Forschungsprojekt - Kombinierte Behandlung von Holz mit Nanopartikeln

Verbesserung der Eigenschaften von einheimischen Holzarten für die Anwendung im Außenbereich durch kombinierte Tränk- und Oberflächenbehandlung mit nanopartikulären Kompositmaterialien


Ausgangssituation

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, der eine neutrale CO2-Bilanz aufweist. Nachdem sich der Marktanteil von Holzfenstern und -fassaden in den siebziger Jahren stark verringert hat, erreicht er derzeit einen neuen Tiefstand. Es wurde auf den Einsatz resistenter und dauerhafter tropischer Hölzer verzichtet, ohne die Konstruktionen der Fenster und ihre Beschichtungen darauf hin abzuändern. Die verwendeten einheimischen Holzarten weisen jedoch geringere Resistenz- und Dauerhaftigkeitsklassen mit erhöhtem Splintholzanteil auf als die vorher verwendeten tropischen Holzarten. Weiterhin wurden die früher üblichen lösemittelhaltigen Lacke durch wasserverdünnbare Beschichtungssysteme ersetzt, wobei auf die biozidhaltige Imprägnierung als Grundlage für die anschließende Anstrichbehandlung verzichtet wurde.

Der Zielkonflikt bei den nach derzeitigem Stand der Technik eingesetzten Dickschichtlasuren besteht einerseits in der erforderlichen Wasserdampfdurchlässigkeit und andererseits in der notwendigen Mindestschichtdicke und Elastizität des Beschichtungsfilms. An Rissen im Beschichtungsfilm dringt Wasser in das Holz ein. Dieses kann aufgrund der geringen Wasserdampfpermeabilität der Dickschicht nicht ausreichend schnell nach außen abtransportiert werden. Es reichert sich unter dem Beschichtungsfilm an und durchfeuchtet das Holz. So entstehen die erforderlichen Lebensbedingungen für holzzerstörende Pilze.

Zielsetzung

Ziel des Forschungsprojekts war es, die natürlichen Eigenschaften von Holz für den Einsatz in maßhaltigen Außenbauteilen wie Fenster und Türen anzupassen bzw. zu verbessern. Dazu wurden durch nanopartikuläre Kompositmaterialien modifizierte einheimische Holzarten und die damit verbundenen Eigenschaftsveränderungen und Auswirkungen auf den Produktionsprozess untersucht. Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsbereiche wurde dabei ein zweistufiger Ansatz aus einer kombinierten Tränk- und Oberflächenbehandlung verfolgt.

Vorgehensweise

Der Fokus der Arbeitspunkte des ift Rosenheim lag auf Untersuchungen zur Klebbarkeit (Verleimbarkeit), zur Wasserdampfdurchlässigkeit sowie zur Wasseraufnahmefähigkeit von nanopartikulär modifizierten Hölzern. Daneben wurden die Auswirkungen der Modifizierung auf die Ausgleichsfeuchte sowie auf die Rohdichte untersucht. Dazu wurden zunächst Anforderungen festgelegt, die für eine Eignung der nanopartikulär modifizierten Holzarten im Bereich von Fenster und Außentüren maßgeblich sind. Durch praxisnahe Untersuchungen wurden verschiedene Kombinationen unterschiedlicher Modifizierungen und Klebstoffe untersucht.

Ergebnisse

Eine Klebung von nanopartikulär modifizierten Holzarten erscheint demnach unter gewissen Voraussetzungen als möglich. Enormen Einfluss haben dabei der verwendete Klebstoff sowie einige weitere Parameter. Die Wasserdampfdurchlässigkeit sowie die Wasseraufnahmefähigkeit werden durch die untersuchten Verfahren vermindert, was den hydrophoben Charakter der Modifizierung widerspiegelt. Auswirkungen auf die Ausgleichsfeuchte sowie auf die Rohdichte waren beim Vergleich der nanopartikulären Modifizierungen mit unbehandelter Kiefer nur in sehr geringem Maß feststellbar und können vernachlässigt werden.

Da in den nanopartikulären Tränklösungen teilweise mineralische Bestandteile vorhanden sind und von diesen Auswirkungen auf die Standzeiten von herkömmlichen Holzbearbeitungsmaschinen zu erwarten waren, wurden ebenfalls Versuche zur Bearbeitbarkeit durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten einen Einfluss auf die Standzeiten von Fräswerkzeugen, die in der Praxis Auswirkungen auf den Fertigungsprozess zur Folge haben können. Als Demonstrationsobjekte wurden im Rahmen der Forschungsarbeit zwei funktionsfähige Musterfenster angefertigt. Dazu wurden nanopartikulär modifizierte Lamellen zu Fensterkanteln verklebt. Zur Herstellung der Musterfenster wurde eine Fensterkonstruktion mit Einzelteilfertigung und mechanischem Rahmeneckverbinder ausgewählt. Als Oberflächenbeschichtung kam sowohl eine nanopartikuläre als auch eine herkömmliche Oberflächenbeschichtung zum Einsatz.

Aus den Erkenntnissen der Projektarbeit wurden darüber hinaus Rückschlüsse auf die Entwicklung von Prüfprogrammen und Teststandards von modifizierten Hölzern im Allgemeinen gezogen. Das Forschungsvorhaben fand dabei direkte Umsetzung in die aktuelle Entwicklung von Richtlinien und Normen zur Thematik Holzmodifizierung. Die Erkenntnisse der Forschungsarbeit zeigen, dass eine Verwendung von nanopartikulär modifiziertem Holz im Fensterbau grundsätzlich möglich ist. Für eine umfassende Bewertung ist – neben den Untersuchungsschwerpunkten, die in diesem Teilbericht zusammengefasst sind – die Überprüfung weiterer Leistungseigenschaften erforderlich. Viele dieser Eigenschaften wurden innerhalb der Arbeitspakete der anderen Forschungsstellen untersucht und liefern weitere Informationen für den Einsatz der Technik im Fensterbau.

Projektinformationen


Projektleiter:
M.Eng. Dipl.-Ing (FH) Torsten Voigt

Projektmitarbeiter:
Dipl.-Ing. (FH) Benno Bliemetsrieder

Projektlaufzeit:
08/2006 bis 11/2008

Förderstellen

Forschungspartner

Projektpartner