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Entwicklung und Wirkungsweise industrieller Hitzebehandlungsprozesse

Sorptionsvergütung
Dimensionsstabilisierung
Eigenschaftsveränderung

Aufgrund zunehmender Reglementierungen von bioziden Holzschutzmitteln wurden seit den 1980er Jahren in verschiedenen europäischen Ländern verstärkt Anstrengungen unternommen, umweltfreundliche Schutzmaßnahmen zu entwickeln und zu etablieren. Besonders die Hitzevergütung von Holz im Temperaturbereich von 180 bis 220°C hat in Forschung und Industrie Bedeutung erlangt, und ist in Form verschiedener kommerzieller Prozesse umgesetzt.

Den technisch unterschiedlichen Hitzebehandlungsprozessen ist die Wirkungsweise gemein, das Holz in sauerstoffarmer Atmosphäre hohen Temperaturen auszusetzen, so dass es zur hitzeinduzierten Modifikation der Zellwand kommt. Diese Modifikation ist vorrangig durch den Abbau von Holzbestandteilen (hauptsächlich Hemicellulose) sowie durch die Reorganisation von Molekülstrukturen (z.B. Lignin) charakterisiert, woraus ein um bis zu 50% reduziertes Feuchteaufnahmevermögen und Quellverhalten hitzebehandelten Holzes resultiert. Zudem wird auch eine Resistenzerhöhung des Holzes gegen biologischen Abbau bewirkt, die jedoch mit einer Verringerung der mechanischen Belastbarkeit des Holzes durch die Vergasung von Holzkomponenten einhergeht.

Technische Unterschiede zwischen den verschiedenen Hitzebehandlungsprozessen bestehen vorwiegend hinsichtlich der Realisierung des Sauerstoffabschlusses, der ein Verbrennen des Holzes während der Hochtemperaturbehandlung verhindert. Dieser Sauerstoffabschluss kann u.a. durch eine Wasserdampfatmosphäre, durch eine Stickstoffumgebung oder aber durch ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium, z.B. pflanzliches Öl, erreicht werden. 

 

 

Eigenschaften von thermisch modifiziertem Holz (TMT)

Die Untersuchung von Eigenschaften verschieden hitzebehandelter Hölzer wurde seit dem Jahr 2000 im Rahmen von Forschungsprojekten an der Universität Hamburg und an der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft (BFH) durchgeführt.

mechanische Eigenschaften

mechanische Kennwerte
Abriebwiderstand
Brinellhärte

Die Einwirkung hoher Temperaturen auf das Holz während der Hitzebehandlung ist mit Festigkeitseinbußen im statischen und besonders im dynamischen Bereich (im Vergleich zu unbehandeltem Holz) verbunden. Der Biege-E-Modul wird durch die thermischen Modifikation vergleichsweise gering beeinflusst, weshalb die Biegesteifigkeit als wenig kritische Festigkeitseigenschaft von TMT angesehen wird.

In einer vergleichenden Studie wurden die mechanischen Eigenschaften verschieden industriell hitzebehandelter Hölzer (3 Prozesse mit gasförmigen Wärmeübertragungsmedium: TMT A, B, C; 1 Prozess mit flüssigem Wärmeübertragungsmedium: OHT) in Standard-Laborprüfungen  untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass im Gegensatz zu dem bis maximal 15% verringerten Biege-E-Modul der hitzebehandelten Hölzer eine signifikant stärkere Verringerung der statischen Biegefestigkeit durch die thermische Modifikation in einer Spanne von 12 bis 38%  feststellbar war.

Die Prüfung der Bruchschlagarbeit zeigte den starken Einfluss der thermischen Modifikation auf die dynamische Festigkeit des Holzes. Im Vergleich zu Kontrollen waren Reduktionen der dynamischen Belastbartkeit im Bereich von 42 bis zu 64% die Folge.

Neben der mechanischen Festigkeit werden auch eine Reihe von Gebrauchseigenschaften durch die Hitzeeinwirkung beeinflußt, z.B. die Abriebfestigkeit sowie die Oberflächenhärte. Mit steigender Behandlungsintensität, ausgedrückt als Massenabnahme durch Hitzebehandlung ["decrease in mass" (dm)] verringert sich die Brinell-Härte von TMT ebenso wie der Abriebwiderstand.

Die Reduktion der Abriebfestigkeit und der Oberflächenhärte thermisch modifizierten Holzes resultiert aus der durch die Temperatureinwirkung erhöhten Sprödigkeit und Neigung zur Splitterbildung bei mechanischer Beanspruchung. Im Vergleich mit der Minderung des Abriebwiderstandes erscheint die Verringerung der Härte nach Brinell jedoch weitaus weniger kritisch für TMT. Besonders iIm Hinblick auf eine Anwendung von TMT im Fußbodenbereich stellt der Abriebwiderstand somit eine kritische Materialeigenschaft dar.

Resistenz gegen holzzerstörende Pilze

Aufbau der Prüfungen im Freiland;
Dauerhaftigkeitsklassen von hitzebehandelten Hölzern aus Labor- und Freilandversuchen

Frei bewitterte Außenbauteile ohne ständigen Erd- oder Wasserkontakt, z.B. Terrassendielen, sind nach EN 335-1 (2006) in Gebrauchsklasse 3 (GK 3) einzuordnen, Außenbauteile im ständigen Erd- oder Wasserkontakt, z.B. Zaunpfähle, hingegen in Gebrauchsklasse 4 (GK 4). Eine praxisnahe Prüfung der Dauerhaftigkeit von TMT in GK 3 wird seit dem Jahr 2001 in einer Doppel-Lage durchgeführt. Die Proben werden hierbei in zwei horizontalen, um eine halbe Prüfkörperbreite versetzten Lagen angeordnet, so dass sich auf diese Weise Niederschlagswasser zwischen den Lagen sammelt und nur langsam verdunstet. Die Prüfung der Dauerhaftigkeit in GK 4 erfolgt ebenfalls seit dem Jahr 2001 nach den Vorgaben der EN 252 (1990) in einem Erdeingrabeversuch. 

In beiden Fällen wird die Fäulnis der einzelnen Versuchsproben jährlich nach einem fünfstufigen Bewertungsschema entsprechend der EN 252 (1990) bewertet [0 = kein Angriff, 1 = leichter Angriff (< 1 mm), 2 = mäßiger Angriff (2-3 mm), 3 = starker Angriff (3-5 mm), 4 = Ausfall] und für die Berechnung von Dauerhaftigkeitsklassen nach EN 350-1 (1994) herangezogen. Zusätzlich wurden Laborprüfungen mit dem Prüfpilz Poria placenta, welcher durch seinen starken Abbau als besonders kritisch für modifizierte Hölzer gilt, ausgeführt. 

Die Ergebnisse aus Labor- und Freilandprüfungen zeigen, das hitzebehandelte Hölzer, unabhängig vom Herstellungsprozess, als nicht geeignet für den Erdkontakt anzusehen sind. Die Dauerhaftigkeitserhöhung durch die Hitzebehandlung prädestiniert die verschiedenen TMT Hölzer für einen Einsatz in bewitterter Anwendung außerhalb des Erdkontaktes, z.B. als Decking oder Fassadenbrett. 

Lichtbeständigkeit

Vergraute TMT-Fassade
Prüfung der Lichtechtheit von TMT im Labor

Optische Aspekte spielen in der Praxis eine sehr große Rolle: Ohne einen pigmentierten UV-Schutz verwittert Holz im Außenbereich. Dies gilt auch für thermisch modifiziertes Holz, welches teilweise sogar noch schneller vergraut als unbehandeltes Holz.

Es kommt hinzu, das der Splintanteil von TMT ohne Oberflächenbehandlung in realen Einbausituationen (im Gegensatz zu Laborversuchen) von holzverfärbenden Pilzen (z.B. Bläue) befallen wird, so dass also nicht von einer erhöhten Resistenz gegen holzverfärbende Pilze ausgegangen werden kann. Die funktionellen Eigenschaften des Holzes werden dadurch jedoch nicht beeinträchtigt. Der Endverbraucher erwartet aber in der Regel, dass sich der Zustand des frisch verbauten Holzes nicht verändert und betrachtet den natürlichen Vorgang der Vergrauung oft als Qualitätsmangel.

Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten am ibw ist deshalb die Untersuchung der für die Vergrauung von TMT verantwortlichen Mechanismen sowie die Entwicklung geeigneter Gegenmaßnahmen. Hierzu werden umfangreiche Untersuchungen im Labor wie auch im Freiland durchgeführt.

Resistenz gegen marine Holzzerstörer

Schiffsbohrmuschel
a) Schiffsbohrmuschel; b) Fraßgänge; c) Kontrollprobe

Seit dem Jahr 2002 werden Untersuchungen zur Resistenz verschiedener hitztebehandelter Materialien gegen den aggressivsten Holzzerstörer im Meerwasserkontakt, die Schiffsbohrmuschel (Teredo navalis, Abb. 2.a), in Südschweden durchgeführt. Der vorliegende hohe Befallsdruck zeigt sich an den unbehandelten Kiefernproben, die jährlich komplett zerstört werden und ausgetauscht werden müssen (Abb. 2.b und 2.c).

Abbaubewertung im Meerwasser

Die Auswertung der Versuchsproben nach 5 Jahren zeigt, dass die nach dem Öl-Hitze-Verfahren vergüteten OHT-Proben erst nach 3 Jahren einen sehr begrenzten, schwachen Befall aufwiesen (Abb. 3), die nach kommerziellen Gas-Hitzebehandlungsverfahren vergüteten TMT-Materialien zweier Hersteller hingegen bereits nach einem Jahr vollständig zerstört waren. Der mit OHT erzielte Schutzeffekt wird auf den Doppelschutz durch thermische Behandlung plus Öl zurückgeführt, da weder die thermische Behandlung allein noch eine Öl-Behandlung allein diesen Schutz erzielt.

Weitere Informationen zum Thema "thermische Modifikation von Holz" als Download: