Aktueller Stand bei der Holzmodifizierung

Aufgepeppter Naturstoff

Der natürliche Werkstoff ist gefragt – es gibt dennoch bekannte negative Eigenschaften des Holzes, so dass oft ein „Aber“ folgt: Unser Werkstoff quillt und schwindet, kann regelrecht verschimmeln oder auch durch Sonnenstrahlen geschädigt werden. Wissenschaft und Holzwirtschaft sind bemüht, durch moderne Verfahren dieses „Aber“ immer bedeutungsloser werden zu lassen.

Leider hat Holz neben all seinen Vorteilen auch unerwünschte Eigenschaften, die die Einsatzmöglichkeiten begrenzen und in einigen Anwendungsbereichen wie auch im Fensterbau zur Bevorzugung anderer Materialien geführt hat. Die Nutzung tropischer Holzarten sowie der Einsatz von Holzschutzmitteln ist aufgrund ökologischer und gesundheitlicher Aspekte in den letzten Jahren kritisch in der Öffentlichkeit diskutiert worden. Dadurch geriet die Holzindustrie zunehmend unter Druck. Wissenschaft und Holzwirtschaft sind daher bemüht, innovative, umweltfreundliche Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften des Holzes zu entwickeln.

In den letzten Jahrzehnten stieg das Interesse an Holzmodifizierungs-Verfahren, die die chemische Struktur der Zellwandsubstanzen verändern. In erster Linie zielt man auf die Erhöhung der Dimensionsstabilität und der Resistenz gegenüber holzabbauenden Pilzen. Daneben strebt man eine geringere Feuchteaufnahme und eine erhöhte Lichtstabilität des Holzes an. Einige Verfahren sind in den letzten Jahren zur Praxisreife entwickelt worden, andere befinden sich noch im Pilotstadium. Die Entwicklung der letzten Zeit zeigt eine dramatische Verknappung bestimmter im Fensterbau eingesetzter tropischer Holzsortimente, die mit einem starken Preisanstieg einhergehen. Die Modifizierung von einheimischen Hölzern stellt eine Alternative zur Abhängigkeit der Industrie vom Import der knappen Ressourcen dar.
Holzmodifizierung wird definiert durch: Dauerhafte und biozidfreie Veränderung des Holzes durch chemische, thermische oder mechanische Prozesse.
Holzmodifizierungsverfahren
Im Folgenden werden die wichtigsten Modifizierungsverfahren kurz vorgestellt und beschrieben.
Hitzebehandlung (TMT): Von allen Modifizierungsverfahren sind die Hitzebehandlungsverfahren (thermal modified timber, TMT) am Weitesten entwickelt. Es werden zurzeit ca. 40 000 m³ Holz mit verschiedenen Verfahren behandelt. Diese machen sich das Prinzip zunutze, dass sich die Zellwandbestandteile bei hohen Temperaturen (über 150 °C) chemisch verändern und dadurch Eigenschaften wie Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilität verbessert werden. Durch chemische Umwandlungsprozesse und Ausgasung oder Auswaschung weist TMT eine geringere Dichte als unbehandeltes Holz auf. Mechanische Eigenschaften werden negativ beeinflusst. Bei allen Verfahren wird die Biegefestigkeit, Elastizität und vor allem die Bruchschlagarbeit reduziert.
Acetylierung: Durch die Reaktion von Holz mit Essigsäureanhydrid wird ein Teil der Hydroxylgruppen der Zellwand durch Acetylgruppen ersetzt. Während der Reaktion entsteht Essigsäure als Nebenprodukt, die wiederum in Essigsäureanhydrid überführt werden kann.
Durch die Acetylierung verbessert sich die Dauerhaftigkeit des behandelten Holzes gegenüber dem Abbau durch Pilze. Abhängig vom Acetylierungsgrad ist es möglich, die Dauerhaftigkeit zu steigern, so dass die Dauerhaftigkeitsklasse 1 erreicht wird. Die Behandlung führt nicht zu einem Schutz des Holzes gegenüber Bläue- und Schimmelbefall. Bedingt durch die reduzierte Ausgleichsholzfeuchtigkeit wird das Quellen und Schwinden bei hohen Acetylierungsgraden um bis zu 80 Prozent verringert. Die Härte des Holzes wird bis zu ca. 30 Prozent erhöht. Die UV-Stabilität wird verbessert und dadurch die Verwitterung der Oberflächen bei Außenanwendung vermindert. Das Bewitterungsverhalten wurde insbesondere bei Versuchen mit lackiertem, acetyliertem Holz verbessert. Bei optimaler Prozessführung beeinflusst die Acetylierung weder die Festigkeitseigenschaften noch die Optik und Haptik des Holzes. Acetyliertes Holz ist seit März auf dem europäischen Markt verfügbar.
Polymerisierbare Chemikalien:
Der Einsatz von Mono- und Polymeren und natürlichen Harzen zur Holzmodifizierung wird seit einigen Jahren praktiziert. Das Ziel dieser Behandlungen richtete sich meist auf die Verbesserung von Festigkeitseigenschaften, wie z. B. der Oberflächenhärte. Neuere Entwicklungen zielen auch auf die Erhöhung der Dauerhaftigkeit und der Dimensionsstabilität. Diese Polymere lassen sich unterteilen in solche, die mit Zellwandbestandteilen chemisch reagieren, oder solche, die ausschließlich in die Zelllumina eingelagert werden.
Holzvernetzung: Für dieses Verfahren werden verschiedene Polymere eingesetzt, die ihren Ursprung in der Textilindustrie haben. Ein Beispiel dafür ist Dimethyloldihydroxyethyleneurea (DMDHEU). Dieses Polymer ist in der Lage in die Holzzellwände einzudringen, dort zu polykondensieren und eine Quervernetzung zu verursachen. Die Zellwände werden dadurch in einem permanent gequollenen Zustand fixiert und, dass das Holz nicht mehr bis zur ursprünglichen Größe quellen kann. Durch diese Behandlung wird die Dimensionsstabilität (Reduzierung des Quellen/Schwindens bis zu 70 %) und die Dauerhaftigkeit (Verbesserungen bis zur Dauerhaftigkeitsklasse 1) verbessert. Ebenfalls wird die Oberflächenhärte des Holzes stark erhöht. Dieses Behandlungsverfahren wird zurzeit unter dem Markennamen Belmadur von der BASF AG weiterentwickelt und vermarktet. Geringe Mengen sind derzeit aus verschiedenen Pilotanlagen verfügbar.
Melaminharze: Eine Verbesserung der Dauerhaftigkeit bis zur Dauerhaftigkeitsklasse 2 und eine Erhöhung der Dimensionsstabilität mit Quell/Schwindverbesserungen bis zu 30 Prozent wird erreicht. Die Eigenschaften sind im Wesentlichen vom verwendeten Harz und dem Prozess abhängig. Eine geringe Erhöhung des E-Moduls konnte in Forschungsergebnissen bereits nachgewiesen werden.
Furfurylalkohol: Dies ist eine nachhaltig verfügbare Chemikalie, die aus hydrolysierter Biomasse produziert wird. Die Eigenschaften von furfuryliertem Holz sind von der Beladung mit veredeltem / polykondensiertem Furfurylalkohol (PFA) abhängig. Bei hohen Beladungsgraden werden Holzeigenschaften wie Härte, Dauerhaftigkeit, Beständigkeit gegen Chemikalien, mechanische Eigenschaften und Dimensionsstabilität verbessert. Zwei Prozesse, die sich durch die Höhe der Beladung unterscheiden, wurden von der Firma Wood Polymer Technology (WPT, Norwegen) entwickelt: Die Behandlung von Laubholz mit einer hohen Beladung (Kebony) führt zu einer schwarzen Färbung des Holzes und einer starken Veränderung der ursprünglichen Holzeigenschaften. Eine geringere Beladung von Nadelholz (VisorWood) verursacht eine Braunfärbung und eine geringere Veränderung der ursprünglichen Holzeigenschaften.
Eigenschaften modifizierter Hölzer für den Fensterbau
Die Möglichkeit modifiziertes Holz für den Fensterbau einzusetzen, wurde in einem Gemeinschaftsprojekt verschiedener Industriepartner und Forschungsinstitute untersucht. Das Projekt „DISTA“ (Dimensionsstabilisiertes Holz für den Fenster- und Fassadenbau) wurde durch das Ingenieurbüro Schmid und Partner (ISP Rosenheim) koordiniert und durch die Gesellschaft für Holzforschung betreut.
Im Folgenden werden einige Beispiele für Materialeigenschaften vorgestellt, die unter anderem in diesem Projekt untersucht wurden. Es handelte sich um praxisrelevante Abmessungen der Probekörper aus industriellen Prozessen oder industrienahen Pilotanlagen (im Gegensatz zu den in der Literatur oftmals verwendeten Laborproben). Weitere Projekte werden zurzeit bearbeitet, um modifiziertes Holz für den Fensterbau zugänglich zu machen. Beispiele dafür sind:
  • ein Projekt des Instituts für Holzbiologie und Holztechnologie, Uni Göttingen (IfHH) in Zusammenarbeit mit der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) und einem Fensterbaubetrieb.
  • ein Projekt des Instituts für Holztechnologie Dresden (IDH) in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern, das die Eignung von thermisch modifiziertem Holz für den Fensterbau untersucht.
Im Folgenden werden einige Eigenschaften von modifiziertem Holz im Vergleich zueinander vorgestellt, wie sie im DISTA-Projekt untersucht wurden:
Dimensionsstabilität: Diese Eigenschaft des Holzes ist für Fenster von herausragender Bedeutung. Das Quellen und Schwinden verursacht häufig die ersten Beschichtungsschäden, durch die Wasser in die Konstruktion eindringt, zu Funktionsstörungen führt oder sogar für den Befall des Holzes durch Holz abbauende Pilze verantwortlich ist. Die Quell- und Schwindeigenschaft ist abhängig von der Holzfeuchtigkeit, Holzart, Faserrichtung und Behandlung. So ist z. B. Buche für sehr starkes Quellen und Schwinden bekannt und sie wird deshalb nicht für den Fensterbau eingesetzt. Dagegen „arbeiten“ verschiedene tropische Holzarten so wenig, dass sie eine sehr gute Eignung aufweisen.
Holz, welches mit Verfahren der Holzmodifizierung zur Reduzierung des Quellens und Schwindens behandelt wurde, eignet sich besser für Anwendungen im Fensterbau als das unbehandelte Holz der gleichen Holzart. Beispielsweise würde Buche bei einer Verbesserung der Dimensionsstabilität um ca. 30 Prozent das Niveau von Dark Red Meranti erreichen. Eine Verbesserung der Kiefer um 30 Prozent oder der Buche um 60 Prozent führt zu einem Quell-/Schwindverhalten, das mit Hölzern wie Teak zu vergleichen ist.
Verschiedene Modifizierungsverfahren sind in der Lage, Verbesserungen bezüglich der Dimensionsstabilität in dem oben genannten Maß zu erreichen. Die Verbesserung der Dimensionsstabilität wird üblicherweise als Anti Shrink/Swell Efficiency (ASE) angegeben. Die ASE zeigt die Verbesserung der Dimensionsstabilität zwischen 0 (keine Verbesserung) und 100 Prozent (Holz quillt und schwindet nicht mehr). Das modifizierte Holz, welches im DISTA-Projekt untersucht wurde, erreicht eine ASE bis zu ca. 50 Prozent. Die ASE der im Projekt untersuchten Verfahren zeigt, dass Hitzebehandlung, Acetylierung und Holzvernetzung eine Verbesserung von mehr als 30 Prozent erreichen und somit eine wesentliche Verbesserung der unbehandelten Hölzer bei Verwendung im Fensterbau erwarten lassen.
Dauerhaftigkeit: Eine weitere wichtige Eigenschaft für Fensterbauholz ist die Dauerhaftigkeit gegenüber holzzerstörenden Pilzen. Diese Eigenschaft erhält besondere Bedeutung, wenn ein Schaden am Fenster entstanden ist, in dessen Folge erhöhte Holzfeuchtigkeit und Pilzbefall auftreten können. Je höher die Dauerhaftigkeit ist, desto mehr Zeit steht zur Verfügung, um das Fenster wieder instand zu setzen, bevor irreparable Materialschäden durch Pilzbefall eintreten.
Die auf Seite XX gezeigte tabellarische Einschätzung der Dauerhaftigkeitsklassen nach EN 335-1, basiert auf verschiedenen Untersuchungen. Durch alle Holzmodifizierungsverfahren wird die Dauerhaftigkeit von minderwertigen einheimischen Hölzern so stark erhöht, dass eine für den Fensterbau ausreichende Resistenz gegenüber holzzerstörenden Pilzen zu erwarten ist. An die Dauerhaftigkeit von Holz, welches mit bioziden Holzschutzmitteln behandelt wurde, werden höhere Anforderungen gestellt, die nicht von allen Modifizierungsverfahren erreicht werden können.
Hydrophobierung: Einige Modifizierungsverfahren führen zu einer Hydrophobierung des Holzes. Durch die verringerte Menge und Geschwindigkeit der Wasseraufnahme wird das Quellen und Schwinden des Holzes behindert und unterdrückt, so dass die Gefahr von Rissbildung reduziert wird. Die mittlere Holzfeuchtigkeit innerhalb der Gebrauchsdauer wird gesenkt, so dass die Holzfeuchtigkeit nicht die für Pilzwachstum kritische Größe erreicht.
Hitzebehandeltes Holz und mit Wachs imprägniertes Holz reduzieren die Wasseraufnahmegeschwindigkeit besonders stark. Unterschieden wird bei der Hydrophobierung, die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme (Wasseraufnahmekoeffizient) und die Wasseraufnahmemenge. Viele Modifizierungsverfahren wirken in einer Kombination beider Effekte.
Festigkeitseigenschaften: Im Vergleich zu unbehandeltem Holz sind die mechanischen Eigenschaften von modifiziertem Holz in vielen Fällen verändert. Modifiziertes Holz schafft die Möglichkeit und z. T. auch Notwendigkeit, neues Design in der Fensterkonstruktion zu entwickeln. Die mechanischen Eigenschaften von natürlichem Holz zeigen eine hohe Variabilität. Natürliche anatomische Schwachstellen im Holz werden durch die Modifizierung nicht reduziert, sondern eher verstärkt. Es wird im Folgenden eine Einschätzung gegeben, in welche Richtung sich mechanische Eigenschaften durch die Modifizierungsverfahren verändern können.
Lichtstabilität: Natürliches Holz wird durch Witterungseinflüsse abgebaut. Lignin wird durch UV-Licht depolymerisiert und anschließend durch Wasser ausgewaschen. Um diesen Prozess zu verhindern bzw. zu reduzieren gibt es zwei grundsätzliche Ansatzpunkte:
  • Verhindern oder reduzieren des Ligninabbaus
  • Verhindern oder reduzieren der Auswaschung des abgebauten Lignins.
TMT (Thermoholz) weist keine höhere Lichtstabilität als unbehandeltes Holz auf. Die braune Färbung vergraut ähnlich dem unbehandelten Holz. Die anderen Modifizierungsverfahren sorgen durch eine Reduzierung der Auswaschung für eine verbesserte Lichtstabilität. Die Bewitterungsstabilität nach Beschichtung wurde bei allen im DISTA-Projekt untersuchten modifizierten Hölzern verbessert.
Verarbeitung: Wie die mechanischen Eigenschaften wird auch die Verarbeitbarkeit von modifiziertem Holz unter Umständen negativ verändert. Wichtige Parameter wie die Verklebbarkeit, Bearbeitbarkeit und Beschichtbarkeit müssen gewährleistet sein. Die Untersuchung im DISTA-Projekt zeigte beispielsweise an vier verschiedenen Klebstoffsystemen, dass es möglich ist modifiziertes Holz ausreichend gut zu verkleben. Die besten Ergebnisse wurden dabei mit einem 1-Komponenten Polyurethanklebstoff erreicht. Ein herkömmlicher PVAc-Klebstoff (D4) führte im Gegensatz dazu oft zu nicht akzeptablen Verklebungen.
Vorausschau
Obwohl die meisten Verfahren erst einmal teurer sind als herkömmliche Holzschutzverfahren, wird modifiziertes Holz in den nächsten Jahren in zunehmendem Maße auf dem Markt angeboten werden. Für die Standdauer ganzer Bauteile wird vor allem eine verbesserte Dimensionsstabilität des Holzes, die geringere Verformung und die verbesserte Lichtstabilität von großer Wichtigkeit sein. Verbraucher, Industrie und Forschung müssen sich der Herausforderung der neuen Technologie und des andersartigen Materials stellen. Unkenntnisse der Materialeigenschaften können hierbei zu Fehleinschätzungen der Materialqualität führen.
In Deutschland werden verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt, um modifiziertes Holz für Holzfenster zugänglich zu machen. So arbeitet z. B. der Verband für Fenster und Fassaden (VFF) an einem Merkblatt zur Verwendung von modifiziertem Holz innerhalb des RAL-Gütesiegels. ■
Ein ausführliches Literaturverzeichnis finden sie im BM-Club (www.bm-online.de) unter der Rubrik „Downloads“

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