Oberflächentechnologie

Forschungsprojekt

Vermeidung von Rissen in melaminharzimprägnierten Beschichtungspapieren für Holzwerkstoffe

Melaminharzoberflächen sind hart, strapazierfähig und mit Ausnahme von starken Säuren sehr unempfindlich gegen Chemikalien. Mit einem Marktanteil von über 70 Prozent sind melaminharzimprägnierte Papiere das dominierende Beschichtungsmaterial von Holzwerkstoffen für Innenanwendungen wie Laminatböden, Küchen- und Labormöbel, Wohnmöbel oder Innentüren. In seltenen Fällen können auf derartigen Oberflächen Rissen auftreten – oft erst Wochen oder Monate nach der Auslieferung. Derzeit ist es für die Industrie schwierig, geeignete Maßnahmen zur Vermeidung von Rissen zu ergreifen, da die Ursachen der Rissbildung nur ansatzweise bekannt sind. In diesem Forschungsprojekt identifizieren wir wesentliche Parameter zur Erzielung einer angemessenen Rissbeständigkeit von melaminharzimprägnierten Papieren und entwickeln geeignete Prüfmethoden.

© Foto Fraunhofer WKI | Dirk Lukowsky

Detail eines sich verzweigenden Risses in einer Melaminharzoberfläche. Zur besseren Kontrastierung wurde blaue Tuschierpaste verwendet. Die Risse gehen von größeren Krater in der Melaminharzoberfläche aus bzw. verzweigen sich dort.

© Foto Fraunhofer WKI | Dirk Lukowsky

Risse in einer HPL-Oberfläche. Typisch ist der parallele Rissverlauf in einem flachen Winkel zur Produktionsrichtung.

© Foto Fraunhofer WKI | Dirk Lukowsky

Typische Risse in einer Direktbeschichtung. Anhand der Schatten an den Rissen wird die leichte Aufwölbung an den Rissflanken erkennbar. Die Aufwölbung entsteht, weil sich die Risse in die Trägerplatte fortsetzten.

Die Einflüsse auf die Rissbildung von Melaminharzen sind nur teilweise verstanden. Derzeit lassen sich vor allem vier Einflussgruppen identifizieren: Eigenschaften des Harzes, der Aufbau der Papiere, Trocknungs- und Härtungsbedingungen, sowie Schwindung der imprägnierten Papiere bei der Herstellung und im Gebrauch.

Unmodifizierte Melaminharze sind sehr spröde und können in der Regel nicht für die Imprägnierung von Papieren eingesetzt werden. Durch geeignete Additive kann die Flexibilität der Harze jedoch deutlich erhöht werden. Zur Steigerung der Flexibilität, und damit auch der Rissbeständigkeit werden mit z. B. Methanol teilveretherte Harze eingesetzt oder die Harze werden durch Glycole, ε-caprolactam, Zucker oder ähnliche Verbindungen modifiziert.

Die Cellulosefasern der verwendeten Papiere können relativ hohe Zugspannungen aufnehmen und verhindern daher Risse. Die Papierqualität, der Beharzungsgrad, der Schichtaufbau und die Anbindung des Harzes an die Papierfasern beeinflussen das Vorkommen von Mikro- und Makrorissen.

Der Aushärtungsgrad ist ein besonders wichtiger Parameter für die Eigenschaften von melaminharzimprägnierten Papieren. Überhärtung der Melaminharze kann zu Rissen führen, Unterhärtung zu nicht ausreichender Beständigkeit gegen Chemikalien. Derzeit gibt es jedoch keine anerkannte Methode um das Überschreitung der Aushärtungsbedingungen zu quantifizieren.

Wie alle Polykondensationsharze schrumpft Melaminharz während der Aushärtung durch Abspaltung von Wasser (Kondensation). Zudem schrumpfen die imprägnierten Papiere durch die thermische Längenänderung während des Abkühlens nach dem Verpressen. Melaminharzpapiere zeigen daher nach dem Aushärten Schrumpfspannungen gegenüber der Trägerplatte. Papiere, die bereits ausgehärtet sind, wenn sie mit einem zusätzlichen Klebstoff verklebt werden (HPL, CPL, Finishfolien), zeigen diese Spannungen in deutlich geringerem Ausmaß. Zusätzliche Spannungen treten auf, wenn die Papiere im Gebrauch Schwankungen der relativen Luftfeuchte ausgesetzt werden.

Unser Forschungsansatz basiert auf folgenden Arbeitshypothesen:

  • Durch systematische Untersuchungen verschiedener Material und Prozessparameter können die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Rissbildung von melaminharzimprägnierten Papieren identifiziert und deren Einfluss quantifiziert werden, was die Möglichkeit zur Reduzierung dieses Schadensbildes eröffnet.
  • Einer der bekannten Einflüsse auf die Rissbildung ist die Überhärtung der verwendeten Melaminharze. Durch eine Quantifizierung des Aushärtungsgrades von Melaminharzen bereits mit üblichen UV-Spektrometern kann die Qualität von melaminharzimprägnierten Papieren überwacht und verbessert werden. Rissbildungen können durch diese Qualitätssicherungsmaßnahme verhindert werden. Es ist zudem möglich, die Messung auch semiautomatisch durchzuführen. Ein Demonstrator zur semiautomatischen Quantifizierung des hydrolysierten Melamins kann in dem Projekt gefertigt werden.
  • Durch systematische Untersuchungen können die Ursachen von Rissen in melaminharzimprägnierten Papieren auch retrospektiv ermittelt werden. Zukünftig können derartige Risse sicher der Entstehungsursache zugeordnet werden, wodurch eine gezielte Modifizierung von Prozess und Materialparametern möglich wird.

Förderung

Arbeitsgemeinschaften industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)

Internationaler Verein für Technische Holzfragen (iVTH)