Physikalisch-technologische Untersuchungen zur Faserstofferzeugung für die Herstellung von Holzfaserdämmstoffen

Physical-technological investigations into fiber production for the production of wood fiber insulation materials

  • Die Zielstellung der Arbeit war es, die Faserstofferzeugung für die Herstellung von Holzfaserdämmstoffen zu untersuchen, um zu einem besseren Verständnis der dort stattfindenden physikalischen Vorgänge beizutragen. Für die Bearbeitung der Zielstellung wurden physikalische Experimente zur Faserstofferzeugung im Labormaßstab mit dem TMP-Verfahren (Thermo Mechanical Pulp) und dem RMP-Verfahren (Refiner Mechanical Pulp) sowie den Holzarten Fichte (Picea abies Karst.) und Buche (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. Aus den grundlegenden Untersuchungen zur Prozessführung der labortechnischen Faserstofferzeugung konnte eine Vorgehensweise abgeleitet werden, mit der reproduzierbare Ergebnisse in der Untersuchung von Mahlscheiben erzielt werden. Die Untersuchung der Sorption von Wasserdampf durch Hackschnitzel in Sattdampfatmosphäre mit einem Sattdampfdruck zwischen 1 bar und 9 bar respektive einer Temperatur von 120 °C bis 180 °C wurde mittels einer gravimetrischen Messeinrichtung ermittelt. Mit dieser in situ Bestimmung der Holzfeuchte wurde eine vom Sattdampfdruck und der Ausgangs-Holzfeuchte abhängige Absorption vonWasser nachgewiesen, die mit der berechneten Wärmemenge zur Erwärmung der Hackschnitzel assoziiert ist. Die Holzfeuchte nach Entspannung des Sattdampfdrucks war unabhängig von der Höhe des Sattdampfdrucks und stellte sich oberhalb der Ausgangs-Holzfeuchte ein. Der zeitliche Verlauf derWasseraufnahme und -abgabe erfolgte simultan zum Anstieg und Abfall des Sattdampfdrucks. Die Untersuchungen zur spezifischen elektrischen Leistungsaufnahme im TMP-Verfahren zeigten ferner, dass signifikante Unterschiede bezüglich der Holzarten, der Aufschlusstemperaturen und der Mahlscheibenmuster bestanden. Die Faserstofferzeugung mit der Holzart Buche zog, im Vergleich zur Holzart Fichte, eine geringere spezifische elektrische Leistungsaufnahme nach sich. Mit steigender Aufschlusstemperatur nahm die spezifische elektrische Leistungsaufnahme bei beiden untersuchten Holzarten ab und die Differenzen zwischen den Mahlscheibenmustern wurden geringer. Im RMP-Verfahren konnte die prinzipielle Machbarkeit der Faserstofferzeugung für Holzfaserdämmstoffe mit einem speziell entwickelten Mahlscheibenmuster belegt werden. Aus den Versuchen zur Faserstofferzeugung wurde die Erkenntnis gewonnen, dass neben dem Erweichungsverhalten der Holzarten, insbesondere die Gestaltung der Mahlscheibe mit der Reduzierung der spezifischen elektrischen Leistungsaufnahme einherging. Aus den weiteren Untersuchungen zum elektrischen und thermischen Energiebedarf in der Faserstofferzeugung entstand die Erkenntnis, dass neben dem Sattdampfdruck respektive der Aufschlusstemperatur die spezifische elektrische Leistungsaufnahme in Beziehung mit der Konsistenz der Faserstoffe nach dem Aufschluss steht. Die Analyse zur Beschaffenheit der Faserstoffe wurde mit der Kollektivmethode Luftstrahl- Prüfsiebung und der Individualmethode quantitative Bildanalyse durchgeführt. Mit beiden Methoden konnten Unterschiede in den Dispersitätseigenschaften bezüglich der Holzarten, der Aufschlusstemperaturen und der Mahlscheibenmuster nachgewiesen werden. Sowohl mit der Luftstrahl-Prüfsiebung als auch mit der quantitativen Bildanalyse wurde festgestellt, dass die Feinheit der Partikel mit steigender Aufschlusstemperatur zunimmt. Die Wärmeleitfähigkeit wurde im Zweiplattenverfahren an Faserstoffprobekörpern ermittelt, die mit einer aerodynamischen Vlieslegung gebildet wurden. Korrelationstabellen zur Identifizierung von funktionalen Zusammenhängen zwischen Dispersitätseigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit lassen den Schluss zu, dass die Feinheit der faserartigen Partikel in Beziehung mit der Wärmeleitfähigkeit stehen. Insgesamt boten spezielle Mahlscheibenmuster ein hohes Potenzial, um den elektrischen und thermischen Energiebedarf im Prozess der Faserstofferzeugung zu senken und die Beschaffenheit der Faserstoffe für die Herstellung von Holzfaserdämmstoffen zu optimieren.
  • The aim of this work was to investigate the process step of pulp production for the manufacture of wood fibre insulation materials in order to contribute to a better understanding of the physical processes taking place. For this purpose, physical experiments on a laboratory scale were carried out in the thermo mechanical pulping process (TMP) and refiner mechanical pulping process (RMP) with spruce (Fagus sylvatica L.) as well as with beech (Fagus sylvatica L.). From the basic investigations on the process of the pulp production with a laboratory refiner plant, it was possible to derive a method to gain reproducible results in the testing of refiner plates. The procedure applied yielded results that are comparable to those obtained in industrial pulp production. The investigation of the sorption of water vapor by wood chips in saturated steam atmosphere with a pressure between 1 bar and 9 bar respectively a temperature from 120 °C to 180 °C was determined by means of a gravimetric measuring device. With this in situ determination the moisture content of the wood was determined as a function of the saturated steam pressure and the initial moisture content of the wood, which was then compared with the calculated amount of steam for heating the wood chips. The wood moisture content after relaxation of the saturated steam pressure was independent of its level and was above the initial wood moisture content. The time course of water uptake and release occurred simultaneously with the rise and decrease of the saturated steam pressure. The investigations on the specific electrical power consumption in the TMP process also showed that signifcant differences exist with respect to the wood species, pulping temperatures and the refiner plate patterns. Compared to spruce, the pulp production with the beech resulted in a lower specific electrical power consumption. With increasing pulping temperature, the specific electrical power consumption decreased for both species, and the differences between the refiner plate patterns became smaller. For the RMP process the feasibility in principle of producing pulps for wood fiber insulation materials was demonstrated with a with a specially developed refiner plate pattern. From the pulp production trials, the insight was gained that, in addition to the softening behavior of the wood species, especially the design of the refiner plate correlates with the reduction of the specific electrical power consumption. From the further investigations on the electrical and thermal power consumption in pulp production, it was discovered that the moisture content of the pulp after refining is related to the pulping temperature and the specific electrical power requirement. The analysis of pulp was carried out using the collective method of air-jet sieving and the individual method of quantitative image analysis. With both methods, significant differences in the dispersity characteristics with respect to the wood species, pulping temperatures, and refner plate patterns were demonstrated. With both air jet test sieving and quantitative image analysis, it was found, that the fneness of the particles increases with elevated pulping temperature. The thermal conductivity was determined by the two-plate method on dry pulp samples which were formed with an aerodynamic nonwoven layup. Correlation tables to identify functional relationships between dispersivity properties and thermal conductivity indicated that a high fineness of the fibrous particles is related to a low thermal conductivity. Overall, special refiner plates offered a high potential to reduce the electrical and thermal energy requirements in the pulp production process and to optimize the properties of the pulp for the production of wood fiber insulation materials.

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Metadaten
Author:Simon Barth
URL:https://dx.doi.org/10.53846/goediss-8979
Referee:Andreas Michanickl, Kai Zhang
Advisor:Carsten Mai
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Publication Year:2021
Granting Institution:Georg-August-Universität Göttingen
Date of final exam:2021/11/12
Tag:Faserstoffbeschaffenheit; Faserstofferzeugung; Holzfaserdämmstoff; Holzfeuchte; Mahlscheibe; Wärmeleitfähigkeit; mechanischer Faserstoff; spezifische elektrische Leistungsaufnahme; thermischer Energiebedarf; thermomechanischer Faserstoff
fibre properties; heat conductivity; pulping; refiner mechanical pulp; refiner plate; specific electric energy consumption; thermal energy consumption; thermo mechanical pulp; wood fibre insulation material; wood moisture
faculties / departments:Fakultät für Holztechnik und Bau