Ziel der Entwicklung

Logo: Schematische Darstellung eines proteinhaltigen Klebstoffes mit quervernetzenden Substanzen zur Verklebung von Massivholzplatten
Schematische Darstellung eines proteinhaltigen Klebstoffes mit quervernetzenden Substanzen zur Verklebung von Massivholzplatten

Für die Herstellung von Massivholzplatten kommen nach dem Stand der Technik synthetische Harze (Aminoharze, PVAc-Dispersionen) zur Anwendung, die vollständig auf petrochemischen Rohstoffen basieren. Diese Klebstoffe sind günstig, zeigen jedoch eine ausgeprägte Preisabhängigkeit von den zugrundeliegenden Rohstoffen und den Energiepreisen. Die petrochemischen Rohstoffreserven sind begrenzt und erfordern die Suche nach langfristig verfügbaren Alternativen. Des Weiteren wird eine weitere Verschärfung der VOC-Emissionswerte für Holzwerkstoffe, die im Innenbereich zum Einsatz kommen, beobachtet. Zudem wird seitens der Holzwerkstoffhersteller ein zunehmender Anteil biobasierter Klebstoffe angestrebt. Somit werden synthetische Klebstoffe mittel- bis langfristig teilweise oder ganz durch biobasierte Lösungen ersetzt. Proteine sind als Klebstoffe bereits vielfach untersucht worden. Es konnten bereits partikelgebundene Holzwerkstoffe mit proteinhaltigen Bindemitteln hergestellt werden, die eine den synthetischen Harzen vergleichbare Klebfestigkeit aufweisen. Für diese Bindemittel wurden quervernetzende Substanzen eingesetzt, vorrangig Isocyanate oder niedermolekulare Aldehyde. Im Hinblick auf die VOC-Emissionswerte und einer eventuellen Verschärfung der Arbeitsplatzgrenzwerte für Isocyanate sind diese langfristig als kritisch zu bewerten. Für eine Erhöhung der Klebfestigkeit und vor allem der Hydrolysebeständigkeit der damit hergestellten Holzwerkstoffe sind quervernetzende Substanzen weiterhin gesucht. Diese sollen unkritisch in ihrer Anwendung und langfristig verfügbar sein. Zudem ist die Kenntnis zur Anzahl der freien, reaktiven Gruppen im Protein wichtig, um den Einsatz der quervernetzenden Substanzen zu optimieren. Der zu entwickelnde Klebstoff muss daher die folgenden Eigenschaften zeigen: 1. Ausreichende Reaktivität des Quervernetzers mit freien, reaktiven Gruppen am Protein (vorzugsweise NH2-Gruppen); 2. Ausreichende Klebfestigkeit und Hydrolysebeständigkeit und Erreichen der Klassifizierung D2 nach DIN 204 / 205; 3. Ausreichende Lagerstabilität der Dispersionen für einen Einsatz in der Produktion (mindestens eine Woche); 4. Die Anwendung (Klebstoffauftrag, Heißpressung) soll ohne Anpassung oder Änderung der Auftragungs- und Presstechnologie möglich sein.

Vorteile und Lösungen

Basis für dieses Forschungsprojekt bildeten die vorangegangenen Arbeiten im Themengebiet biobasierte Bindemittel und Klebstoffe. Das Ziel des Projektes war es, proteinbasierte Rohstoffe mit unterschiedlichen Nebenbestandteilen auf ihre Eignung als Klebstoff für Massivholzplatten zu untersuchen. Nebenbestandteile können, in Abhängigkeit von der Rohstoffquelle, Saccharide (Stärkepflanzen), Öle (Ölpflanzen, Insektenzucht) und Chitin (Insektenzucht) sein. Die Reststoffe wurden hinsichtlich der Löslichkeit in wässrigen Medien und Möglichkeiten zur Einstellung hoher Feststoffgehalte untersucht. Zudem wurden die Aminosäureanteile und damit die Anzahl der freien, reaktiven Gruppen (NH2, NH, OH, COOH) analysiert. Ebenso wurde die Lagerstabilität der Proteindispersionen untersucht. Die Dispersionen wurden dazu hinsichtlich Sedimentation, Geruchsbildung und polymerchemischen Kennwerten (Molmassenverteilung) untersucht. Lagerstabile Dispersionen wurden durch eine sequenzielle Behandlung von Proteinen mit Enzym (Alkalase) erreicht. Für Rohstoffe der Insektenzucht wurde ein Verfahren zur Abtrennung mineralischer Bestandteile und Lösen der Proteinanteile in konzentrierter NaOH gewählt. Verschiedene quervernetzende Substanzen wurden in die Entwicklungsarbeiten integriert: Dicarbonsäure, Aldehyd, Diglycidylether. Diese Substanzen reagieren mit NH2-Gruppen und bilden ein hochmolekulares Netzwerk, das sowohl die Klebfestigkeit als auch die Hydrolysebeständigkeit gewährleistet. Anhand von Klebversuchen an Furnierstreifen wurden Vorzugsvarianten weiter optimiert und die Klebfestigkeit entsprechend der Normen DIN 204 und 205 bestimmt. Bei Vorhandensein vieler freier, reaktiver Gruppen und einer entsprechend hohen Vernetzungsdichte konnten Klebfestigkeiten mit einer Klassifizierung nach D2 erreicht werden. Gegenüber den Ausgangstoffen entspricht dies einer deutlichen Steigerung der Klebfestigkeit und Hydrolysebeständigkeit. Ausgewählte Varianten wurden für der Herstellung von dreilagigen Massivholzplatten verwendet. Verschiedene Pressparameter (Temperatur, Zeit) wurden gewählt. Die Ergebnisse der Untersuchungen nach DIN 204 / 205 wurden bestätigt, die stabilsten Massivholzplatten wurden mit den Varianten erreicht, die eine hohe Klebfestigkeit aufwiesen. Zudem haben sich Presstemperaturen von 115 °C als ausreichend herausgestellt. Die Ergebnisse des Projektes können auf die Entwicklung von Bindemitteln für partikelgebundene Holzwerkstoffe übertragen werden. Bindemittel sind sprühfähige Dispersionen, die auf Späne oder Fasern aufgebracht werden. Für partikelgebundene Holzwerkstoffe (Span- und Faserplatten) werden ebenso neue Klebstoffsysteme benötigt, da auch diese Holzwerkstoffe nach dem Stand der Technik nahezu ausschließlich mit synthetischen Bindemitteln (Aminoharze) hergestellt werden. Für diese Holzwerkstoffe ist aufgrund des höheren Bindemittelanteil die Thematik der Emissionsgrenzwerte (Formaldehyd, VOC) sehr aktuell. Anhand der Projektergebnisse ergeben sich weitere Optimierungsmöglichkeiten für biobasierte Klebstoffsysteme. Ein weiteres Ziel ist die Verwendung biobasierter Quervernetzer, um Klebstoffe vollständig auf Basis nachwachsender Rohstoffe anbieten zu können.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklung biobasierter Klebstoffe und Bindemittel wird durch die Holzwerkstoffhersteller zunehmend forciert. Mittelfristig sollen die vorhandenen, synthetischen Systeme teilweise und nachfolgend vollständig durch biobasierte Systeme ersetzt werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Performance der alternativen Klebstoffe gleichbleibende Festigkeitswerte und eine der Anwendung entsprechende Hydrolysebeständigkeit aufweisen. Proteine bieten aufgrund ihrer zugrundeliegenden Struktur mehrere Möglichkeiten zur Quervernetzung. Die Suche nach entsprechenden Quervernetzern ist daher von besonderem Interesse. Für folgende Wirtschaftszweige wird ein großes Anwendungspotenzial gesehen: 1. Rohstoffe, Reststoffe: Roh- und Reststofferschließung für technische Anwendungsmöglichkeiten, Erschließung neuer stofflicher und technischer Anwendungsmöglichkeiten; 2. Klebstoffindustrie: Einsatz biobasierter Rohstoffe, Erweiterung des Angebots von Bio-Klebstoffen; 3. Holzwerkstoffindustrie: Produktion von formaldehyd-freien HWS, Produktion von HWS mit biobasierten Klebstoffen bei gleicher Presstechnologie; 4. Möbelindustrie / Innenausbau: Bereitstellung von VOC-armen Produkten.
Die Projektergebnisse ermöglichen einen Know-how-Transfer zu adressierten Unternehmen und die Möglichkeit der Produktentwicklung. Es ist geplant, die Ergebnisse zudem bezüglich der wissenschaftlich-technischen und technologischen Basis in den Bereichen Polymerchemie, Polymeranalytik, Bindemittel- und Klebstoffentwicklung, Klebung von Massivholz und Partikeln (Späne, Fasern) sowie Presstechnologie und Herstellung von Holzwerkstoffen weiter ausbauen.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind adressiert an Unternehmen aller Branchen, die Klebstoffe verarbeiten und den Einsatz biobasierter Systeme erwägen oder benötigen.