Bindemittel und Beschichtungen

Forschungsprojekt

FlammLig – Holzwerkstoffe mit integriertem Flammschutz dank eines Ligninklebstoffs    

Nachwachsende Baustoffe machen Gebäude nachhaltiger. Damit Holzwerkstoffe auch in Hochhäusern und öffentlichen Gebäuden stärker zum Einsatz kommen können, benötigen sie eine flammhemmende Ausrüstung. Im Ernstfall trägt sie dazu bei, die Ausbreitung von Bränden zu verhindern. Die Integration von herkömmlichen Flammschutzmitteln bringt jedoch technische Nachteile mit sich. Der pflanzliche Rohstoff Lignin könnte dieses Problem lösen. In diesem Projekt entwickeln wir einen Bio-Klebstoff  auf Basis von Lignin, der zugleich als Flammschutzmittel dient. Mit ihm lassen sich flammgeschützte Holzwerkstoffe ohne technische Nachteile herstellen. Außerdem eröffnen wir damit eine ökologisch und wirtschaftlich interessante Nutzungsmöglichkeit für Lignin.

Ein ca. 20 x 20 cm großes Stück Holzwerkstoffplatte, aus dem sich mittig ein kreisförmiges, schaumartiges Gebilde erhebt, das stark schwarz verkohlt ist.
© Fraunhofer WKI I Torsten Kolb
Der Flammschutz wird durch Aufblähen und Verkohlen des Ligninflammschutzmittel, den sogenannten »Intumeszenzmechanismus«, gewährleistet; hier beispielhaft zu sehen an einem Brandversuch aus einem früheren Projekt.

Der Flammschutz von Holzwerkstoffen wie OSB, Span- oder Faserplatten kann auf verschiedene Weise erreicht werden: entweder oberflächlich, durch eine Beschichtung der Holzwerkstoffe, oder durch Masseschutz, also Integration von Flammschutzmitteln in die Holzwerkstoffe. Ein oberflächlicher Schutz muss nachträglich aufgebracht werden und führt zu optischen Veränderungen. Daher ist der Masseschutz für Hersteller und Verarbeiter attraktiv.

Für den Flammschutz in der Masse von Holzwerkstoffen werden häufig anorganische Stoffe wie Ammoniumpolyphosphat, Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid eingesetzt. Bei diesen Flammschutzmitteln ist eine gute Umweltverträglichkeit gegeben und sie sind relativ preiswert. Um einen ausreichenden Flammschutz zu erreichen sind jedoch hohe Einsatzmengen erforderlich, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen in der Regel verschlechtern.

Der pflanzliche Rohstoff Lignin könnte dieses Problem lösen, da er von Natur aus vorteilhafte Eigenschaften mitbringt und in großen Mengen verfügbar ist. Lignin ist einer der drei Hauptinhaltstoffe von Holz und ein bislang ungenutztes Nebenprodukt aus der Papierherstellung. Es ist bekannt, dass Lignin, sowohl als biobasiertes Flammschutzmittel als auch in modifizierter Form als Klebstoff eingesetzt werden kann. Seine Flammschutzwirkung wurde jedoch bisher nur in Kunststoffen untersucht, nicht in Holzwerkstoffen.

Die flammschützenden Eigenschaften von Lignin sind darauf zurückzuführen, dass es bei hoher Hitzeeinwirkung verkohlt. In Kombination mit Phosphor und einem Gasbildner, etwa ein Stickstoff enthaltendes Molekül, kann es daher ein Intumeszenzsystem bilden. Intumeszenzsysteme blähen sich im Brandfall auf und isolieren das Holz, wodurch der Brand wesentlich verlangsamt wird oder zum Erliegen kommt. Wir untersuchen in unserem Projekt daher zunächst Kombinationen aus Lignin, Phosphor und Gasbildnern und testen diese auf ihre flammhemmende Wirkung.

Daraufhin modifizieren wir das Lignin, sodass es als Klebstoff für die Herstellung von Holzwerkstoffen eingesetzt werden kann. Vorteil: Der ohnehin notwendige Klebstoff, der die Fasern bzw. Späne miteinander verbindet, verleiht dem Holzwerkstoff bereits die gewünschte flammhemmende Wirkung. Es muss kein Flammschutzmittel zusätzlich beigefügt werden. Der Holzwerkstoff behält somit seinen hohen Anteil an Fasern bzw. Spänen. Ein Flammschutz auf Basis von Lignin kann also integriert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften der Holzwerkstoffe zu beeinträchtigen.

Gleichzeitig schaffen wir eine Möglichkeit für die hochwertige Nutzung von Lignin, das bisher zur Energiegewinnung in Zellstoffwerken verbrannt wird.

Mit diesem Projekt tragen wir dazu bei, dass biobasierte Baustoffe stärker zum Einsatz kommen und dass pflanzliche Rohstoffe wie Holz effizienter genutzt werden können. Damit unterstützen wir den Aufbau einer biobasierten Kreislaufwirtschaft (Bioökonomie).

Förderung

Offizieller Projekttitel: Machbarkeitsstudie zu flammgeschützten Holzwerkstoffen durch Nutzung von phosphoryliertem Lignin

Fördermittelgeber: Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

Förderkennzeichen: 2220HV032X

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

Laufzeit: 01.02.2020 bis 31.10.2021