Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff für miteinander vernagelbare Strukturbauteile von Transportpaletten, mit einer mittels eines Triebmittels geschäumten Matrix, Holzmehlfasern und einem Haftvermittler.

Vor dem Hintergrund nachhaltiger Entwicklungen sowie gesteigerter Ressourceneffizienz besteht ein Bedarf, an den Europool-Standard angelehnte Transportpaletten auf Basis eines Werkstoffes zu fertigen, der hinsichtlich Gewicht, mechanischer Festigkeitseigenschaften, Herstell- und Verarbeitbarkeit sowie Kosteneffizienz mit den bislang eingesetzten Weichholzwerkstoffen zumindest vergleichbar oder jenen Weichholzwerkstoffen bestenfalls überlegen ist und der aus Gründen der Kundenakzeptanz dennoch eine gewisse Holzoptik aufweist. Damit zudem ein wirtschaftlicher Fertigungsprozess der Transportpaletten sichergestellt ist, müssen die entsprechenden Strukturbauteile insbesondere mittels Druckluft- oder Stauchkopfnagler so miteinander vernagelbar sein, dass keine Bauteilschäden entstehen und eine zuverlässige Funktion der Transportpalette ermöglicht wird.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Holz-Kunststoff- Verbundwerkstoffe, sogenannte Wood-Polymer-Composites (WPC), bekannt (WO 2002088233 A1), die eine mittels eines Triebmittels auf Basis von Kohlendioxid geschäumte Matrix aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD), sowie Holzmehlfasern umfassen. Derartige Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe sind allerdings aufgrund ihrer relativ spröden Beschaffenheit sowie aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Dauerfestigkeit als Strukturbauteile von oben genannten Transportpaletten nicht geeignet, zumal solche Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe zu Rissbildung zufolge eines Nageins neigen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Holz-Kunststoff- Verbundwerkstoff zu schaffen, der eine kosteneffiziente Fertigung von Transportpaletten in holzähnlicher Optik ermöglicht und dabei zumindest hinsichtlich Gewicht und mechanischen Festigkeitseigenschaften einen zuverlässigen Ersatz zu den bislang verwendeten Weichholzwerkstoffen darstellt.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die ein langkettenverzweigtes Polyolefin umfassende Matrix einen Massenanteil von 30 - 95 %, die Flolzmehlfasern einen Massenanteil von 5 - 50% und der vorzugsweise auf Maleinsäureanhydriden basierende Flaftvermittler einen Massenanteil von bis zu 10% am Flolz-Kunststoff-Verbundwerkstoff aufweisen, wobei die Verbundwerkstoffdichte unter 0,3 g / cm ³ beträgt.

Flolzmehlfasern, vorzugsweise mit einer Partikelgröße von 70 - 150 pm, würden der Ausbildung einer gleichmäßigen Schaumstruktur grundsätzlich entgegenwirken, weil die Gefahr besteht, dass die Flolzmehlfasern etwaige Schaumzellen durchstechen und damit beschädigen. Flöhere Massenanteile von bis zu 50% des Flolzmehls, welche einer ansprechende FHolzoptik zuträglich wären, sind daher nicht ohne weiteres möglich. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass sich auch bei hohen Massenanteilen von bis zu 50 % des Flolzmehls durch den Einsatz langkettenverzweigter Polyolefine eine gleichmäßige Schaumstruktur ausbildet. Dabei werden sowohl niedrige Verbundwerkstoffdichten ermöglicht, als auch vergleichsweise hohe Festigkeitswerte zufolge der bei der Verarbeitung auftretenden, durch die Langkettenverzweigungen des Polyolefins begünstigten Dehnverfestigungseffekte erzielt. Die Dehnverfestigungseffekte lassen sich beispielsweise mittels uniaxialer Dehnrheologiemessungen nachweisen, wobei eine Erhöhung der Viskosität durch die Dehnbelastung erkennbar ist. Unter einer Langkettenverzweigung wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass wenigstens 10% der Seitenketten des Polyolefins eine Kettenlänge von mindestens 6 Kohlenstoffatomen aufweisen. Vorzugsweise ist das Polyolefin ein Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD bzw. LDPE) oder ein Polypropylen. Besonders günstige Eigenschaften sowie eine hohe Kosteneffizienz im Hinblick auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Holz- Kunststoff-Verbundwerkstoffes als Strukturbauteil für Transportpaletten ergeben sich, wenn die Dichte unter 0,2 g / cm ³ , vorzugsweise unter 0,1 g / cm ³ beträgt. Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff einen über einen ISO-178 Biegeversuch bei einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm / s ermittelten E-Modul von 500 bis 1000 MPa, sowie eine Biegefestigkeit von mindestens 7 MPa aufweisen. Aus dem erfindungsgemäßen Holz-Kunststoff- Verbundwerkstoff gefertigte Strukturbauteile sind demnach geeignet, den Belastungen, mit denen Transportpaletten üblicherweise beaufschlagt werden, dauerhaft standzuhalten. Zudem weist der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff eine ausreichende Duktilität auf, sodass etwaige Strukturbauteile problemlos auch über Druckluft- oder Stauchkopfnagler so miteinander vernagelbar sind, dass dabei keine gefährlichen Risse in der Schaumstruktur entstehen und auch keine Splitterbildung stattfindet.

Eine günstige Kombination von niedriger Dichte, ausreichender Festigkeit und Duktilität, sowie ansprechendem holzähnlichen Erscheinungsbild kann erreicht werden, wenn die Holzmehlfasern einen Massenanteil von 20 - 40 %, vorzugsweise von 25 - 35 %, insbesondere 30 % und der Haftvermittler einen Massenanteil von 1 - 5 %, vorzugsweise von 2 - 4 %, insbesondere 3 % aufweisen.

Um trotz niedriger Verbundwerkstoffdichten von unter 0,1 g / cm ³ die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass die Matrix ein Polymerblend eines Polyolefins und wenigstens eines thermoplastischen Polymers ist, wobei der Massenanteil des wenigstens einen thermoplastischen Polymers 5 - 50% am Polymerblend beträgt und wobei das wenigstens eine thermoplastische Polymer eine Schmelztemperatur aufweist, die 20 - 70°C, vorzugsweise ca. 30°C oberhalb der Verarbeitungstemperatur des Polyolefins liegt, und / oder eine Glasübergangstemperatur aufweist, die bis zu 40°C unterhalb der Verarbeitungstemperatur des Polyolefins liegt. Zufolge dieser Merkmale wird der bei der Verarbeitung aufgrund der Langkettenverzweigung auftretende Dehnverfestigungseffekt weiter verstärkt, wobei insgesamt die Schmelzflussrate für günstige Verarbeitungsbedingungen ausreichend bleibt.

In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, wenn das wenigstens eine thermoplastische Polymer ein thermoplastisches Polykondensat ist. Vorzugsweise kann das Polykondensat ein Polyamid und / oder ein thermoplastischer Polyester sein. Besonders bevorzugt kann das Polykondensat ein Polyamid 6, ein Polycarbonat, ein Polyethylenterephthalat und / oder ein Polybutylenterephthalat sein.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffes über einen zweistufigen Schneckenextrusionsprozess. Dabei werden in einem ersten Schritt zunächst die Matrixschmelze, die Holzmehlfasern und der vorzugsweise auf Maleinsäureanhydrid basierende Haftvermittler zu einer Verbundwerkstoffschmelze vermengt. Anschließend wird die Verbundwerkstoffschmelze in einem zweiten Schritt bei einer Massetemperatur zwischen 170 und 200 °C und bei einem Massedurchsatz von 5 bis 15 kg / Stunde homogenisiert und extrudiert, wobei der Verbundwerkstoffschmelze vor der Extrudermischzone ein Triebmittel über eine Gasdosiereinrichtung zugeführt wird. Der Schritt der Herstellung der Verbundwerkstoffschmelze und der Einbringung des Triebmittels kann auch in einem Prozesschritt erfolgen. Als Extrudermischzone wird jener Extruderabschnitt aufgefasst, der einem etwaigen Mischteil der Extruderschnecke zugeordnet ist. Demgemäß wird das Triebmittel der Schmelze in dem Extruderabschnitt zugeführt, der bezüglich der Längsachse dem Mischteil in Förderrichtung vorgelagert ist.

Ein erfindungsgemäßer Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ist als Werkstoff für Strukturbauteile einer Transportpalette, die hinsichtlich ihrer Abmessungen und Ausgestaltung an den Europool-Standard angelehnt sein kann, geeignet. Zur Herstellung von Transportpaletten werden die entsprechenden, aus einem erfindungsgemäßen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff gefertigten Strukturbauteile wenigstens teilweise miteinander vernagelt, insbesondere mithilfe eines Druckluft oder Stauchkopfnaglers.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ausführungsbeispiel 1 :

Ein erfindungsgemäßer Holz-Kunststoff Verbundwerkstoff umfasst ein langkettenverzweigtes Polypropylen (WB140HMS) als Matrix mit einem Massenanteil von 67 %, Holzmehlfasern (Lignocel C120) mit einem Massenanteil von 30 %, sowie einen Haftvermittler (Scona TPPP 8112) mit einem Massenanteil von 3 %.

Zur Herstellung des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffes wird beispielsweise ein Einschneckenextruder (50 mm Durchmesser) eingesetzt, der mit einer kernprogressiven Schnecke mit zusätzlichem Mischteil ausgestattet ist. Die Beladung der Schmelze mit dem Treibgas Kohlendioxid erfolgt über eine Gasdosierstation, wobei das Treibgas der Schmelze bezüglich der Förderrichtung vor dem Mischteil zugeführt wird. Die Massetemperaturen entlang der Schnecke werden im Bereich von 175 bis 195 °C eingestellt, der Massedurchsatz beträgt dabei etwa 10 kg / Stunde. Das Extrudat wird durch eine Profildüse extrudiert und in Folge gekühlt und abgezogen.

Der Holz-Kunststoff Verbundwerkstoff weist eine Verbundwerkstoffdichte von 0,06 g / cm ³ auf. Der E-Modul wurde mittels eines ISO 178 Biegeversuches bei Raumtemperatur sowie einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm / s bestimmt und beträgt 800 MPa. Die erzielte Biegefestigkeit liegt bei 16 MPa.

Ausführungsbeispiel 2:

Ein erfindungsgemäßer Holz-Kunststoff Verbundwerkstoff umfasst einen Polymerblend als Matrix mit einem Massenanteil von 67 %, Holzmehlfasern (Lignocel C120) mit einem Massenanteil von 30 %, sowie einen Haftvermittler (Scona TPPE 5002 GALL) mit einem Massenanteil von 3 %. Der Polymerblend selbst umfasst ein Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD Rezyklat) mit einem Massenanteil von 70 % am Polymerblend und ein Polyamid 6 mit einem Massenanteil von 30 % am Polymerblend. Das eingesetzte Polyamid 6 weist eine Schmelztemperatur von 215° C auf.

Die Herstellung kann analog zu Ausführungsbeispiel 1 erfolgen. Bei einer Verarbeitungstemperatur im Bereich von 175 bis 195° C liegt die Schmelztemperatur des eigesetzten Polyamid 6 demnach 20 bis 40° C über der Verarbeitungstemperatur.

Der Holz-Kunststoff Verbundwerkstoff weist eine Verbundwerkstoffdichte von 0,08 g / cm ³ auf. Der E-Modul wurde mittels eines ISO 178 Biegeversuches bei Raumtemperatur sowie einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm / s bestimmt und beträgt 620 MPa. Die erzielte Biegefestigkeit liegt bei 7 MPa.