Forschungsprojekt: Brightwood

Holzoberflächen im Außenbereich sind den Belastungen der Witterung ausgesetzt. Beschichtungen haben die Aufgabe, das Holz vor UV-Licht und Feuchtigkeit zu schützen. Mit deckenden Beschichtungen bzw. ausreichend mit transparentem Eisenoxid pigmentierten Lasuren in Brauntönen kann ein sehr guter UV-Schutz für die Holzoberfläche erreicht werden. Verzichtet man auf gefärbte Pigmente in der Beschichtung, geht deren Funktion für den Lichtschutz des Holzes verloren, was einen negativen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Beschichtungen bei Bewitterung hat.

Bei transparenten Holzbeschichtungen für den Außenbereich haben neue Entwicklungen von Lichtschutzadditiven und entsprechenden Formulierungen (Zubereitungen) in den letzten Jahren eine deutliche Verbesserung der Dauerhaftigkeit gebracht. Die Zielsetzung des Forschungsprojekts Brightwood war es, voll funktionstaugliche transparente Beschichtungssysteme für Holz im Außenbereich zu entwickeln, die sowohl eine erhöhte UV-Schutzwirkung als auch einen optimalen Feuchteschutz neben dem notwendigen chemischen Holzschutz aufweisen. In diesem Forschungsprojekt wurde mit 50 Modellformulierungen und 37 Entwicklungsprodukten die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit des Lichtschutzes sowie die Witterungsbeständigkeit und der Feuchteschutz von transparenten Beschichtungen untersucht.

Ein wirksamer Lichtschutz von Holzoberflächen im Außenbereich kann nur dann erzielt werden, wenn der UV-Anteil des Sonnenlichtes vollständig durch die Beschichtung gefiltert wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, auch kurzwellige Anteile des sichtbaren Lichtes von der Holzoberfläche fernzuhalten. Dafür stehen transparente UV-Absorber und transparente Pigmente zur Verfügung, die mit Radikalfängern (HALS) kombiniert werden. Letztere dienen dazu, Radikale, die durch Lichteinwirkung gebildet werden, unschädlich zu machen.

In transparenten Beschichtungen dürfen UV-Absorber und Pigmente möglichst wenig sichtbares Licht absorbieren, weil sonst eine Eigenfarbe der Beschichtung entsteht, die das Erscheinungsbild des beschichteten Holzes verändert.

Bei geeigneten Beschichtungssystemen für Holz im Außenbereich wird der Wellenlängenbereich des UV-Lichtes vollständig gefiltert. In dem Gebiet des sichtbaren Lichtes ist ein deckender Lack ebenfalls undurchlässig und eine Mittelschichtlasur mit Eisenoxidpigmenten filtert einen Großteil des Lichtes, während transparente Systeme eine hohe Durchlässigkeit (Transmission) aufweisen.

Die Absorption des UV-Lichtes durch eine Beschichtung funktioniert nur dann, wenn diese einen geschlossenen Film auf der Holzoberfläche ausbildet und sie steigt mit steigender Schichtdicke. Für transparente Holzbeschichtungen ist eine Trockenfilmdicke von mindestens 30 µm erforderlich, da erst ab diesem Bereich auf gehobelten Nadelholzoberflächen ein geschlossener Film erzeugt wird und eine ausreichende Absorption des UV-Lichtes erreicht werden kann.

Organische UV-Absorber absorbieren Licht bestimmter Wellenlängen und wandeln es in Wärmeenergie um, die für den Beschichtungsfilm und den Holzuntergrund unschädlich ist. Mit organischen UV-Absorbern ist ein effektiver UV-Schutz bei gleichzeitig hoher Transparenz für sichtbares Licht zu erreichen, weil sie sehr selektiv den UV-Bereich des Sonnenlichtes filtern.

Die Klassen der UV-Absorber unterscheiden sich in den Absorptionskanten (wie deutlich zwischen UV-Licht und sichtbarem Licht getrennt wird), wobei die wirksamsten UV-Absorber für den Lichtschutz von Holzoberflächen auch den kurzwelligen Anteil des sichtbaren Lichtes filtern. Entscheidend ist aber auch die Beständigkeit des UV-Absorbers unter Lichteinwirkung, das heißt seine Stabilität im Beschichtungsfilm. Auch hier unterscheiden sich die verfügbaren Klassen der UV-Absorber wesentlich voneinander.

Pigmente sind die Bestandteile einer Beschichtung, die seit jeher zur Farbgebung und zum Lichtschutz von Holzoberflächen verwendet werden. Sie reflektieren, absorbieren und streuen bestimmte Anteile des einfallenden Lichtes, wodurch es vom Holzuntergrund ferngehalten wird. Mikronisierte Pigmente weisen sehr geringe Partikelgrößen auf, weshalb sie bei sichtbaren Wellenlängen nur wenig mit dem Licht in Wechselwirkung treten, im UV-Bereich allerdings gut absorbieren.

Mikronisiertes Titandioxid (TiO2) und Zinkoxid (ZnO) können daher in transparenten Beschichtungen eingesetzt werden. Hohe Zugabemengen von mikronisierten Pigmenten führen aber zu milchig erscheinenden Beschichtungen, da sie keine so starke Absorptionskante aufweisen wie die organischen UV-Absorber und dadurch höhere Anteile des sichtbaren Lichtes absorbieren.

Radikalfänger (HALS) sind im Beschichtungsfilm zum Schutz des Bindemittels erforderlich. Sie wandeln reaktive Radikale, die durch das kurzwellige UV-Licht gebildet werden, in stabile Verbindungen um und machen sie damit unschädlich für das Polymer. Im Holzuntergrund ergeben Radikalfänger durch das gleiche Wirkungsprinzip eine Stabilisierung des Lignins und verhindern damit Farbveränderungen des Holzes, weshalb sie auch in Grundierungen eingesetzt werden.

In einem wissenschaftlichen Projektteil wurden mit 50 Modellformulierungen mit bekannten wässrigen und lösemittelbasierten Rezepturen (Lasuren) systematische Untersuchungen des Einflusses von Lichtschutzadditiven und Hydrophobierungsmitteln auf die Dauerhaftigkeit der Beschichtungen durchgeführt. Dies erfolgte in Belichtungsversuchen (Xenon-Suntest), künstlichen Bewitterungsversuchen (QUV) und durch Bewitterung im Freiland. Die Formulierungen wurden mit verschiedenen organischen (Benztriazol [BTZ], Tris-Resorcinol-Triazin [TRT]) und anorganischen Lichtschutzmitteln (mikronisiertes TiO2 und ZnO) sowie mit nanoskaligen und konventionellen Hydrophobierungsmitteln (PE-Wachs) zusammengestellt. Bei den wässrigen Versuchsformulierungen und deren Farbänderungen während der Schnellbewitterung, ist eine deutliche Verbesserung der Farbstabilität durch den Einsatz der organischen UV-Absorber ersichtlich geworden. In den Versuchen führte auch die Verwendung einer konventionellen Hydrophobierung mittels PE-Wachs zu einer deutlich verminderten Farbänderung bei wässrigen Lasuren.

Durch den Einsatz von UV-Absorbern wurde die Rissbildung in der Bewitterung verzögert. Kombinationen von organischen und anorganischen Lichtschutzmitteln brachten eine verbesserte Farbstabilisierung, teilweise mit synergistischen Effekten. Durch die Verwendung von HALS in der Deckbeschichtung wird der Abbau der organischen UV-Absorber durch Licht vermindert. Dies konnte anhand von UV-VIS-spektroskopischen Messungen und mittels FT-IR Spektroskopie während der Belichtung festgestellt werden. HALS in einer wässrigen Grundierung führt in Kombination mit einer UV-Absorber- bzw. TiO2-haltigen Deckbeschichtung zu einer verringerten Farbänderung. Die Verwendung einer mit HALS versehenen wässrigen Grundierung als Ligninstabilisator zeigte jedoch generell sehr vielversprechende Resultate.

Es wurden von den Projektpartnern insgesamt 37 Entwicklungsprodukte mit unterschiedlicher Ausrüstung an transparenten Lichtschutzadditiven und Hydrophobierungsmitteln zur Verfügung gestellt. Dabei wurden im Herbst 2006 in einer ersten Charge 18 Beschichtungssysteme und im Herbst 2007 weitere 19 Beschichtungssysteme in die Untersuchungen aufgenommen. Es handelte sich um farblose Beschichtungen deren Trockenfilmdicken von 0 µm (nicht zusammenhängender Film) bis zu etwa 130 µm reichten. Als transparente Lichtschutzmittel wurden organische UV-Absorber, anorganische Pigmente und HALS verwendet. Als hydrophobierende Komponenten fungierten Bindemittel, Wachse sowie „Nanoprodukte“ wie Silane bzw. Siloxane.

Ein System zeigte auch nach zwei Jahren Freilandbewitterung einen sehr guten Zustand, die Oberfläche wies keine Veränderungen auf. Dieses farblose Beschichtungssystem war sehr unempfindlich gegenüber mechanischen Verletzungen, wie z. B. Hagelschlag, und scheint für den langjährigen Einsatz im bewitterten Außenbereich geeignet zu sein. Drei weitere Systeme zeigten sehr gute Verbesserungen im Abwitterungsverhalten gegenüber früheren farblosen Beschichtungssystemen. Aus der zweiten Charge wiesen neun Systeme nach einem Jahr Freilandbewitterung nur geringe Veränderungen auf. Die übrigen Oberflächen witterten entweder sehr schnell ab, dies betraf vor allem nicht filmbildende bzw. dünnschichtige Systeme, oder die Oberflächen verfärbten sich aufgrund von Hagelschlagverletzungen bzw. Rissen in der Oberfläche sehr stark.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes haben gezeigt, dass mit den zur Verfügung stehenden Lichtschutzadditiven vielversprechende farblose Beschichtungssysteme für Holz im Außenbereich formuliert werden konnten. Die früheren Schwächen der farblosen Systeme, wie schnelles Vergilben des Holzuntergrundes, Versprödung des Beschichtungsfilmes, Rissbildung, Haftungsstörungen und Abblätterungen, können mit guten Formulierungen verhindert werden. Entscheidend ist neben der Auswahl des Bindemittels auch die richtige Kombination von Lichtschutzadditiven.

Damit ein farbloser Beschichtungsfilm seine Aufgaben in Hinsicht des Schutzes vor Wasser und Licht erfüllen kann, ist eine ausreichende Schichtdicke (mind. 30 µm) sowie eine ausreichende Ausrüstung mit Lichtschutzadditiven nötig. Nicht filmbildende farblose Systeme können keinen ausreichenden Schutz gegen Verfärbungen des Holzuntergrundes liefern. Insbesondere lieferten reine nanobasierte nicht filmbildende Systeme trotz hoher Kontaktwinkel (Abperleffekt) mit Wasser keine erkennbare Verbesserung des Abwitterungsverhaltens im Vergleich zu unbeschichteten Proben. Es sollten nur Produkte mit geprüfter Witterungsbeständigkeit (2 Jahre Freilandbewitterung gemäß EN 927-3) angewendet werden.

Die Anwendung von transparenten Beschichtungssystemen ist mit den neu entwickelten Produkten unter den oben angeführten Voraussetzungen möglich. Langzeiterfahrungen müssen mit Pilotprojekten erst gesammelt werden und diese leisten einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung der Systeme. Dazu zählt auch die Entwicklung von geeigneten Wartungskonzepten, die bisher noch weitgehend fehlen. Die Witterungsbeständigkeit von farbig pigmentierten Lasuren und deckenden Lacken bleibt von den meisten transparenten Systemen noch unerreicht. ■

Das Forschungsprojekt „Brightwood – Entwicklung von hellen und transparenten Beschichtungssystemen für Holz im Außenbereich mit neuen UV- und Feuchteschutzkonzepten unter Einbeziehung nanotechnologischer Ansätze“ wurde an der Holzforschung Austria im Rahmen des Kompetenzzentrums Holztechnologie mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA), die Firmen Adler-Werk Lackfabrik, Akzo-Nobel Deco GmbH, Avenarius Agro GmbH, Ciba Speciality Chemicals Inc., Isocell VertriebsgmbH, NanoSys GmbH, Remmers Baustofftechnik GmbH, Holz Leeb GmbH, Collano AG, den Fachverband der Holzindustrie Österreichs und die Österreichischen Bundesforste durchgeführt.