Möglichkeiten "neu geschaffener" Holzarten, Holzmodifizierung, modifiziertes Holz

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.

Abb. 1 Typische Einsatzgebiete für modifiziertes Holz im Gartenbereich. Quelle: BASF AG

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.

	Wirkprinzipien
		Füllung der Lumen
		Füllung der Zellwand
		Reaktion mit Hydroxylgruppen
		Vernetzen von Hydroylgruppen
		Zellwandstruktur ändern
Abb. 2: Quelle: Andreas Krause, Institute Wood Biology and Wood Technology, Universität Göttingen

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

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.

"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.

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/

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

Abb. 4: Auch in den Pausen kam es zu engagierten fachlichen Diskussionen, wie hier zwischen den beiden Holzmodifizierungsexperten Dr. Joris van Acker (links; Universität Gent/Belgien) und Prof. Dr. Callum Hill (Universität Bangor / Wales)

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

Abb.5: Stefan Schaffert

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

Abb.6: Der Präsident der Deutschen Gesellschaft für Holzforschung, Karl Moser, im Gespräch mit Falko Wepner

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

Abb.7: Am Ende der Tagung zog Prof. Dr. Holger Militz eine sehr positive Bilanz der Konferenz

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.