1 Einleitung

Für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) werden Zerkleinerungsprodukte, insbesondere Holz-Hackschnitzel, zunächst bei Temperaturen von 40–50°C gewaschen und anschließend bei Temperaturen von 80°C bis 90°C gedämpft. Die so behandelten Holzhackschnitzel werden anschließend bei Temperaturen von 160°C bis 180°C aufgeschlossen und darauffolgend in einem Refiner zerfasert. Im Anschluss hieran werden die noch heißen und nassen Fasern unter Druck in ein Blasrohr befördert und mit Bindemitteln beleimt. Die beleimten Fasern werden anschließend, je nach Anlage unterschiedlich scharf, getrocknet, zu Matten gestreut und zu Faserplatten heiß gepresst.

Ergebnisse von Untersuchungen zum Einfluss der Aufschlussbedingungen von Fichtenholz auf die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten MDF zeigen, dass je nach Aufschlusstemperatur erhebliche Veränderungen in den chemischen Eigenschaften der hergestellten Fasern eintreten. Mit zunehmender Aufschlusstemperatur nahm der pH-Wert von den Kaltwasserextrakten der Fasern ab und ihre alkalische Pufferkapazität entsprechend zu. Ferner stieg der Extraktstoffgehalt (Heißwasser-Extraktion) der Fasern bis zu etwa 11,5% bei einer Aufschlusstemperatur von 180°C an (thermo-mechanischer Aufschluss). Diese Veränderungen in den chemischen Eigenschaften wirken sich auf die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten MDF aus. So nahm bei hohen Aufschlusstemperaturen die Dickenquellung der MDF deutlich ab, die Querzugfestigkeit wurde hierdurch nur geringfügig verringert (Schneider 1999).

Untersuchungen zum Einfluss der Aufschluss- und Trocknungsbedingungen auf das Verleimungsverhalten der Fasern gewinnen im Zusammenhang mit dem zunehmenden, insbesondere durch die Rohstoffknappheit bedingten, Einsatz von Recyclingstoffen (insbesondere Gebrauchtspan- und -faserplatten) an Bedeutung. Ergebnisse von diesbezüglichen Voruntersuchungen lassen erkennen, dass sich das thermo-hydrolytische Verhalten von Recyclingfasern aus Harnstoff-Formaldehyd-Harz-gebundenen Faserplatten von dem der aus Holzhackschnitzeln gewonnenen Fasern grundlegend unterscheidet (Franke u. Roffael 1998a,b): Recyclingspäne und -fasern aus UF-Harz-gebundenen Holzwerkstoffen enthalten ein weitgehend ausgehärtetes Bindemittel, das infolge der thermo-hydrolytischen Behandlung nur teilweise abgebaut wird (Roffael et al. 2008, 2009), so dass die hergestellten Fasern noch anhaftendes Bindemittel (UF-Harz) enthalten. Infolge des thermo-hydrolytischen Abbaus des Bindemittels (UF-Harz) kommt es nach Franke u. Roffael (1998b) zur Bildung von Ammoniak, das die aus dem Holz freiwerdenden Säuren abpuffert und zu einer entsprechenden Erhöhung im pH-Wert führt, die sich auf die Aushärtung des Bindemittels auswirkt. Demgegenüber sinkt der pH-Wert des unbehandelten Holzes bzw. dessen wässriger Extrakte infolge der thermo-hydrolytischen Behandlung ab.

Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsvorhabens sollte geklärt werden, inwieweit Holz bzw. Holzzerkleinerungsprodukte durch andere Lignocellulosen wie Gebrauchtspan- und -faserplatten, Einjahrespflanzen und Altpapier ersetzt werden können, ohne dass die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten mitteldichten Faserplatten eine nennenswerte Beeinträchtigung erfahren. Ferner sollte der Einfluss der Mitverwendung der alternativen Lignocellulosen auf das Emissionsverhalten der hergestellten Platten, insbesondere auf die Formaldehydabgabe, ermittelt werden. Der vorliegende erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Eignung von Gebrauchtspan- und -faserplatten als Teilersatz bei der Herstellung von mitteldichten Faserplatten.

2 Ziel der Untersuchungen

Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, die morphologischen und chemischen Eigenschaften von aus Recyclingspan- und -faserplatten hergestellten Fasern mit denen, die direkt aus dem Holz gewonnen wurden, zu vergleichen. Darüber hinaus zielte die Arbeit darauf ab, die Auswirkung der Mitverwendung von Recyclingfasern aus Holzspan- und -faserplatten auf die physikalisch-technologischen Platteneigenschaften festzustellen. Des Weiteren sollte der Einfluss des teilweisen Ersatzes des Holzes durch Gebrauchtspan- und -faserplatten auf die Formaldehydabgabe der hergestellten mitteldichten Faserplatten festgestellt werden.

3 Material und Methode

Als Ausgangsmaterial dienten industriell hergestellte UF-Harz-gebundene mitteldichte Faserplatten aus Kiefernholz mit einem über den Stickstoffgehalt hergeleiteten Bindemittelanteil von 11,4% sowie ebenfalls industriell hergestellte UF-Harz-gebundene Holzspanplatten aus Nadelholz mit einem Bindemittelgehalt von 9,4%. Diese Holzspan- und -faserplatten wurden nach einer Vorzerkleinerung bei 170°C für 5 Minuten thermo-hydrolytisch beaufschlagt und anschließend im Refiner zerfasert. Zum Vergleich wurden Kiefernholzhackschnitzel unter den gleichen Bedingungen aufgeschlossen. Es wurden für die hergestellten Stoffe die Faserlänge, Zellwanddicke, der Anteil an Feinstoff und Splittergehalt quantitativ ermittelt. An den hergestellten Fasern wurden des Weiteren der pH-Wert und die alkalische Pufferkapazität der Kalt- und Heißwasserextrakte bestimmt. Ferner wurde im Kaltwasserextrakt der Gehalt an Formiat- und Acetationen bestimmt und an den Fasern die Abgabe an flüchtigen Säuren (Ameisen- und Essigsäure) gemessen. Die chemischen Analysen erfolgten mittels einschlägig ausgewiesener Methoden.

Die hergestellten Stoffe aus gebrauchten Span- und Faserplatten wurden zu 30% für den Ersatz von TMP aus Kiefernholz für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten eingesetzt. Die Beleimung der Faserstoffe erfolgte in einer Beleimungstrommel. Es wurden einschichtige mitteldichte Faserplatten mit einer Soll-Dicke von 16 mm und einer Soll-Rohdichte von 700 kg/m3 (nach Klimatisierung bei 20°C/ 65% relative Luftfeuchte) hergestellt. Die Herstellungsbedingungen können Tabelle  1 entnommen werden.

Tabelle 1 Table 1 Herstellungsbedingungen für MDFConditions of MDF-preparation
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4 Ergebnisse und Diskussion

4.1 Morphologische Eigenschaften der hergestellten Fasern

Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 ergibt sich, dass die mittlere Faserlänge der aus mitteldichten Faserplatten und aus Spanplatten hergestellten Faserstoffe kürzer ist als die des thermo-mechanischen Holzstoffs, der direkt aus dem Holz gewonnen wurde. Dies überrascht insofern nicht, als bereits aus der Papiertechnologie bekannt ist, dass Recycling von Faserstoffen zu einer Verkürzung der mittleren Faserlänge führt (vgl. z. B. Grossmann 1996). Mit der Verkürzung der Faserlänge geht generell auch eine Zunahme des Feinstoffanteils einher. Dieser liegt für TMP aus Holz bei 31,7% und damit deutlich niedriger als bei den Fasern aus MDF, die ursprünglich ebenfalls aus Kiefernholz hergestellt wurden. Weitaus größer ist der Feinanteil bei den Fasern, die aus Holzspanplatten gewonnen wurden. Dies kann in Zusammenhang stehen mit einem in der Regel hohen Anteil an Feinspänen in den Deckschichten und auch gewissen Anteilen an Rinde der Spanplatten, die zu einer Erhöhung des Feinanteils beitragen. Auffällig ist jedoch der relativ niedrige Splitteranteil in den aus MDF hergestellten Fasern. Im Fall von Holzspanplatten war dies hingegen nicht festzustellen. Eine Erklärung hierfür bietet der Umstand, dass die recycelten MDF bereits einen thermo-mechanischen Aufschluss durchlaufen haben, hingegen in der Spanplatte vor dem Aufschluss die morphologische Struktur des Holzes weitgehend intakt ist.

Table 2 Tabelle 2 Morphological properties of TMP from pine wood, particleboards and medium density fibreboardsMorphologische Eigenschaften von TMP aus Kiefernholz, Holzspanplatten und mitteldichten Faserplatten (MDF)
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4.2 Verleimungsrelevante Eigenschaften der hergestellten Fasern

Weitaus interessanter ist die Veränderung der verleimungsrelevanten Eigenschaften wie pH-Wert, Pufferkapazität, Gehalt und Abgabe an flüchtigen Säuren infolge des thermo-mechanischen Aufschlusses von Holz, Holzspan- und Holzfaserplatten. Wie die Ergebnisse in Tabelle 3 deutlich werden lassen, fällt der pH-Wert des Kiefernholzes durch den thermo-mechanischen Holzaufschluss signifikant ab, entsprechend nimmt die alkalische Pufferkapazität der kaltwässrigen Auszüge merklich zu. Der Gehalt an kaltwässrigen Auszügen wird durch den thermo-hydrolytischen Aufschluss erheblich erhöht. Hierzu trägt die Bildung von niedermolekularen Verbindungen bei (Schneider et al. 2004). Im Unterschied zum Verhalten des Kiefernholzes steigt der pH-Wert der kaltwässrigen Auszüge von Spanplatten und mitteldichten Faserplatten durch den Aufschluss deutlich an, entsprechend fällt auch die alkalische Pufferkapazität der kaltwässrigen Auszüge infolge der thermo-hydrolytischen Behandlung deutlich ab. Dies hängt damit zusammen, dass das Bindemittel in den gebrauchten Span- und Faserplatten durch die thermo-hydrolytische Behandlung abgebaut wird. Es bilden sich hierbei niedermolekulare Verbindungen wie Harnstoff, Ammoniak und wasserlösliche Harnstoffformaldehyd-Präpolymere, die alkalisch wirken (Franke u. Roffael 1998b).

Table 3 Tabelle 3 Chemical properties of pine chips, UF-bonded particle- and fibreboards and TMP made therefromChemische Eigenschaften von Kiefernholzhackschnitzeln, UF-Harz-gebundenen Span- und Faserplatten sowie der daraus hergestellten thermo-mechanischen Holzstoffe
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Wie den Ergebnissen weiterhin zu entnehmen ist, nimmt der Bindemittelgehalt der MDF durch den Aufschluss von 11,4% auf 5,9% ab und der der Spanplatten von 9,4% auf 7,7%. Dies bedeutet einen Abbau von 48% bei MDF bzw. 18% bei Spanplatte. Da der thermo-hydrolytische Aufschluss vorwiegend die Kohlenhydrate im Holz angreift und kaum eine Wirkung auf das Lignin hat, erhöht sich der nach Halse (1926) ermittelte Ligninrückstand geringfügig durch den Aufschluss von Holz und mitteldichten Faserplatten. In früheren Arbeiten (vgl. Roffael et al. 1994a,b, 1995) wurde festgestellt, dass unter den thermo-hydrolytischen Aufschlussbedingungen das Holz teilweise deacetyliert wird. Es überrascht deshalb nicht, dass der Gehalt an Acetationen in den Kaltwasserextrakten des Holzes erheblich zunimmt. Die Zunahme der Formiationen in den kaltwässrigen Auszügen der Faserstoffe aus Holzspan- und Holzfaserplatten ist besonders ausgeprägt und dürfte in erster Linie auf den Abbau der Kohlenhydrate im Holz zurückzuführen sein (Roffael et al. 2007). Infolge des Abbaus von UF-Harz in Recycling-Holzspan- und -Holzfaserplatten erhöht sich der pH-Wert während der thermo-hydrolytischen Behandlung. Dies führt zu einer stärkeren Abspaltung von Acetylgruppen aus dem Holz und somit zu einer vermehrten Bildung von Acetationen in den wässrigen Extrakten. Entsprechend der Zunahme an Formiat- und Acetationen infolge des thermischen Abbaus des Kiefernholzes nimmt auch die Abgabe an Ameisen- und Essigsäure im Allgemeinen zu. Die Wirkung des thermo-hydrolytischen Aufschlusses auf die Abgabe von Ameisen- und Essigsäure aus TMP des Kiefernholzes ist besonders ausgeprägt. Bei TMP aus Span- und Faserplatten ergibt sich in Bezug auf die Abgabe von Ameisen- und Essigsäure ein differenziertes Bild. Während die Abgabe an Ameisensäure nach der Flaschenmethode durch den thermo-hydrolytischen Aufschluss unterdrückt wird, nimmt die Abgabe an Essigsäure deutlich zu. Hierfür dürfte vor allem die Verschiebung des pH-Wertes der kaltwässrigen Auszüge von 5,1 auf 6,4 im Falle von Spanplatten und von 4,8 auf 6,3 im Falle von mitteldichten Faserplatten verantwortlich sein. Wie bereits bekannt ist, stellt sich je nach pH-Wert ein Gleichgewicht zwischen Formiationen und freier Ameisensäure bzw. zwischen Acetationen und freier Essigsäure im Holzwerkstoff ein, bei dem mit steigendem pH-Wert der Anteil der undissoziierten abgebbaren Ameisen- (pKa \( \sim \)3,8) und Essigsäure (pKa \( \sim \)4,8) geringer wird. Dies trifft bevorzugt für die stärkere Ameisensäure zu (Roffael 2008).

4.3 Eigenschaften der aus Holz und Gebrauchtspan- und -faserplatten hergestellten MDF

Die Wechselwirkung zwischen dem neuen Bindemittel und den durch den chemischen Abbau der Gebrauchtspan- und Gebrauchtfaserplatten während des thermo-mechanischen Aufschlusses entstehenden Acetat- und Formiationen ist auch daran zu erkennen, dass zwischen den aus Kiefernholz hergestellten MDF und denen, die zu 30% aus Gebrauchtspan- und -faserplatten gefertigt wurden, keine so großen Unterschiede im Gehalt an Acetat- und Formiationen in den Kaltwasserextrakten bestehen, wie sie zwischen den für die Plattenherstellung eingesetzten Faserstoffen aus Holz und Holzspan- und Holzfaserplatten vorliegen (Abb. 1). In der Abgabe an Essig- und Ameisensäure weisen ebenfalls die zu 30% aus gebrauchten Faserplatten hergestellten MDF gegenüber den MDF aus Kiefernholz kaum noch signifikante Unterschiede auf. Auch die Abgabe an Ameisen- und Essigsäure aus den MDF, die zu 30% aus Gebrauchtholzspanplatten hergestellt sind, lassen keine ins Gewicht fallenden Differenzen zu solchen Platten erkennen, die zu 100% direkt aus Holz hergestellt sind (Abb. 1).

Fig. 1 Abb. 1
figure 1

Content of acetate and formate ions in cold water extractives of MDF made from pine TMP and mixtures of 70% pine TMP and 30% recycling TMP from waste fibre- and particleboards, the release of formic and acetic acid from the boards is also included in the graph

Gehalt an Acetat- und Formiationen im Kaltwasserextrakt sowie Abgabe an Ameisen- und Essigsäure von MDF, hergestellt aus Kiefern-TMP allein und aus Abmischungen von 70% Kiefern-TMP und 30% Recycling-TMP aus Holzspan- bzw. Holzfaserplatten

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Für die aus Kiefernholz-Faserstoff hergestellten MDF sowie für die MDF, bei denen der Kiefernholz-Faserstoff zu 30% durch Faserstoff aus gebrauchten UF-Harz-gebundenen Span- und Faserplatten ersetzt wurde, wurden die Querzug- und Biegefestigkeit (EN 319 bzw. EN 310), die Dickenquellung (EN 317) und Wasseraufanhme nach einer Konditionierung bei 20°C und 65% relativer Luftfeuchte ermittelt. Es wurde die Maßänderung in Verbindung mit Änderung der relativen Luftfeuchte (EN 318) untersucht und hierbei auch die Gleichgewichtsfeuchte bei den verschiedenen Klimaten ermittelt. Ferner wurde für die Platten der ,,Formaldehydgehalt`` nach dem Perforatorverfahren (EN 120) bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Daraus lassen sich folgende Feststellungen treffen:

Table 4 Tabelle 4 Physical-technological properties of MDF made from pine TMP and from mixtures of 70% pine TMP and 30% recycling TMP prepared from waste fibre- and particleboardsPhysikalisch-technologische Eigenschaften von MDF, hergestellt aus Kiefern-TMP allein und aus Abmischungen von 70% Kiefern-TMP und 30% Recycling-TMP aus Holzspan- bzw. Holzfaserplatten
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Es zeigte sich, dass der ermittelte Perforatorwert durch die Mitverwendung von Faserstoff aus Spanplatten oder Faserplatten eher erniedrigt als erhöht wird. Inwieweit dies darauf zurückzuführen ist, dass gebrauchte Span- und Faserplatten noch erhebliche Anteile an freiem oder während des Aufschlusses freiwerdendem Harnstoff enthalten, muss späteren Untersuchungen vorbehalten bleiben. In früheren Arbeiten von Roffael u. Dix (2001) wurde ebenfalls festgestellt, dass die Mitverwendung von Recyclingspänen keinen nennenswerten Einfluss auf den Perforatorwert oder auf die nach der Flaschenmethode (EN 717-3) ermittelte Formaldehydabgabe hat. Dies ist insofern bemerkenswert, als die aus gebrauchten Span- und Faserplatten hergestellten Stoffe weitaus höhere Formaldehydabgabewerte, ermittelt nach der Flaschenmethode, aufweisen als der direkt aus dem Holz hergestellte TMP. Hieraus lässt sich der Schluss ziehen, dass es während des Pressvorgangs anscheinend zu chemischen Wechselwirkungen zwischen den Abbauprodukten des UF-Harzes in Gebrauchtspan- und -faserplatten und dem neu zugesetzten Bindemittel kommt.

Die Gleichgewichtsfeuchten, ermittelt bei 20°C und 35%, 65% und 85% relativer Luftfeuchte, lassen keine signifikanten Differenzen zwischen den Platten ohne und mit Recyclingfaserstoff erkennen. Auch in der Maßänderung senkrecht zur Plattenebene durch Anhebung der relativen Luftfeuchte auf 85% (Quellung) bzw. Absenkung auf 35% (Schwindung) sind zwischen den Platten mit und ohne Recyclingfaserstoff keine ins Gewicht fallenden Unterschiede zu erkennen. Des Weiteren wurden keine nennenswerten Differenzen in der linearen Ausdehnung der Platten durch Anhebung der relativen Luftfeuchte auf 85% bzw. deren Absenkung auf 35% festgestellt. Die Dickenquellungsbeträge nach Wasserlagerung weisen für die aus Holz-Faserstoff allein hergestellten MDF eine geringfügig niedrigere Dickenquellung nach 24 Stunden, jedoch eine etwas höhere Dickenquellung nach 2 Stunden Wasserlagerung auf gegenüber den Platten, die unter 30%-igem Einsatz von Faserstoff aus Spanplatten hergestellt wurden. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass die gebrauchten Holzspanplatten ein Hydrophobierungsmittel enthalten, das auch nach dem Aufschluss mindestens teilweise wirken kann (Roffael u. Dix 2006). Da das Hydrophobierungsmittel seine Wirkung nach 24 Stunden Wasserlagerung weitgehend verliert, weisen die Platten, die unter Verwendung von Spanplatten-Faserstoff hergestellt wurden, nach einer Lagerungsdauer von 24 h im Wasser eine um etwa 15% höhere Dickenquellung auf. Inwieweit dieses Verhalten darauf zurückzuführen ist, dass der Spanplatten-Faserstoff einen hohen Anteil an Feinstoff und zusätzlich einen hohen Splitteranteil gegenüber dem recyclingstofffreien Holzstoff aufweist, muss späteren Untersuchungen vorbehalten bleiben. Ein hoher Splittergehalt beeinträchtigt die Faser-zu-Faser-Bindung und wird z.B. bei der Papierherstellung aussortiert. Bemerkenswert ist das Verhalten der MDF, die zu 30% Faserstoff aus gebrauchten MDF enthalten. Hier lag die Dickenquellung der Platten deutlich niedriger als die der aus Holzstoff allein hergestellten Platten. Dies trifft für die Dickenquellung nach 24 Stunden Wasserlagerung, besonders aber für die Dickenquellung nach 2  Stunden Wasserlagerung zu. Nach einer Wasserlagerung von 2  Stunden dürfte, wie bereits erwähnt, auch die Wirkung des in gebrauchten Holzfaserplatten enthaltenen Hydrophobierungsmittels eine Rolle spielen. Da auch bekannt ist, dass Formaldehyd auf Kiefernfaserstoff hydrophobierend wirkt (Onisko u. Pawlicki 1985), ist anzunehmen, dass das Bindemittel im Faserstoff zu der niedrigen Dickenquellung der hergestellten Platten beigetragen hat. Es sei darüber hinaus angemerkt, dass die TMP aus Holz und aus gebrauchten MDF keine großen Unterschiede in ihren morphologischen Eigenschaften aufweisen, mit der Ausnahme, dass die TMP aus gebrauchten Faserplatten einen um über 20% geringeren Splitteranteil aufweist (vgl. Tabelle 2). Deutliche Unterschiede zwischen dem Verhalten der MDF, die ausschließlich aus Holzstoff hergestellt wurden und denen, die zu 30% Faserstoff aus gebrauchten MDF enthalten, treten auch in der Wasseraufnahme nach Wasserlagerung in Erscheinung. Hier liegt die Wasseraufnahme für die Platten mit Recyclingfaserstoff nach 24 Stunden Wasserlagerung um mehr als 50% niedriger als die der aus Holzstoff allein hergestellten Platten. Nach 2 Stunden Wasserlagerung sind die Unterschiede noch weitaus größer. Die Platten, die TMP aus Spanplatten enthalten, liegen diesbezüglich dazwischen. Die ermittelten Querzugfestigkeitsbeträge deuten darauf hin, dass die Einbeziehung des aus gebrauchten MDF hergestellten Faserstoffs in die Plattenherstellung keine negative Wirkung auf die Querzugfestigkeit mit sich bringt. Die höhere Querzugfestigkeit der mit 30% MDF-Recyclingfaserstoff hergestellten MDF muss auch auf die höhere Rohdichte dieser Platten zurückgeführt werden. Im Falle von MDF, die Faserstoff aus Spanplatten enthält, lässt sich ein geringer Abfall der Querzugfestigkeit jedoch festhalten. Dies ist möglicherweise auf den hohen Splitter- und Feinstoffanteil im Faserstoff aus Spanplatten zurückzuführen. In der Biegefestigkeit lässt sich keine Beeinträchtigung durch die Mitverwendung der Recyclingfaserstoffe aus Spanplatte und MDF feststellen.

5 Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Faserstoffe aus gebrauchten Holzspan- und Holzfaserplatten in den Prozess der Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) einbezogen werden können, ohne dass eine nennenswerte Beeinträchtigung der physikalisch-technologischen Eigenschaften und der Formaldehydemission der hergestellten Platten eintritt. Fallweise können sogar Verbesserungen in der Dickenquellung und Wasseraufnahme erzielt werden.