Werkstoffe
Im Fachgebiet Werkstoffe werden mit modernster Labor- und Technikumsausstattung Holzwerkstoffe entwickelt und die Technologien zu deren Herstellung optimiert bzw. erarbeitet.
Zu den Tätigkeitsschwerpunkten gehören dabei die labortechnische Herstellung und Analyse von Partikeln aus Holz und Einjahrespflanzen (Späne, Strands, Fasern) sowie deren Nutzung zur Herstellung von Werkstoffen (Platten, Formteile, Spezialprodukte).
Im Technikum kann die komplette Wertschöpfungskette vom Rundholz bis zur fertigen Platte nachvollzogen werden.
Ergänzt wird das Leistungsspektrum durch spezielle Prüfungen wie z. B. die Bestimmung des Rohdichteprofils, des Kriechverhaltens und der Formstabilität.
- Partikelherstellung und –analyse
- Holzwerkstoffherstellung
- Holzwerkstoffentwicklung und –optimierung
- Klebstoff- und Additiverprobung
- Technologieoptimierung und –beratung
Prof. Dr. rer. nat.
Detlef Krug
Ressortleiter · MDF · OSB · PB · SWP · Klebstoffe · Rohstoffalternativen · Überwachung
Partikelherstellung und - analyse
Die Erzeugung definierter Partikel stellt einen zentralen Punkt der Holzwerkstoffherstellung dar. Im Technikum des Ressort Werkstoffe besteht die Möglichkeit, aus verschiedenen lignocellulosen Ausgangsmaterialien Partikel eines weiten Korngrößenbereiches (von Mehl bis hin zu Strands) herzustellen. Somit lassen sich Werkstoffe für ganz bestimmte Anwendungsfälle erzeugen.
Die kontinuierliche Herstellung folgender Partikel ist möglich:
Für den Aufschluss von Rohholz, Recyclingprodukten sowie Einjahrespflanzen und anderen landwirtschaftlichen Erzeugnissen ist das Fachgebiet mit zahlreichen Laboraggregaten ausgerüstet:
- Hacker (Trommelhacker unterschiedlicher Dimension)
- Zerspaner (Messerring-, Messerscheiben- und Langholzzerspaner) inkl. Spannachbereitung und -fraktionierung
- Mühlen (Hammermühle, Schlagkreuzmühle sowie Wirbelstrommühle inkl. Kühlung)
- Laborzerfaserungsanlage (Kocher, 12“-Refiner) inkl. Materialvorbehandlung (Vordämpfer, MSD) sowie Blowline und Stromtrockner
- Anlage für hydrothermischen Aufschluss von Lignocellulosen
- Trockenrefiner
- Faserstoffsichter
Durch spezielle Analyseverfahren ist es möglich, den Einfluss von Geometrie und Zusammensetzung der Partikel bzw. Partikelgemische auf den Herstellungsprozess sowie die Eigenschaften der Werkstoffe nachzuvollziehen. Durch die Identifikation dieser Zusammenhänge kann stetig an der technologischen Weiterentwicklung und der Optimierung der Prozesse Zerspanung bzw. Zerfaserung gearbeitet werden. Folgende Analysemöglichkeiten stehen zur Verfügung:
- Dynamische Bildanalyse mittels Camsizer (Span- und Fasergeometrie)
- Schüttdichte
- Luftstrahlsieb (Fasern)
- Planprüfsiebmaschine (Späne, Strands)
- Force-Tensiometer zur Bestimmung der Benetzbarkeit von Partikeln
- Konfokales-Laserrastermikroskop mit zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung der Verteilung von Bindemitteln und Additiven auf Holzpartikeln ohne vorherige Kontrastierung
- Digitalmikroskop
- Mikrozugvorrichtung zur Einzelfasermessung
- Messgerät zur Bestimmung des dielektrischen Verlustes
Holzwerkstoffherstellung
Durch Ur- und Umformungsprozesse wird die Herstellung verschiedener, vor allem holzbasierter Werkstoffe für tragende und nichttragende Anwendungen ermöglicht. Im Fachgebiet Werkstoffe werden zum einen dem Vollholz sehr ähnliche Lagenwerkstoffe, wie Massivholzplatten und Sperrholz und zum anderen Partikelwerkstoffe, wie OSB sowie Span- und Faserplatten, hergestellt.
Die technische Ausstattung erlaubt eine industrieanaloge Umsetzung der einzelnen Prozesse zur Fertigung von organisch und anorganisch gebundenen Holzwerkstoffen, von der Klebstoffapplikation vor und nach der Trocknung bis zum Pressen zum fertigen Werkstoff. Dafür stehen verschiedene technische Lösungen bereit:
Beleimung:
- Partikelbeleimung in verschiedenen Mischaggregaten (1), (2), (3)
- Kontinuierliche Faserbeleimung mittels Blowline (verschiedene Düsensysteme)
- Flächenbeleimung mittels Handauftragsmaschinen
Vliesbildung:
- Manuell im Formkasten
- Automatisiert mittels Spanstreuanlage sowie Faservliesbildungsanlage
Pressen:
- Heißpressen mit Rückkühlung und diversen Gesenken (1), (2), (3), für die Formteilherstellung
- Hochfrequenz-Presse
- Massivholzplattenpresse
- Kurztaktpresse
Dämmstoffherstellung:
Inwieweit sich ein Werkstoff für bestimmte Anwendungen eignet bzw. die gewünschten Leistungen erfüllt, wird anhand verschiedener Kurz- und Langzeit-Prüfungen an Labor- und Industrieplatten untersucht. Die Prüfungen der physikalisch-mechanischen bzw. chemischen Eigenschaften erfolgen in den entsprechenden Fachressorts des IHD. Im Ressort Werkstoffe können folgende Prüfungen durchgeführt werden:
- Rohdichteprofil
- Formstabilität
- Dauerstand- sowie Kriechverhalten
- Freibewitterung
Holzwerkstoffentwicklung und -optimierung
Die Optimierung und Weiterentwicklung von holzanalogen Werkstoffen ist ein zentrales Thema der Arbeiten im Ressort Werkstoffe.
Neben den immer präsenten Leitmotiven Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung, Klimawandel, Energieverbrauch, gesetzliche Restriktionen und Verbraucherakzeptanz (z. B. VOC und Formaldehyd) sind aktuelle Themen u. a.:
- Variation des Rohstoffeinsatzes (z. B. alternative Holzarten, Einjahrespflanzen)
- Kontinuierlicher Aufschluss lignocellulosehaltiger Rohstoffe (Span- und Faserstoffherstellung)
- Einsatz herkömmlicher organischer und anorganischer Bindemittel sowie alternativer Bindemittel/Bindemittelkombinationen (z. B. Proteine, Zement)
- Verbundplatten mit alternativen und funktionellen Mittellagen
- Thermisch und chemisch modifizierte Holzwerkstoffe
- Dämmstoffe aus organischen Rohstoffen
- Papier und Karton im Trockenverfahren für Verpackungszwecke (flächige Kartone, Wellpappe)
- Herstellung von MDF und Verpackungsmaterialien aus trocken aufgeschlossenem Altpapier
- Funktionalisierung (Pulverlackierbarkeit, Nachformbarkeit, Heizung/Kühlung, Schwerentflammbarkeit)
- Gestaltung des Rohdichteprofils
- Prüfmethodenentwicklung (z. B. Kurzzeitkriechverhalten)
Klebstoff- und Additiverprobung
Die Holzwerkstoffentwicklung ist eng mit der Entwicklung von geeigneten Klebstoffsystemen verknüpft. Ohne Klebstoffe sind die meisten Werkstoffe auf lignocelluloser Basis nicht herstellbar. Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von Klebstoffen sind u. a. hohe Reaktionsgeschwindigkeiten, niedrige Emissionen, geringe Kosten, ausreichende Verfügbarkeit und eine gute Vernetzung mit den Strukturelementen.
Im Fachgebiet Werkstoffe wird zum einen die technologische Umsetzung der Beleimung von Partikeln (Blender, Blowline) oder Lagen (Walzenbeleimung, Spachtel) mit verschiedenen Klebstoffen und Additiven untersucht sowie deren Einfluss auf den Pressprozess (Presszeit, -druck, -temperatur) ermittelt. Zum anderen werden die Kennwerte für die Verklebungsqualität bestimmt (u. a. Gelzeit, Bindemittelverteilung, Zugfestigkeit). Neben den klassischen Klebstoffen auf Basis von Formaldehyd und Isocyanaten sind Alternativen wie thermoplastische (PVAc, EPI), natürliche (Proteine, Lignin) und anorganische Bindemittel (Zement, Gips, Wasserglas) sowie holzeigene Bindekräfte Untersuchungsgegenstand. Zudem kommen verschiedene Additive zur gezielten Verbesserung der Werkstoffe (u. a. Hydrophobierung, Brandschutz, Emissionsminderung) zum Einsatz.
Technologieoptimierung und –beratung
Das Vermarktungspotenzial eines Werkstoffes wird neben ökologischen Aspekten wesentlich vom Preis bestimmt. Aus diesem Grund zielen Technologieoptimierungen bei der Herstellung von Holzwerkstoffen insbesondere auf Energie- und Materialeinsparungen ab. Die Technologieoptimierung von Holzwerkstoffen umfasst dabei eine Reihe von Prozessstufen, beginnend bei der Partikelerzeugung bis hin zum Heißpressprozess.
Im Fachgebiet Werkstoffe werden im Speziellen folgende Fragestellungen zur Weiterentwicklung bestehender Technologien bearbeitet:
- Erzeugung definierter Span- und Strandgeometrien durch Variation der Zerspanungsparameter bei verschiedenen Zerspanungsaggregaten
- Bestimmung der optimalen Faseraufschlussbedingungen im Refiner (Verweilzeit, Druck/Temperatur, Mahlscheibenabstand, Faseraustrag) für die gewünschte Fasergröße
- Auswirkungen verschiedener Rohstoffe auf den Energieverbrauch während des Aufschlussprozesses
- Untersuchung des Einflusses der Partikelgeometrie auf den Verdichtungsprozess
- Klebstoffeinsparung durch Verbesserung des Klebstoffauftrages auf Fasern in der Blowline und durch Einsatz der Kombinations- oder Trockenbeleimungstechnologie
- Presszeitverkürzung durch Vorerwärmung mittels HF-Technologie
- Alternative Presskonzepte zur Herstellung von Partikelwerkstoffen (Hochfrequenz)
Dienstleistungen des Ressorts Werkstoffe
- Kontinuierliche Partikelherstellung, -aufbereitung und -trocknung (u. a. Faserstoffe, Späne, Strands, Hackschnitzel)
- Hydrothermischer Aufschluss von Lignocellulosen
- Definierter Aufschluss verschiedener Ausgangsmaterialien mit horizontaler Wirbelstrommühle inkl. der Möglichkeit der aktiven Stickstoffkühlung
- Kontinuierliche Sichtung von Faserstoffen
- Morphologische Partikelanalysen (Schwingsieb für Späne, Strands und Hackschnitzel; Dynamische Bildanalyse (Camsizer) für Späne und Faserstoff; Luftstrahlsieb für Faserstoffe und Feinstspäne)
- Bestimmung der Schüttdichte von Faserstoffen und Spänen
- Bestimmung der Benetzbarkeit von Partikeln gegenüber verschiedenen Testflüssigkeiten mittels Force-Tensiometer (Kontaktwinkel, Oberflächen- und Grenzflächenspannung)
- Untersuchung der Verteilung von Bindemitteln und Additiven auf Holzpartikeln mittels Konfokalem-Laserrastermikroskop mit zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie (FLIM)
- Industrieanaloge Faserherstellung und Klebstoffapplikation (Blowline)
- Faservliesbildung im Luftstrom zur Erzeugung dünner gleichmäßiger Vliese
- Herstellung von Holzwerkstoffen mit verschiedenen Bindemitteln und Additiven
- Technologieoptimierung (u. a. Kombinationsbeleimung, Rohstoffeinsatz, Faserstoff-Aufschlussgrad, Span- oder Strandgeometrie, Pressparameter)
- Automatische Spanstreuung von ein – und mehrschichtigen Vliesen
- Prüfen des Dauerstandverhaltens (Kriechen und Zeitstandfestigkeit) von Holzwerkstoffen
- Prüfen der Formstabilität von Holzwerkstoffen im Konstant-, Differenz- oder Wechselklima (Doppelklimakammer)
- Prüfen des Rohdichteprofils von Holzwerkstoffen senkrecht zur Plattenebene
- Freibewitterung
- Mikrozugvorrichtung zur Einzelfasermessung
- Bestimmung des dielektrischen Verlustes an Partikeln, Flüssigkeiten und Festkörpern
Technische Ausstattung
Rundholzaufbereitung:
- Entrinder
- Spalter
- Hacker
- Stufensieb
Spanherstellung:
- Messerscheibenzerspaner
- Langholzzerspaner
- Schlagkreuzmühle mit/ohne Messerringeinsatz
- Hammermühle
- Trommeltrockner für Strands
- Stromrohrtrockner für Späne
- Taumelsieb für Fraktionierung
- Wirbelstrommühle
Faserherstellung:
- Laborzerfaserungsanlage (Kocher, 12“-Refiner) inkl. Materialvorbehandlung (Vordämpfer, MSD)
- Blowline-Beleimung
- Stromrohrtrockner
- Trockenrefiner
Hydrothermischer Aufschluss von Lignocellulosen:
- Kocher (Reaktionsraum)
- Materialauslass mit Steam-Explosion oder unter atmosphärischen Bedingungen
Mischaggregate zur Beleimung bzw. Partikelauflockerung:
- Faserstoffmischer
- Spänemischer
- Strand-Mischer
Vliesbildungsanlagen:
- Automatisierte Spanstreuanlage
- Automatisierte Faservliesbildungsanlage
Vorpress- und Vorwärmsysteme:
Presssysteme:
- Heißpressen (rückkühlbar, Formwerkzeugeinbau möglich)
- Heißpresse für Kurztaktbeschichtung
- Massivholzplattenpresse für Lagenwerkstoffe (mit zusätzlichem Seitendruck)
- Hochfrequenz-Presse
Dämmstoffherstellung:
- Durchströmungsanlage (Heißluft, Heißdampf)
- Hochfrequenz-Presse
Partikelanalysen:
- Dynamische Bildanalyse (Camsizer)
- Luftstrahl- und Planprüfsiebmaschine
- Schüttdichte
Spezialprüfungen:
- Rohdichteprofil senkrecht zur Plattenebene
- Kriechen und Dauerstandverhalten nach EN 1156
- Formstabilität im Differenzklima
- Freibewitterung
- Automated Bonding Evaluation System (ABES)
- Force-Tensiometer zur Bestimmung der Benetzbarkeit von Partikeln
- Konfokales-Laserrastermikroskop mit zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung der Verteilung von Bindemitteln und Additiven auf Holzpartikeln ohne vorherige Kontrastierung
- Digitalmikroskop
- Mikrozugvorrichtung zur Einzelfasermessung
- Messgerät zur Bestimmung des dielektrischen Verlustes