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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpergrundmaterial, insbesondere für die Herstellung von Formkörpern zur Verwendung als Kraftfahrzeuginnenteile.
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Es ist üblich, zum Beispiel Formkörper zur Verwendung als Kraftfahrzeuginnenteile, aus pressbaren Faserwerkstoffen herzustellen. Als Bindemittel zwischen den einzelnen Holzfasern sind hierbei verschiedene Bindemittel bekannt. Diese weisen unterschiedliche Eigenschaftsprofile auf. So ist es für besonders stabile Innenteile sinnvoll, als Bindemittel ein nicht hydrolisierbares Bindemittel wie etwa Phenol-Formaldehydharz oder dergleichen zu verwenden.
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Nachteilig hieran ist jedoch, dass die bei der Herstellung anfallenden Produktionsabfälle in Form von Pressrändern oder Ausstanzungen aus Formteilen bzw. Ausschussformteile nicht wieder verwertbar sind. Dieser Produktionsabfall wird üblicherweise auf Deponien oder in Verbrennungsanlagen entsorgt. Umweltverordnungen machen es jedoch nötig, im Herstellungsprozess von Formkörpern zur Verwendung als Kraftfahrzeuginnenteilen wieder verwendbare Werkstoffe zum Einsatz zu bringen. Problematisch ist hieran nach dem Stand der Technik, dass es aber bisher nicht gelungen ist, ein brauchbares Recyclingkonzept für solche Formteile mit nicht hydrolisierbarem Bindemittel bereitzustellen.
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Es ist allenfalls möglich, diese duroplastisch gebundenen Faserverbundwerkstoffe etwa über mechanische Zerkleinerungsanlagen zu Füllstoffpartikel aufzubereiten. Dieses Recyclat wird dann als Füllstoff bei duroplastischen Verbundwerkstoffen oder Sandwich-Strukturen in die Mittellage eingesetzt. Hierdurch erhöhen sich allerdings die Herstellungskosten und es sind nicht beliebige Formen der Formkörper darstellbar.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welcher ein wiederverwertbares Formkörpergrundmaterial zur kostengünstigen Herstellung von Formkörpern hoher Stabilität bereitgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch Patentanspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpergrundmaterial, insbesondere für die Herstellung von Formkörper zur Verwendung als Kraftfahrzeuginnenteile, wobei
- a) Holzfaserformteile, welche mit nicht hydrolisierbarem Bindemittel gebunden, zunächst zu Bruchstücken vorzerkleinert werden und anschließend
- b) die Bruchstücke mit Holzhackschnitzeln nach deren deren Waschung zu einer Mischung vereinigt werden und anschließend
- c) die Mischung in einem Vorwärmer bei einer bestimmten Mindestdampftemperatur und einem Mindestdampfdruck über eine Mindestverweilzeit erhitzt werden und anschließend
- d) in einem Defibrator geleitet wird, wobei in dem Defibrator die Mindestdampftemperatur sowie der Mindestdampfdruck herrscht und anschließend
- e) einer Trocknung unterzogen und/oder mit Zusatzbindemittel versetzt wird, so dass als Endprodukt das Formkörpergrundmaterial erhalten wird.
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Die wiederzuverwendenden Holzfaserformteile (etwa Produktionsabfälle etc.) werden über eine mechanische Zerkleinerung auf Holzhackschnitzelgröße vorzerkleinert (zum Beispiel „geschreddert”) und anschließend mit Holzhackschnitzeln nach deren Waschung zu einer Mischung vereinigt. Über das Refiner-System (Defibrator) wird das Recyclingschnitzel- und Holzhackschnitzelgemisch über den thermisch-mechanischen Prozess faserförmig aufgeschlossen. Die Recyclat-Faser hat Faserlängen (bis zu 80%) wie die seriellen Holzfasern und dieselben Verstärkungseigenschaften in einem später zum Beispiel duroplastisch gebundenen Faserverbund, welcher mit dem Formkörpergrundmaterial später gebildet wird.
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Es ist hierbei besonders bemerkenswert, dass – entgegen sämtlichen Vorversuchen sowie Meinungen in der Fachwelt – durch den hier gezeigten thermisch-mechanischen Aufschlussprozess auch Holzfaserformteile, welche mit nicht hydrolysierbarem Bindemittel gebunden sind, einem Recyclingverfahren zugänglich sind und das später erhaltene Formkörpergrundmaterial die Basis bildet zu gleichwertigen bzw. noch festeren Formkörpern als solchen, welche keine Recyclinganteile enthalten. Wesentlich ist für den hier gezeigten Prozess die Behandlung des Gemisches aus Holzhackschnitzeln und Bruchstücken der wiederzuverwendenden Holzfaserformteile in einem Vorwärmer bei einer bestimmten Mindestdampftemperatur und einem bestimmten Mindestdampfdruck über eine Mindestverweilzeit und das anschließende direkte Leiten in einem Defibrator, in welchem auch die Mindestdampftemperatur sowie der Mindestdampfdruck herrscht. Durch die im Vorwärmer/Kocher vorhandene Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsbedingungen wird das Holz „weich”, dass heißt, der Elastizitätsmodul nimmt sehr stark ab. Die Erweichung betrifft vermutlich nicht das gesamte Materialsubstrat gleichermaßen, sondern konzentriert sich auf die ligninreichen Bereiche zwischen den einzelnen Holzfasern (Mittellamelle). Im Anschluss hieran wird das Material gut zwischen die Refinerscheiben/in den Defibrator transportiert und unter Mahl/Scherbewegung zu Faserstoff aufbereitet, welcher dann nach Bindung mit einem Zusatzbindemittel zu dem erfindungsgemäßen Formkörpergrundmaterial weiter verarbeitbar ist.
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Die vorliegende Erfindung bietet eine Fülle von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Zunächst wird eine Reduzierung der Entsorgungskosten von Pressereiabfällen und eine Einsparung von Rohstoff-Neuwaren möglich gemacht. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Recycling auf leicht modifizierten konventionellen und bestehenden Anlagen möglich, durch den Wiedereinsatz von duroplastisch gebundenen Faserverbundwerkstoffen ergibt sich ein erheblicher Umweltgewinn. Spezielle Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein faserförmiger Aufschluss der Produktionsabfälle wie bei Holzfasern möglich ist. Vorteilhaft ist bei den aus dem Formkörpergrundmaterial herstellbaren Formkörpern auch, dass eine homogene Recyclatverteilung in Matte und Formteil (über den Querschnitt hinweg) möglich ist im Gegensatz zu den Sandwich-Strukturen, bei denen das Recyclat lediglich einen Füllstoff darstellt. Der Anteil des Recyclats kann sehr hoch gewählt werden. Das physikalische Eigenschaftsbild von Matten, welche aus diesem Formkörpergrundmaterial zusammengesetzt sind, ist ähnlich wie bei nicht-recycelten Mattenprodukten. Die Verarbeitungsbedingungen dieser Matten sind ebenfalls wie bei bestehenden Produkten, welche nicht recycelt sind. Das physikalische Eigenschaftsbild von Formteilen, welche aus dem Formkörpergrundmaterial hergestellt sind, ist vergleichbar oder sogar besser als bei bestehenden Formteilprodukten, auch ein mehrfaches Recycling ist möglich.
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Die Einrichtung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formkörpergrundmaterials weist regelmäßig eine Mischeinrichtung, einen nachgeschalteten Vorwärmer sowie einen hier hintergeschalteten Defibrator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Mit dem in dieser Anlage entstehenden Formkörpergrundmaterial können auf gewöhnliche Weise in bekannten Formverfahren, wie sie z. B. in der
DE 42 18 444 A1 oder der
DE 42 18 442 A1 beschrieben sind, Formkörper hergestellt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Holzfaserformteile Pressränder, Ausstanzungen oder Fehlteile einer Holzfaserformteilfertigung sind. Es können somit beliebige Nebenprodukte bei der Formteilherstellung wieder zur Formteilherstellung Verwendung finden, eine teure und umweltschädliche Deponierung etc. wird in jedem Falle vermieden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Holzfaserformteile eine Dicke bis zu 4 mm, vorzugsweise bis zu 2 mm aufweisen sowie auf ihrer Oberfläche (unter „Oberfläche” wird hierbei die Fläche verstanden, welche in der vorherigen Berandung bzw. einer „Bruchkante” begrenzt wird) eine Flächenausdehnung aufweisen, welche der Flächenausdehnung eines Kreises mit 5–10 mm Durchmesser entspricht. Es ist somit möglich, praktisch beliebige bestehende Formteile weiterzuverwenden, die Vorzerkleinerung erfolgt so, dass die erhaltenen Bruchstücke noch eine ausreichende Länge haben, um eine ausreichende Faserlänge der in den Bruchstücken enthaltenen Holzfasern nach zu gewährleisten.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die zu Bruchstücken verarbeiteten Holzfaserformteile aus Holzfasern oder aus einer Mischung von Holz- sowie Synthesefasern, vorzugsweise im Verhältnis von 2 Teile Holzfaser zu 1 Teil Synthesefaser bis zu 8 Teile Holzfaser zu 1 Teil Synthesefaser, welche mit dem nicht hydrolisierbaren Bindemittel gebunden sind. Es zeigt sich also hieran, dass das vorliegende Verfahren nicht nur für reine Holzfaserformkörper möglich ist, sondern dass auch zusätzliche Synthesefasern das erfindungsgemäße Verfahren nicht unmöglich machen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das nicht hydrolisierbare Bindemittel Phenol-Formaldehydharz oder Acrylat- oder Epoxidharz ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Verfahrens sieht vor, dass in der Mischung von zerhackten Holzformteilen sowie frischen Holzhackschnitzeln vor Eintritt in den Vorwärmer das Verhältnis der Masse der Bruchstücke zur Masse der frischen Holzhackschnitzel zwischen 0,1:1 und 1:1, vorzugsweise zwischen 0,5:1 und 1,1:1, beträgt. Diese Verhältnisse zeigen, dass ein relativ hoher Recyclatanteil möglich ist, so dass praktisch keine Produktionsabfälle übrig bleiben müssen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Faserlänge der Holzhackschnitzel 3–4 cm beträgt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Mischung von frischen Holzhackschnitzeln und zerhäckselten Holzformteilen vor Zuführung in den Vorwärmer, vorzugsweise in einer Pressschnecke, von überschüssigem Wasser abgepresst wird.
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Besonders wesentlich für die Funktion des vorliegenden Verfahrens ist die Einstellung einer geeigneten Mindestdampftemperatur, eines geeigneten Mindestdampfdruckes bzw. einer ausreichenden Mindestverweilzeit im Vorwärmer. Hierbei bietet es sich an, dass die Mindestdampftemperatur größer als 120°C, vorzugsweise größer als 150°C, besonders vorzugsweise größer als 170°C beträgt. Hierbei sollte der Mindestdampfdruck größer als 3 bar, vorzugsweise größer als 6 bar, besonders vorzugsweise größer als 8 bar betragen. Die Mindestverweilzeit im Vorwärmer sollte größer 2 min, vorzugsweise größer 4 min, besonders vorzugsweise größer 5 min betragen. Min der Herstellung dieser besonders „harten” Atmosphäre wird der thermomechanische Aufschluss der nicht hydrolisierbaren Holzformteilstücke erreicht, d. h. ein „Aufsprengen” der die Holzfasern umgebenden Bindemittelbereiche.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der dem Vorwärmer nachgeschaltete Defibrator aus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gegeneinander rotierenden Scheiben gebildet ist, zwischen denen die vorerwärmte Mischung aufgefasert wird. Dieser kann selbstverständlich verschiedene Ausführungen haben, etwa kann eine Scheibe still stehen und sich eine andere dagegen drehen, auch eine gegenläufige Drehung beider mit selber Geschwindigkeit etc. ist selbstverständlich möglich.
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Dem Aufmahlen im Defibrator nachgeordnet ist vorteilhafterweise die Trocknung, wobei vor der Trocknung die Mischung eine Temperatur von 80–100°C aufweist und nach der Trocknung eine Temperatur von 50–60°C (die Verweilzeit im Trockner kann hierbei zum Beispiel zwischen 1 min und 3 min betragen). Nach der Trocknung beträgt die Feuchte maximal 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise maximal 17 Gewichtsprozent der Gesamtmischung.
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Nach der Trocknung wird die verarbeitete Mischung zum Beispiel zwischengelagert, wobei eine weitere Entfeuchtung erfolgt. Diese Zwischenlagerung erfolgt vorzugsweise, bis die Gesamtfeuchte maximal 17 Gewichtsprozent, vorzugsweise maximal 13 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmischung (inklusive evt. darin enthaltener Zusatzbindemittel bzw. Feuchte/Holzfasern/Synthesefasern etc.) beträgt.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Trocknung vorgelagert eine Zugabe von Zusatzbindemittel erfolgt, dies ist zum Beispiel Phenolformaldehydharz, Acrylatharz etc oder auch hydrolisierbare Bindemittel. Es bietet sich an, dass die Leimung mit dem Zusatzbindemittel im „Blow-Line”-Verfahren stattfindet. Dabei wird das Bindemittel während des pneumatischen Transports der Holzfasern zum Trockner in die Förderleitung eingesprüht.
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Nach der Trocknung/Beleimung mit einem Zusatzbindemittel sollte das Formkörpergrundmaterial vorzugsweise in Mattenform abgelegt werden. Hiermit eine Weiterverformung nach einem bekannten Formverfahren, wie zum Beispiel in der
DE 42 18 444 A1 oder
DE 42 18 442 A1 beschrieben möglich. Bei der Weiterverarbeitung ergibt sich ein erfindungsgemäßer Formkörper, welcher zum Beispiel als Kraftfahrzeuginnenteil (etwa als Türseitenteil etc.) Verwendung finden kann.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels nochmals durchgegangen. Es zeigt die Figur ein Ablaufschema der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die Figur zeigt in ihrem linken Strang gelagerte Pressränder 1, welche bei der Pressung von Matten zu Formkörpern für den Bau von Kraftfahrzeug-Innenteilen entstehen. Diese Pressränder sind mit einem nicht hydrolisierbaren Bindemittel gebunden. Diese werden hiernach in dem Schritt 2, vorzugsweise in einer Mühle zu Bruchstücken vorzerkleinert. Die Dicke dieser Bruchstücke weist hierbei bis zu 4 mm auf, auf der zwischen den Bruchkanten bzw. den Rändern der Holzformteile gegebenen Oberfläche ist eine Flächenausdehnung gegeben, welche der Flächenausdehnung eines Kreises mit 5–10 mm Durchmesser entspricht. Bei dem zerkleinerten Holzfaserformteil handelt es sich um ein Formteil aus einer Mischung von Holzfasern sowie Synthesefasern, vorzugsweise im Verhältnis von 2 Teile Holzfaser zu 1 Teil Synthesefaser bis zu 8 Teile Holzfaser zu 1 Teil Synthesefaser. Wesentlich ist, dass die Bindung in dem hier betrachteten Pressrand ausschließlich bzw. zum Teil durch nicht hydrolisierbare Bindemittel geschieht, dies ist im vorliegenden Fall Phenol-Formaldehyd-Harz.
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Der rechte Strang in der Figur zeigt die Zuführung von Frischholz 3, welches in einem Häcksler 4 weiter verarbeitet wird, so dass die mittlere Faserlänge der Holzhackschnitzel 3–4 cm beträgt. Nach dem Zerhäckseln kommt es zu einer Waschung 5 der Holzschnitzel und anschließend zu einem Vermischen mit den vorzerkleinerten Recycling-Holzfaserformteilen. Anschließend wird die befeuchtete Mischung (das Verhältnis der Masse der Bruchstücke zur Masse der Holzhackschnitzel beträgt hier 0,3:1) in einer Pressschnecke 6 vom überschüssigen Wasser befreit.
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Anschließend wird die aus der Pressschnecke 6 geführte Mischung in einen Vorwärmer (Kocher) 7 geführt, wobei eine Mindesttemperatur größer als 150°C, bei mehr als 8 bar Druck über etwa 5 min aufrechterhalten wird.
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Anschließend erfolgt der Weitertransport der vorgewärmten Mischung in einen Defibrator 8, indem die vorerwärmte Mischung zwischen einer stillstehenden und einer daneben rotierenden Scheibe thermomechanisch „aufgebrochen” wird. Es ist bemerkenswert, dass hierbei die Dampftemperatur und der Dampfdruck des Vorwärmers herrscht.
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Nach dem Verlassen des Defibrators wird Zusatzbindemittel (wie Phenolformaldehydharz, Acrylatharz und ggf. weitere Verarbeitungszusätze, wie etwa Hydrophobierungsmittel) in einem Blow-Line-Verfahren der defibrierten Mischung zugegeben. Anschließend erfolgt eine Trocknung 10, zum Beispiel in einem Rohrtrockner, der etwa 90°C heiße Mischung auf eine Temperatur von etwa 55°C. Die Feuchte nach der Trocknung beträgt hierbei etwa 17% (Verweilzeit im Trockner ca. 2 min.). Anschließend wird das behandelte Gemisch in einem Holzfaserbunker 11 zwischengelagert, wobei die Holzfaserfeuchte von ca. 17 Gewichtsprozent auf ca. 13 Gewichtsprozent (bezogen auf die Gesamtmasse des Gemisches inklusive sämtlicher Fasern, Bindemittel, Feuchtigkeitsanteile etc.). Schließlich wird das gewonnene Formkörpergrundmaterial auf ein Laufband in Mattenform aufgelegt, so dass es einer Presse zur Weiterverarbeitung zu einem Formkörper zugeführt werden kann.
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Es handelt sich also bei der vorliegenden Anlage um eine Einrichtung zur Herstellung von Formkörpergrundmaterial, welche eine Mischeinrichtung, einen nachgeschalteten Vorwärmer sowie einen hier hintergeschalteten Defibrator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren aufweist.
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Zusammengefasst ist in diesem Beispiel ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpergrundmaterial, insbesondere für die Herstellung von Formkörpern zur Verwendung als Kraftfahrzeug-Innenteile, wobei Holzfaserformteile, welche mit nicht hydrolisierbarem Bindemittel gebunden, zunächst zu Bruchstücken vorzerkleinert werden und anschließend die Bruchstücke mit Holzhackschnitzeln nach deren Waschung zu einer Mischung vereinigt werden und anschließend die Mischung in einem Vorwärmer bei einer bestimmten Mindestdampftemperatur und einem Mindestdampfdruck über eine Mindestverweilzeit erhitzt werden und anschließend in einem Defibrator geleitet wird, wobei in dem Defibrator die Mindestdampftemperatur sowie der Mindestdampfdruck herrscht und anschließend einer Trocknung unterzogen und/oder mit Zusatzbindemittel versetzt wird, so dass als Endprodukt das Formkörpergrundmaterial erhalten wird.