Entwicklung von pflanzenwachsbasierten Additiven zur Funktionalisierung von Partikelwerkstoffen (PflawabA)

Abstract

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung und der Einsatz von nachwachsenden, pflanzenwachsbasierten Hydrophobierungsmitteln bei der Herstellung von Spanplatten, um konventionelle Hydrophobierungsmittel auf der Basis fossiler Rohstoffe zu ersetzen. Im einem Vorgängerprojekt 20166 BR/1 wurde die guten hydrophobierenden Eigenschaften von braunkohlestämmigen Montanwachsen bei faserbasierten Holzwerkstoffen nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde an die Ergebnisse angeknüpft und wachsesterreiche, nachwachsende Pflanzenwachssysteme identifiziert und bewertet, die eine den Montanwachsen ähnliche chemische Struktur aufweisen. Zusätzlich wurden Öl-Wachssysteme untersucht, die im Gegensatz zu den wachsesterreichen Wachsen auf Triclyceriden (TAG) basieren. Aus den Wachsen wurden wässrige Dispersionen hergestellt, deren Hydrophobierungspotenzial mit einem entwickelten Schnellverfahren bewertet wurde. Dabei wurden Vorzugsvarianten auf Basis von Zuckerrohrwachs, Reiswachs (als Vertreter wachsesterreicher Wachse) und Rapswachs (als Vertreter der TAG-Wachse) identifiziert, bei denen per Randwinkelmessung nach DIN EN 828 und im Tensiometer gute Benetzungseigenschaften festgestellt wurden. Aus den bevorzugten Wachssystemen wurden wässrige Dispersionen hergestellt, die auf die Anforderungen des Spanplattenprozesses maßgeschneidert wurden. Mit den Pflanzenwachsdispersionen wurden im labortechnischen Maßstab zunächst einschichtige Spanplatten hergestellt. Die mechanischen und hygrischen Eigenschaften der Spanplatten wurden entsprechend der Anforderungen nach DIN EN 312 anhand der Prüfung für die Dickenquellung nach Wasserlagerung (DIN EN 317) und der Prüfung für die Querzugfestigkeit (DIN EN 319), sowie fallweise anhand weiterer mechanischer Prüfungen bewertet. Zur Einordnung der Ergebnisse wurden auf gleiche Weise Spanplatten mit industriellen Referenzsystemen auf Basis von Montanwachs und Paraffinwachs hergestellt und untersucht. Mittels Parametervariation (z.B. Anteil des Hydrophobierungsmittels, des Klebstoffes, des Klebstoffanteils, des Zugabezeitpunktes) wurde der Spanplattenprozess mit Hinblick auf möglichst geringen Hydrophobierungs- und Bindemittelanteil angepasst. Mit den optimierten Systemen wurden industrieäquivalente, dreischichtige Spanplatten im Laborprozess hergestellt und deren Eigenschaften bewertet. Es konnte festgestellt werden, dass sich mit Pflanzenwachsdispersionen aus nachwachsenden Rohstoffen bei Spanplatten eine ähnliche Hydrophobierungswirkung erzielen lässt, wie mit Montanwachssystemen oder paraffinwachsbasierten Systemen. Wachsesterreiche Systeme eignen sich unter den durchgeführten Untersuchungsbedingungen besser als TAG-Wachssysteme. Mit dreischichtigen Spanplatten, die mit Reiswachs hydrophobiert wurden, können schon bei geringem Hydrophobierungsmitteleinsatz von 0,5 m-% (8 m-% UF-Klebstoff in Mittelschicht und Deckschicht) die Anforderungen an die Dickenquellung nach DIN EN 312 – P3 teilweise (Platten für nicht tragende Zwecke zur Verwen-dung im Feuchtbereich) eingehalten werden. Bei Anwendung der Pflanzenwachsdispersionen in Kombination mit Bindemitteln auf Basis von UF, MUF, pMDI und Proteinen konnten keine nachteiligen Wechselwirkungen bezüglich der mechanischen und hygrischen Eigenschaften beobachtet werden. Der aufgrund des Harzanteils vermutete klebunterstützende Effekt der Pflanzenwachse trägt nicht zu nennenswerten Festigkeitssteigerungen der Spanplatten bei, sodass eine Verringerung des Bindemittelanteils oder eine Festigkeitssteigerung durch Einsatz von Pflanzenwachsen im Vergleich zu den Referenzsystemen nicht möglich wurde. Es konnte festgestellt werden, dass durch Hydrophobierungsmittelzugabe im Bindemittel oder nach dem Bindemittel höhere Querzugfestigkeiten erzielt werden können, als bei vorheriger Zugabe. Die Wechselwirkungen zwischen Pflanzenwachsen und beleimten Spänen in Abhängigkeit von Beleimzustand und Wachskonzentration sollten bezüglich des Einflusses auf die Dickenquellungen jedoch Bestandteil weiterführender Untersuchungen sein. Mit den Ergebnissen des Vorhabens entstehen neue Märkte für die mittelständisch geprägten Branchen der Montanwachshersteller und Hersteller konventioneller Wachssysteme. Gleiches gilt für die Erzeuger und Verwerter von pflanzenbasierten Rohstoffen, z.B. von Reststoffen aus der Lebensmittelproduktion oder Agrarprodukten. Für die Holzwerkstoffindustrie und für die Wachsindustrie wurde ein Beitrag zur Rohstoffsicherheit geleistet. Zudem können die entwickelten Pflanzenwachsdispersionen ohne nennenswerte Investitionshürden in den bestehenden Herstellungsprozess der Holzwerkstoffhersteller intergiert werden. In den genannten Bereichen und im Bauwesen, der Möbelindustrie und der Verpackungsindustrie erschließen sich Möglichkeiten zur Vermarktung neuer Produkte mit einem verringerten Anteil fossiler Rohstoffe, woraus Wettbewerbsvorteile ableitbar sind. Ein Teilnehmer des projektbegleitenden Ausschusses plant derzeit den Aufbau eines Technikums, um Pflanzenwachse im industrietauglichen Maßstab zur Verfügung zu stellen. Datei-Upload durch TIB