Holzwissenschaft an der Universität Göttingen

Holzbiologie und Holztechnologie

Georg-August-Universität Göttingen

Holzmodifizierungen von

Fassaden

Holger Militz

Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte


S-Win Statusseminar 13.Juni 2016



Forstfakultäten/ Holzforschung in D

Freiburg

Tharandt/ IHD Dresden

Freising/ München

Göttingen

Hamburg

WKI

Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte

40 Mitarbeiter

Arbeitsbereiche Beschichtungen / Lacke

Bewitterung / UV-Schutz

Biologischer Holzabbau

Holzmodifizierung

Holzqualität

Holzschutz

Vollholzverklebung

Wood-Plastic-Composites

Nanokomposite

Holzwerkstoffe



Vortrag

• Holztechnologische

Anforderungen an Fassaden

• Wie funktioniert

Holzmodifizierung?

• Verfahren der

Holzmodifizierung

• Materialeigenschaften

• Herausforderungen



Holz…

++ Holzverwendung ++

Ern

euerb

ar

Traditionell oder modern

Nachhaltig

Ökologisch

Ästhetisch

Technolo

gis

ch v

ielfä

ltig

Holz…

Schwachpunkte:

•Feuchte

•UV-Stabilität

•Pilzresistenz



Abbau-Mechanimus bei der Bewitterung

Licht

Auswaschung abgebautes

Material

Rissbildung

Erosion

Photo-Abbau

Lignin

Photo-Abbau

Hemicellulose

Wasser



UV-Angriff von Kiefernholz (Fotos P. Evans)



„Vergrauung“ des Holzes

Vergrauung durch

Aureobasidium pullulans



Holztechnologische Anforderungen an

Fassadenholz

• Dauerhaftigkeit/ Pilzresistenz

• (Insekten)

• Wasseraufnahmeeigenschaften

• „Arbeiten“ (Quellen und Schwinden)

• UV-Stabilität

Fotos: Accoya



Holzeigenschaften

Technischer Aufwand

(Produktion, Wartung)

Pro

du

ktq

ua

litä

t

Teak

Eiche

Fichte

Kiefer-

splint

DRM

????

„Wunsch-

Holz“

100%

0%

Technische Anforderung an Holzprodukte

Quelle: Schmid, 2006

verändert



Holzeigenschaften

Technischer Aufwand

(Produktion, Wartung)

Pro

du

ktq

ua

litä

t

Teak

Eiche

Fichte

Kiefer-

splint

DRM

Buche/ Kiefer/ Pappel

Modif.

Holz

100%

0%

Technische Anforderung an Holzprodukte

Quelle: Schmid, 2006

verändert



Was ist „Holzmodifizierung“?



Dauerhafte, biozidfreie Veränderung

des Holzes durch:

• Hitze (thermische Modifizierung)

• Einbringung von Chemikalien und

Reaktion mit Holz (chemische

Modifizierung)

Holzmodifizierung



Wo greift Holzmodifizierung an? E

inle

itu

ng



Zusammenhang zwischen „WPG“ und Eigenschaften

100g

+

ROC

NN

O

CHCH

OHOH

CO

H

H

C

H

H

R

20g

=

Holz nimmt Chemikalien auf und wird schwerer= 20% WPG (Weight

Percent Gain)

120g

100mm

105mm

Da Chemikalien grösser als Wasser = 5% dauerhafte Quellung

(bulking)

Ein

leit

un

g



Verfahren der Holzmodifizierung

Hitzebehandlung

(„Thermoholz“)

Acetylierung (Accoya)

Furfurylierung (Kebony)

Öle/Wachse/Paraffin

Melamin/ Silikone

Naturprodukte

(Chitosan, Extraktstoffe, …)

Auf dem Markt verfügbar

Prozesse verfügbar

Umsetzung fraglich

DMDHEU (Belmadur)

Holzbiologie und Holzprodukte Georg-August-Universität Göttingen

Prozessentwicklung der letzten Jahre

• Massivholz!!

• Furniere

• Holzwerkstoffe

– Späne

– Fasern

• WPC



Anwendungsbeispiele

0

50

100

150

200

250

0 12 24 36

t(h)

T(C)

Phase 1 Phase 2 Phase 3

ThermoWood® process

Thermoholz (TMT, Thermowood)

Photos: Plato process

- Keine Chemikalien

- Temperature 180°C to 220°C

- diverse Holzarten

- unterschiedliche Prozesse

Thermowood “2. Generation” …

Steam generator

Vessel

Cooling coil

Gas washer

Vacuum pump

Exhaust valves

Safety valve

Tmax: 230°C

Pmin: -1 bar

Pmax: 9 bar

Volume: 65 l

Electric heating elements

Tmax: 180 °C

Pmin: -1 bar

Pmax: 9 bar

Volume: 25 l

Electric heating elements

Eigenschaftsveränderungen bei Thermoholz

Gleichgewichtsfeuchte bei

20°C/65% RH

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10 12 14

We

igh

t lo

ss b

y R

. pla

cen

ta [%

]

Mass loss during process [%]

Atmospheric pressure

Steam pressure

unmodified

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

0 2 4 6 8 10 12 14

Equ

ilib

riu

m m

ois

ture

co

nte

nt

[%]

Mass loss during process [%]

Atmospheric pressure

elevated steam pressure

Pilzresistenz



Ästhetik

Foto Parkett: Hamberger, Ro



Anwendung GK 3 (Photos by Thermowood Association, Finland)

Holzbiologie und Holzprodukte


25

Modifizierung mit reaktive Harzen

Schnittholz Imprägnierung Trocknung / Reaktion

N

N

N

NR2

NR2

R2N

R = H, CH2OH, CH

2OCH

3

NN

O

CH2OHHOCH

2

OH OH

Modifiziertes Holz

Bilder: BASF AG

Melamin DMDHEU

„Belmadur“

Furfurylalkohol (PFA)

Kebony



NN

O

CH2OHHOCH

2

OH OH

Belmadur® Technologie

Textilanwendungen (Bügelfrei, Easy Care Cotton)

DMDHEU (1,3-dimethylol-4,5-dihydroxyethylene

urea)



Belmadur® Prozess

Pilotanlage BASF

Schritt 1: Behandlung mit Belmadur®

Lösung unter Druck

Schritt 2: Trocknen und Vernetzen bei

über 100°C



Kebony® Technologie

Gewinnung

• Hydrierung von Furfural

• Furfural durch Destillation von

Zuckerrohr, Haferspelzen,

Maiskolben, Reis- und

Erdnußschalen, Schilf u.a.

O CH2

OH

Furfurylalkohol

OC

O

H

Furfural

Hydrierung



Kebony® Prozess



Autoklav: 13 m lang, 3.25 m Durchmesser (0.1 - 13 bar).

Kebony® Produktion



4 spezielle Vakuumtrockner für Trocknung und Curing

Kebony® Produktion



Holzarten Produktgruppen

• Fassaden

• Terrassenbeläge

• Bedachung

• Täfelung

• Fassaden

• Terrassenbeläge

• Fußböden

• Täfelung

• Wasserbau

• Bootsstege

• Europäische

Kiefer

• Buche

• Kiefer-Splint

(SYP/Radiata)

• Ahorn

K 100

K 30

Kebony® Produkte



Kebony® Produkte







H3CO

H3C

O

O

H3C

OH

O+ +Holz O

CH3

O

Holz OH

Accoya® Titanwood

Prozess:

• Accoya = Pinus radiata

• Einbringen von Essigsäure-

Anhydrid

• Reaktion bei hohen

Temperaturen

• Entfernen der Essigsäure

Bilder: SHR (Niederlande)

37

www.accoya.com

Accoya & Tricoya production

Accoya production plant, the Netherlands

Medite MDF mill, Ireland: Tricoya produced alongside the larger volume of regular MDF



Anlage, Arnhem, NL



Accoya® Produkte



Accoya® Produkte

Fussgängerbrücke – NL

Kanal-Einfassung – NL

Stege im Meerwasser – NL

42

www.accoya.com

Accoya context of use

Louis Vuitton facades, South America

500+ windows, German Embassy, Washington DC

• Core applications: Windows, decking, cladding and civil

• Core markets: Europe, US, Pacific

43

www.accoya.com

Tricoya, context of use & testing

Climbing walls, The Netherlands

Window shutters, Germany

• Core applications: Facades, joinery, door skins, wet rooms & ……… ‒ Sales of Tricoya by Medite through similar channels as Accsys with Accoya, but focused on UK, Ire, NL, DE &

Nordics

‒ Accsys supporting Medite in more distant markets: Japan, Australia and North America

• While we carry some market ‘good will’ from Accoya, a similar data set is required for Tricoya.



Accoya (Fotos von Accoya)



Accoya® Produkte

Brücke bei Sneek (NL)

Schwerlastbrücke (60t-Klasse), 40 m Länge





Wachsbehandlung: Dauerholz/ Natwood



Furniermodifizierung

Impregnation

Drying

New Pressing technology:

• 60m-Contiroll-Press (Pollmeier)



Buche-LVL = Laminated Veneer Lumber

Bau-Buche Fa. Pollmeier

http://www.pollmeier.com/



Delaminierung und Verformung von Sperrholz unbeschichteter

Platten nach 18 Monaten Aussenbewitterung

• Von oben nach unten: Kontrolle, veräthertes Melamin, N-methylol

Melamin, AKD



Holzmodifizierung: Erfolgsstory?

• Produktion in Europa in 2015 (geschätzt):

350.000 - 400.000 m3

– TMT: 300.000 m3

– Accoya: ca. 35.000 m3

– Kebony: 20.000 m3

– Nobelwood: ??

– Dauerholz/ Natwood: ??

– Q-treat: ??



Basismaterial für Holzmodifizierung

• Imprägnierbarkeit !!!

– Kiefer

– Buche

– Erle

– Esche

– Nicht: Fichte etc.



53

Basismaterial für Holzvernetzung

• Imprägnierbare Holzarten

Gut imprägnierbar:

z.B. Buche

Schlecht imprägnierbar:

z.B. Birke





Was macht Behandlungsgradient im Holz?

Fotos: Kebony



Materialeigenschaften

• Pilzresistenz

• (Wasserbau)

• (Termiten)

• Festigkeiten

• Feuchterelatierte Eigenschaften

• Bewitterung

• Praxisrelevante Eigenschaften



Pilzresistenz im Labor und Feld



Pilzresistenz im Feld



59

Pilzresistenz

• Dauerhaftigkeit

– Labortest in Anlehnung an CEN/TS 15083-1

– 16-wöchige Inkubationszeit

• Braunfäule: Coniophora puteana, Poria placenta

• Weißfäule: Trametes versicolor

Unbehandelte Buche DMDHEU 2,3M

Pilzresistenz in Abhängigkeit von Beladungsmenge

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0% 5% 10% 15% 20%

weight gain after reaction

ma

ss

lo

ss

Interlace Treatment "A"

Interlace Treatment "B"

Interlace Treatment "C"

Coriolus versicolor, Beech

Biegefestigkeit (Bollmus 2010)

control Methylol treatment


Druckfestigkeit

Quelle:

Bollmus et al., 2009

Brinell Härte (Parkett)

0

10

20

30

40

50

60

70

Pinussylvestris

Tectonagrandis

Fagussylvatica

Ha

rdn

ess [

N/m

m2]

0

10

20

30

40

50

60

70

untreated 10% 30% 50% 80%

concentration of DMDHEU

Ha

rdn

ess (

N/m

m2)

Pine



64

Kontrolle DMDHEU 1,3 M

Bruchschlagarbeit



65

Zellwandstrukturen von vernetzer Buche

Unbehandelte Buche DMDHEU 1.3 M



66

Feuchte: Sorption in Wasserdampf (Tjeerdsma, Boonstra 1990´s)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Relative Humidity (%)

Eq

uil

ibri

um

Mo

istu

re C

on

ten

t (

%)

Heat-treated adsorption

Heat-treated desorption

Non-treated adsorption

Non-treated desorption

Scotch pine

Non-treated

Heat-treated



67

Sorption

0

5

10

15

20

25

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Au

sgle

ich

sfeu

chte

[%

]

Relative Luftfeuchte [%]

SYP Esche Buche

Radiata Sipo



68

Anti Swell Efficiency Quell/ Schwindverbesserung

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0% 10% 20% 30% 40% 50%

WPG

AS

E

DMDHEU; 5% MgCl2

mDMDHEU(b); 5% MgCl2

mDMDHEU(a); 5% MgCl2

DHDMI; 5% catalyst formulation

Zusammenhang WPG-

ASE (%)



69

0

5

10

15

20

Teak Oak Meranti Beech Pine

Belmadur® Wood

Swelling/

Shrinkage [%]

Quellung/ Schwindung



Modifiziertes Holz in praxisnahen Tests

Blocktest Railtest Deckingelemente

Wood Biology and Wood Products Georg-August-University of Göttingen

Prüffeld Göttingen



Wasseraufnahme (Weigenand 2004)

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8

ASE 8730

ASE 8730

ASE 8730

ASE 8130

ASE 8130

ASE 8130

Control

Time (h)

Wate

r u

pta

ke (

%)

Degussa

(Tingaut et al., 2005)



Kapillare Wasseraufnahme

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

SYP Radiata Esche Buche

Was

sera

ufn

ahm

eko

effi

zien

t [kg/m

2/√h]

Furfuylated Untreated



74

Außenbewitterung: Holzfeuchteverlauf

Pinus radiata

0

10

20

30

40

50

60

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Ho

lzfe

uc

hte

[%]

Zeit [Monate]

Behandelt, mit Beschichtung 1 Behandelt, mit Beschichtung 2 Behandelt, ohne Beschichtung

Unbehandelt, mit Beschichtung 1 Unbehandelt, mit Beschichtung 2 Unbehandelt, ohne Beschichtung



Holzfeuchteverlauf im Feldtest



Kiefer unbehandelt (19 Monate Bewitterung)

start after 20 months



Kiefer Phenol (19 Monate)




Kiefer Phenol mit Pigment (19 Monate)




Kiefer Wachs mit Pigment (19 Monate)



• DMDHEU-modifiziertes Sperrholz nach 10 Jahren

Aussenbewitterung

DMDHEU

Beschichet/ unbeschichtet

unbehandelt

Unbeschichtet/ beschichtet



radiale PUR-Penetration in Kiefer und Buche

(Fluoreszenz Mikroskopie)



Klebstoffpenetration (PU, Kiefer hitzebehandelt) im

CT (Nanotom)



Klebstoffpenetration – maximale Tiefe



Weitere Faktoren für Verarbeiter…

Floor, Kebony Bridge, Accoya Decking, Accoya

Decking, Belmadur

Roofing, Kebony

Furniture, Thermowood

– Umweltfaktoren

• Emissionen Luft, Wasser

• Giftigkeit Mensch/ Tier

• Eco tox

– Bearbeitbarkeit

• Gerätschaften

• MAK

• Variation des Materials

– Recycling/ Abfall

• Wiederverwendung als Faser, WPC?

• Verbrennung

• Andere Entsorgung



Schraubenauszugswiderstand



HO.06-4

VFF Merkblatt

Verband der Fenster- und

Fassadenhersteller E.V

HO.06: Hölzer für den Fensterbau

Teil 4: Modifizierte Hölzer



HO.06-4: Geforderte Untersuchungen

• Allgemeine Eigenschaften

– Holzart und Holzqualität

– Herstellungsverfahren

– Beschreibung des Verfahrens

– Veränderungen gegenüber unbehandeltem Holz

– Beschreibung Qualitätssicherung Intern

– Beschreibung Qualitätssicherung Fremdüberwachung

(z.B ISO 9000)

– Beschreibung eines Prüfverfahrens zu Überprüfung

der zugesicherten Eigenschaften



• Materialeigenschaften

– Dauerhaftigkeit

– Bläue

– Rohdichte bei 20°C/65%RH

– Gleichgewichtsfeuchte bei 20°C/65%RH

– Holzfeuchte Schätzverfahren

– Quellung und Schwindung

– Kapillare Wasseraufnahme

– Brandverhalten

– Wärmeleitfähigkeit



• Mechanische Eigenschaften

– Biegefestigkeit

– Biege-E-Modul

– Druck parallel und quer zur Faser

– Bruchschlagarbeit

– Schraubenausziehwiderstand

– Oberflächenhärte

• Chemische Eigenschaften

– Einstufung nach REACH



• Eignung für den Fensterbau - Fensterkomponenten

– Eignung für verklebte Konstruktionen

– Verträglichkeit mit Oberflächenbeschichtungen

– Verträglichkeit mit

• Befestigungsmitteln

• Dichtstoffen

• Dichtprofilen

– Verwendbarkeit im Kontakt mit dem Isolierglasrandverbund



• Hinweise zur Be- und Verarbeitung

– Sägen, Fräsen, Schneiden etc.

– Staubentwicklung (BG Messung)

– Emissionen bei der Verarbeitung (BG Messung)

– Entsorgung (Altholzverordnung

– REACH



• Eignung als Endprodukt

– Verklebung und Festigkeit im Eckbereich

– Freibewitterung von Fenstern

– Produkteigenschaften Fenster

– Windlast, Schlagregendichtheit, Luftdurchlässigkeit,

Stoßfestigkeit, Mechanische Festigkeit etc.

– Endprodukt

– Emissionsprüfung (VOC)



Accoya HO.06



Belmadur HO.06



• ….Kebony

• ….Thermoholz



Zusammenfassung

• In letzten 20 Jahren sind einige Verfahren der

Holzmodifizierung entwickelt worden und auf dem Markt

erhältlich

• Modifiziertes Holz hat eigenes Eigenschaftsprofil (anders

als unbehandelt)

• Wasseraufnahme, Pilzresistenz, Quelleigenschaften,

Festigkeiten

• Vieles neu und anders…aber immer noch Holz!



Zusammenfassung

„Gut Ding will Weile haben“!



www.kebony.com

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

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Holzwissenschaft an der Universität Göttingen