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Dokumentenidentifikation DE69803805T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 1037732
Titel NEUES MATERIAL UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Anmelder Lindhe, Curt, Söderbärke, SE;
Castwall, Lennart, Akersberga, SE
Erfinder LINDSTRÖM, Ove, S-739 30 Skinnskatteberg, SE
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69803805
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.10.1998
EP-Aktenzeichen 989492822
WO-Anmeldetag 15.10.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/SE98/01853
WO-Veröffentlichungsnummer 0009920443
WO-Veröffentlichungsdatum 29.04.1999
EP-Offenlegungsdatum 27.09.2000
EP date of grant 06.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse B27M 1/02
IPC-Nebenklasse B27H 1/00   

Beschreibung[de]
NEUES MATERIAL UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Holzwerkstoffs, der steuerbare Biegeeigenschaften besitzt. Das Verfahren kann zur Herstellung eines Holzwerkstoffs verwendet werden, der einen hohen Elastizitätsgrad und einen hohen Grad an Biegefähigkeit besitzt. Der resultierende Holzwerkstoff lässt sich leicht in eine gewünschte Form bringen, wonach es ebenfalls möglich ist, diese Form auf einfache Weise beizubehalten, so dass der Holzwerkstoff normale Biegeeigenschaften wiedererlangt, obwohl die Form dauerhaft verändert worden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Holzwerkstoff, der mit dem vorstehend genannten Verfahren hergestellt wurde.

Hintergrund der Erfindung

Konstruktionen und Objekte aus gebogenem Holz werden seit undenklichen Zeiten vom Menschen verwendet. Da Holz ein steifes Material ist, muss es vor dem Formen und Biegen weich gemacht werden, damit es sich nicht spaltet. Dieses Weichmachen wurde herkömmlicherweise mit Wärme oder alternativ mit einer Kombination aus Wärme und Feuchtigkeit (bspw. mit Dampf) erzielt. Holz wurde ebenfalls durch Imprägnieren mit Chemikalien, wie Ammoniak, Polyethylenglycol und Pyridin, weich gemacht.

In modernen Zeiten werden ebenfalls alternative Holzwerkstoffe entwickelt, die eine hochgradige Biege- und Form-Flexibilität besitzen. Ein Typ von Verfahren beruht auf dünnen Holzscheiben, die so miteinander verleimt werden, dass sie eine Schichtstruktur bilden, deren Formbarkeit größer als die des rohen Holzwerkstoffs ist. Beispiele dafür sind in JP-A-9/70804 und JP-A-7/246605 beschrieben. Die Flexibilität des in diesen Dokumenten beschriebenen Materials ist jedoch auch nicht voll zufriedenstellend. Wärme ist zusammen mit dem Biegeschritt erforderlich. Der Holzwerkstoff kann, nachdem die gewünschte Verformung stattgefunden hat, schließlich nicht die normale Steifigkeit wiedererlangen. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Verfahren zum vorübergehenden Anheben der Elastizität von Holzwerkstoffen und wiederum zum Herabsetzen dieser Elastizität auf den normalen Wert, nachdem die gewünschte Biegung stattgefunden hat.

Zusammenfassung der Erfindung

Man hat jetzt entdeckt, dass man die Elastizität und die Biegsamkeit von diffus porösem Holz mit einem Verfahren stark erhöhen kann, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines diffus porösen Holzstücks; und

b) isostatisches Pressen des Holzsstücks in a) mit einem Druck von mindestens 500 bar.

Die Steifigkeit wird wiederum gesteigert, indem das Holzstück solange in einer Flüssigkeit eingetaucht wird, dass die Flüssigkeit in das gesamte Holzstück eindringen kann, und anschließend das Probenstück getrocknet wird.

Eingehende Beschreibung der Erfindung Definitionen:

Der hier verwendete Begriff "isostatisches Pressen" betrifft das Pressen mit einem Druck, der in allen Raumrichtungen gleich groß ist. Das Pressen von Holz mit einem derartigen Druck ist in WO 95/13908 beschrieben. "Diffus poröses Holz" ist ein Holz, bei dem die Leitgefäße über den gesamten Jahresring gleichmäßig verteilt und annähernd gleich groß sind. Beispiele für Bäume mit diffus porösem Holz sind Erle, Espe, Birke, Buche, Ahorn, Eukalyptus, Kanadischer Zuckerahorn, Betula pendula, Acer pseudoplatanus, Acer rubrum, Nyssa sylvatica, Liquidambar styraciflua, Popolus balsamifera, Fagus sylvatica, Banksia prionotes und Banksia ilicifolia.

Mit dem Begriff "Holzstück" wird hier ein diffus poröses Holzstück bezeichnet. Ein "Holzverbundstück" betrifft ein Probenstück, das aus mehreren kleineren diffus porösen Holzstücken besteht, die parallel zur Faserrichtung in den zusammengesetzten Stücken miteinander verleimt sind. Im Prinzip lassen sich die meisten für Holz geeignete Leimtypen bei der Herstellung der Holzverbundstücke verwenden. Erwähnenswerte Beispiele sind Kaltwasserleim, Schmelzkleber, Leim auf Lösungsmittel-Basis, Leim auf Emulsionsbasis und Ein- oder Zweikomponentenkleber auf Polymerisationsbasis. Man kann insbesondere Leim verwenden, der Polyvinylacetat-Emulsionen, PVC, Polystyrol, Harnstoff, Melamin, Melamin-Formaldehyd, Phenol, und Polyurethan enthält. Der Fachmann wählt für die gegebenen Bedingungen leicht einen geeigneten Leimtyp aus.

Der hier verwendete Begriff "Flüssigkeit" bezeichnet eine Flüssigkeit, welche in diffus poröses Holz eindringen kann. Beispiele für solche Flüssigkeiten sind Wasser und Leinsamenöl/Terpentin in einem Gewichtsverhältnis von 1/100-100/l. Die Flüssigkeit kann zudem andere Substanzen, wie Farbstoffe und Substanzen, die die Beständigkeit gegenüber Verrottung und Feuer erhöhen, enthalten.

Die Erfindung wird nachstehend eingehend anhand der beigefügten Figuren beschrieben, worin:

Fig. 1 zeigt, wie die Elastizität durch das Verfahren nach Anspruch 1 verändert wird;

Fig. 2A eine Scheibe zeigt, die direkt aus einem Baumstamm geschnitten wurde;

Fig. 2B einen horizontalen Querschnitt der Scheibe zeigt. Die Jahresringe sind eingezeichnet; Fig. 2C das Formen der Scheibe (im horizontalen Querschnitt) in Zusammenhang mit dem Eintauchen in Wasser zeigt, und Fig. 2D einen horizontalen Querschnitt der nach dem Trocknen erhaltenen Schale zeigt;

Fig. 3 zeigt, wie hochgradig elastische Holzverbundstücke hergestellt werden können, indem isostatisch gepresstes diffus poröses Holz gesägt und in einem bestimmten Muster verleimt wird. Die Jahresringe sind in dieser Figur vollständig eingezeichnet; und

Fig. 4 das Ergebnis eines Biegeexperimentes mit einem Holzverbundstück zeigt, das aus diffus porösen Holzstücken hergestellt wurde, deren Elastizität mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht wurde.

Eingehende Beschreibung der Erfindung

Diese Erfindung beruht wie bereits vorstehend erwähnt auf der unerwarteten Entdeckung, dass die Elastizität eines diffus porösen Holzstücks stark erhöht ist, nachdem das Holz isostatisch mit einem Druck von mindestens 500 bar gepresst wurde. Man nimmt an, ohne die Erfindung auf eine bestimmte Theorie zu beschränken, dass die Erhöhung der Elastizität nach dem isostatischen Pressen darauf beruht, dass die Leitgefäße oder Poren, welche recht groß und einheitlich im diffus porösen Holz verteilt sind, zu einer geordneten Struktur zusammenfallen. Die Festigkeit der Fasern scheint unverändert zu sein, da die zum Brechen der Fasern erforderliche Kraft die gleiche wie bei gewöhnlichem Holzwerkstoff ist. Die erhöhte Elastizität tritt daher nicht in allen Richtungen auf.

Die Fig. 1 zeigt, wie die Elastizität in dem diffus porösen Holz nach dem erfindungsgemäßen isostatischen Pressen verändert wird. Die Fig. 1A zeigt ein diffusporöses Holzstück, bei dem die Fasern von der Oberfläche ABCD zur Oberfläche EFGH ausgerichtet ist. Die Jahresringe sind in der Oberfläche ABCD eingezeichnet. Die Fig. 1b zeigt die Seite DCGH des Holzstücks. Hier sind die Fasern daher von Seite DC zur Seite GH ausgerichtet. Wird in der Mitte der Strecke DH ein Druck ausgeübt, kann man keinen Anstieg der Elastizität beobachten. Die Fig. 1c zeigt die Seite ABCD des vorstehend genannten Stücks. Wird dem gegenüber ein Druck in der Mitte der Strecke AD ausgeübt, kann man einen deutlichen Anstieg der Elastizität beobachten. Das Ergebnis davon ist in Fig. 1d gezeigt. Durch paralleles Zusammenleimen von diffus porösen Holzstücken auf die in Fig. 1e gezeigte Weise kann ein Holzwerkstoff erhalten werden, der ein sehr hohes Maß an Flexibilität besitzt.

Wie bereits vorstehend erwähnt wurde ebenfalls entdeckt, dass man die Elastizität des erfindungsgemäß isostatisch gepressten Holzwerkstoffs senken kann. Der Holzwerkstoff erlangt seine Steifigkeit wieder, nachdem er in eine Flüssigkeit für einen Zeitraum getaucht wurde, der hinreichend lang ist, dass die Flüssigkeit in das ganze Holzstück eindringen kann. Die Zeitdauer, während der das Holzstück eingetaucht werden muss, damit es seine Steifigkeit wiedererlangt, hängt von der Größe des zu formenden Stücks ab. Für relativ kleine Stücke mit einem Querschnitt von 20 · 40 mm ist eine Eintauchzeit von 5-15 min. vollständig ausreichend, wohingegen Eintauchzeiten von bis zu 2 Std. für große Stücke erforderlich sein können. Das Eintauchen kann im Prinzip bei jeder beliebigen Temperatur erfolgen, sofern der Holzwerkstoff nicht beschädigt wird und die Flüssigkeit noch flüssig ist. Es ist zweckmäßig, dass der Eintauchschritt bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Der Fachmann kann mit einfachen Experimenten leicht geeignete Eintauchzeiten und Eintauchtemperaturen in jedem einzelnen Fall bestimmen.

Ohne die Erfindung an eine bestimmte Theorie zu binden wird angenommen, dass die Flüssigkeit während des Eintauchens mit Hilfe von osmotischen Kräften und/oder einer hydrophoben Wechselwirkung in die vorher zusammengefallenen Poren dringt, wodurch sich die Poren wieder auf ihr ursprüngliches Volumen ausdehnen.

Wie bereits erwähnt ist diese Erfindung im Zusammenhang mit dem Formen von Holzwerkstoff, bspw. bei der Herstellung von Möbeln, nützlich. Es lassen sich sogar ziemlich komplizierte Formen erhalten. Zuerst wird ein Holzwerkstoff mit erhöhtem Elastizitätsgrad erzeugt. Dann wird erforderlichenfalls ein geeignetes Werkstück aus dem Material gesägt. Das Werkstück wird dann in die gewünschte Form gebracht, bspw. mit Formen und/oder Klammern. Die gewünschte Form kann dann durch Eintauchen in eine geeignete Flüssigkeit unter geeigneten Bedingungen (wie vorstehend genannt) und anschließendes Trocknen fixiert werden.

Bezüglich der Größe des Holzstücks gibt es keine Einschränkungen außer denen, die die Größe der eingesetzten Pressvorrichtung betreffen. Das Pressen scheibenförmiger Holzstücke ist jedoch besonders vorteilhaft, und Holzstücke mit Oberflächen von mehr als 2 m² lassen sich ohne Schwierigkeiten pressen, so lange die Größe der Presse dies erlaubt. Pressen des in SE-C-452 436 beschriebenen Druckzellentyps liefern ein Beispiel für eine geeignete Pressvorrichtung, und der Leser wird an die vorstehend genannte WO 95/13908 in Bezug auf das isostatische Pressen von Holz verwiesen.

Das Holzstück sollte vor dem isostatischen Pressen getrocknet sein. Es ist vorteilhaft, wenn der Feuchtigkeitsgehalt auf höchstens 50% des Gehalts im lebenden Holz abgesenkt ist. Man kann jedoch auch feuchtes Holz isostatisch pressen, wenn man sich der ausgepressten Flüssigkeit annimmt, bspw. durch Absorption, oder durch Wegleiten von der Pressvorrichtung. Die Technik des isostatischen Pressens von feuchtem Holz ist in WO 97/02936 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der nachstehenden Ausführungsbeispiele eingehender beschrieben, die zu Veranschaulichungszwecken gegeben werden und die Erfindung nicht einschränken sollen.

Beispiel 1

Ein scheibenförmiges Holzstück mit einem Durchmesser von 19,3 cm und einer Dicke von 1 cm wurde aus einem Espenstamm gesägt. Die Scheibe wurde entrindet und auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 48% des Ursprungsgehaltes getrocknet (siehe Fig. 1A und 1B). Sie wurde dann in einer Presse des Druckzellentyps (ABB Pressure Systems, Västerås, Schweden) auf die in Beispiel 1 von WO 95/13908 beschriebene Weise isostatisch gepresst. Der Maximaldruck betrug 850 bar, und die Temperatur betrug 33ºC. Die Gesamtpressdauer betrug 2 min.

Die nachfolgenden Schritte wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die resultierende elastische Scheibe wurde in eine Schalenform mit einer Maximaltiefe von 4 cm gegeben und festgeklammert, so dass sie die Gestalt der Form annahm (Fig. 2C). Die Form und die Holzscheibe wurden 10 min. in Wasser getaucht und dann trocknen gelassen. Die Elastizität der Scheibe war nun merklich verringert und die Schalenform wurde beibehalten, sogar nachdem die Verklammerung mit der Form gelöst wurde (Fig. 2D).

Beispiel 2

Ein Espenstück mit den Abmessungen 550 · 170 · 35 mm (Fig. 3A, die Jahresringe sind eingezeichnet) und einem Feuchtigkeitsgehalt von 48% von dem des lebenden Baums wurde als Ausgangsmaterial verwendet. Das Stück wurde genauso wie in Beispiel 1 isostatisch gepresst. Der Maximaldruck betrug 1000 bar, die Temperatur 34ºC und die Presszeit 2 min. Nach dem Pressen betrugen die Abmessungen des Probenstücks 438 · 136 · 22 mm. Es wurde rundum manuell mit der Hand gehobelt, so dass es vollständig glatt war. Das Stück wurde dann der Länge nach durchgesägt, so dass drei Probestücke mit den Abmessungen 146 · 136 · 22 mm erhalten wurden. Diese Probestücke wurden wiederum in etwa 20 mm breite Lamellen gesägt, und die Oberflächen wurden durch manuelles Hobeln geglättet. Die Lamellen wurden dann so aneinander gelegt, dass sie genauso wie vor dem Sägen zu liegen kamen (Fig. 3B), und weiterhin, dass die drei ursprünglichen Stücke aneinander lagen. Folglich lagen 21 Lamellen wie in Fig. 3C gezeigt aneinander. Ein Kaltwasserleim (Casco 3305, Casco, Schweden) wurde auf der oberen Oberfläche aller Lamellen außer auf demjenigen am weitesten rechts verteilt (Fig. 3D). Sämtliche Lamellen wurden dann im Uhrzeigersinn eine Viertel Umdrehung gedreht (Fig. 3E) und anschließend mit Klammern aneinander gepresst (Fig. 3F); der Leim wurde dann trocknen gelassen. Dadurch wurde ein Holzverbundstück (Fig. 3 G) mit den Abmessungen 146 · 410. · 22 mm erhalten. Das Probestück wurde dann bei 15 mm der Länge quer abgeschnitten, was ein Probestück mit den Abmessungen 15 · 410 · 22 mm ergab. Dieses Stück wurde dann von Hand gebogen, bis es die Form eines Hufeisens mit 125 mm Innendurchmesser hatte (Fig. 4). Es wurden keine Spaltungen beobachtet.

Beispiel 3

Dieses Beispiel betrifft die Bestimmung des Elastizitätsmoduls des erfindungsgemäßen Holzwerkstoffs. Espenholz, das diffus porös ist, wurde mit einem Druck von 1000 bar isostatisch gepresst. Anschließend wurde das Holz in 20 mm · 20 mm · 200 mm große Stücke gesägt. Die Faserrichtung der Stücke war senkrecht zur Längsrichtung des Stücks.

Eine erste Gruppe von Stücken (A) mit 20 mm · 20 mm · 200 mm wurde bereitgestellt. Die Stücke dieser Gruppe wurden dann genauso wie die Stücke der Gruppe D gesägt und verleimt, jedoch wurde das Holz nicht isostatisch gepresst.

Die Stücke der zweiten Gruppe (B) wurden weder gesägt noch wieder zusammengeleimt.

Die Stücke der dritten Gruppe (C) wurden in 3 Stücke mit 20 mm · 20 mm · 60 mm, 20 mm · 20 mm · 80 mm bzw. 20 mm · 20 mm · 60 mm gesägt. Diese Stücke wurden dann mit dem gleichen Leim wie in Beispiel 2 wieder so miteinander verleimt, dass ein neues Verbundstück mit 20 mm · 20 mm · 200 mm erhalten wurde, und dass die Faserrichtung des Stücks senkrecht zur Längsrichtung des Stücks verlief.

Die Stücke der vierten Gruppe (D) wurde in 5 Stücke mit 20 mm · 20 mm · 40 mm gesägt. Diese Stücke wurden mit dem gleichen Leim wie in Beispiel 2 wieder so miteinander verleimt, dass ein neues Verbundstück mit 20 mm · 20 mm · 200 mm erhalten wurde, und dass die Faserrichtung des Stücks senkrecht zur Längsrichtung des Stücks verlief.

Für Stücke aus allen Gruppen wurde der Elastizitätsmodul bestimmt. Die Bestimmungen erfolgten gemäß der europäischen Norm EN 310 : 1993 (Europäisches Standardisierungskomitee, Brüssel, BE). Die bei diesen Experimenten verwendete Ausrüstung ist in Fig. 5 gezeigt. Die Entfernung 11 zwischen den beiden Stützen 2 und 3 betrug 150 mm. Ein Biegeelement F biegt das zu testende Stück 1 an einer Stelle genau in der Mitte zwischen den beiden Stützelementen 2 und 3.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1 Testgruppe Elastizitätsmodul

A 615 MPa 699 MPa

B 347 MPa 319 MPa

C 172 MPa 201 MPa

D 25,0 MPa 64,2 MPa

Man beachte, dass der erfindungsgemäße Holzwerkstoff (Gruppen C und D) viel niedrigere Elastizitätsmoduli als das Material der Kontrollgruppen (Gruppen A und B) besitzt. Aus Fig. 8 geht zudem hervor, dass das Teststück der Gruppe D so flexibel war, dass es bei den Biegetests nicht riss. Sämtliche Teststücke der Gruppen A-C rissen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines Holzverbundstücks mit stark erhöhter Elastizität, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen von mindestens zwei diffus porösen Holzstücken, die durch isostatisches Pressen der Holzstücke unter einem Druck von mindestens 500 bar elastisch gemacht wurden; und

b) Zusammenkleben der Holzstücke von a) in einer solchen Weise, daß die Fasern in dem resultierenden Holzverbundstück parallel ausgerichtet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isostatische Druck mindestens 850 bar und vorzugsweise mehr als 1000 bar beträgt, daß die Preßtemperatur höchstens 40ºC und vorzugsweise höchstens 35ºC beträgt, und daß die Preßzeit höchstens 5 Minuten beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung von Formprodukten aus diffus porösem Holz, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines diffus porösen Holzstücks oder eines diffus porösen Holzverbundstücks, dessen Elastizität mit Hilfe eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 erhöht wurde;

b) Formen des in a) erhaltenen elastischen Holzstücks zu der gewünschten Form, gefolgt von Fixieren des Holzstücks in der gewünschten Form unter Verwendung von auf diesem technischen Gebiet gebräuchlichen Fixierungselementen;

c) Eintauchen des fixierten elastischen Holzstücks, das in b) erhalten wurde, in eine Flüssigkeit über einen ausreichend langen Zeitraum, damit die Flüssigkeit in das ganze Holzstück eindringen kann;

d) Trocknen des resultierenden Holzstücks; und

e) Lösen des Holzstücks aus den Fixierungselementen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Holzstück in Wasser bei Raumtemperatur getaucht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Holzstück in Leinöl/Terpentin in einem Gewichtsverhältnis von 1/100 bis 100/l getaucht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchzeit zwischen 5 Minuten und 2 Stunden beträgt.

7. Diffus poröser Holzwerkstoff mit erhöhter Elastizität, hergestellt unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2.

8. Geformter diffus poröser Holzwerkstoff, hergestellt unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 5.







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