ARBEITSBERICHT aus dem Institut für Holztechnologie und Holzbiologie Nr. 2009/1 Entwicklung und Untersuchung von hydrophobiertem und koloriertem Holz für Anwendungen im dekorativen, bewitterten Einsatz Karin Brandt, Eckhard Melcher, Andreas O. Rapp, Christian Welzbacher Zentrum Holzwirtschaft Universität Hamburg ABSCHLUSSBERICHT zum Forschungsprojekt Entwicklung und Untersuchung von hydrophobiertem und koloriertem Holz für Anwendungen im dekorativen, bewitterten Einsatz Kurztitel: „LignoPerl“ gefördert durch Steinbrügge & Berninghausen GmbH, Bremen ausführende Forschungs- und Entwicklungsstelle Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI) Institut für Holztechnologie und Holzbiologie – Fachgebiet Holzschutz Wissenschaftliche Bearbeitung: Brandt, K. Melcher, E. Rapp, A. O. Welzbacher, C. Hamburg, Juli 2009 2 INHALT 1 EINLEITUNG..........................................................................................6 1.1 ALLGEMEINES..................................................................................6 1.2 HYDROPHOBIERUNG VON HOLZPRODUKTEN.......................................8 1.2.1 Öle.................................................................................................9 1.2.2 Wachse/ Paraffine.........................................................................9 1.3 HOLZSCHUTZ DURCH HYDROPHOBIERUNG.......................................10 1.4 AUFGABENSTELLUNG.....................................................................11 2 MATERIAL UND METHODEN.........................................................12 2.1 FÜR ALLE VERSUCHSPHASEN VERWENDETE GERÄTE UND METHODEN12 2.1.1 Kesseldruckanlage am Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI) ....................................................................................................12 2.1.2 Ermittlung der Messdaten............................................................15 2.1.2.1 Masse................................................................................................15 2.1.2.2 Dimensionen.....................................................................................15 2.1.2.3 Rohdichte..........................................................................................15 2.1.2.4 Holzfeuchte.......................................................................................15 2.2 PARAFFIN UND FARBAUSWAHL........................................................16 2.2.1 Holz-Prüfkörper...........................................................................16 2.2.2 Filterpapier für Screeningtests.....................................................16 2.2.3 Verwendete Wachse und Öle......................................................16 2.2.4 Verwendete Farbstoffe und Pigmente.........................................18 2.2.5 Notwendige Pigment- bzw. Farbstoffkonzentration.....................18 2.2.6 Beschriftung und Nummerierung der Prüfkörper.........................19 2.2.7 Versuch zum Absetzverhalten der Pigmente...............................20 2.2.8 Versuch zur Auftrennung von Paraffin/Pigment- bzw. Farbstofffront...............................................................................21 2.2.9 Versuch zur spezifischen Volumenausbreitung in Papier............23 2.2.10 Kesseldrucktränkung des Holzes................................................23 2.2.10.1 Beladungsgrad..................................................................................24 2.2.11 Bestimmung der Paraffinpenetration und -verteilung...................24 2.2.12 UV-Beständigkeit der Füllstoffe (Farbstoff/ Pigment) im Holz......27 2.2.13 UV-Beständigkeit der Füllstoffe auf Filterpapier..........................28 2.2.14 Bestimmung des MRI (Moisture induced Risk Index)..................29 2.2.14.1 Absorption........................................................................................29 2.2.14.2 Desorption........................................................................................30 2.2.14.3 Berechnung des MRI........................................................................30 2.2.15 Holzfeuchteverlauf von Kleinproben im Freiland.........................31 ENTWICKLUNG EINES SPARTRÄNKVERFAHRENS.................................................32 2.2.16 Erweiterung der bestehenden Labor-Tränkanlage......................32 2.2.17 Untersuchung des Einflusses des Vordruckes auf die Wachsaufnahme..........................................................................33 2.2.18 Untersuchung des Einflusses der Prüfkörperlänge auf die Wachsaufnahme..........................................................................33 3 2.2.19 Untersuchung des Einflusses des Tränkwachses auf die Wachsaufnahme......................................................................... 34 2.2.20 Untersuchung des Einflusses der Spartränkung auf die Wachsverteilung ......................................................................... 35 2.2.21 Untersuchung des Einflusses der Spartränkung auf das Ausbluten bei steigender Temperatur.......................................................... 35 2.2.22 Untersuchung der Tränkbarkeit verschiedener Fichtensortimente ....................................................................................................38 2.2.22.1 Einfluss einer Hitzebehandlung auf die Tränkbarkeit......................38 2.2.22.2 Optische Bewertung der Wachsaufnahme und -verteilung..............39 2.2.23 Bestimmung des Anteils schwer tränkbarer Fichtensortimente am Gesamtbestand der S & B GmbH............................................... 39 2.2.24 Entwicklung einer Schnelltest-Methode zur Einschätzung der Tränkbarkeit von Fichtenholz...................................................... 40 2.3 GRUNDLAGEN ZUR EINSCHÄTZUNG DER WIRTSCHAFTLICHKEIT UND PRODUKTSICHERHEIT .................................................................... 41 2.3.1 Kosten des Imprägniermittels...................................................... 42 2.3.1.1 Minimal erforderliche Paraffin/ Farbmittelaufnahmemenge...........42 2.3.1.2 Bestimmung der Tränkzyklenstabilität............................................44 2.3.1.2.1 Chemische Stabilität der Tränkwachse und Farbmittel.................47 2.3.2 Kosten des Tränkgutes............................................................... 47 3 ERGEBNISSE.......................................................................................48 3.1 PARAFFIN- UND FARBAUSWAHL...................................................... 48 3.1.1 Absetzverhalten der Pigmente.................................................... 48 3.1.2 Auftrennung von Wachs- und Farbstofffront............................... 51 3.1.3 Spezifische Volumenausbreitung in Papier................................. 52 3.1.4 Kesseldrucktränkung des Holzes................................................ 52 3.1.5 Paraffinwachsaufnahme in Holz.................................................. 53 3.1.6 Paraffinwachspenetration und Verteilung.................................... 54 3.1.7 UV-Beständigkeit von Füllstoffen................................................ 57 3.1.7.1 UV-Beständigkeit der Füllstoffe im Holz........................................57 3.1.7.1.1 Paraffin A in Kombination mit Pigmenten und Farbstoff..............58 3.1.7.1.2 Paraffin B in Kombination mit Pigmenten und Farbstoff..............59 3.1.7.1.3 Paraffin C in Kombination mit Pigmenten und Farbstoff..............61 3.1.7.1.4 Paraffin D in Kombination mit Pigmenten und Farbstoff..............62 3.1.7.1.5 Weißöl E in Kombination mit Pigmenten und Farbstoff...............64 3.1.7.2 UV-Stabilität von Füllstoffen auf Filterpapier.................................65 3.1.8 MRI (Moisture induced Risk Index)............................................. 68 3.1.8.1 Kontrollen........................................................................................68 3.1.8.2 Reine Paraffine und Weißöl.............................................................70 3.1.8.3 Kombination aus Paraffin B und PE-Additiv...................................72 3.1.8.4 Paraffin-/Ölkombinationen mit Hauptkomponente C......................73 3.1.8.5 Paraffin-/Ölkombinationen mit Hauptkomponente D......................75 3.1.9 Änderung der Holzfeuchte bewitterter Prüfkörper....................... 78 3.1.9.1 Reine Paraffine und Weißöl.............................................................78 3.1.9.2 Kombinationen aus Paraffin B und PE Additiv...............................79 3.1.9.3 Paraffin-/Ölkombinationen mit Hauptkomponente C......................81 3.1.9.4 Paraffin-/Ölkombinationen mit Hauptkomponente D......................82 4 3.1.10 Vorauswahl geeigneter Paraffin-/Ölkombinationen für die weiteren Versuchsphasen..........................................................................85 3.2 ENTWICKLUNG EINES SPARVERFAHRENS.........................................86 3.2.1 Erweiterung der bestehenden Labortränkanlage.........................86 3.2.2 Einfluss des Vordruckes auf die Wachsaufnahmemenge............87 3.2.3 Einfluss der Prüfkörperlänge auf die Wachsaufnahme................88 3.2.4 Einfluss des Tränkwachses auf die Wachsaufnahme..................89 3.2.5 Einfluss der Spartränkung auf die Wachsverteilung....................90 3.2.6 Einfluss der Spartränkung auf das Ausbluten..............................95 3.2.7 Definition eines Prozessdiagramms für die Spartränkung...........97 HERSTELLUNG VON MUSTERPROBEN IN GEBRAUCHSDIMENSION UND PROZESSOPTIMIERUNG..................................................................98 3.2.8 Tränkbarkeit verschiedener Fichtensortimente............................98 3.2.8.1 Optische Bewertung der Wachsaufnahme und -verteilung............100 3.2.8.1.1 Durchfärbung von Kiefernsplint-Prüfkörpern..............................101 3.2.8.1.2 Durchfärbung von Fichte der S & B GmbH (Bremen)................103 3.2.8.1.3 Durchfärbung von Fichte aus BFH-Beständen (Fichte CZ/A).....106 3.2.8.1.4 Durchfärbung von Fichte aus BFH-Beständen (Fichte Walsrode) 109 3.2.8.1.5 Durchfärbung von Fichte aus BFH-Beständen (Fichte Walsrode Kern)...............................................................................................112 3.2.9 Anteil schwer tränkbarer Fichtensortimente am Gesamtbestand der S & B GmbH........................................................................115 3.2.9.1 Häufigkeitsverteilung der Wachsaufnahme....................................117 3.2.10 Entwicklung einer Schnelltest-Methode zur Einschätzung der Tränkbarkeit von Fichtenholz ....................................................119 3.3 GRUNDLAGEN ZUR EINSCHÄTZUNG DER WIRTSCHAFTLICHKEIT UND PRODUKTSICHERHEIT...................................................................123 3.3.1 Kosten des Imprägniermittels....................................................123 3.3.1.1 Minimal erforderliche Paraffin/ Hilfsstoffaufnahmemenge...........123 3.3.1.1.1 Wachsaufnahmen bei 2% Farbstoff- und 0,5% Pigmentanteil.....123 3.3.1.1.2 Wachsaufnahmen bei 4% Farbstoff- und 1% Pigmentanteil........125 3.3.1.1.3 Durchfärbung der spargetränkten Prüfkörper mit angefärbtem Paraffin...........................................................................................126 3.3.1.1.4 Exposition der Prüfkörper zur Bestimmung der minimalen Aufnahmemengen...........................................................................127 3.3.1.1.5 Bewertung der Prüfkörper nach 20 Monaten Exposition im Freiland ohne Erdkontakt..............................................................................138 3.3.1.1.6 Bewertung der Prüfkörper von Oktober 2008 bis Mai 2009........142 3.3.1.2 Optische Tränkzyklenstabilität.......................................................160 3.3.1.2.1 Chemische Stabilität.....................................................................165 3.3.2 Kosten des Tränkgutes..............................................................178 4 ZUSAMMENFASSUNG.....................................................................179 5 VERZEICHNISSE..............................................................................180 5.1 LITERATUR..................................................................................180 5.2 ZITIERTE NORMEN.......................................................................183 5 5.3 ZITIERTE GESETZLICHE REGELUNGEN UND VERORDNUNGEN.......... 183 5.4 ABBILDUNGEN............................................................................. 184 5.5 TABELLEN................................................................................... 194 6 ANHANG.............................................................................................196 6.1 DATENBLATT ZUM FÜR DIE MRI-BESTIMMUNG VERWENDETEM WASSER .................................................................................................. 196 6.2 TECHNISCHES DATENBLATT ZUM ABDICHTMITTEL SIKAFLEX® - 221 197 6.3 PATENTANMELDUNGEN................................................................ 199 6 1 EINLEITUNG 1.1 Allgemeines Seit Jahrtausenden wird Holz in verschiedenen Einsatzbereichen verwendet. Im Außenbereich hat Holz trotz konkurrierender Materialien nichts an Beliebtheit eingebüßt. Es wird heute wieder wesentlich häufiger als Baumaterial verwendet als noch vor 20 Jahren (SCHMIDT 2000). Wie bei allen Werkstoffen ist die Dauerhaftigkeit von Holz begrenzt. Unter bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen kann Holz von verschiedenen Holzschädlingen angegriffen und abgebaut werden. Der Holzabbau durch Pilze und Mikroorganismen, z. B. Bakterien, spielt in unseren Breiten eine entscheidende Rolle und führt zu großem wirtschaftlichen Schaden. Eine Möglichkeit, dem Befall entgegenzuwirken, besteht darin, den holzabbauenden Pilzen die Lebensgrundlagen zu entziehen. Die Holzfeuchte ist die wichtigste Einflussgröße für den Holzabbau durch Pilze. Die Niederschlagsmenge ist dabei weniger entscheidend als die Dauer der Überschreitung einer Grenzholzfeuchte (SCHEFFER 1971). In DIN 68800-1 (1974), DIN 52175 (1975) und DIN 68800-3 (1994) wird von einer minimalen Holzfeuchte von 20% für eine Gefährdung ausgegangen. Für Basidiomyceten geht SCHMIDT (1994) von einer Holzfeuchte um bzw. knapp oberhalb des Fasersättigungsbereichs des Holzes als Grenzfeuchte aus. Der Fasersättigungsbereich ist holzartenabhängig und liegt zwischen 26 und 32%. Im folgenden wird eine Holzfeuchte von 25% als Grenzfeuchte angenommen. Eine über einen längeren Zeitraum hohe Holzfeuchte führt aber nur dann zu einem Befall, wenn auch die Temperatur im für Pilze notwendigen Bereich liegt. Das Temperaturminimum für das Wachstum der meisten Holz zerstörenden Pilze liegt über 0°C, weil bei Unterschreitung des Gefrierpunktes das für das Pilzwachstum notwendige flüssige Wasser nicht vorhanden ist. Das Temperaturoptimum ist artspezifisch und liegt zwischen 20 und 40°C. Die Pilzaktivität folgt dabei der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel, (RgT- Regel), nach der die Enzymaktivität über einem bestimmten Bereich bei einer Temperaturerhöhung von 10°C zwei bis viermal so hoch ist (SCHMIDT 1994). 7 Gemäß DIN 68 800-3 (1990) sollten Holzschutzmittel nur dann angewendet werden, wenn der bauliche Holzschutz nicht ausreicht. Baulicher Holzschutz konzentriert sich im wesentlichen auf das Fernhalten von Wasser und die Vermeidung der Zugänglichkeit durch Insekten mittels entsprechender konstruktiver Maßnahmen. Unter einem chemischen Holzschutz ist ausschließlich die Anwendung von Bioziden in Form von Holzschutzmitteln zu verstehen, welche über die Biozidrichtlinie (BPD 1998) gesetzlich geregelt ist. Parallel zum konstruktiven und chemischen Holzschutz wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren zur Vergütung von Holz untersucht/entwickelt, die zum Teil bereits am Markt eingeführt worden sind. Einen solchen Prozess stellt die thermische Vergütung dar, die unter anderem zu einer Herabsetzung der Sorptionsisotherme durch Modifizierung der Zellwandstruktur führt. Damit ist allerdings auch der Verlust von mechanischen Festigkeiten verbunden (LEITHOFF und PEEK 1998; WELZBACHER und RAPP 2003). Eine weitere Art der Vergütung ist die Acetylierung, bei der es zu einer chemischen Reaktion zwischen Hydroxylgruppen des Holzes und Essigsäureanhydrid unter gleichzeitiger Freisetzung von Essigsäure kommt. Im Ergebnis zeichnet sich das acetylierte Holz durch eine erhöhte Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilität sowie eine verminderte Rissbildung aus. Als Nachteile sind hingegen die Geruchsbelastung des behandelten Holzes als auch die hohen Prozesskosten zu werten (RAPP und WILLEITNER 2000). Das Prinzip „Holzschutz durch Feuchteschutz (Hydrophobierung)“ ist nicht neu. Obwohl (hydrophobe) Öle und Wachse schon seit Jahrhunderten zum Zweck der Holzkonservierung eingesetzt (BAVENDAMM 1962) wurden, werden diese Substanzen in der Literatur wenig behandelt. Beispielsweise ist die hohe natürliche Dauerhaftigkeit einiger Holzarten ebenfalls auf dieses Prinzip zurückzuführen. Hölzer, die eine geringe Permeabilität aufweisen, sind einem geringeren Risiko eines Pilzangriffes ausgesetzt, als solche, die auf Grund ihrer Struktur viel Wasser aufnehmen (WILLEITNER und PEEK 1997). 8 Anforderungen an Holzschutzmittel und Vergütungsprozesse haben sich in den letzten Jahren geändert. Standen früher Schutzwirkung und Preis noch im Vordergrund, sind heute die Aspekte „Umwelt“, „Gesundheit“ und „Handling“ genauso hoch einzuschätzen (RAPP und PEEK 1995). Der biozidfreie Holzschutz hat deshalb in Europa in den letzten Jahren als umweltfreundliche Maßnahme zur Verbesserung der Holzeigenschaften, insbesondere der Dauerhaftigkeit, stark an Bedeutung gewonnen (LEITHOFF und PEEK 1998). 1.2 Hydrophobierung von Holzprodukten „Hydrophob, wörtlich: wasserfürchtend. Der hydrophobe Charakter einer Substanz wird durch ihre Tendenz bestimmt, nicht in Wasser einzudringen und darin zu verbleiben“ (RÖMPP 1995). Holz ist als hygroskopischer Werkstoff bestrebt, Wasserdampf aus der Luft aufzunehmen und zu binden. Das Ziel einer Hydrophobierung besteht in der Verminderung der Aufnahme von Wasser durch das Holz. Dies ist aus zwei Gründen notwendig: 1. Durch Wasseraufnahme kommt es zu unerwünschten Formänderungen des Holzes, die dessen Einsatzbereich einschränken kann. 2. Durch das Erreichen einer bestimmten Holzfeuchte wird ein Angriff durch Pilze und Bakterien ermöglicht. BORGIN (1965) definiert ein Hydrophobierungsmittel als eine Substanz mit hydrophoben Eigenschaften, die in das Holz eindringen kann und dort die Zellwände bedeckt, wodurch die Wasseraufnahme minimiert wird. Da diese Substanzen die chemische Struktur der Zellwand nicht verändern, bleibt die natürliche Hygroskopizität des Holzes erhalten. Hydrophobierende Stoffe wie zum Beispiel Wachse, Öle und Harze sind in den letzten Jahren verstärkt untersucht worden (SAILER 2000). Die natürliche Affinität zur Wasseraufnahme wird verringert, indem der Kontaktwinkel zwischen Zellwand und Wasser größer als 90° wird. Der Kontaktwinkel beschreibt die Form, die ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche im Moment des Kontaktes annimmt. Bei einem Kontaktwinkel von 0° breitet sich