Berücksichtigung des Prozessdruckes,
bis auf eine Temperatur, bei der die enthaltene Feuchtigkeit siedet. Vorzugsweise
wird dazu eine Hochfrequenzheizung verwendet, die schnell und im gesamten Volumen
heizt. Beim Heizen und Sieden besteht erfindungsgemäß kein Kontakt zwischen dem Material
und dem Tränkungsmittel, um Verunreinigungen des Tränkungsmittels zu vermeiden.
[0032] Das Holz wird dabei laufend einer Wägung unterzogen, bei der die Gesamtmasse, bestehend
aus Holz und Wasser, gemessen wird. Aus der gemessenen Gewichtskurve kann anhand der
relativen Gewichtsabnahme festgestellt werden, wann das Holz die gewünschte Restfeuchte
von z.B. maximal der Fasersättigung oder, wenn gewünscht, sogar von Null erreicht
hat. Dann kann das Sieden beendet werden.
[0033] Dann wird das Holz zunächst unter Beibehaltung der Temperatur und des Prozessdruckes,
z. B. in einem Behälter, in das als Tränkungsmittel dienende, flüssige Harz eingelegt
und durch Untertauchen vollständig mit diesem in Berührung gebracht.
[0034] Dabei ist vorzugsweise die Temperatur des Tränkungsmittels so niedrig, dass unter
Berücksichtigung des Prozessdruckes das im Holz befindliche, verdampfte Wasser (oder
eine beliebige andere im Holz befindliche Flüssigkeit) wieder kondensiert Bei der
Kondensation verringert sich das Volumen des Wassers von Dampf zu Flüssigkeit auf
weniger als 1/1000. Es entsteht somit im Holz ein Kondensationsvakuum, welches das
umgebende Harz mit großer Geschwindigkeit in das Holz saugt. Dieser Vorgang kann durch
Aufbringen eines äußeren Prozessdruckes weiter beschleunigt werden.
[0035] Auch bei diesem Tränkungsvorgang kann das Holz vorzugsweise durch Wägung überwacht
werden, bis die beim Tränken entstehende, laufende Gewichtszunahme des Holzes den
gewünschten Tränkungsgrad anzeigt. Sodann kann der Tränkungsvorgang durch Entnehmen
des Holzes beendet werden.
1. Verfahren zum Tränken eines eine siedefähige Flüssigkeit enthaltenden porösen Materials,
bestehend aus festem Skelettmaterial mit Hohlräumen, mit einem gasförmigen Tränkungsmittel,
wobei die siedefähige Flüssigkeit vor dem Tränken unter Wärmezufuhr durch Sieden aus
dem Material ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material soweit erwärmt wird, dass die siedefähige Flüssigkeit bei gegebenem
Prozessdruck siedet, dass der Siedevorgang bis zu einer gewünschten Restfeuchte aufrechterhalten
wird, und dass sodann das Material vollständig in das gasförmige Tränkungsmittel getaucht
wird, bis ein gewünschter Tränkungsgrad erreicht ist, wobei das Eintauchen so zeitnah
nach dem Siedeschritt erfolgt, dass die siedefähige Flüssigkeit überwiegend noch in
der Dampfphase vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränkungsmittel auf einem Druck und einer Temperatur unterhalb der Kondensationslinie
bzw. Taulinie gehalten wird, bei der die siedefähige Flüssigkeit kondensiert.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bis zu einer Restfeuchte unterhalb der Fasersättigung durchgeführt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bis zu einer Restfeuchte von etwa Null durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr beim Sieden mittels Infrarot-, Heißluft-, Heißdampf-, Hochfrequenz-
oder Ultraschallheizung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr zunächst im Materialinneren erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr von Innen nach Außen entlang der Faserrichtung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolle des Materials auf Feuchte und/oder Tränkungsgrad durch Wägung des Materials
erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bei abgesenktem Prozessdruck erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Tränkungsvorgang bei erhöhtem Prozessdruck erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei statt eines gasförmigen Tränkungsmittel
ein flüssiges Tränkungsmittel verwendet wird.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.
1. Verfahren zum Tränken eines eine siedefähige Flüssigkeit enthaltenden porösen Materials,
bestehend aus festem Skelettmaterial mit Hohlräumen, mit einem gasförmigen oder flüssigen
Tränkungsmittel, wobei die siedefähige Flüssigkeit vor dem Tränken unter Wärmezufuhr
durch Sieden aus dem Material ausgetrieben wird, wobei das Material soweit erwärmt
wird, dass die siedefähige Flüssigkeit bei gegebenem Prozessdruck siedet, der Siedevorgang
bis zu einer gewünschten Restfeuchte aufrechterhalten wird, und wobei sodann das Material
vollständig in das gasförmige Tränkungsmittel getaucht wird, bis ein gewünschter Tränkungsgrad
erreicht ist, wobei das Tränkungsmittel auf einem Druck und einer Temperatur unterhalb
der Kondensationslinie bzw. Taulinie gehalten wird, bei der die siedefähige Flüssigkeit
kondensiert, wobei das Eintauchen so zeitnah nach dem Siedeschritt erfolgt, dass die
siedefähige Flüssigkeit im Material überwiegend noch in der Dampfphase vorliegt, so
dass im Material ein Kondensationsvakuum entsteht
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bis zu einer Restfeuchte unterhalb der Fasersättigung durchgeführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bis zu einer Restfeuchte von etwa Null durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr beim Sieden mittels Infrarot-, Heißluft-, Heißdampf-, Hochfrequenz-
oder Ultraschallheizung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr zunächst im Materialinneren erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr von Innen nach Außen entlang der Faserrichtung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolle des Materials auf Feuchte und/oder Tränkungsgrad durch Wägung des Materials
erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Siedevorgang bei abgesenktem Prozessdruck erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Tränkungsvorgang bei erhöhtem Prozessdruck erfolgt.