Chemie und Technologie von Holz-Polymer-Verbundwerkstoffen (Wood-Plastic Composites, WPC)

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1 10. Symposium Nachwachsende Rohstoffe für die Chemie März 2007, Oldenburg Chemie und Technologie von Holz-Polymer-Verbundwerkstoffen (Wood-Plastic Composites, WPC) Dr. Hans Korte, Innovationsberatung Holz & Fasern, Wismar Übersicht Was sind Holz-Polymer Verbundwerkstoffe (Wood-Plastic Composites, WPC)? Definition Historischer Überblick Marktbedeutung Chemie der Rohstoffe Holz und Naturfasern Polymere Holzmodifizierung Einstufige und zweistufige Herstellverfahren Compoundierverfahren Profilextrusion Spritzguß Plattenpreßverfahren Rotationssinterverfahren Produkte Eigenschaften 1

2 Was sind WPC? WPC bestehen aus den Bestandteilen Holz, thermoplastische Kunststoff und Additiven und werden thermoplastisch verarbeitet. Holz WPC Kunststoff TechLine FhG-WKI, Braunschweig Wie sehen die Märkte für WPC aus? WPC sind eine neue Werkstoffgruppe, deren Entwicklung Anfang der 90er- Jahre in den USA begann, die sich bis 2005 auf ein Marktvolumen von t/a entwickelt haben und weiterhin zweistelliges Wachstum zeigen. Die technische Entwicklung in Europa hat ca. 7 8 Jahre später begonnen, mit einer Vorreiterrolle von Unternehmen aus Österreich und den Niederlanden. Auf dem europäischen Markt sind WPC Produkte seit ca. dem Jahr 2000 bekannt. Der deutsche Markt ist der wichtigste Markt für WPC in Europa, dessen Marktvolumen 2005 bei ca t/a und 2006 bei ca t/a lag. Für Deutschland und Europa wird für die nächsten Jahre mit weiterhin hohen zweistelligen Wachstumsraten gerechnet. Neben Japan haben auch China, Korea, Thailand, Malaysia, Australien u.a. WPC für ihre Märkte erkannt. Neben Holz werden dort auch andere Naturfaserprodukte, wie z.b. Reisschalen, verwendet. Hauptanwendungsgebiet sind Terrassendielen (deckings), gefolgt von Bauprofilen (Türverkleidungen, Leisten etc.). Deutsche Unternehmen sind erfolgreich mit Spritzgussteilen für Möbel, Verpackungen und im Automobilbau. 2

3 Zusammenspiel: Rohstoffe, Prozesse, Markt Resources Process Market compounding Wood compounder other used wood natural hot coolmixing Shavings processor fibres grind coating wood processor WPC- pelletising Recycling forest process material collected material Product forming extrusion injection moulding trade Customer end user Plastics recycling plastics fibre crosslinker biozide board pressing rotomoulding industry customer OEM plastics compatibilizer filler UV-stabilizer Additivs lubricant pigment after treatment flame retardant direct extrusion DR. HANS KORTE Chemischer Aufbau von Holz z.b. Nadelholz Cellulose < 50% Lignin ~ 25 % Polyosen ~ 25% Extraktst. < 5% O. Faix 2002: Grundlagen derholzchemie Teil I,Vorlesung des Studiengangs Holzwirtschaft, Universität Hamburg. 3

4 Mögliche Reaktionen im System Kohlenhydratgerüst mit Maleinsäureanhydrid gepropftem Polypropylen MAH-PP K.P. Mieck et al. 1995, AngewandteMakromolekulareChemie, 225, S Einstufiges oder Direktextrusionsverfahren Cincinnati K-Tron 5-40 rpm Einzug Entgasung bar aufschmelzen, plastizieren Kompression bei geringer Massetemperatur 4

5 Zweistufige Prozesse: Doppelschneckencompoundierung FhG-WKI, Braunschweig Naftex GmbH Zweistufige Prozesse: Heiß-Kühlmischer-Granulierung Reimelt-Henschel-Misch systeme 5

6 Zweistufige Prozesse: Heiß-Kühlmischer-Granulierung Aufgabematerial klassisches Aufgabematerial sind lose Holzpartikel in der Größe von ca. 0,4 mm bis ca. 2 mm (Schüttgewicht ca kg/m³). alternativ können auch kompaktierte Späne aufgegeben werden (Patent Reimelt-Henschel-Mischsysteme), die in Form von Hobelspanpressballen, Holzpellets oder Holzbriquets vorliegen. Die Vorteile sind: bessere Volumenausnutzung Verarbeitung von Hobelspänen wird möglich, da das Schüttvolumen unkompaktiert von ca kg/m³ durch Kompaktieren auf ca. 300 kg/m³ erhöht wird. Mit unkompaktierten Spänen wird der Mischer nicht ausreichend gefüllt. durch das verdichtete Material wird mehr Scherenergie eingetragen, so daß auf die Beheizung des Heizmischers verzichtet werden kann der Mischer arbeitet in gewissem Umfang auch als Mühle und zerkleinert die Späne auf WPC-übliche Maße. Zweistufige Prozesse: Heiß-Kühlmischer-Granulierung Aufgabematerial Holzbriketts oder Holzheizpellets 6

7 Zweistufige Prozesse: Pelletierpressen 1. Messer 2. Lochmatrize 3. Druckscheibe 4. Druckstücke Pallmann Pallmann Zweistufige Prozesse: Mahlbeschichtung 7

8 Profilextrusion Pro Poly Tec Anlagenschema eines IMC-Spritzgießcompounders M. Dominik: Kunststoffe 9/2006, S

9 Schema kontinuierliches Plattenpressen TPS Samtr onic Förderband Heizregister Kalander Kühlregister TPS Tecnopartner Samtronic Schema des Rotationssinterverfahrens Befüllen Aufheizen Abkühlen Sintern Entformen 9

10 extrudierte Profile Pro Poly Tec Pro Poly Tec Pro Poly Tec Spritzgußteile aus 6 Teilen zusammengesetzter Stuhl ELLAN Werzalit Werzalit IKEA 10

11 rotationsgesinterter Show-Room-Sessel Produkteigenschaften [ ] Fichte PE/PP WPC Dichte g/cm³ 0,43-0,45 0,90-0,97 1,0-1,3 Biegefestigkeit N/mm² Biege E-Modul N/mm² Brinell-Härte N/mm² Zugfestigkeit N/mm² Feuchte % 8-15 <0,05 0,5 3,0 Wasseraufnahme 24 h % Splintholz ca. 70 <0,05 0,3-3,0 Volumenzunahme (24 h H2O) % t ~ 5,0 r ~ 2,5 a ~ 0,15 <0,05 0,2 1,5 Eigenschaften 70/30 Wärmeformbeständigkeit, HDT C > therm. Ausdehnungskoeffizient bei Raumtemperatur m.10-6 C t r a 2,

12 Schlussbemerkung Die Eigenschaften von Holz-Polymer Verbundwerkstoffen (WPC) bestehen aus einer neuartigen Kombination der Eigenschaften beider Hauptkomponenten. Im Vergleich zu Kunststoff ist auf der positiven Seite die deutlich höhere Wärmeformbeständigkeit und der geringere Wärmeausdehnungskoeffizient, auf der Negativseite das Quellverhalten herauszustellen. Im Vergleich zu Holz ist das Quellverhalten deutlich verlangsamt aber die Festigkeiten sind trotz deutlich höherer Dichte von WPC im Vergleich zu Fichte deutlich geringer. Die Ankopplung der Kunststoffkomponenten an die Holzmatrix (Kohlenhydrate oder Lignin) muß verbessert werden, um die Festigkeitseigenschaften zu erhöhen. Wahrscheinlich wird damit auch das Quellverhalten deutlich beeinflußt. Die Kunststofftechnologie wurde auf die Bedingungen hochgefüllter HolzKunststoffmassen angepaßt. Weitere Optimierungen bzgl. Homogenisierung und Reduzierung thermischer Schädigung sind anzustreben. Trotz vergleichsweise günstiger Rohstoffkosten auf der Holzseite liegen die Gesamtkosten für WPC ungefähr auf der Höhe von frischen Polyolefinen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 12