DE212024000101U1 - wood fiberboard - Google Patents
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Abstract
Holzfaserplatte mit einem Festkörperanteil an Holzfasern, die mit einem Harnstoff-Formaldehydharz verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzfaserplatte Kaffeesatz enthält, und dass der Festkörperanteil an Kaffeesatz höchstens 80 Gew.-% beträgt.Wood fibreboard with a solid content of wood fibres bonded with a urea-formaldehyde resin, characterized in that the wood fibreboard contains coffee grounds and that the solid content of coffee grounds is at most 80% by weight.
Description
Die Erfindung betrifft eine Holzfaserplatte mit Kaffeesatz. Die Ressource „Holz“ ist mittlerweile weltweit und insbesondere auch in Europa aufgrund des Klimawandels kostbar geworden, da aufgrund von Hitze und Dürre viele Bäume massiv bedroht sind. Gleichfalls verbreiten sich Schädlinge enorm rasch, sodass eine Rodung des Waldes erforderlich ist, jedoch die nachfolgende Aufforstung Jahrzehnte in Anspruch nimmt. Auch hinsichtlich der CO2-Bilanz sollte Holz möglichst sparsam verwendet werden.The invention relates to a wood fiberboard made with coffee grounds. Wood has become a precious resource worldwide, and especially in Europe, due to climate change, as many trees are severely threatened by heat and drought. At the same time, pests are spreading extremely rapidly, making deforestation necessary, but subsequent reforestation takes decades. Wood should also be used as sparingly as possible with regard to its carbon footprint.
Auf der anderen Seite gibt es für Holzfaserplatten ein äußerst umfangreiches Anwendungsspektrum mit unterschiedlichsten Anforderungen an die technischen Eigenschaften, insbesondere die mechanische Festigkeit. Beispielhaft wird auf die Verwendung von Holzfaserplatten in der Bau- und Möbelindustrie, Bestattungsindustrie und Automobilindustrie verwiesen.On the other hand, wood fiberboard has an extremely broad range of applications, with diverse requirements regarding technical properties, especially mechanical strength. Examples include the use of wood fiberboard in the construction and furniture industries, the funeral industry, and the automotive industry.
Um Ressourcen zu sparen, schlägt Poo Chow bereits 1976 in seiner Publikation „
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Holzfaserplatte bereitzustellen, die weniger der natürlichen Ressource Holz benötigt und dennoch zufriedenstellende, zum Teil sogar einschlägigen Normen entsprechende, Produkteigenschaften besitzt, und in üblichen Produktionsanlagen hergestellt werden kann.The object of the present invention is to provide a wood fiber board which requires less of the natural resource wood and yet has satisfactory product properties, some of which even comply with relevant standards, and which can be manufactured in conventional production facilities.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Holzfaserplatte mit den Merkmalen des Anspruches 1.This problem is solved with a wood fiber board having the features of claim 1.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass die Holzfaserplatte neben Holzfasern als Festkörperbestandteil auch Kaffeesatz als Festkörperbestandteil aufweist.The invention essentially consists in the fact that the wood fiber board contains not only wood fibers as a solid component but also coffee grounds as a solid component.
Versuche (siehe dazu weiter unten) haben gezeigt, dass ein Anteil an Kaffeesatz von bis zu 80 Gew.-% akzeptable Festigkeitswerte ergibt. Der Festkörperanteil der erfindungsgemäßen Platte kann demgemäß bis zu 80 Gew.-% und dementsprechend 20 Gew.-% oder mehr an Holzfasern aufweisen.Tests (see below) have shown that a coffee grounds content of up to 80 wt.% results in acceptable strength values. The solids content of the board according to the invention can therefore be up to 80 wt.% and, accordingly, 20 wt.% or more of wood fibers.
Insbesondere ist bei der Erfindung ein Anteil an Kaffeesatz bevorzugt, der zwischen 20 Gew.-% und 45 Gew.-% liegt, weil hier jedenfalls Festigkeitswerte erzielt werden, die den Normen einer reinen Holzfaserplatte entsprechen.In particular, in the invention, a proportion of coffee grounds between 20 wt.% and 45 wt.% is preferred because in this case strength values are achieved which correspond to the standards of a pure wood fiber board.
Bevorzugt wird erfindungsgemäß Kaffeesatz verwendet, der ein Abfallprodukt oder Reststoff der Kaffeezubereitung oder Kaffeeherstellung ist.According to the invention, coffee grounds are preferably used, which are a waste product or residue from coffee preparation or coffee production.
Der Kaffeesatz, der bei der Herstellung von Instantkaffee, auch löslicher Kaffee genannt, anfällt, wird in der Regel verbrannt. Dieser Kaffeesatz, im Folgenden „INSTANT“ bzw. „INSTA“ genannt, kann aber auch, wie anmeldungsgemäß vorgeschlagen, wieder verwertet werden.The coffee grounds resulting from the production of instant coffee, also known as soluble coffee, are usually incinerated. However, these coffee grounds, hereinafter referred to as "INSTANT" or "INSTA," can also be recycled, as proposed in the application.
Der Kaffeesatz, der bei der Zubereitung von Kaffee mittels Siebträger, im Folgenden auch mit „ST“ abgekürzt, sammelt sich nach der Kaffeezubereitung im Siebträger der Espressomaschine oder des Kaffeeautomaten an und wird üblicherweise entsorgt. Allerdings kann auch dieser Kaffeesatz, wie anmeldungsgemäß vorgeschlagen, wieder verwertet werden.The coffee grounds, which are collected during the preparation of coffee using a portafilter, hereinafter abbreviated as "ST", collect after the coffee preparation in the portafilter of the espresso machine or the coffee vending machines and is usually disposed of. However, these coffee grounds can also be recycled, as proposed in the application.
Kaffeesatz, der bei der Produktion von Instantkaffee anfällt, hat üblicherweise eine durchschnittliche Partikelgröße von 125 µm bis 2000 µm.Coffee grounds generated during the production of instant coffee typically have an average particle size of 125 µm to 2000 µm.
Kaffeesatz, der bei der Herstellung von Kaffeegetränken mittels Siebträger anfällt, hat eine durchschnittliche Partikelgröße von 125 µm bis 2000 µm.Coffee grounds produced during the production of coffee beverages using a portafilter have an average particle size of 125 µm to 2000 µm.
Beide Kaffeesatzvarianten sind bei der Erfindung gleichermaßen verwendbar und haben den Vorteil, dass sie weltweit in sehr großen Mengen verfügbar sind und für die vorliegende Erfindung im Wesentlichen gleich gute Produkteigenschaften haben.Both coffee grounds variants can be used equally in the invention and have the advantage that they are available worldwide in very large quantities and have essentially equally good product properties for the present invention.
Die Verwendung von Harnstoff-Formaldehyd-Harz als Bindemittel sollte natürlich in möglichst geringen Mengen erfolgen, wobei erfindungsgemäß die Menge des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes mindestens 8 Gew.-% beträgt, vorzugsweise in einem Bereich von 10 Gew.-% bis 12 Gew.-% liegt, bezogen auf 100 Gew.-% der Summe aus Holzfasern und Kaffeesatz.The use of urea-formaldehyde resin as a binder should, of course, be in the smallest possible amounts, whereby according to the invention the amount of urea-formaldehyde resin is at least 8 wt.%, preferably in a range of 10 wt.% to 12 wt.%, based on 100 wt.% of the sum of wood fibers and coffee grounds.
Das heißt, dass beispielsweise bei einem Anteil von 80 Gew.-% Kaffeesatz und 20 Gew.-% Holzfasern diese Anteile in Summe 100 % des Festkörperanteils bilden. Wenn beispielsweise 10 Gew.-% Harnstoff-Formaldehyd-Harz hinzukommen, bedeutet das, dass sich die 100 Gew.-% der endgefertigten Platte aus 90 Gew.-% Festkörperanteil (Kaffeesatz und Holzfasern) und 10 Gew.-% Harnstoff-Formaldehyd-Harz zusammensetzen.This means that, for example, if the coffee grounds and wood fibers are 80% by weight and 20% by weight, these components together make up 100% of the solids content. If, for example, 10% by weight of urea-formaldehyde resin is added, this means that the 100% by weight of the finished board is composed of 90% by weight of solids (coffee grounds and wood fibers) and 10% by weight of urea-formaldehyde resin.
Mit einem derartigen Anteil an Bindemittel lässt sich bereits eine sehr gleichmäßige Verteilung des Bindemittels und gute Homogenität der Leimverteilung in der Platte und somit eine sehr gleichmäßige Festigkeitsstruktur erzielen. Da sich bei den Versuchen im Labormaßstab gezeigt hat, dass ein Anteil von 10 Gew.-% bis 12 Gew.-% an Harnstoff-Formaldehyd-Harz zu sehr gleichmäßigen Ergebnissen führt, ist es realistisch anzunehmen, dass auch ein Mindestanteil von 8 Gew.-% an Harnstoff-Formaldehyd-Harz bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Platte im industriellen Maßstab zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen wird.With such a binder content, a very uniform distribution of the binder and good homogeneity of the glue distribution throughout the board can be achieved, thus resulting in a very uniform strength structure. Since laboratory-scale tests have shown that a urea-formaldehyde resin content of 10 wt.% to 12 wt.% leads to very uniform results, it is realistic to assume that a minimum content of 8 wt.% of urea-formaldehyde resin will also lead to satisfactory results in the industrial-scale production of the board according to the invention.
Die Dichte der erfindungsgemäßen Holzfaserplatte liegt im Bereich von 500 kg/m3 bis 1.000 kg/m3, vorzugsweise im Bereich von 550 kg/m3 bis 950 kg/m3. Bei Platten mit einer Dichte in diesen Bereichen handelt es sich um in vielen Anwendungsbereichen verwendete Platten, bei denen die erfindungsgemäße Platte auch die weiter unten detailliert erläuterten, guten technischen Eigenschaften erzielt werden können.The density of the wood fiber board according to the invention is in the range from 500 kg/m 3 to 1,000 kg/m 3 , preferably in the range from 550 kg/m 3 to 950 kg/m 3 . Boards with a density in these ranges are boards used in many applications, in which the board according to the invention can also achieve the good technical properties explained in detail below.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, den Schutzbereich nicht beschränkender, Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:
-
1 eine beispielhafte Verfahrensskizze, -
2 ein Diagramm mit der Rohdichte aller hergestellten und untersuchten Faserplatten, -
3 ein Diagramm mit der Biegefestigkeit aller hergestellten und untersuchten Faserplatten, -
4 ein Diagramm mit dem Elastizitätsmodul aller hergestellten und untersuchten Faserplatten, -
5 ein Diagramm mit der Querzugsfestigkeit aller hergestellten und untersuchten Faserplatten, -
6 ein Diagramm mit der Längen-, Dicken- und Massenzunahme nach 24 h Wasserlagerung aller hergestellten und untersuchten Faserplatten, und -
7 ein mögliches Verfahrensschema für die Durchführung im Industriemaßstab.
-
1 an exemplary procedure sketch, -
2 a diagram showing the density of all fibreboards produced and tested, -
3 a diagram showing the flexural strength of all fiberboards produced and tested, -
4 a diagram showing the elastic modulus of all manufactured and tested fiberboards, -
5 a diagram showing the transverse tensile strength of all fibreboards produced and tested, -
6 a diagram showing the increase in length, thickness and mass after 24 hours of water storage of all manufactured and tested fibreboards, and -
7 a possible process scheme for implementation on an industrial scale.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften und den Schutzbereich nicht einschränkenden Arbeitsvorschrift zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Holzfaserplatte näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail using an exemplary working procedure for producing a wood fiber board according to the invention which does not limit the scope of protection.
Wenn im Folgenden Angaben in Prozenten erfolgen, handelt es sich immer um Gew.-%.Whenever percentages are given below, they are always by weight.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelten Holzfaserplatten wurden mit unterschiedlichen Kaffeesatztypen hergestellt.The wood fiber boards developed within the scope of the present invention were produced using different types of coffee grounds.
Beim Kaffeesatz handelte es sich wie bereits erwähnt u. a. um Abfallprodukte bzw. Reststoffe, die bei der Herstellung von Kaffeegetränken mittels Siebträger anfallen. Diese Kaffeesatztype wird im Folgenden mit ST abgekürzt.As already mentioned, coffee grounds are, among other things, waste products or residues that arise during the production of coffee beverages using portafilters. This type of coffee grounds is abbreviated to ST in the following.
Ein weiteres, bei der Erfindung verwendetes Abfallprodukt in Form von Kaffeesatz fällt bei der Produktion von Instantpulver für löslichen Kaffee an. Diese Kaffeesatztype wird im Folgenden mit INSTA abgekürzt. Die durchschnittliche Partikelgröße liegt üblicherweise zwischen 125 µm und 2000 µm.Another waste product used in the invention is coffee grounds, which arise from the production of instant coffee powder. This type of coffee grounds is abbreviated to INSTA. The average particle size is typically between 125 µm and 2000 µm.
Die verwendeten Anteile an Siebträgerkaffee und Instantkaffee lagen für beide Kaffeevarianten - in 5 %-Schritten - von 20 % bis 45 % und zusätzlich bei 55 %, 65 % und 75 % bei der Siebträgervariante.The proportions of portafilter coffee and instant coffee used for both coffee variants ranged from 20% to 45% in 5% increments, and additionally 55%, 65% and 75% for the portafilter variant.
Wie bei der industriellen Herstellung von Faserplatten üblich, wurde ein gebräuchliches Harnstoff-Formaldehydharz mit unterschiedlichen Bindemittelanteilen (10 % und 12 %) eingesetzt.As is common in the industrial production of fiberboard, a common urea-formaldehyde resin with different binder contents (10% and 12%) was used.
Dabei wurde bewusst ein Harnstoff-Formaldehyd-Harz (UF) gewählt, weil dieses sehr reaktiv ist und daher gut und rasch bindet. Des Weiteren kann das Harz in üblichen Anlagen auf die Holzfasern gearbeitet werden, ohne dass zusätzliche apparatetechnische Maßnahmen zu setzen sind.A urea-formaldehyde resin (UF) was deliberately chosen because of its high reactivity and therefore good, rapid bonding. Furthermore, the resin can be applied to the wood fibers in conventional equipment without the need for additional equipment.
Als Holzfasern wurden solche in MDF-Qualität verwendet, wie sie auch standardmäßig in der Industrie eingesetzt werden. Bei den Fasern handelte es sich vorzugsweise um Nadelholzfasern, beispielsweise Fichtenfasern bzw. eine Mischung aus Fichte und Kiefer.The wood fibers used were MDF-quality, as is standard in industry. The fibers were preferably softwood fibers, such as spruce or a blend of spruce and pine.
Es ist jedoch auch möglich, recycelte Fasern aus Holzfaserstoffen zu verwenden. Für den Fall, dass sich durch das Recycling Schädigungen der Fasern, wie die Verkürzung der Faserlänge, ergeben, die für den jeweiligen Verwendungsfall nicht akzeptabel sind, können die recycelten Fasern auch mit frischen Holzfasern kombiniert werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.However, it is also possible to use recycled fibers from wood fiber materials. In the event that recycling results in damage to the fibers, such as a shortening of the fiber length, that is unacceptable for the specific application, the recycled fibers can also be combined with virgin wood fibers to achieve the desired mechanical properties.
Die erfindungsgemäßen Holzfaserplatten mit Kaffeesatz wurden mit einer Zieldichte von 550 kg/m3 und 650 kg/m3 und mit einem Kaffeesatzanteil zwischen 20 % bis 45 % (in 5 %-Schritten) hergestellt. Die Bindemittelanteile betrugen jeweils 10 % und 12 %.The coffee grounds-based wood fiberboards according to the invention were produced with a target density of 550 kg/ m³ and 650 kg/ m³ and with a coffee grounds content between 20% and 45% (in 5% increments). The binder contents were 10% and 12%, respectively.
Zusätzlich wurden Platten mit Instantkaffeesatzanteilen von 20 %, 35 % und 45 %, einem Bindemittelanteil von 10 % und einer Rohdichte von 950 kg/m3 hergestellt.In addition, boards with instant coffee grounds contents of 20%, 35% and 45%, a binder content of 10% and a bulk density of 950 kg/m 3 were produced.
Bei einer weiteren Versuchsreihe wurden Siebträgerkaffeesatzanteile von 55 %, 65 % und 75 % für Siebträgerkaffeeplatten mit 650 kg/m3 verwendet.In another series of tests, portafilter coffee grounds proportions of 55%, 65% and 75% were used for portafilter coffee plates with 650 kg/m 3 .
Schließlich wurden zum Vergleich entsprechende Referenzplatten ohne Kaffeezugabe (jeweils mit der Bezeichnung REFLAB und weiteren Angaben) hergestellt.Finally, corresponding reference plates without the addition of coffee (each with the designation REFLAB and further information) were prepared for comparison.
Nach der Herstellung wurden die gepressten Platten für mindestens 7 Tage im Normklima bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchte konditioniert. Im Anschluss wurden die Platten mittels einer Kreissäge zugeschnitten und auf ihre Biegefestigkeit, ihren Biegeelastizitätsmodul (EN 310), und auf ihre Querzugsfestigkeit (EN 319) und Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung (EN 317) untersucht und die Daten ausgewertet und interpretiert.After production, the pressed panels were conditioned for at least 7 days under standard conditions of 20 °C and 65% relative humidity. The panels were then cut using a circular saw and tested for their flexural strength, flexural elastic modulus (EN 310), transverse tensile strength (EN 319), and thickness swelling after 24 hours of water immersion (EN 317). The data were then evaluated and interpreted.
Die Herstellungsschritte zur Durchführung der allgemeinen Arbeitsvorschrift werden im Folgenden beschrieben, wobei - lediglich aus Gründung der Veranschaulichung - auf die Verfahrensskizze gemäß
In
Die im Herstellungsprozess beschriebenen Parameter waren unabhängig von der angestrebten Rohdichte und sowohl für Ultraleicht MDF, Leicht MDF als auch MDF Platten mit höheren Rohdichten ident. Die Herstellung der Platten unterschied sich im Wesentlichen nur durch die Plattengesamtmasse, die pro definiertem Volumen eingewogen wurde.The parameters described in the manufacturing process were independent of the desired density and identical for ultra-light MDF, lightweight MDF and MDF boards with higher densities. The production of the plates differed essentially only in the total plate mass, which was weighed per defined volume.
In einem ersten Schritt wurde sowohl von den Holzfasern als auch von den Kaffeesatztypen Siebträgerkaffeesatz und Instantkaffeesatz der Feuchteanteil mittels der Darrmethode eruiert. Dabei wurden von den jeweiligen Materialien einige wenige Gramm an Proben gezogen, abgewogen und anschließend die Proben bei Darrtemperatur von 103 °C bis zur Gewichtskonstanz gelagert. Gewichtskonstanz bedeutet, dass die Materialien so lange getrocknet werden, bis das Gewicht der jeweils gezogenen Probe konstant bleibt. Anschließend wurde der Feuchtegehalt anhand der Differenz zwischen feuchter und darrtrockener Probe ermittelt. Sämtliche Verhältnisse in der Plattenzusammensetzung wurden auf die Darrmasse bzw. den trockenen Feststoffgehalt bezogen.In a first step, the moisture content of both the wood fibers and the coffee grounds (portafilter coffee grounds and instant coffee grounds) was determined using the kiln-dried method. A few grams of each material was sampled, weighed, and then stored at a kiln-dried temperature of 103 °C until constant weight was reached. Constant weight means that the materials are dried until the weight of each sample remains constant. The moisture content was then determined based on the difference between the moist and kiln-dried sample. All ratios in the board composition were based on the kiln-dried mass or the dry solids content.
Ausgehend von der Darrmasse wurden die gewünschten Verhältnisse zwischen Holzfasern und Kaffeesatz sowie der jeweilige Harzanteil errechnet und im Anschluss auf die tatsächliche, feuchte Masse (ermittelter Feuchtegehalt) bezogen. Da während des Herstellungsprozesses im Labormaßstab durch den Beleimungsvorgang Material „verloren“ gehen kann, wurde bei allen Komponenten ein 10 %-iger Sicherheitsaufschlag (Mehreinwaage) für die Beleimung verwendet.Based on the kiln mass, the desired ratios between wood fibers and coffee grounds, as well as the respective resin content, were calculated and then related to the actual, moist mass (determined moisture content). Since material can be "lost" during the gluing process on a laboratory scale, a 10% safety margin (overweight) was applied to all components for the gluing.
Die Vermengung von Holzfasern und Kaffeesatz, sowie deren Beleimung fand in einer Beleimtrommel mit einem Durchmesser von 100 cm, einer Tiefe von 45 cm und einer Rotationsgeschwindigkeit von 80 U/min statt. Hierfür wurden die beiden Feststoffe unvermengt in die Trommel gekippt. Der Beleimvorgang begann unmittelbar nach Erreichen der eingestellten Rotationsgeschwindigkeit. Die Durchmischung und Beleimung erfolgte im selben Arbeitsschritt und dauerte zwischen 5 und 10 Minuten, bis der Beleimbehälter leer war, was von der Leimmenge abhängig war.The mixing of wood fibers and coffee grounds, as well as their gluing, took place in a gluing drum with a diameter of 100 cm, a depth of 45 cm, and a rotation speed of 80 rpm. The two solids were tipped into the drum unmixed. The gluing process began immediately after the set rotation speed was reached. Mixing and gluing took place in the same step and took between 5 and 10 minutes, depending on the amount of glue, until the gluing container was empty.
Dem UF-Leim wurden 2 % Ammoniumsulfat als Härter zugegeben. Anschließend wurde der Leim mittels einer pneumatischen Leimpistole, die zentrisch in die Beleimtrommel eingeführt wurde, aufgebracht. Der Förderdruck und das Fördervolumen wurden dabei so gewählt, dass sich ein feiner Klebstoffnebel ohne größere Tröpfchenbildung in der Beleimtrommel gebildet hat, um somit eine möglichst homogene Leimverteilung auf den Fasern zu erreichen. Im Anschluss wurde das beleimte Fasern-/Kaffeesatzgemisch aus der Trommel entnommen und die finale Masse (ohne Sicherheitsaufschlag) eingewogen.2% ammonium sulfate was added to the UF glue as a hardener. The glue was then applied using a pneumatic glue gun, which was inserted centrally into the gluing drum. The feed pressure and flow rate were selected to create a fine adhesive mist in the gluing drum without the formation of large droplets, thus achieving the most homogeneous glue distribution possible on the fibers. The glued fiber/coffee grounds mixture was then removed from the drum, and the final mass (without a safety margin) was weighed.
Das eingewogene beleimte Faser-/Kaffeesatzmaterial wurde von Hand möglichst homogen in einen 250 x 250 mm Plattenkuchenrahmen gestreut und mittels einer hydraulischen Kaltpresse von mehreren Zentimetern Faserkuchenhöhe auf ca. 5 cm Faserkuchenhöhe im Rahmen vorverdichtet. Dieser Vorverdichtungsschritt im Rahmen durch Kaltpressen, das heißt unter Anwendung von Druck aber ohne Temperaturerhöhung, ist wichtig, da sich der Faserkuchen bei unzureichender Vorverdichtung während der Heißpressung innerhalb der Plattenebene ausdehnt, sodass die Zieldichte nicht erreicht werden kann.The weighed, glued fiber/coffee grounds material was spread by hand as evenly as possible into a 250 x 250 mm board cake frame and pre-compacted within the frame using a hydraulic cold press, from a fiber cake height of several centimeters to a fiber cake height of approximately 5 cm. This pre-compaction step in the frame by cold pressing, i.e., applying pressure but without increasing the temperature, is important because if pre-compaction is insufficient during hot pressing, the fiber cake expands within the board plane, preventing the target density from being achieved.
Nach der Vorverdichtung wurde der Rahmen entfernt und es wurden 9 mm Stahldistanzleisten neben dem Faserkuchen auf dem Pressblech positioniert, worauf heiß gepresst wurde. Die Heißpressung erfolgte bei 200 °C Pressflächentemperatur mit einem Pressfaktor von 10 sec/mm (90 Sekunden Presszeit), wobei die Presse bis zu den Distanzleisten mit einem maximalen Druck von 3 MPa zugefahren werden musste.After pre-compaction, the frame was removed, and 9 mm steel spacers were positioned next to the fiber cake on the press plate, followed by hot pressing. Hot pressing was performed at a pressing surface temperature of 200 °C with a press factor of 10 sec/mm (90 seconds press time), with the press being closed to the spacers at a maximum pressure of 3 MPa.
Nach Abschluss des Pressvorgangs wurden die Platten zum gleichmäßigen Auskühlen senkrecht aufgestellt und vor den weiteren Prüfungen zur Konditionierung für mindesten 7 Tage im Normklima bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchte gelagert.After completion of the pressing process, the panels were placed vertically to allow for uniform cooling and stored for at least 7 days in a standard climate of 20 °C and 65 % relative humidity before further testing.
In der folgenden Tabelle 1 sind alle hergestellten und geprüften Plattenvarianten aufgelistet. Tabelle 1: Übersicht der im Labormaßstab hergestellter Faserplatten
Für die Ermittlung der Querzugsfestigkeit und der Wasserlagerung wurden hierbei Proben mit 50 x 50 mm, und für die Biegeprüfungen Proben mit 230 x 50 mm mittels einer Kreissäge präpariert. Vor den Prüfungen wurden von den einzelnen Proben die Rohdichten ermittelt.For the determination of transverse tensile strength and water immersion, 50 x 50 mm specimens were prepared using a circular saw, and for the bending tests, 230 x 50 mm specimens were prepared. The bulk densities of the individual specimens were determined before the tests.
RohdichteBulk density
Die Rohdichtebestimmung erfolgte nach der Konditionierung im Normklima (20 °C und 65 % relativer Luftfeuchte) an je drei 50 x 50 mm Proben pro Platte.The bulk density was determined after conditioning in standard climate (20 °C and 65 % relative humidity) on three 50 x 50 mm samples per plate.
Das Diagramm in
Wie aus
Freilich hat auch die homogene Herstellung des Faserkuchens und dessen Vorverdichtung einen Einfluss auf die Rohdichte.Of course, the homogeneous production of the fiber cake and its pre-compaction also have an influence on the bulk density.
Biegefestigkeit und BiegeelastizitätsmodulFlexural strength and flexural modulus of elasticity
Die Biegefestigkeit und der Biege-Elastizitätsmodul geben Aufschluss über den Einfluss der eingesetzten Holzfaseranteile, da sich Fasern durch ihre Geometrie generell positiv auf die Biegeeigenschaften von Werkstoffen auswirken. An den Platten wurden drei Biegeprüfungen nach EN 310 durchgeführt, und die Biegefestigkeit und der Biegeelastizitätsmodul über die Traverse (Zwick und Roell Z20 Universalprüfmaschine) ermittelt. Im Anschluss wurde ein statistischer Mittelwertvergleich (PostHoc Scheffé, p=0,05) durchgeführt.The flexural strength and flexural modulus of elasticity provide information about the influence of the wood fiber content, as fibers generally have a positive effect on the flexural properties of materials due to their geometry. Three flexural tests were conducted on the panels according to EN 310, and the flexural strength and flexural modulus of elasticity were determined using a crosshead (Zwick and Roell Z20 universal testing machine). A statistical comparison of the mean values (post hoc Scheffé, p = 0.05) was then performed.
Hierfür wurden die Proben in einen 3-Punkte Biegeprüfungsaufbau positioniert, wobei der Auflagerabstand 20 Mal der Plattendicke entsprach (ca. 180 mm Auflagerabstand).For this purpose, the samples were positioned in a 3-point bending test setup, with the support spacing corresponding to 20 times the plate thickness (approx. 180 mm support spacing).
Die Belastungsgeschwindigkeit wurde so eingestellt, dass die Bruchkraft innerhalb von 60 ± 30 sec erreicht wurde. The loading rate was adjusted so that the breaking force was reached within 60 ± 30 sec.
Wie aus
Bei den Platten mit 650 kg/m3 mit 10 % Bindemittelanteil sind zwar zwischen einzelnen Varianten Unterschiede zu erkennen, jedoch nicht zwischen den beiden reinen MDF Referenzfaserplatten, weshalb ein Vergleich zwischen den Siebträgerplatten mit 55 % oder mehr Siebträgerkaffeesatzanteil und jenen mit 45 % oder weniger Siebträgerkaffeesatzanteil zulässig ist. Betrachtet man die Gruppe von 20 % bis 45 % Siebträgerkaffeesatzanteil, lässt sich von keinem Unterschied der einzelnen Plattentypen innerhalb der Gruppe ausgehen. Erst wenn man die Werte ab 55 % mitberücksichtigt, lässt sich von einem gewissen Trend mit abnehmender Biegefestigkeit bei steigendem Kaffeesatzanteil ausgehen. Hierbei weisen die Platten erst ab 55 % Kaffeesatzanteil und darüber einen erkennbaren Unterschied zu den Referenzplatten auf.In the case of the boards with 650 kg/ m³ and 10% binder content, differences can be seen between individual variants, but not between the two pure MDF reference fiberboards, which is why a comparison between the portafilter boards with 55% or more portafilter coffee grounds content and those with 45% or less portafilter coffee grounds content is permissible. If one looks at the group with 20% to 45% portafilter coffee grounds content, no difference can be assumed between the individual board types within the group. Only when the values above 55% are taken into account can one assume a certain trend with decreasing flexural strength with increasing coffee grounds content. In this case, the boards only show a noticeable difference from the reference boards from 55% coffee grounds content and above.
Damit kann festgehalten werden, dass sich die Biegefestigkeit bei einer Rohdichte von 550 kg/m3 oder 650 kg/m3 und einem Bindemittelanteil von 10 % oder 12 % durch Kaffeesatzzugabe bis 45 % nicht wesentlich verändert und überraschend gute Werte ergibt. Je nach Einsatzzweck und erforderlicher Biegefestigkeit kann daher unter Berücksichtigung der Aufgabe der Erfindung, den Einsatz von Holz zur Herstellung von Holzfaserplatten zu reduzieren, sowie eine effektive weitere Verwendung von Kaffeesatz zu ermöglichen, durchaus auch ein Anteil von Kaffeesatz bis zu 80 % in Betracht gezogen werden. It can therefore be stated that the flexural strength at a density of 550 kg/m 3 or 650 kg/m 3 and a binder content of 10 % or 12 % does not change by adding coffee grounds up to 45 %. significantly changed and yielded surprisingly good values. Depending on the intended use and the required flexural strength, a coffee grounds content of up to 80% can certainly be considered, taking into account the object of the invention to reduce the use of wood in the production of wood fiberboards and to enable the effective further use of coffee grounds.
Bei den Instantkaffeeplatten mit einer Rohdichte von 950 kg/m3 unterscheiden sich die Platten zwar bereits ab 20 % Kaffeesatzanteil erkennbar von den Referenzplatten. Jedoch sind hier höhere Biegefestigkeitswerte als bei den Platten mit geringerer Rohdichte zu erzielen, und Platen mit einer Rohdichte von 950 kg/m3 daher im Rahmen der Erfindung ebenfalls bevorzugt.In the instant coffee sheets with a bulk density of 950 kg/ m³, the sheets differ noticeably from the reference sheets starting at 20% coffee grounds. However, higher flexural strength values can be achieved here than with the sheets with a lower bulk density, and sheets with a bulk density of 950 kg/ m³ are therefore also preferred within the scope of the invention.
Es hat sich gezeigt, dass der Bindemittelanteil im Rahmen der untersuchten Varianten (10 % und 12 %) keinen signifikanten Einfluss auf die Biegefestigkeit hat.It has been shown that the binder content has no significant influence on the flexural strength in the variants investigated (10% and 12%).
In
Ein ähnliches Bild wie bei der Biegefestigkeit zeigt sich in
Auch beim Elastizitätsmodul kann somit festgehalten werden, dass sich dieser bei einer Rohdichte von 550 kg/m3 oder 650 kg/m3 und einem Bindemittelanteil von 10 % oder 12 % durch Kaffeesatzzugabe bis 45 % nicht wesentlich verändert und überraschend gute Werte ergibt.It can also be stated that the modulus of elasticity does not change significantly with a bulk density of 550 kg/m 3 or 650 kg/m 3 and a binder content of 10% or 12% by adding coffee grounds up to 45% and results in surprisingly good values.
QuerzugsfestigkeitTransverse tensile strength
Die Querzugsfestigkeit von Plattenwerkstoffen gibt Einblick über die Homogenität der Leimverteilung innerhalb der Platte und die Faserverteilung (Streuung) vor dem Pressen. Da parallel zur Faserorientierung der Platte geprüft wird, haben für die Mechanik einer Platte an sich positive Faktoren, wie bspw. die Faserlänge, hier eine geringere Bedeutung.The transverse tensile strength of board materials provides insight into the homogeneity of the glue distribution within the board and the fiber distribution (scattering) before pressing. Since the test is performed in parallel with the fiber orientation of the board, factors that are inherently positive for the mechanics of a board, such as fiber length, are of lesser importance here.
Für die Untersuchungen wurden je Platte drei Proben nach EN 319 getestet und anschließend ein statistischer Mittelwertsvergleich (PostHoc Scheffe, p=0,05) durchgeführt. Für die Untersuchung wurden die 50 x 50 mm große Proben mittels Hotmelt Kleber (Henkel Technomelt Supra 325 HT) mit Aluminiumquerzugsjochen verklebt. Der Versatz zwischen den beiden Jochen betrug dabei 90°, um bei der Zugprüfung möglichst kein Drehmoment aufkommen zu lassen und somit eine Rissbildung zu vermeiden.For the tests, three specimens per panel were tested according to EN 319, followed by a statistical comparison of the mean values (Post Hoc Scheffe, p=0.05). For the test, the 50 x 50 mm specimens were bonded to aluminum transverse tensile yokes using hot-melt adhesive (Henkel Technomelt Supra 325 HT). The offset between the two yokes was 90° to minimize the torque during the tensile test and thus prevent cracking.
Bei den Instantkaffeeplatten ist eine tendenzielle Abnahme der Festigkeit mit zunehmenden Kaffeeanteil zu sehen, jedoch kann man auch hier aufgrund der Streuung nicht von einem statistisch signifikanten Unterschied der Platten sprechen. Anhand der ermittelten Ergebnisse ist kein Unterschied zwischen 10 % und 12 % Bindemittelanteil bei den Siebträgerplatten erkennbar.In the instant coffee plates, a tendency towards a decrease in strength with increasing coffee content can be seen, but due to the scatter, a statistically significant The results show no discernible difference between the plates with a 10% and 12% binder content in the portafilter plates.
Da alle Platten mit gleichen Mitteln hergestellt wurden, lässt sich die Streuung der Siebträgerplatten bei 650 kg/m3 Rohdichte vermutlich auf das Siebträgermaterial zurückführen. Im Verhältnis zu Instantkaffeesatz wurde bei der Verarbeitung subjektiv ein höherer Agglomerationsgrad beim Siebträgersatz während der Beleimung in der Beleimtrommel festgestellt. Dies könnte zu partiell stärker variierenden Kaffeesatzanteilen in den Platten geführt haben und somit auch die Streuung erklären. Auch wenn hier Werte von einzelnen Varianten höher erscheinen, liegen sie im Verhältnis zur Referenz noch innerhalb des Streubereiches und es ist aufgrund der vorliegenden Werte von keinem signifikanten Unterschied auszugehen. Die ermittelten Werte lassen sich somit derart interpretieren, dass es bei 650 kg/m3 bei Instantkaffee bei höheren Kaffeeanteilen über 35 % zu einer Reduktion und bei (der geringeren Stichprobe der) Siebträgerplatten zu keiner merklichen Reduktion der Querzugsfestigkeit gekommen ist. Generell ist anzumerken, dass sich mit variierenden Mischverhältnissen der Platten auch das zu beleimende Gesamtvolumen aus Kaffeesatz und Holzfasern zwischen den einzelnen Plattentypen sehr stark unterscheidet. Eine Platte mit bspw. 20 % Kaffeeanteil weist bei der Beleimung ein wesentlich höheres Volumen auf als eine Mischung mit 45 % Kaffeesatz oder höher. Dies führt dazu, dass die Beleimtrommel bei geringen Kaffeesatzanteilen wesentlich stärker befüllt ist als bei Mischungen mit hohen Kaffeesatzanteilen. Dies kann die Verteilung des Leimes auf die Fasern und Kaffeesatz wesentlich beeinflussen, weshalb es durchaus nicht auszuschließen ist, dass beim angewandten Beleimvorgang bei höheren Kaffeesatzanteilen eine bessere oder homogenere Beleimung erzielt werden konnte.Since all plates were manufactured using the same means, the variation in the portafilter plates at a bulk density of 650 kg/ m³ can probably be attributed to the portafilter material. Compared to instant coffee grounds, a higher degree of agglomeration was subjectively observed in the portafilter grounds during processing during gluing in the gluing drum. This could have led to partially greater variations in the coffee grounds content in the plates and thus also explain the variation. Even if values for individual variants appear higher here, they are still within the variation range in relation to the reference and, based on the available values, no significant difference can be assumed. The determined values can therefore be interpreted in such a way that at 650 kg/ m³ for instant coffee, with higher coffee contents of over 35%, there was a reduction and for (the smaller sample of) portafilter plates there was no noticeable reduction in transverse tensile strength. In general, it should be noted that with varying board mixing ratios, the total volume of coffee grounds and wood fibers to be glued also varies considerably between the individual board types. A board with, for example, 20% coffee grounds will have a significantly higher volume during gluing than a mixture with 45% or more coffee grounds. This means that the gluing drum is much more heavily filled with low coffee grounds than with mixtures with high coffee grounds. This can significantly influence the distribution of the glue among the fibers and coffee grounds, which is why it cannot be ruled out that a better or more homogeneous gluing could be achieved with higher coffee grounds proportions during the gluing process.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass Holzfaserplatten mit einem Kaffeesatzanteil von bis zu 80 %, insbesondere von 20 % bis 45 %, sowohl bei der Biegefestigkeit und beim Biegeelastizitätsmodul, als auch bei der Querzugsfestigkeit überraschend gute Werte aufweisen, wenn sie mit einem Harnstoff-Formaldehydharz verklebt sind, und dies in einem Rohdichtebereich von 550 kg/m3 bis 950 kg/m3,Overall, it can be stated that wood fibre boards with a coffee grounds content of up to 80%, especially from 20% to 45%, have surprisingly good values for flexural strength and flexural elasticity modulus, as well as transverse tensile strength, when bonded with a urea-formaldehyde resin, and this in a density range of 550 kg/m 3 to 950 kg/m 3 .
Dies gilt sowohl für Instantkaffeesatz als auch für Siebträger-Kaffeesatz.This applies to both instant coffee grounds and portafilter coffee grounds.
Dickenquellung nach 24 h WasserlagerungThickness swelling after 24 hours of water storage
Für die Wasserlagerung wurden je drei Proben pro Platte in ein Wasserbad (Wassertemperatur ca. 20 °C) gelegt und mittels Metallsieb unter der Wasseroberfläche fixiert.For water storage, three samples per plate were placed in a water bath (water temperature approx. 20 °C) and fixed under the water surface using a metal sieve.
Ermittelt wurde die Längen, Dicken und Massenzunahme an 50 x 50 mm großen Proben nach 24 h Wasserlagerung. Dafür wurden die Proben nach dem Wasserbad lediglich leicht abgetupft und vermessen.The lengths, thicknesses, and mass gains of 50 x 50 mm samples were determined after 24 hours of water immersion. For this purpose, the samples were simply lightly dabbed and measured after the water bath.
In
Bei den Siebträgerplatten mit einer Rohdichte von 650 kg/m3 und einem Bindemittelanteil von 10 % sind lediglich bei der Massenzunahme der Plattenvariante mit 75 % statistisch signifikante Unterschiede zu den Referenzplatten feststellbar. Alle anderen Varianten unterscheiden sich weder in der Massenzunahme noch in der Dickenquellung signifikant voneinander, wobei bei den Platten mit Kaffeesatzanteilen von >45 % ein Trend mit steigenden Werten bei steigendem Kaffeesatzenteil festgestellt werden kann. Auch bei den Platten mit Instantkaffe und einer Dichte von 650 kg/m3 sind keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Kaffeesatzanteilen feststellbar.For the portafilter plates with a bulk density of 650 kg/ m³ and a binder content of 10%, statistically significant differences compared to the reference plates are only evident in the mass increase of the plate variant with 75%. All other variants differ significantly from each other neither in terms of mass increase nor in thickness swelling, although for the plates with coffee grounds content of >45%, a trend with increasing values can be observed with increasing coffee grounds content. Even for the plates with instant coffee and a density of 650 kg/ m³, no statistically significant differences between the different coffee grounds content can be observed.
Auch bei der Wasserlagerung lässt sich interessanterweise kein Unterschied zwischen den beiden Bindemittelanteilen von 10 % und 12 % feststellen.Interestingly, even when stored in water, no difference can be observed between the two binder contents of 10% and 12%.
Hinsichtlich der unterschiedlichen Eigenschaften nach der Wasserlagerung ist allerdings hinzuzufügen, dass tendenziell schlechtere Eigenschaften mancher getesteter Platten keineswegs darauf hinweisen, dass deren Verwendung nicht empfehlenswert wäre, weil es wie schon bei der mechanischen Festigkeit vom jeweiligen Verwendungszweck der Patten abhängt, ob eine bestimmte Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Holzfaserplatte geeignet ist oder nicht.With regard to the different properties after water storage, it should be added, however, that the fact that some of the tested boards tend to have poorer properties does not in any way indicate that their use is not advisable, because, as with the mechanical strength, whether a particular composition of a wood fibre board according to the invention is suitable or not depends on the respective intended use of the boards.
Auswertung der MessergebnisseEvaluation of the measurement results
Alle im Zuge der allgemeinen Arbeitsvorschrift zur Durchführung der Erfindung gewonnen Erkenntnisse beziehen sich auf eine im Labor hergestellte Holzfaserplatte mit Kaffeesatz. Aufgrund der guten Messergebnisse ist jedoch ein Up-Scaling im Industriemaßstab realistisch. Dies insbesondere dann, wenn die Platte im Trockenbereich eingesetzt wird. Tabelle 2: Anforderungen an Platten für allgemeine Zwecke zur Verwendung im Trockenbereich nach der EN 622-5
In Tabelle 2 sind die Mindestanforderungen nach der EN 622-5 an industriell gefertigte MDF-Platten für den Möbelbereich angeführt. Im Labor hergestellte Faserplatten liegen erfahrungsgemäß 50 % bis 66 % unter den Festigkeitswerten von vergleichbaren industriellen Faserplatten, weshalb auch die im Labor hergestellte Referenzplatte bei einer Rohdichte von 550 kg/m3 und 650 kg/m3 ohne Kaffeeanteil die Anforderungen nach der EN 622-5 derzeit nicht erfüllen würde. Die Platten mit einer Rohdichte von 950 kg/m3 erreichen zwar höhere Biegefestigkeit und Biege-Elastizitätsmodule als in der EN 622-5 vorgesehen, bleiben aber bei der Querzugsfestigkeit unterhalb der Mindestanforderungen.Table 2 lists the minimum requirements according to EN 622-5 for industrially manufactured MDF boards for the furniture sector. Experience has shown that laboratory-produced fiberboards are 50% to 66% lower in strength than comparable industrial fiberboards, which is why the laboratory-produced reference board with a bulk density of 550 kg/ m³ and 650 kg/ m³ without coffee content would currently not meet the requirements of EN 622-5. Although the boards with a bulk density of 950 kg/ m³ achieve higher flexural strength and flexural elastic moduli than specified in EN 622-5, their transverse tensile strength remains below the minimum requirements.
Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass es bei der Herstellung von Laborfaserplatten immer zu Abstrichen bezüglich der Platteneigenschaften im Verhältnis zu industriell hergestellten Platten kommt. Dies liegt an der Beleimung, der händischen Streuung und der Dauer zwischen Leimauftrag und Heißverpressung. Die geringe Rohdichtestreuung lässt allerdings auf eine homogene Verteilung und für Laborverhältnisse hochwertige und gut verleimte Platten schließen. Der Einfluss der Rohdichte war im Verhältnis zum Leimanteil deutlich stärker. Auch bei den Festigkeiten und der Wasserlagerung konnten im Wesentlichen nur bei den Rohdichten ein durchwegs signifikanter Unterschied beobachtet werden. Die Mittelwerte und Standardabweichungen aller geprüfter Platten sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3: Mittelwerte (MW) inkl. Standardabweichung (STABW) aller untersuchten Plattenvarianten
Anhand der erzielten Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen lässt sich feststellen, dass zwar nicht alle Platten die Mindestanforderungen der EN 622-5 erfüllt haben, jedoch zumindest in den meisten Fällen bei der Variante Siebträger mit einer Rohdichte von 650 kg/m3 und einem Bindemittelanteil von 10 % bis zu einem Kaffeesatzanteil von 45 % keine einem Trend folgenden, statistisch signifikanten Unterschiede zu den im Labor hergestellten Referenzplatten ohne Kaffeeanteile feststellbar sind.Based on the results of the tests carried out, it can be stated that although not all plates met the minimum requirements of EN 622-5, at least in most cases for the portafilter variant with a bulk density of 650 kg/m 3 and a binder content of 10% up to a coffee grounds content of 45%, no statistically significant differences following a trend compared to the reference plates produced in the laboratory without coffee components could be detected.
Geht man davon aus, dass im Zuge einer industriellen Fertigung Platten mit Kaffeesatzanteilen mit höheren mechanischen Kenngrößen herstellbar sind und ähnliche Zusammenhänge aufweisen wie in der vorliegenden Patentanmeldung, wäre erst ab einer Zugabe von >45 % Kaffeesatz mit einem stärkeren Abfall der mechanischen Kenngrößen bzw. einem stärkeren Anstieg der Massen und Dickenzunahme nach 24 h Wasserlagerung auszugehen. Vergleicht man die beiden Kaffeesatzvarianten, fällt die etwas geringere Streuung der Instantkaffeeplatten auf.Assuming that plates with coffee grounds can be produced in industrial production with higher mechanical properties and exhibit similar relationships as in the present patent application, a more pronounced decrease in mechanical properties or a greater increase in mass and thickness after 24 hours of water storage would only be expected with an addition of >45% coffee grounds. Comparing the two coffee grounds variants, the somewhat lower variance of the instant coffee plates is noticeable.
Zusammenfassende Feststellungen:Summary findings:
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Platte, insbesondere deren MDF-Qualität, durch folgende Stoff- bzw. Verfahrensparameter beeinflusst wird:
- - Partikelgröße Kaffeesatz: Kleinere Partikel werden besser zwischen den Fasern eingebettet, als dies bei größeren Partikeln der Fall ist.
- - Faserlänge: Längere Holzfasern sind flexibler als kürzere Holzfasern. Dies ist dann zu berücksichtigen, wenn kürzere Holzfasern, wie etwa solche, die durch Recycling von Abfallprodukten aus der Forstwirtschaft oder der Baustoff- oder Möbelindustrie gewonnen wurden, zum Einsatz kommen.
- - Darrmethode: Die Ausgangsprodukte Holzfasern und Kaffeesatz werden bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dadurch entsteht ein rieselfähiges Schüttgut, das einfach gelagert und weiterverarbeitet werden kann. Weiters lassen sich die Anteile an Holzfasern und Kaffeesatz sowie der Harzanteil exakt für das weitere Verfahren berechnen.
- - Harzauftrag: Ein homogener Harzauftrag wird dann erzielt, wenn das Harz kontinuierlich auf die vorzugsweise gleichmäßig bewegten Ausgangsprodukte aufgetragen wird. Dadurch ist es auch möglich, den Harzanteil bis auf 8 % zu reduzieren. Bei einer industriellen Herstellung der erfindungsgemäßen Platte kann der Harzauftrag in einem Blowline-Verfahren erfolgen.
- - Vorverdichtung: Die homogene Verteilung von Kaffeesatz und Holzfasern wird nach dem Harzauftrag wesentlich beeinflusst, wenn eine Art Plattenrohling hergestellt wird, der durch Kaltpressen vorverdichtet wurde.
- - Zieldichte: Die Zieldichte der Platten wird durch ein Pressdiagramm mit den Parametern Druck und Temperatur erreicht.
- - Particle size of coffee grounds: Smaller particles are better embedded between the fibers than larger particles.
- - Fiber length: Longer wood fibers are more flexible than shorter ones. This must be taken into account when using shorter wood fibers, such as those obtained from recycling waste products from the forestry, building materials, or furniture industries.
- - Drying method: The starting materials, wood fibers and coffee grounds, are dried to constant weight. This creates a free-flowing bulk material that can be easily stored and further processed. Furthermore, the proportions of wood fibers and coffee grounds, as well as the resin content, can be precisely calculated for further processing.
- - Resin application: A homogeneous resin application is achieved when the resin is continuously applied to the starting materials, preferably at a uniform speed. This also makes it possible to to reduce the resin content to 8%. In industrial production of the board according to the invention, the resin can be applied using a blowline process.
- - Pre-compaction: The homogeneous distribution of coffee grounds and wood fibers is significantly influenced after resin application if a type of board blank is produced that has been pre-compacted by cold pressing.
- - Target density: The target density of the panels is achieved using a pressing diagram with the parameters pressure and temperature.
Unter Berücksichtigung dieser Stoff- bzw. Verfahrensparameter liegt es im routinemäßigen Handeln eines Fachmannes auf dem Gebiet der Herstellung von Holzfaserplatten, ein Up-Scaling für den Industriemaßstab durchzuführen.Taking these material and process parameters into account, it is the routine practice of a specialist in the field of wood fiber board production to carry out up-scaling to industrial scale.
Somit kann die erfindungsgemäße, Ressourcen einsparende Holzfaserplatte mit Kaffeesatz auch im Industriemaßstab nachhaltig und erfolgversprechend hergestellt werden. Das bedeutet, dass nicht nur großtechnische Parameter, sondern auch Anforderungen an die Umweltverträglichkeit und Klimaneutralität erfüllt werden. Nachdem MDF-Platten vorrangig aus Fichtenholz hergestellt werden, kann dieses Ausgangsprodukt eingespart werden, zumal gerade die Fichte als Folge des Klimawandels besonders gefährdet ist leidet („Fichtensterben“). Außerdem ist zu berücksichtigen, dass durch den weltweit immer größer werdenden Kaffeekonsum, die Abfallbeseitigung ein Problem darstellt. Dies deshalb, da Unmengen von Kaffeesatz z.B. verbrannt werden müssten, was freilich einen negativen Einfluss auf die CO2-Bilanz hat.Thus, the resource-saving wood fiber board made with coffee grounds according to the invention can be produced sustainably and successfully even on an industrial scale. This means that not only large-scale technical parameters but also requirements for environmental compatibility and climate neutrality are met. Since MDF boards are primarily made from spruce wood, this raw material can be saved, especially since spruce is particularly vulnerable to climate change ("spruce dieback"). Furthermore, it must be considered that the ever-increasing global consumption of coffee makes waste disposal a problem. This is because vast quantities of coffee grounds would have to be burned, for example, which, of course, has a negative impact on the carbon footprint.
Die erfindungsgemäße Ressourcen - einsparende Holzfaserplatte kann in MDF und HDF-Qualität bereitgestellt werden, sodass sich als Anwendungsbereiche u.a. die Bau- und Möbelindustrie (incl. die Bereitstellung von Särgen) und die Automobilindustrie ergeben.The resource-saving wood fiber board according to the invention can be provided in MDF and HDF quality, so that areas of application include the construction and furniture industries (including the provision of coffins) and the automotive industry.
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen, Ressourcen einsparenden Holzfaserplatte im Industriemaßstab:Process for producing the resource-saving wood fiber board according to the invention on an industrial scale:
Im Folgenden wird anhand von
Zunächst werden Holzfasern aus Hackschnitzeln hergestellt. Das Ausgangsmaterial für die Hackschnitzel ist beispielsweise Rundholz 16 aus der Sägeindustrie. Die Wahl der Holzart in Bezug auf Verfügbarkeit und Qualität kann regional unterschiedlich sein. Die am häufigsten verwendeten Holzarten sind Fichte, Kiefer und Buche. Das Rundholz 16 wird zuerst mechanisch entrindet. Hierzu wird das Rundholz 16 gegen rotierende Messer 17 gedrückt, um die Rinde zu entfernen. Anschließend wird das entrindete Rundholz 18 mittels Sägen 19 in eine Einheitsgröße zerkleinert. Im nächsten Schritt wird das entrindete und zerkleinerte Rundholz 20 durch einen Scheibenhacker 21 in Hackschnitzel 22 zerkleinert, die eine Länge von ca. 25-30 mm, eine Breite von ca. 20-25 mm und eine Dicke von ca. 4-6 mm aufweisen. Anschließend werden für die Nachzerkleinerung die Übergrößen, die in diesem Arbeitsschritt angefallen sind, ausgesiebt.First, wood fibers are produced from wood chips. The starting material for the wood chips is, for example, round wood 16 from the sawmill industry. The choice of wood species in terms of availability and quality can vary regionally. The most commonly used wood species are spruce, pine, and beech. The round wood 16 is first mechanically debarked. For this purpose, the round wood 16 is pressed against rotating blades 17 to remove the bark. The debarked round wood 18 is then chopped into a standard size using saws 19. In the next step, the debarked and chopped round wood 20 is chopped by a disc chipper 21 into wood chips 22. These chips have a length of approximately 25-30 mm, a width of approximately 20-25 mm, and a thickness of approximately 4-6 mm. The oversized pieces generated in this step are then screened out for further shredding.
Um Erde und Sand aus den Hackschnitzeln zu entfernen, werden diese in einer Vorrichtung 23 gewaschen. In diesem Arbeitsschritt werden die Hackschnitzel auch aufgeweicht, um die enthaltenen Harze herauszuwaschen oder gefrorene Wasserreste aufzutauen.To remove soil and sand from the wood chips, they are washed in a device 23. During this step, the wood chips are also softened to wash out the resins they contain or to thaw frozen water residues.
Die aufgeweichten Hackschnitzel werden über eine Entwässerungsschnecke 24 zum Vordampfbehälter 25 befördert und durch Zufuhr von Dampf für 3-6 Minuten auf ca. 100°C erwärmt. Dann gelangen die Hackschnitzel über ein Förderband in den Kocher 26 und werden dort mit gesättigtem Dampf auf ca. 170°C erhitzt.The softened wood chips are conveyed via a dewatering screw 24 to the pre-steam tank 25 and heated to approximately 100°C by supplying steam for 3-6 minutes. The wood chips then pass via a conveyor belt into the cooker 26, where they are heated to approximately 170°C with saturated steam.
Anschließend werden die erhitzten Hackschnitzel mit dem Kaffeesatz gemischt und die Mischung 31 wird mittels eines Schneckenförderers 27 einem thermomechanischen Aufschlussveredler, das ist ein Defibrator 28, der aus einer stehenden Scheibe 30 und einer axial einstellbaren, rotierenden Scheibe 29 (beide mit einem Durchmesser von ca. 600 mm) besteht, mit einer Rotationsgeschwindigkeit von ca. 1500 U/min, zugeführt. Durch die Zentrifugalkraft werden die Hackschnitzel und der Kaffeesatz von der Mitte der Scheiben nach außen gedrückt und die Hackschnitzel dabei schrittweise zu Faserbündeln und Einzelfasern (Faserlänge zw. 1,0 mm und 5,0 mm, Faserdurchmesser zw. 10 µm und 500 µm) zerkleinert, wobei gleichzeitig der Kaffeesatz an den Fasern haften bleibt. Die entstandene Holzfaser-Kaffeesatzmischung 31' wird über eine Luftstromleitung 32 mit einem Durchmesser von ca. 120 mm weitertransportiert und einer Blow-Line 33 zugeführt. Dort wird die Holzfaser-Kaffeesatzmischung 31' durch die Dampfausdehnung beschleunigt, sodass auf Grund der entstehenden Turbulenzen eine gleichmäßige Beleimung ermöglicht wird. Dazu wird eine Lösung aus Harnstoff-Formaldehyd-Harz (UF-Leim) 35 über wassergekühlte Beleimungsdüsen 34 mit einer durchschnittlichen Tropfengröße von 25-80 µm, einer Tropfengeschwindigkeit von ca. 10-35 m/s, einer Volumenstromdichte von ca. 0,1-0,4 cm3/cm2/s und einem Durchsatz von ca. 3t/h in die Blow-Line 33 eingeführt.The heated wood chips are then mixed with the coffee grounds, and the mixture 31 is fed by means of a screw conveyor 27 to a thermomechanical pulping refiner, a defibrator 28 consisting of a stationary disc 30 and an axially adjustable, rotating disc 29 (both with a diameter of approximately 600 mm), at a rotation speed of approximately 1500 rpm. Centrifugal force pushes the wood chips and coffee grounds outward from the center of the discs, gradually breaking them down into fiber bundles and individual fibers (fiber length between 1.0 mm and 5.0 mm, fiber diameter between 10 µm and 500 µm), with the coffee grounds adhering to the fibers. The resulting wood fiber coffee grounds mixture 31' is transported further via an air flow line 32 with a diameter of approximately 120 mm and fed to a blow line 33 There, the wood fiber-coffee grounds mixture 31' is accelerated by steam expansion, enabling uniform gluing due to the resulting turbulence. For this purpose, a solution of urea-formaldehyde resin (UF glue) 35 is introduced into the blow line 33 via water-cooled gluing nozzles 34 with an average droplet size of 25-80 µm, a droplet velocity of approximately 10-35 m/s, a volume flow density of approximately 0.1-0.4 cm 3 /cm 2 /s, and a throughput of approximately 3 t/h.
Das beleimte Holzfaserkaffeesatzgemisch 36 wird dann einem Stromrohrtrockner 37 zugeführt. Der Stromrohrtrockner 37 besteht aus einer Rohrleitung, die das Nassgut binnen weniger Sekunden auf die gewünschte Restfeuchte trocknet. Die Trocknung erfolgt indirekt mittels Dampf-Wärmetauscher.The glued wood fiber coffee grounds mixture 36 is then fed to a flash tube dryer 37. The flash tube dryer 37 consists of a pipe that dries the wet material to the desired residual moisture content within a few seconds. Drying occurs indirectly via a steam heat exchanger.
Im Anschluss an die Beleimung folgt ein Formstrang 38 mit der Länge von ca. 10 - 15 m. Auf diesen wird der beleimte Faserkaffeesatzkuchen 39 gleichmäßig aufgestreut. Es folgt eine kontinuierliche Vorpressung 40 des Faserkaffeesatzkuchens 39 und eine anschließende Besäumung, gefolgt von einer Ablängung 42 auf das Produktionsmaß von ca. 750 x 260 cm. Die Hauptpressung erfolgt in einer Etagenpresse 41 mit einem Pressdruck von ca. 7 MPa, einer Presstemperatur von ca. 170°C und einer Pressdauer von ca. 6 Minuten. Nach dem Pressvorgang hat die Platte 1 eine Materialstärke von ca. 19 mm und wird bei 43 auf die Zielmaße von 366 x 244 cm zugeschnitten. Anschließend werden die Platten für 7 Tage in einem Normklima gelagert. Sowohl die die Pressdauer als auch der Pressdruck beeinflussen die Dichte der erfindungsgemäßen Holzfaserplatte mit Kaffeesatz und den damit verbundenen Verwendungszweck und Einsatzbereich.Following the gluing process, a forming strand 38 approximately 10–15 m long is formed. The glued coffee grounds fiber cake 39 is evenly spread onto this. This is followed by continuous pre-pressing 40 of the coffee grounds fiber cake 39 and subsequent trimming, followed by cutting 42 to the production size of approximately 750 x 260 cm. The main pressing takes place in a multi-story press 41 with a pressing pressure of approximately 7 MPa, a pressing temperature of approximately 170°C, and a pressing time of approximately 6 minutes. After the pressing process, board 1 has a material thickness of approximately 19 mm and is cut to the target dimensions of 366 x 244 cm at press 43. The boards are then stored for 7 days in a standard climate. Both the pressing time and the pressing pressure influence the density of the wood fiber board with coffee grounds according to the invention and the associated intended use and area of application.
In Tabelle 4 sind die nach dem in
Begriffserklärung:Definition:
- Faser = KiefernholzfasernFiber = pinewood fibers
- GC = Ground Coffee/ KaffeesatzGC = Ground Coffee
- 8920 = 8 mm, 920 kg/m38920 = 8 mm, 920 kg/m3
- 19720 = 19 mm, 720 kg/m319720 = 19 mm, 720 kg/m3
- 45 = Kaffeesatzanteil in %45 = coffee grounds content in %
- 1 bis 6 = Fortlaufende Nummerierung der Platten1 to 6 = Consecutive numbering of the plates
- SIEBTRÄGER = Kaffeesatz aus SiebträgerkaffeemaschinenPORTAFILTER = coffee grounds from portafilter coffee machines
- INSTANT = Kaffeesatz aus der InstantkaffeeproduktionINSTANT = coffee grounds from instant coffee production
- UF = Harnstoff-Formaldehyd-HarzUF = urea-formaldehyde resin
Die in Tabelle 4 angeführten Holzfaserplatten mit Kaffeesatz wurden gemäß den für mitteldichte Holzfaserplatten (MDF-Platten) gültigen Normen vermessen. Die Anforderungen an diese MDF-Platten sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5: Anforderungen an Platten für allgemeine Zwecke zur Verwendung im Trockenbereich nach der EN 622-5.
Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass die Eigenschaften der Platten in Nenndickenbereiche eingeteilt sind.Table 5 shows that the properties of the plates are divided into nominal thickness ranges.
Um einen Vergleich zwischen den erfindungsgemäßen Platten und den normierten MDF-Platten zu ermöglichen, sind die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Platten mit einer Nenndicke zwischen 6 bis 9 mm in Tabelle 6a angeführt. Tabelle 6a: Messergebnisse der im Industriemaßstab hergestellten Holzfaserplatten mit Kaffeesatz mit einer Nenndicke zwischen 6 mm und 9 mm
Um einen weiteren Vergleich zwischen den erfindungsgemäßen Platten und den normierten MDF-Platten zu ermöglichen, sind die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Platte mit einer Nenndicke zwischen 12mm und 19 mm in Tabelle 6b angeführt. Tabelle 6b: Messergebnisse einer im Industriemaßstab hergestellten Holzfaserplatte mit Kaffeesatz mit einer Nenndicke zwischen 12 mm und 19 mm
Die in den Tabellen 6a und 6b angeführten Messergebnisse zeigen, dass auch die im Industriemaßstab hergestellten Holzfaserplatten mit Kaffeesatz die Anforderungen der geltenden Norm EN 622-5 erfüllen. Dies ist deshalb überraschend, weil Holzfasern und Kaffeesatz voneinander unterschiedliche Stoffe sind und diese - siehe Tabelle 4 - in nahezu gleichen Anteilen, nämlich 45% Kaffeesatz und 55% Holzfasern vorliegen. Die Messergebnisse belegen somit, dass die Herstellung von Holzfaserplatten mit Kaffeesatz nicht nur technisch möglich ist, sondern auch für die vollumfängliche Nutzung und den Anwendungsbereich von herkömmlichen Holzfaserplatten geeignet ist.The measurement results presented in Tables 6a and 6b show that even industrially produced wood fiberboards made with coffee grounds meet the requirements of the applicable standard EN 622-5. This is surprising because wood fibers and coffee grounds are different materials and – see Table 4 – are present in almost equal proportions, namely 45% coffee grounds and 55% wood fibers. The measurement results thus demonstrate that the production of wood fiberboards with coffee grounds is not only technically feasible, but also suitable for the full use and application range of conventional wood fiberboards.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO-A2-2018/078391 [0004]WO-A2-2018/078391 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- The Use of Crop Residues for Boardmaking“, Environmental Conservation, Vol. 3, No.1, Spring 1976, Seiten 59-62 [0003]The Use of Crop Residues for Boardmaking", Environmental Conservation, Vol. 3, No.1, Spring 1976, pages 59-62 [0003]
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