Modifiziertes Holz
Möglichkeiten "neu geschaffener" Holzarten
von
Dr. Ernst Kürsten
erschienen im Holz-Zentralblatt Nr. 83/2005 vom 02.11.2005, Seite 1101
Hitzebehandlung
Acetylierung
Holzvernetzung
Furfurylierung
Fazit
Holzverarbeiter und Käufer von Holzprodukten sollten sich darauf einstellen: Es
gibt neue Holzarten auf dem Markt, die sich in keinem Bestimmungsbuch finden lassen, wie
z.B. Accoya oder
Kebony
. In den letzten Jahren wurden immer mehr Verfahren zur
Holzmodifizierung entwickelt. Dabei entstehen Hölzer, die kaum noch "arbeiten",
weitgehend resistent gegen Pilzbefall sind und sich in ihren technologischen
Eigenschaften oft sehr von dem "Original" unterscheiden. Bei der "
Second European Conference on Wood
Modification" am 7. und 8. Oktober 2005 in Göttingen
diskutierten rund 200
Experten aus aller Welt den aktuellen Stand der Forschung und Anwendung in diesem
Bereich.
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Abb. 1 Typische Einsatzgebiete für modifiziertes Holz im Gartenbereich.
Quelle: BASF AG
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Holzmodifizierung heißt, Hölzer durch (biozidfreie) chemische, thermische oder
mechanische Eingriffe in die Zellwände auf molekularer Ebene so zu modifizieren,
dass Eigenschaften wie die Dauerhaftigkeit und die Maßhaltigkeit verbessert werden.
Etliche Forscher begründeten in Göttingen ihre Arbeit in diesem Bereich mit
folgenden Problemen
- Der Raubbau an tropischen Edelholzarten mit entsprechend guten technologischen
Eigenschaften bewirkt Einschränkungen in deren Nutzung, zum einen aus Gründen
des Naturschutzes, zum anderen wegen der abnehmenden Verfügbarkeit.
- Zunehmende Verbote und Anwendungsbeschränkungen bei Holzschutzmitteln
erfordern alternative Schutzverfahren für Holz.
- Steigende Anforderungen der Verbraucher an die Pflegeleichtigkeit und
"Fehlerfreiheit" machen es dem Naturstoff Holz immer schwerer, gegen
Konkurrenzmaterialien wie Metall oder Kunststoff anzukommen.
Bei der Holzmodifizierung geht es im Wesentlichen darum, die Einlagerung von Wasser in
den Zellwänden des Holzes zu minimieren (siehe nächste Tabelle). Da die
Wassermoleküle an die Hydroxyl(=OH)-Gruppen dort gebunden werden, basieren die
meisten Verfahren darauf, diese Gruppen "abzusprengen" (Hitzebehandlung) oder zu
blockieren. Zudem kann versucht werden, den Zutritt des Wassers durch Hydrophobierung des
Holzes zu behindern und die Stabilität des Holzes gegenüber der UV-Strahlung
des Lichtes zu erhöhen. Schließlich wurden bei der Konferenz auch noch
Verfahren zur Behandlung der Holzoberfläche durch Plasma oder auch Laserstrahlen
vorgestellt.
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Wirkprinzipien
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Füllung der Lumen |
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Füllung der Zellwand |
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Reaktion mit Hydroxylgruppen |
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Vernetzen von Hydroylgruppen |
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Zellwandstruktur ändern |
Abb. 2: Quelle:
Andreas Krause,
Institute Wood Biology and Wood Technology,
Universität Göttingen
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Jedes Verfahren zur Holzmodifizierung erfordert für jede Holzart umfangreiche
Untersuchungen zur:
- Optimierung der Produktionsprozesse
- Wirksamkeit in Hinsicht auf Quellung und Schwindung, Pilzbefall und
UV-Stabilität
- Veränderung von für die Verwendung des Holzes wichtigen Eigenschaften,
vor allem der Festigkeitswerte, sowie der Farbe, der Verleimbarkeit usw..
Im Folgenden wird für die derzeit wichtigsten Verfahren dargestellt, welche neuen
Erkenntnisse auf der Göttinger Konferenz präsentiert wurden.
Hitzebehandlung
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Abb.3: Waldemar Homann vom SHR Timber Research Institut in Wageningen
(Niederlande) machte darauf aufmerksam, dass ein Qualitätskontrollsystem
für modifiziertes Holz geschaffen werden müsse, damit es nicht zu
Enttäuschungen bei den Verbrauchern komme, die sich dann sehr schädlich
für die weitere Entwicklung der Märkte auswirken könnten.
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"Thermoholz" wird bereits seit einigen Jahren von etlichen Herstellern angeboten.
Das Holz wird auf Temperaturen von 150 bis 240 Grad C erhitzt, je nach Verfahren in einer
Heißluft-/Wasserdampfatmosphäre, in einer sauerstofffreien Stickstoffumgebung
oder in einem Ölbad.
Wolfram Scheiding vom Institut für Holztechnologie Dresden
stellte fest, dass die Dauerhaftigkeit speziell der Buche gegen Braun- und
Weißfäulepilze durch die thermische Behandlung von Klasse 5 ("nicht dauerhaft")
auf Klasse 1 ("sehr dauerhaft") angehoben werden kann. Bei der Fichte führte nur
eines der untersuchten Verfahren zu einer solch hohen Dauerhaftigkeit, während bei
der Kiefer nicht mehr als eine Dauerhaftigkeitsklasse 3 ("mäßig dauerhaft")
erreicht wurde. Gegen Bläuepilze schützt die thermische Modifizierung nicht.
Ein bekannter Nachteil der thermischen Holzmodifizierung ist die Reduzierung der
Festigkeitswerte um 10 bis 30%, bei der Bruchschlagarbeit sogar um 30 bis 60%. Das
schließt eine Verwendung von Thermoholz aus, wenn entsprechende Belastungen, z.B.
auf Spielplätzen, zu erwarten sind. Die Festigkeitsverluste können aber durch
Kombination der thermischen Behandlung mit einer Verdichtung des Holzes im Wesentlichen
kompensiert werden, wie Studien in Hamburg und Dresden zeigten.
Neuseeländische Forscher wiesen auf die Tatsache hin, dass durch die thermische
Behandlung Probleme mit Harzansammlungen an Ästen und im Kern von Pinus radiata
beseitigt werden können. In Portugal eröffnet sie die Möglichkeit,
ältere Stämme von
Eucalyptus globulus
, die durch ihren hohen
Extraktstoffgehalt für die Zellstoffproduktion nicht mehr geeignet sind, einer
höherwertigen Verwendung (als der Brennholznutzung) zuzuführen. Generell wurde
an diesem Beispiel deutlich, dass die thermische Modifizierung für schwer
tränkbare Holzarten die einzige Möglichkeit ist, die Dauerhaftigkeit zu
erhöhen. Denn die chemischen Modifizierungsverfahren erfordern ebenso wie die
klassische Tränkung mit Holzschutzmitteln, dass die Wirkstoffe gut in das Holz
eindringen können.
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Anmerkung von Holzfragen.de: Thermisch modifizierte Hölzarten sind als eine
eigenständige Holzartgruppe zu betrachten. Die Bezeichnung ist TMT=Thermally
Modified Timber (Thermoholz). Diese Thermoholzarten sind in Deutschalnd bis dato
ausnahmslos kein geregeltes Bauprodukt. Der verbau als tragende oder aussteifende
Holzbauteile ist bestimmungsgemäß unzulässig. Weiter Informationen zum
TMT finden Sie beim IHD: -->
http://www.tmt.ihd-dresden.de/
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Sehr praxisnahe Untersuchungen am Schwedischen Test- und Forschungsinstitut
ergaben, dass stählerne Verbindungsmittel in Thermoholz offenbar stärker
korrodieren als in unbehandeltem Holz. Nur bei rostfreiem Edelstahl gab es keinerlei
Schäden, wie Jöran Jermer berichtete. Es wird vermutet, dass die erhöhte
Korrosion durch die Bildung und den Verbleib von Essig- und Ameisensäure bei
(zumindest manchen) thermischen Behandlungen zurück zu führen ist.
Acetylierung
Besonders intensiv wird die Behandlung des Holzes mit Essigsäureanhydriden
bereits seit Jahrzehnten untersucht. Callum Hill von der University of Wales in Bangor
berichtete von Versuchen mit korsischer Kiefer, Buche und Gummibaumholz, die zeigten,
dass die pilzwidrige Wirkung dieser Behandlung offenbar sehr von der unterschiedlichen
morphologischen und chemischen Zusammensetzung der einzelnen Holzarten abhängt.
Zudem wurde in den Niederlanden an
Pinus radiata
festgestellt, dass die Varianz
der Festigkeitswerte bei acetyliertem Holz größer ist, als bei unbehandeltem.
Das müsse bei statischen Berechnungen berücksichtigt werden, obwohl die
Festigkeitswerte bei diesem Modifizierungsverfahren sonst kaum reduziert würden, wie
André Jorissen vom Holzforschungsinstitut SHR in Wageningen betonte. Vorteilhaft ist
eine um 10 % vergrößerte Härte des Holzes und eine höhere
UV-Stabilität.
Trotz noch vorhandener Unklarheiten über den genauen Wirkungsmechanismus und des
aufwändigen Herstellungsprozesses wird im Jahr 2006 in den Niederlanden eine
industrielle Produktionsanlage in Betrieb gehen. Sie soll acetyliertes Holz herstellen,
das unter dem Kunstnamen Accoya speziell für Fenster und Türen,
Außenverkleidungen und Terrassenböden angeboten wird. Acetyliertes Pappelholz
wurde auch bereits erfolgreich im Wasserbau eingesetzt, und man plant bereits
Holzbrücken mit mehr als 20 m Spannweite aus Leimbindern zu erstellen, deren
Lamellen entsprechend modifiziert wurden.
Holzvernetzung
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Auch eine zweite Art der chemischen Holzmodifizierung drängt jetzt auf den
Markt: Die Imprägnierung mit Textilchemikalien ("Holzvernetzung") ist vor allem am
Institut der Kongressorganisatoren in Göttingen entwickelt worden und wurde
jüngst von den industriellen Projektpartnern der Öffentlichkeit vorgestellt
(vgl. HZ Nr. 78 vom 14. Oktober). Als Vertreter der Göttinger Forschergruppe
erläuterte Falko Wepner die besonders wirksame und günstige Anwendung des
Verfahrens auf Furniere. Die Behandlung mit dem Holzvernetzer erfolgt zwischen der
Furniererzeugung und dem Trockner. Bei der Herstellung von Sperrholz kann die
Polykondensation der eingesetzten
DMDHEU(1,3-Dimethylol-4,5-Dihydroxyethylenurea)-Monomere in der Verleimpresse erfolgen.
Die Einbindung des Stoffes in die Zellwände bewirkt eine dauerhafte Quellung
derselben, durch die zusätzlich Aufnahme von Wasser bei Befeuchtung deutlich
reduziert und die Härte des Holzes erheblich gesteigert wird. Einem Hersteller von
Buchenformsperrholz eröffnet das Verfahren bereits ausgezeichnete neue
Einsatzmöglichkeiten für seine Produkte im Außenbereich. Die Haltbarkeit
von Anstrichen konnte durch die Reduzierung von Quellung und Schwindung wesentlich
verlängert werden. Auch die Erhöhung der Härte und des Fehlen jeglicher
Verfärbung macht die Holzvernetzung zu einem sehr attraktiven Verfahren. Stefan
Schaffert von der BASF AG, die die Technologie unter dem Markennamen
Belmadur
®
vermarktet, wies darauf hin, dass Trocknung als
zweiter Behandlungsschritt nach der Druckimprägnierung sehr gut geregelt werden
muss, damit keine unzulässigen Formaldehydemissionen entstehen.
Furfurylierung
Wie bei der Holzvernetzung polymerisiert auch bei der Behandlung des Holzes mit
Furfurylalkohol (unter schwach sauren Bedingungen und erhöhter Temperatur) ein
Monomer in der Zellwand. Entsprechend ändern sich auch die Holzeigenschaften recht
ähnlich: Während die meisten Festigkeitswerte steigen oder zumindest
unverändert bleiben, sinkt die Bruchschlagarbeit deutlich, im Falle von
furfuryliertem Kiefernsplintholz um 19-37%, wie Stig Lande von der norwegischen Firma
Wood Polymer Technologies ASA
berichtete. Trotz dieses Mankos und der mit diesem Verfahren verbundenen dunklen
Braunfärbung des Holzes wird es bereits seit zwei Jahren unter den Namen "Visorwood"
und "Kebony" vermarktet. Das furfurylierte Holz hat sich auch als resistent gegen
Termiten und Bohrmuscheln erwiesen.
Fazit
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Abb.7: Am Ende der Tagung zog Prof.
Dr.
Holger Militz
eine sehr positive Bilanz der Konferenz
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Insgesamt wurde auf der Göttinger Konferenz deutlich, dass noch viele Fragen
offen sind, was die Optimierung und die Wirkungsmechanismen der einzelnen Verfahren
betrifft und dass auch die Methoden zur Kontrolle der Wirksamkeit und Qualität noch
weiter entwickelt werden müssen. Trotzdem ist jetzt offenbar der Zeitpunkt gekommen,
an dem neben der thermischen Modifizierung auch andere Verfahren industriell eingesetzt
werden. Die Holzwirtschaft und ihre Kunden sollten daher die neuen Möglichkeiten,
die die "neu geschaffenen" Holzarten ihnen bieten, konsequent ausloten und nutzen.
Der Tagungsband mit der Textfassung aller 60 Vorträge und Poster der Konferenz
kann beim Institut für Holzbiologie und Holztechnologie der Universität
Göttingen bezogen werden. Weitere Informationen:
www.holz.uni-goettingen.de.
