Ursachen der Rissbildung bei Direktbeschichtungen mit Melaminharz-imprägnierten Papieren | Causes of cracking in direct coatings with melamine resin impregnated papers

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig die Einflussgrößen auf die Rissanfälligkeit von Melaminharz-Direktbeschichtungen systematisch untersucht. Dazu wurden Methoden zur Quantifizierung der Rissanfälligkeit, zur Quantifizierung des Aushärtungsgrads und zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften entwickelt. Die bestehende Normprüfung zur Evaluierung der Rissanfälligkeit (DIN EN 14323:2014) erlaubt keine für die bearbeitete Fragestellung ausreichenden Differenzierung. Durch Einbringen von Rissinitialen in die Prüfkörper und Änderung der Bewertungsgrundlage konnte die Differenzierbarkeit deutlich erhöht werden. Bei den Rissinitialen handelt es sich um praxisübliche Bearbeitungen (Nut für Flachpressdübel und Bohrung für Bodenträger) einer direktbeschichteten Platte. Entsprechend zeigt dieses Verfahren eine praxisrelevante Rissanfälligkeit der Platten auf. Als Bewertungsgrundlage wurde die Klassifizierung des Rissbilds durch eine Vermessung sämtlicher Risslängen ersetzt. Als Indikator für die Rissanfälligkeit dient die kumulierte Risslänge, die eine gute Differenzierung zulässt und bei der es im Gegensatz zu anderen untersuchten Indikatoren nicht zu einer Unterschätzung der Rissanfälligkeit bestimmter Rissbilder kommt. Mit der so modifizierten Prüfung lassen sich selbst Platten, denen die Norm denselben Risswiderstand attestiert, differenzieren. Weitere Untersuchungen zur Bestimmung der Rissanfälligkeit thematisierten den Einfluss des Raumklimas, der Belastungsdauer und -höhe sowie der Materialnutzung. Das Raumklima hat bei den gewählten Rahmenparametern nur einen sehr geringen Einfluss auf die Prüfergebnisse. Änderungen der Normvorgaben zur Belastungsdauer und -temperatur beeinflussen zwar die gemessene Rissanfälligkeit, erlauben jedoch keine bessere Differenzierung. Es ist möglich, beide Seiten einer Platte an derselben Probe zu prüfen und dadurch das Untersuchungsmaterial effizienter zu verwerten. Allerdings steigt dadurch die gemessene Rissanfälligkeit im Vergleich zur Prüfung beider Seiten an separaten Prüfkörpern. Vom Aushärtungsgrad einer Direktbeschichtung sind viele Eigenschaften abhängig: die Adhäsion zur Trägerplatte, Härte, Glanz, Medienresistenz, Kantenausbrüche beim Zuschnitt und offene Poren an der Oberfläche. In der Industrie haben sich firmeneigene Abwandlungen des Kiton-Tests (AS/NZS 4266.21:2004) zur Messung des Aushärtungsgrades etabliert. Diese Methoden sind jedoch nur subjektiv auswertbar, sie erlauben keine gute Differenzierung und die Prüfergebnisse sind beeinflusst durch die Harzüberdeckung der Papierfasern und der Raumtemperatur. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der eine bessere Differenzierung möglich ist. Bei der so genannten Pulverhydrolyse wird ein Pulver der Direktbeschichtung mit Salzsäure hydrolysiert und die Lösung UV-spektroskopisch vermessen. Untersuchungen zu der Methode zeigen, dass das UV-Spektrum der Pulverhydrolyse durch methyloliertes Melamin hervorgerufen wird. Das Spektrum der Hydrolyselösungen verändert sich nicht innerhalb der beobachteten 4 Tage bei der für diese Prüfung relevanten Wellenlänge von 237 nm. Ein strikt einzuhaltender zeitlicher Ablauf der Methode ist daher nicht notwendig. Umgebungstemperatur, Säurekonzentration und Hydrolysedauer haben einen Einfluss auf das Ergebnis der Methode. Wird die Hydrolyse bei 40 °C durchgeführt, lässt sich die Methode von 2 Stunden auf 5 Minuten verkürzen und Schwankungen der Raumtemperatur fallen als Störgrößen weg. Eine Reinigung der Direktbeschichtung mit Ethanol, Aceton, Wasser oder Papiertüchern vor Durchführung der Hydrolyseprüfung hat keinen Einfluss auf das Messergebnis. Mit der entwickelten Puvlerhydrolyse lässt sich der Aushärtungsgrad gut differenziert, objektiv und deutlich schneller bestimmen als mit den bisherigen Prüfmethoden. Um die mechanischen Eigenschaften einer Beschichtung abzuschätzen, kann eine Biegeprüfung an damit beschichteten Trägerplatten durchgeführt werden. Auf Grund mechanischer und geometrischer Zusammenhänge ist der Einfluss der Beschichtung auf die Biegeeigenschaften deutlich messbar. Allerdings werden diese Biegeeigenschaften auch durch die mechanischen Eigenschaften derbeschichteten Trägerplatte beeinflusst. Erstmals wurde ein Model angewendet, mit dem der Einfluss der Trägerplatte weitgehend eliminiert und die mechanischen Kennwerte der Beschichtung bestimmt werden können. Das Model nutzt mehrere geometrische und mechanische Kenndaten, die zum Großteil bei der Biegeprüfung aufgenommen werden. Lediglich die Schichtdicken müssen separat aufgenommen werden. Realistische Schwankungen der Eingabewerte auf Grund von Messfehlern haben nur einen geringen Einfluss auf das Model. Allgemein lässt sich eine Rissentstehung auf zu hohe Spannungen bzw. zu geringe Festigkeiten zurückführen. Für verschiedene Einflussgrößen wurde untersucht, inwiefern sich Materialeigenschaften verändern und dadurch eine entsprechende Spannungszunahme bzw. Festigkeitsabnahme auslösen können. Bei einer Überhärtung steigt die Rissanfälligkeit einer Direktbeschichtung an. Dies lässt sich auf Mikrorisse zurückführen. Die Mikrorissdichte einer Platte steigt mit zunehmendem Aushärtungsgrad an. Sowohl Biegeprüfungen an direktbeschichteten Platten als auch das Model zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften der Direktbeschichtung zeigen eine durch Mikrorisse ausgelöste Festigkeitsabnahme. Durch die Festigkeitsabnahme kommt es bei überhärteten Direktbeschichtungen vermehrt zur Rissbildung. 2-blättrige Direktbeschichtungen haben eine höhere Rissanfälligkeit als 1-blättrige. Zwei voneinander unabhängige Methoden zeigen ein ausgeprägteres hygrisches Verhalten bei 2-blättrigen Direktbeschichtung. Wodurch dies hervorgerufen wird, konnte nicht herausgefunden wurden. Dieses Verhalten könnte die Rissanfälligkeit hervorrufen. Die durch hohe hygrische Längenänderungen induzierten Spannungen könnten die Festigkeit der 2-blättrigen Direktbeschichtungen überschreiten und somit Risse verursachen. Werden Imprägnate und Spanplatten unkontrolliert gelagert, können sich deren Materialfeuchten unterscheiden. Untersuchungen bestätigen einen Einfluss sowohl der Imprägnatsfeuchte als auch der Spanplattenfeuchte auf die Rissanfälligkeit der Direktbeschichtung. Je feuchter das Imprägnat und je trockener die Spanplatte, desto höher ist die Rissanfälligkeit. Diese Rissanfälligkeit lässt sich auf Quell- und Schwindbewegungen zurückführen. Bei der rissanfälligsten Platte ist ein gequollenes Imprägnat auf einer geschwundenen Spanplatte verpresst. Akklimatisieren sich die Materialien, schwindet das Imprägnat und die Spanplatte quillt. Diese gegenläufige Dimensionsänderungen induzieren Spannungen zwischen den Schichten und es treten Mikrorisse auf, welche die Festigkeit der Direktbeschichtung verringern. Aus Schadensanalysen ist bekannt, dass Löcher in der Spanplatte zu Rissen in der darüber liegenden Direktbeschichtung führen können. Um diesen Einfluss zu untersuchen, wurden vor dem Verpressen unterschiedliche Defekte in die Spanplattenoberfläche eingebracht. Allerdings wurde bei dem Untersuchungsmaterial unbeabsichtigt ein Rissanfälligkeitsgradient in die Platte eingebracht. Proben aus der Plattenmitte sind rissanfälliger als Proben vom Plattenrand. Dadurch lässt sich der Einfluss der verschiedenen Defekttypen nicht vergleichen. An diesem Material entstandene Risse liegen stets abseits der Defekte. Selbst in der rissanfälligen Plattenmitte kommt es nicht zur erwarteten Rissbildung über den Defekten. Der Widerspruch zwischen Beobachtungen aus Schadensfällen und dem Verhalten der untersuchten Platten ließ sich im Rahmen der Arbeit nicht klären. Direktbeschichtungen auf Grobspanplatten und Sperrhölzern haben höhere Rissanfälligkeiten als Direktbeschichtungen auf Spanplatten oder MDF. Zwar wurden Mikrorisse dokumentiert, deren Dichte von der Trägerplatte abhängig ist. Allerdings kommen bei keiner Platte Mikrorissdichten in einer Höhe vor, die die Rissanfälligkeit erklären könnte. Bei der Grobspanplatte liegen die Risse entlang oder zwischen Spänen. Jeder Span quillt und schwindet. Zwischen benachbarten Spänen können abrupte Eigenschaftswechsel vorkommen. An diesen Stellen könnten Spannungsspitzen die Festigkeit der Direktbeschichtung übersteigen. Bei Sperrhölzern orientieren sich die Risse an der Faserorientierung des Deckfurniers. Quer zu den Fasern weist Holz sowohl die höchsten Quell- und Schwindbewegungen als auch die niedrigste Festigkeit auf. Zusätzlich ist das Deckfurnier von Schälrissen überzogen. Diese fungieren als Sollbruchstellen. Risse der Direktbeschichtung setzen sich stets in einen solchen Schälriss fort. Um eine Direktbeschichtung mit einer geringen Rissanfälligkeit zu produzieren gibt es mehrere Vorrausetzungen: 1. Die Direktbeschichtung sollte nicht überhärtet sein. 2. Die Direktbeschichtung sollte das gleiche hygrische Verhalten aufweisen wie die Trägerplatte. 3. Die Materialfeuchten des Imprägnats und der Trägerplatte sollten zum Zeitpunkt der Verpressung aufeinander abgestimmt sein. 4. Löcher, Risse oder andere Defekte in der Trägerplatte sollten nicht vorkommen. 5. Die Trägerplatte sollte eine homogene, feine Oberflächenstruktur aufweisen. Wird bereits einer dieser Punkte nicht eingehalten, kann dies zu einer erhöhten Rissanfälligkeit der Direktbeschichtung kommen. Wichtig für eine geringe Rissanfälligkeit ist ein gutes Zusammenspiel aus Direktbeschichtung und Trägerplatte.

In the presented thesis, influencing factors to cracking of melamine-resin direct-coatings were systematically investigated. For this purpose, methods to quantify cracking susceptibility, to quantify the degree of cure and to determine mechanical properties were developed. The standard to evaluate the cracking resistance (DIN EN 14323:2014) does not provide a sufficient differentiation for the investigated matter. The differentiation increased considerably by inserting initials for cracks into the test specimen and by overhauling the evaluation. The initials for cracks are commonly practiced processings (groove and borehole) for direct-coated boards. Thus, this method evaluates a practical-oriented cracking resistance of a board. In order to gain statistically relevant data, the simple classification scheme of the standard was replaced by measuring the crack lengths. The cumulated crack length functions as the indicator for the cracking resistance. This value allows a good differentiation without the weakness of other indicators which underestimate certain crack patterns. Using this method, boards which have an identical cracking resistance according to the standard can be distinguished. Further investigations to this method concerned the influence of the room climate, the duration and extent of the test as well as material utilization. The room climate has a low influence on the results when proper testing conditions are fulfilled. Deviating from the standards duration and temperature settings do influence the measured cracking resistance. However, that does not allow for a better differentiation. It is possible to check both coatings of a board (top and bottom) using the same sample and by doing so utilize the material more efficient. The measured cracking susceptibility is higher when testing both surfaces on a single specimen in contrast to separate specimen though. Many properties are dependent of the direct-coating’s degree of cure: adhesion to the carrier board, hardness, gloss, resistance to varying substances, bevel breaks during sawing and open pores on the surface. The industry uses miscellaneous variations of the so called Kiton-test (AS/NZS 4266.21:2004) to measure the degree of cure. These methods rely on a subjective evaluation, they do not allow a good differentiation and the results are impacted by the resin cover on top of the paper fibers as well as the room temperature. In this thesis, a new method to measure the degree of cure is described which features a better differentiation. During the so-called powder-hydrolysis, a powder of the direct-coating is hydrolyzed with hydrochloric acid and the solution’s UV-absorption is measured. Examinations of this method showed that the UV-absorption seems to be caused by methylolized melamine. The absorption at the relevant wavelength of 237 nm does not change within four days. Hence, complying to a strict timetable is not necessary using this method. Ambient temperature, acid concentration and duration of hydrolyzation effect the solution’s UV-absorption. At 40 °C the method can be run within 5 minutes as opposed to 2 hours at 21 °C as common for standard Kiton-Tests. Additionally, at a controlled ambient temperature of 40 °C disturbances due to fluctuations of the temperature do not affect the method. Cleaning the direct-coating prior to obtaining the powder can be carried out using ethanol, aceton, water or tissuepaper without influencing the test-result. Using this developed powder-hydrolysis the degree of cure can be obtain with a good differentiation, objective and faster than previous methods. Bending tests on a coated board can be performed to estimate the mechanical properties of the board’s coating. Due to mechanical and geometrical interrelationships, the coating’s influence on the bending properties can be measured. However, the bending properties are also affected by the carrier board’s mechanical properties. For the first time a model was used with which the carrier board’s influence was eliminated to a great extent und the mechanical properties of the coating identified. The model utilizes varies geometrical and mechanical values which are mostly already measured for the bending test. Solely the coating’s thickness must be measured additionally. Realistic fluctuations of the input values due to measuring errors show a minor influence on the model. In general, cracking can be led back to excessive tension or insufficient material strength. Varying influencing factors to cracking of direct-coatings were examined and changes in material properties documented to check whether they trigger such excessive tension or insufficient material strength. Overcuring a direct-coating leads to an increased cracking susceptibility. This can be led back to the documented development of micro cracks. The direct-coating’s density of micro cracks increases with the degree of cure. Bending tests as well as the model to calculate mechanical properties of a coating indicate a decrease in the material strength due to micro cracks. The reduced material strength leads to an increase of cracking in the direct-coating. Double-sheet direct-coatings show a higher susceptibility to cracking than single-sheet direct-coatings. Two independent methods reveal a distinct hygric behavior between the double-sheet and the single-sheet direct-coating. The cause of this was not found. However, this behaviour could cause the cracking susceptibility. The tension due to the higher hygric expansion of double-sheet direct-coatings might exceed the material strength and cause cracking. Uncontrolled storage of films and particleboards can lead to deviating material moisture. Examinations confirmed an influence of the film’s moisture as well as the particleboard’s moisture on the board’s susceptibility to cracking. The higher the film’s moisture as well as the dryer the particleboard, the higher is the susceptibility to cracking. This is triggered by swelling and shrinking. The board with the highest susceptibility to cracking was produced with a moist film and a very dry particleboard. During acclimatization, the film shrinks and the particleboard swells. These opposing movements induce high tension within the board and lead to a high micro crack density which in turn reduces the material strength. It is known from failure analyses that defects in the surface of a particleboard can lead to cracks in the coating applied on top of fit. To examine this effect, various defects were inserted into a particleboard’s surface prior to direct-coating it. Unfortunately, a gradient to the susceptibility of cracking was introduced into the board during the production. Test specimen originating from the center of the board were more vulnerable to cracking than samples originating from the edges. This led to the varying defects not being comparable. However, it was discovered that cracks never appeared on top of the defects. Even the board with the highest susceptibility to cracking did not exhibit the expected cracking on top of the defects. The contradiction between observations from failure analyses and the tested boards could not be resolved. Direct-coatings applied to coarse particleboards and to plywood have a higher susceptibility to cracking than those applied to common particleboards or fiberboards. Even though the micro crack density correlates with the carrier board, no board exhibited a density high enough to account for its cracking susceptibility. Cracks on the coarse particleboard are located along or between particles. Every particle shrinks and swells. Abrupt changes in properties can occur between neighboring particles. At those areas peak stresses can exceed the material strength. On plywood the cracks are oriented towards the grain direction of the face veneer. Across the grain, wood exhibits high swelling and shrinkage as well as low material strength. Additionally, the face veneer is covered with checks. These checks act as predetermined breaking points. The observed cracks always propagated towards these checks. Multiple requirements exist to produce a direct-coating with a low susceptibility to cracking: 1. The direct-coating should not be overcured 2. The direct-coating should possess the same hygric behavior as the carrier board 3. The film’s moisture and the carrier board’s moisture should be coordinated at the time of production 4. Holes, Cracks or other defects in the carrier board should not exist 5. The carrier board should have a homogenous, fine surface structure Not complying to even one of these requirements can increase the board’s susceptibility to cracking. To achieve a high cracking resistance a balanced interaction of direct-coating and carrier board is of upmost importance.