Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien

Forschungsprojekt

OptiPro

Optimierung des Schälprozesses zur Herstellung von Mehrlagenwerkstoffen aus Buchenfurnieren mit gezielter Imprägnierfähigkeit in verdichteter CO2-Atmosphäre

 

Nadelhölzer sind bisher das bevorzugte Bauholz. Der aus ökologischen Gründen gewollte »Waldumbau« sowie die zunehmende energetische Nutzung führen zu einer erkennbar abnehmenden Verfügbarkeit von Nadelhölzern und einem steigenden Angebot an Laubholz. Um den Anteil des Holzes im Bauwesen zu erhalten oder noch zu steigern, müssen in Zukunft vermehrt Laubhölzer eingesetzt werden. Die häufigsten Laubhölzer weisen jedoch eine geringe Dauerhaftigkeit auf und sind darum bisher nur eingeschränkt als Baumaterial zu gebrauchen. Die industriell umgesetzten Lösungen zur Ertüchtigung wenig dauerbeständiger Holzarten erfüllen weder aus ökonomischen noch aus ökologischen Gründen die in sie gesetzten Erwartungen. Ziel des Verbundprojekts »OptiPro« ist die Entwicklung eines Verfahrens zur effizienteren Furnierherstellung sowie zur Herstellung dauerbeständiger Werkstoffe auf Buchenholzbasis. 

 

Trocknungsprozesse benötigen mindestens 15 % des gesamten industriellen Energiebedarfs. In manchen Branchen, z. B. in der Holzindustrie, kann dieser Anteil 70 % erreichen. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass durch Trocknung mit Wärmepumpen bis zu 50 % an Primärenergie eingespart werden können. Dieses Potenzial konnte bisher jedoch nur in Ausnahmefällen industriell realisiert werden, da der Betrieb von Wärmepumpentrocknern sehr viel komplexer ist als der Betrieb der einzelnen Systemkomponenten.

Trocknungsprozesse benötigen mindestens 15 % des gesamten industriellen Energiebedarfs. In manchen Branchen, z. B. in der Holzindustrie, kann dieser Anteil 70 % erreichen. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass durch Trocknung mit Wärmepumpen bis zu 50 % an Primärenergie eingespart werden können. Dieses Potenzial konnte bisher jedoch nur in Ausnahmefällen industriell realisiert werden, da der Betrieb von Wärmepumpentrocknern sehr viel komplexer ist als der Betrieb der einzelnen Systemkomponenten.

 
© Fraunhofer WKI | Friedrich Schlüter
Schälrisse im Buchenfurnier
© Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt
Schälrisse werden detektiert und charakterisiert

Verbesserung der mechanischen Festigkeit von Furnierschichtholz 

Die Lamellierung von Holz ist eine bekannte Technologie mittels der Rundholz zu Brettern, Furnieren und Stäbchen zerkleinert und schichtweise wieder zu hölzernen Lamellen verklebt werden. Hierdurch entstehen Holzwerkstoffe wie Brettschichtholz, Sperrholz, Furnierschichtholz (FSH), Laminated Veneer Lumber (LVL), Multipex- und Tischlerplatten. Mit abnehmender Lamellendicke wird der Einfluss festigkeitsmindernder Wuchsmerkmale geringer und die Standardabweichungen der lamellenbasierten Werkstoffe nehmen stark ab. Besonders effektiv sind Werkstoffe auf Basis von Furnieren, da bei diesen ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der nutzbaren Rohholzmasse (Rohstoffeffizienz) und dem Klebstoffbedarf vorliegt. Durch die Möglichkeit einer kontinuierlichen Herstellung der Werkstoffe ist die Produktion sehr wirtschaftlich. Um die mechanische Festigkeit von Werkstoffen auf Basis von Furnieren noch weiter zu erhöhen, besteht ein Teilziel des Projekts in der Optimierung des Herstellungsverfahrens von Furnieren. 

Die Eigenschaften von Holz sind sehr stark richtungsabhängig. Die Richtungsabhängigkeit beruht auf der Orientierung der Fasern in Richtung der Stammachse und der Verteilung sowie Ausrichtung der Hauptkomponenten des Holzes (Cellulose, Polyosen, Lignin). In Folge dieser Anisotropie entstehen bei der Zerspanung Risse im Spangut, die bis zu einem Zerfall des Spans führen können. Während diese Erscheinung bei der Bearbeitung von Holz durchaus erwünscht ist, sind Risse bei der Furnierherstellung unerwünscht. Die auch als Schälrisse bezeichneten Effekte führen zu rauen Oberflächen, erleichtern den kapillaren Wasserzutritt und vermindern die Festigkeit des Furniers und die aus Furnieren hergestellten Werkstoffe. Im Rahmen des Verbundprojekts entwickeln wir am Fraunhofer WKI Prozessbedingungen, die zu weniger Schälrissen, zu einer geringeren Schälrissfrequenz sowie zu einer geringeren Schälrisstiefe führen. Ferner sollen Bedingungen erarbeitet werden, die zu möglichst geringer Oberflächenrauheit führen.

 

Verbesserung der Dauerbeständigkeit von Furnierschichtholz aus heimischen Laubholzarten

Zu den in Deutschland heimischen Laubholzarzen gehören unter anderem die dauerbeständigen Holzarten Buche, Birke und Pappel. Wenn diese zur Herstellung von Furnierlagenhölzern verwendet werden, ist die Werktstoffnutzung im Bauwesen, trotz hoher mechanischer Eigenschaften, eingeschränkt.  Diese Einschränkung lässt sich durch eine Modifizierung lösen. Im Hinblick auf eine mögliche Holzmodifizierung sind Furniere aufgrund ihrer geringen Dicke vorteilhaft. Zur Holzmodifizierung werden Verfahren gerechnet, durch die die chemische und/oder physikalische Struktur des Holzes gezielt verändert wird. Wenn es gelingt, den Wechsel von Auffeuchten und Austrocknen zu vermeiden, lässt sich die unerwünschte Rissbildung wirksam verhindern. Da für den biologischen Abbau ein bestimmter Wassergehalt des Holzes erforderlich ist, ist trockenes Holz darüber hinaus vor einer biologischen Zerstörung geschützt. Die bekannten Verfahren, um dieses Ziel zu erreichen, sind entweder ausgesprochen teuer oder die gewünschten Effekte lassen sich nicht erzielen. Effektiv, aber teuer, ist z. B. die Imprägnierung des Holzes mit phenolbasierten Substanzen. Kostenseitig ist vor allem der hohe Verbrauch an Phenol und an Lösemittel zu nennen. Um ein preiswerteres Verfahren zur Tränkmodifizierung anbieten zu können, untersucht das Fraunhofer UMSICHT im Rahmen dieses Verbundprojekts die Möglichkeiten einer Imprägnierung von Buchenfurnier mit PF-Harzen in verdichteter CO2-Atmosphäre. Allen erfolgreichen Imprägnierungen in verdichteter CO2-Atmosphäre ist gemein, dass das CO2 im Vergleich zu anderen Lösungsmitteln sehr schnell in die Zielmatrix eindiffundiert. Mittels CO2 lassen sich Imprägnate in die zu additivierende Matrix (Holz) einbringen und werden dort abgelagert bzw. reagieren dort. 

Imprägnate müssen, wie Fraunhofer UMSICHT nachweisen konnte, nicht unbedingt in CO2 löslich sein, sondern können auch 

  • in partikulärer Form, als Dispersion in einem Zusatzlösungsmittel (Wasser, Alkohole) oder
  • als Lösung in einem Zusatzlösungsmittel

vorliegen. Ein weiterer Vorteil der Imprägnierung in verdichteter CO2-Atmosphäre ist die rückstandsfreie Abtrennung des CO2 aus der imprägnierten Matrix (imprägniertes Furnier). Die CO2-Abtrennung geschieht durch den Druckabbau in der Hochdruckanlage. Das CO2 entweicht aus der bereits imprägnierten Matrix, wohingegen die Imprägnate in der Matrix verbleiben. 

Aufgaben der Partner

Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI
Untersuchungen zur Vermeidung von Schälrissen bei der Furnierherstellung mittels einer halbindustriellen Schälmaschine und Bereitstellung von Furnieren für die Imprägnierversuche. Ferner erfolgen im Fraunhofer WKI die mechanischen Prüfungen der hergestellten Furnierschichthölzer sowie die Prüfungen zum Verhalten der Werkstoffe bei hoher Luftfeuchte und Wasserlagerung.

 

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Grundlegende Untersuchungen zur Imprägnierung  von Furnieren mit Polyphenolen in verdichteter CO2-Atmosphäre in Reaktoren bis zu einem Volumen von 20 Litern sowie Nachweis der Prozessfähigkeit. Für prozessrelevante Untersuchungen wird ein Reaktor mit einem Volumen von 1,7 m³ verwendet, mit diesem Reaktor werden auch die Furniere für die Industrieversuche hergestellt.
 

Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE)
Charakterisierung der Furnierstruktur nach dem Schälen, nach der Tränkimprägnierung und Prüfung der Dauerbeständigkeitseffekte bei Feuchte- und Stressbeanspruchung von tränkmodifizierten Furnieren und Prüfkörpern aus Furnierschichthölzern.

 

Pollmeier Massivholz GmbH & Co. KG
Konzeption einer Imprägnieranlage und Industrieversuche zur Herstellung von Furnierschichthölzern aus imprägnierten Furnieren. 

 

Sigmar Mothes Hochdrucktechnik GmbH
Planung und Konstruktion einer Imprägnieranlage zur Herstellung von Imprägnierten Furnieren mit Kohlendioxid als Prozessmedium.

 

Heiland Apparatebau
Konstruktion und Bau einer Dämpfanlage mit Temperatur und Feuchteregelung  zur Vorbehandlung der Rundhölzer vor dem Schälen. 

Förderung

Fördermittelgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektträger:
Forschungszentrum Jülich GmbH