In-situ-Untersuchungen des Rohdichteprofils von Holzwerkstoffen am Beispiel von MDF

Abstract

Ziel der Arbeit ist es, erstmalig die kontinuierliche Entwicklung des Rohdichteprofils während des Heißpressvorgangs über die gesamte Plattendicke zu verfolgen. Dazu wurde eine Verdichtungseinheit entwickelt, die an einen Röntgenscanner angepasst und in diesen eingebaut wurde. Die Probenkörper in der Verdichtungseinheit haben einen Durchmesser von 50 mm. Mit einer flächenmassen- und feuchteabhängigen Kalibrierfunktion werden die Dichtewerte aus den Messdaten des Röntgenscanners ermittelt. Die Korrektur der Massenschwächungskoeffizienten mit der Flächenmasse ist durch die Verwendung polychromatischer Röntgenstrahlung notwendig. Die Feuchte zeigt in den Kalibrierfunktionen einen geringeren Einfluss auf den Massenschwächungskoeffizienten als die Flächenmasse. In Verdichtungsversuchen, die teilweise auch einen Nachverdichtungsschritt enthalten, wurde die Entwicklung des Rohdichteprofils im Heißpressvorgang aufgezeichnet. Während der Verdichtungsphase bildet sich deutlich das charakteristische Rohdichteprofil mit den Dichtemaxima in den Deckschichten und einer nahezu homogenen Mittelschicht aus. Die Entwicklung des Rohdichteprofils wird stark vom sich ausbildenden Temperaturprofil, das mit Thermoelementen in der Matte bestimmt wurde, beeinflusst. In der anschließenden Haltephase ist auffallend, dass unmittelbar nach dem Erreichen der Solldistanz noch größere Dichteänderungen in den oberflächennahen Schichten auftreten. Diese sind mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Bewegungen einzelner Partikel zurückzuführen. Im weiteren Verlauf der Haltephase kommt es besonders in einem Bereich von 100 s nach Beginn des Heißpressvorgangs zu deutlichen Dichteänderungen in Deck- und Mittelschicht, die zum großen Teil auf eine Feuchtebewegung durch den konvektiven Feuchtetransport in der Partikelmatte zurückzuführen sind. Auffallend sind die qualitativ sehr ähnlichen Formen der Rohdichteprofile direkt nach Erreichen der Solldistanz in der Haltephase und unmittelbar vor Ende des Heißpressvorgangs. Durch die Nachverdichtungsschritte wurde ein Dichteplateau in der Mitte des Plattenquerschnittes erzeugt, das kein deutliches Minimum aufweist. Der Vergleich zwischen Messdaten und Simulationsdaten aus dem Softwarepaket VHP (Virtual Hot Press) zeigt eine hinreichende qualitative Übereinstimmung für die Ausbildung des Rohdichteprofils sowohl während der Verdichtungs- als auch in der Haltephase. Die vorgestellte Methode bietet die Möglichkeit, in weiteren systematischen Untersuchungen die Entwicklung des Rohdichteprofils während des Heißpressvorgangs intensiver zu untersuchen und so einen wesentlichen Beitrag zur weiteren Entwicklung der Verfahrenstechnik für die Herstellung von Holzwerkstoffen zu leisten.

The vertical density profile in wood based panels is one of the most important material parameters. It correlates with many properties essential for the end use of the panel, e.g., bending strength, internal bond. Currently it is possible to simulate the density profile during the hot-pressing process of the furnish mat. Some software packages based on physicalmathematical models are available, for instance Vertical Hot Press (VHP). However, it is not yet possible to measure the vertical density profile continuously over the panel thickness during hot pressing and thus to verify the process simulation. Currently only one method is known from the literature to investigate the density profile development at three positions within the mat during the hot-pressing process. In the research work presented in this paper, a novel method for the continuous measurement of the vertical density profile formation during the hot-pressing process - i.e. in-situ - based on a laboratory x-ray scanner and a miniature hot-press has been designed. This hot-press with an inner diameter of 50 mm (mat sample diameter) is mounted inside the scanner, so that the wide spread x-ray beam passes through the sample perpendicular to its surfaces. The measurements were done, so far, on wood furnish material for medium density fiberboards (MDF) which is the most sensitive panel type for the density profile formation due to the small particle size. The development of the measuring method and the design of the hot-press will be presented in this paper. Further more some results showing the continuous density profile formation measurements will be shown and discussed. This method provides a powerful tool for a deeper understanding of the hot-pressing process and for further development of pressing schedules as well as adaptions of physicalmathematical models of the hot-pressing process to improve the board properties.