JAHRGANG 57, AUSGABE 5/2016

Die Entwicklung eines Verbundwerkstoffs aus Buchenholzfasern und ligninhaltigen duroplastischen

Harzsystemen ermöglicht die Fertigung hochfester MDF.HLS. Die MDF eignen sich u. a. für Anwendungen in Bauwesen und Architektur. Der Aufschluss von Buchenholz zu schwefelfreiem, niedrigmolekularem Organosolv-Lignin nutzt die Syntheseleistung der Natur optimal aus. Das Organosolv-Lignin weist eine aromatische Struktur auf und kann bis zu einem Gewichtsanteil von 20 % kovalent in Phenolharze eingebunden werden. Hierbei weist das Phenolharzsystem keine veränderten Verarbeitungseigenschaften gegenüber dem unmodifizierten Grundsystem auf und kann daher analog verarbeitet und eingesetzt werden.

Der Beitrag beschreibt den Ansatz, thermo- sowie duroplastische Kunststoffe mit Holzspänen zur Herstellung von 3-D-Formteilen zu verbinden. Herausfordernd ist eine gezielte Span- und Matrixmaterialeinbringung in das im Prozess geschlossene Werkzeug, sodass richtungsabhängige Eigenschaften sinnvoll genutzt werden können. Die Holzspäne müssen anwendungsorientiert im Werkzeug verteilt werden. Langspäne dienen analog zu Fasern konventioneller Faser verbundkunststoffbauteile der Kraftübertragung und können lastpfadgerecht abgelegt werden. Kurzspäne und Holzstaub können homogen zwischen den Langspänen verteilt werden, um den Holzvolumenanteil zu steigern und Randbereiche nacharbeitsfrei zu ermöglichen. Der Prozess der Matrixmaterialeinbringung bestimmt die Kavitätsfüllung und Spanbenetzung. Durch Steue-rung des anschließenden Pressprozesses der ausgerichteten und benetzten Holzspäne können Dichte und Wanddicke des Formteils beeinflusst werden.

Innerhalb der hier vorgestellten Arbeiten wurde die „Atmospheric Pressure Plasma Chemical Vapour Deposition“-Technik (APCVD) eingesetzt, um amorphe, quarzähnliche und antimikrobiell ausgestattete Dünnschichten auf Buchenfurnier abzuscheiden. Zusätzlich wurden zur Realisierung antimikrobieller Eigenschaften die Wirkstoffe Ag, Cu und Zn in die Schichtmatrix integriert. Die SiOx-Schichtmatrix wurde durch Zudosierung von Hexamethyldisiloxan (HMDSO) in den reaktiven Plasmaraum erzeugt. Durch Einspeisung wirkstoffhaltiger Sekundärprecursoren (AgNO3, Zn(NO3)2, Cu(NO3)2) ließen sich die bakteriziden Wirkstoffe in die Beschichtungen integrieren. Die Morphologie der abgeschiedenen Schichten sowie deren chemische Zusam-mensetzung wurden mittels REM und XPS aufgezeigt. Die antibakteriellen Eigenschaften der Beschichtungen wurden mittels BacTiter-Glo®- und Agardiffusionstest bestimmt. Die hergestellten Schichten zeigten starke antibakterielle Wirkungen sowohl auf Escherichia coli (gram-) als auch auf Staphylococcus aureus (gram+). Allerdings konnte keine signifikante Wirkung auf Schimmelpilze festgestellt werden. Abriebtest und Auslaugversuche zeigten eine gute Beständigkeit der Beschichtungen.

Im Rahmen dieser Studie wurden insgesamt vier neue Prüfmethoden als einfache Alternativen zu standardisierten Freilandverfahren zur Prüfung der Dauerhaftigkeit von Holz außerhalb der Erde angewendet. Hierzu wurden Prüfkörper aus unbehandelter Fichte (Picea abies Karst.) und Kiefernsplint (Pinus sylvestris L.), die in den meisten Freilandversuchen als Referenz verwendet werden, hergestellt. Übergeordnetes Ziel dieser Studie war es, eine einfache Alternative zu den wenigen standardisierten Prüfmethoden für Expositionen außerhalb der Erde, wie zum Beispiel der L Joint- und der Lap-Joint-Methode zu finden, und einige ihrer Mängel (kostenintensive und zeitaufwendige Prüfkörperherstellung, Auftreten von kaum nachweisbarer Innenfäule hinter Dichtstoffen oder Beschichtungen) zu reduzieren. Aus diesem Grund wurden verschiedene Bündelprüfkörper außerhalb der Erde exponiert und über ein Jahr im Hinblick auf ihr Feuchtigkeitsverhalten und für bis zu acht Jahre hinsichtlich der Entstehung von Fäulnis untersucht. Für beide Holzarten ließ sich eine schnelle Fäulnisentwicklung nachweisen, wobei alle vier Bündeltypen zu einer beschleunigten Fäulnisentwicklung im Vergleich zu Einzelprüfkörpern führten. Unabhängig vom Prüfkörpertyp und der Holzart war Braunfäule der dominierende Fäuletyp. Die Gesamtfeuchte der Proben über den gemessenen Zeitraum war nicht sehr hoch, die Feuchte in der Nähe der Kontaktflächen aber ausreichend, um einen Pilzbefall und somit Fäulnis zu ermöglichen. Auch im Hinblick auf die praktische Umsetzung erwiesen sich die Bündel als geeignet, sehr kostengünstig und ließen sich mit geringem Aufwand herstellen. Weiterhin ließ sich der Fäulnisfortschritt einfach und sicher bestimmen.

Derzeit existieren für Digitaldrucke auf Holzwerkstoffen keine genormten oder anderweitig vereinbarten Eigenschaften/Merkmale einschließlich zugehöriger Prüfmethoden, mit denen ein Druckgrund charakterisiert werden kann. Gleichermaßen fehlen definierte Parameter und entsprechende Grenzwerte zur Charakterisierung von Probedrucken und zur Vorhersage der Druckqualität. Die Entwicklung von Grundierungen bzw. Druckaufbauten erfolgt heute vornehmlich nach dem Trial-and-Error-Prinzip. Ziel des Projektes war die Ableitung von Einflussgrößen des Druckgrundes auf die Druckqualität beim Digitaldruck. Dazu waren geeignete Messverfahren für die Druckqualität und Einflussgrößen des Druckgrundes zu entwickeln bzw. anzupassen. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Haupteinflussgröße auf die Druckqualität die Rauheit des Druckgrundes ist. Weiterhin sind die Oberflächenenergie sowie der Weißgrad und L*-, a*- sowie b*-Werte des Druckgrundes und der Grundierungen von Bedeutung. Das zeitnahe Fixieren der UV-Drucktintentropfen mittels LED-Pinning wirkt sich positiv auf die Druckqualität aus.

Holz ist mit Blick auf seine Eigenschaften und Bedeutung für einen Übergang zu nachhaltigeren Gesellschaften ein Werkstoff mit einem immensen Potenzial. Ein Ansatz, dieses Potenzial besser abrufen zu können, ergibt sich aus der Nutzung der besonderen hierarchischen Struktur des Holzes als Gerüstsubstanz für Holz-Mineral-Hybridmaterialien und Holz-Polymer-Komposite. Dabei ist es hilfreich, modulare Modifikationsansätze zu entwickeln, die es konzeptionell erlauben, Holzeigenschaften für gegebene Anwendungen zu verbessern, aber auch neue Funk-tionalitäten an das Holz zu koppeln und so gänzlich neue Anwendungsfelder zu erschließen. Dies bedarf interdisziplinärer Forschungsaktivitäten unter Einbeziehung weiterer Wissenschafts-disziplinen, wodurch sich auch die notwendige Akzeptanz und das Interesse für Holz in den Materialwissenschaften erhöhen kann.

Holzstaub an Arbeitsplätzen ist nicht nur störend, er kann auch Krankheiten an der Haut, am Atemtrakt und allergische Reaktionen verursachen. In Deutschland sind ca. 700.000 Beschäftigte an Arbeitsplätzen in verschiedenen Branchen einer Holzstaubbelastung ausgesetzt. Zur Minimierung des gesundheitlichen Risikos wurde der Luftgrenzwert für Holzstaub auf 2 mg/m³ (gemessen als einatembarer Staub) festgelegt. Insgesamt sind mehr als 40 Holzarten beschrieben, die allergische Soforttypreaktionen induzieren können. Besonders häufig werden tropische Hölzer als Ursache dieser IgE-vermittelten Allergien genannt, aber auch einheimische Laub- und Nadelhölzer können diese Form von Allergien verursachen. Die Diagnose einer Holzstauballergie ist allerdings oftmals schwierig, da die Auswahl kommerzieller Testlösungen, mit denen der Nachweis einer Sensibilisierung möglich ist, begrenzt ist und durch sogenannte Kreuzreaktionen mit anderen allergenen Komponenten beeinflusst werden kann. Neben einer standardisierten Diagnostik ist es wichtig, auch die aktuelle Holzstaubexposition zu bestimmen bzw. Interventionsmaßnahmen bei erkrankten Beschäftigten zu überwachen. Im Gegensatz zur gravimetrischen Bestimmung der gesamten Holzstaubmenge in der Luft ist eine Quantifizierung des Holzstauballergens an entsprechend exponierten Arbeitsplätzen nur mit spezifischen Testverfahren möglich. Aktuell ist ein hochsensitives Testsystem zur Detektion von Abachiholzallergenen verfügbar. Damit können die Holzallergenkonzentration in Luftstaubproben von Arbeitsplätzen erfasst und sogar Verschleppungen des Allergens in angrenzende Bereiche bis hin zu privaten Räumlichkeiten nachgewiesen werden.

Der Beitrag schildert die Notwendigkeit einer authentischen Holzsammlung, die für eine gezielte Forschung auf forstlichem wie auch holzkundlichem Gebiet unerlässlich ist.