Titel: Interaction of polyurethane with wood-based sandwich panels
Sonstige Titel: Wechselwirkung von Polyurethan mit holzbasierten Sandwichplatten
Sprache: Englisch
Autor*in: Sae-Ueng, Kanokorn
Schlagwörter: Polyurethane rigid foam; Lightweight panels; Particleboard; Blocked isocyanate; Wood addition
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-03-25
Zusammenfassung: 
The continuous one-step production process for light wood-based panels patented by Lüdtke et al. (2007) allows for the expansion of a foam core in a hot press after the compaction of surface layers. Thermoplastic materials have been successfully applied as the core material but require a final cooling phase in a production unit in order to stabilize the expanded polymer foam after pressing. Polyurethane (PUR), as a thermoset, does not require this process step. The self-adhesive property, low thermal conductivity and tailor- made preparation based on selected components and formulations, make PUR an attractive core layer. However, isocyanate's high reactivity challenges the control of PUR foam reaction in the one-step production of wood-based panels. Besides, PUR may be fluid when compressed due to its liquid nature, so it does not remain static during the pressing process. The potential PUR components need to be scattered, able to mix well with wood chips and inactive under normal conditions, yet have the ability to be triggered by external parameters in the process. In order to develop PUR components into an efficient precursor to fulfill the core material requirements of the one-step production process, this thesis focuses on chemical and physical solutions: blocked isocyanates to trigger the foaming reaction thermally and wood filler addition to improve the distribution within the core layer.
Blocked isocyanates are an adduct formed by the reaction of isocyanate with an active hydrogen compound, stable at normal temperature. The isocyanate group could be re- released at elevated temperatures. Regarding the mechanism, blocked isocyanates from pMDI and 4,4’-MDI were prepared using NaHSO3 and ɛ-caprolactam as blocking agents. Blocked isocyanates were mixed with sucrose-based polyether polyol to prepare the one-component (1-C) PUR mixture, which must be cured at high temperatures in the hot press to polymerize and create a foam core. Blocked isocyanates were successfully prepared according to FTIR. The deblocking temperatures measured by DSC and TGA for both blocked adducts by NaHSO3 and ɛ- caprolactam were 90-127 and 180-226 °C respectively. The NCO release from deblocked products was not so intensive as that in the pure isocyanate. Polyol was mixed into the 1-C PUR mixture with blocked isocyanates and cured in the DSC using different times and temperatures. For NaHSO3- blocked isocyanates, the IR results exhibited the closest similarity to PUR using the weight ratio of 2:1 of blocked isocyanate per polyol. Ɛ-caprolactam-blocked isocyanates showed better IR results in the mixture with a 1:1 ratio. However, a high curing temperature of 250 °C was applied in both cases. Other factors (curing time, heating rate and isocyanate types) did not affect the cured mixture's IR results significantly.
Wood addition was another intriguing concept used to adjust the PUR formulations for an application in the process. In the following study, wood-mixed PUR foams were produced by thermal curing and investigated for foaming properties. The addition of wood affected the physical and mechanical properties of PUR foam but not the chemical characteristics. PUR containing a wood content of 40 % achieved the highest density of ca. 90 kgm-3 due to the mixture's higher viscosity. It also had a significantly decreased compressive strength with ca. 0.009 MPa compared to that of 10 % filler containing PUR, which is 0.190 MPa. The compressive properties did not change significantly by varying the wood flour content between 0–12 % in the PUR foam. The curing temperature also had a considerable influence on foam properties. The density of wood- mixed PUR foam decreased significantly from an average of 146 to 70 kgm-3 when a curing temperature from room temperature (20-25 °C) to 100 °C was applied. Considering both factors, an addition of 10 % wood and a curing temperature of 100 °C appeared to be the optimal parameters for further study.
The thermally activated PUR reaction was infeasible due to the low reactivity of deblocked isocyanates. In the practical application, the time for the pressing hot plates was measured and observed during foam growth in the core layer, being used afterwards as a reference for the duration of foam growth, in order to control foam expansion in the core layer in further experiments. PUR with 10 and 20 % wood contents was added to the middle layer of sandwich panels surfaced by MDF sheets. The plate- closing or pressing time was identified by time to foam rise. Panels were produced without pressing (100X) and with a plate-opening distance of 50 % (50X). The foam densities were measured between 33-90 and 32-153 kgm-3 from the PUR cores with 10 and 20 % wood content, respectively. The target panel thickness was achieved only in 100X panels. Inserting the plate-closing distance in 50X panels, the PUR did not have sufficient resistance against pressing, which led to material compaction and unapproachable thickness. 100X panels exhibited higher deviation in compressive properties and internal bond than 50X panels due to the free but irregular foam expansion.
This thesis has revealed possible solutions for preparing a PUR foam core within wood- based panel production, which should be considered and researched further to improve the aforementioned continuous process.

Der von Lüdtke et al. (2007) patentierte kontinuierliche Prozess zur Herstellung von holzbasierten Leichtbauplatten ermöglicht die Expansion des Schaumkerns durch Heißpressen während der Verdichtung der Deckschichten in einem Schritt. Als Kernmaterial wurden erfolgreich thermoplastische Materialien eingesetzt. Bei der Verwendung dieser Kunststoffe benötigt der Produktionsprozess jedoch eine zusätzliche Kühleinheit zur Stabilisierung der Platten nach dem Pressen. Als Duroplast benötigt Polyurethan (PUR) diesen Stabilisierungsschritt nicht. Die selbstklebende Eigenschaft, die geringe Wärmeleitfähigkeit und die maßgeschneiderte Aufbereitung durch Auswahl der Komponenten und Rezepturen machen PUR zu einer attraktiven Kernschicht. Allerdings stellt die hohe Reaktivität des Isocyanats eine Herausforderung für die Steuerung der PUR-Schaumreaktion dar. Aufgrund der flüssigen Beschaffenheit von PUR besteht außerdem das Problem, dass dieses beim Komprimieren herausfließen kann. Die potenziellen PUR-Komponenten müssen gleichmäßig verteilt, gut mit Holzspänen mischbar, unter normalen Bedingungen inaktiv sein und während des Pressvorgangs durch externe Parameter reaktiviert werden können. Die Arbeit konzentriert sich auf chemische und physikalische Lösungen für die Entwicklung von PUR-Komponenten zu einem effizienten Vorprodukt. Als chemischer Ansatz werden blockierte Isocyanate zur thermischen Auslösung der Schaumreaktion untersucht, während sich der physische Ansatz mit dem Zusatz von Holzfüllstoff zur Verbesserung der Verteilung innerhalb der Kernschicht befasst.
Blockiertes Isocyanat ist ein Addukt, das durch die Reaktion von Isocyanat mit einer aktiven Wasserstoffverbindung gebildet wird und bei Normaltemperatur stabil ist. Die Isocyanatgruppe kann bei erhöhten Temperaturen wieder freigesetzt werden. Die blockierten Isocyanate wurden aus pMDI und 4,4’-MDI mit NaHSO3 und ɛ-Caprolactam als Blockierungsmittel hergestellt. Zum Nachweis der erfolgreichen Blockierung wurde FTIR-Spektroskopie verwendet. Diese blockierten Isocyanate wurden danach mit Polyetherpolyol auf Saccharosebasis gemischt, um die Einkomponenten-(1- K)-PUR - Mischung herzustellen, die durch hohe Temperaturen in der Heißpresse ausgehärtet wird, um den Schaumkern zu polymerisieren. Die mittels DSC und TGA gemessenen Deblockierungstemperaturen für beide blockierten Addukte durch NaHSO3 und ɛ- Caprolactam lagen bei 90-127 bzw. 180- 226 °C. Die NCO-Freisetzung aus den entblockten Produkten war nicht so intensiv wie bei reinem Isocyanat. Polyol wurde mit blockierten Isocyanaten in das 1- K- PUR- Gemisch eingemischt und im DSC mit unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen ausgehärtet. Für NaHSO3-blockierte Isocyanate zeigten die IR- Ergebnisse die größte Ähnlichkeit mit PUR bei einem Gewichtsverhältnis von 2:1 von blockiertem Isocyanat pro Polyol. Ɛ- Caprolactam- blockierte Isocyanate zeigten bessere IR-Ergebnisse bei einem Mischverhältnis von 1:1. Allerdings wurde in beiden Fällen eine hohe Härtungstemperatur von 250 °C angewendet.
In der zweiten Studie wird das Konzept der Holzbeimischung untersucht. Es wurden dabei holzgemischte PUR-Schäume durch thermische Aushärtung hergestellt und auf die Schaumeigenschaften getestet. Der Holzzusatz beeinflusste die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des PUR-Schaums, nicht aber die chemischen Eigenschaften. PUR mit 40 % Holzanteil erreichte aufgrund der höheren Viskosität der Mischung eine hohe Dichte von ca. 90 kgm-3. Es hatte auch eine deutlich verringerte Druckfestigkeit mit ca. 0,009 MPa im Vergleich zu 0,190 MPa bei 10 % füllstoffhaltigem PUR. Die Druckeigenschaften änderten sich bei einer Variation zwischen 0-12 % Holzmehlanteil im PUR-Schaum nicht signifikant. Auch die Aushärtetemperatur hatte einen erheblichen Einfluss. Die Dichte von holzgemischtem PUR-Schaum sank signifikant von durchschnittlich 146 auf 70 kgm-3, wenn die Aushärtetemperatur von Normaltemperatur auf 100 °C erhöht wurde. Der Holzzusatz von 10 % und die Aushärtungstemperatur bei 100 °C schienen optimale Parameter für weitere Untersuchungen zu sein.
Die thermisch aktivierte PUR-Reaktion war aufgrund der geringen Reaktivität der deblockierten Isocyanaten nicht durchführbar. In der praktischen Anwendung wurde die Schaumreaktion über die Presszeit im Verhältnis zum Schaumanstieg gesteuert. PUR mit 10 und 20 % Holzanteil wurde in die Mittelschicht von Sandwichplatten, die mit MDF- Platten belegt waren, eingebracht. Der Plattenschluss bzw. die Presszeit wurde über die Zeit bis zum Schaumaufstieg ermittelt. Die Platten wurden ohne Verpressung (100X) und mit 50 % Plattenöffnungsabstand (50X) hergestellt. Die Schaumdichten wurden zwischen 33-90 und 32-153 kgm-3 aus den PUR-Kernen mit 10 bzw. 20 % Holzanteil gemessen. Die Zielplattendicke wurde nur bei 100X-Platten erreicht. Aufgrund des mangelnden Widerstands des PUR Schaums führte der Pressvorgang bei 50X- Platten zu Materialverlust und unzureichender Dicke. 100X-Platten wiesen aufgrund der freien aber ungleichmäßigen Schaumausdehnung eine höhere Abweichung der Druck- und Querzugeigenschaften auf, als 50X- Platten. Die Arbeit zeigt die Ergebnisse aus der Anwendung möglicher Varianten zur Vorbereitung des PUR- Schaumkerns innerhalb des kontinuierlichen Herstellungsprozesses von Leichtbauplatten. Diese Ergebnisse sollten bei Anwendung des Prozesses berücksichtigt werden und dienen als Grundlage zur weiteren Prozessoptimierung.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8939
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-91172
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Krause, Andreas
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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