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Zielvorgaben an Forschung

Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit war die Verbesserung der Dimensionsstabilität, der Leitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften von Massivholz (erarbeitet an Rotbuche - fagus silvatica) durch die Einbringung von Primolharzen in einem mehrstufigen Verfahren. Weiters sollte durch die Beimengung von Farbstoffen eine durchdringende Imprägnierung erzielt werden, wobei die gesamte Farbpalette abgedeckt werden sollte. Dadurch sollte indirekt, basierend auf den eingebrachten Farbstoffen neben den optischen Gesichtspunkt auch der Faktor der UV-Absorption durch die eingesetzten Farbstoffe, eingebettet in das Harz, erreicht werden.

Inhalt und innovative Lösung

Die Optimierung von Primol seitens der Molekülgröße, der Applikation und die Beimengung von Farbstoffen konnte so verbessert werden, dass eine vollkommene Imprägnierung von Buchenmassivholzproben auch mit dem Farbstoff in der Größe
8 x 20 x 700 mm erreicht werden konnte. Die erzielten Ergebnisse in Form von Praxisversuchen verdeutlichen dabei eine Dimensionsstabilität von bis zu 80 %. Die mikroskopischen Untersuchungen (SEM/EDX) verdeutlichen weiters eine signifikante Aufnahme von Primol und den Farbstoffen in die Zellwand. Die erzielten Ergebnisse haben dabei auch eine signifikante Verbesserung der Kratzfestigkeit, der Brinellhärte, der Chemikalienbeständigkeit, des Abriebverhaltens und der Brennbarkeit (Restlänge nach ÖNORM B 3810) erbracht. Ebenfalls konnte eine bedeutsame und wesentliche Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.

Untersuchungen zur UV-Belastung der eingebrachten Farbstoffe entsprechend ÖNORM B 3003 zeigen eine Absorption von 100 % im Bereich von 200 bis 400 nm. Entsprechend der Nachbehandlung der behandelten Proben kann eine Restfilmdicke erhalten bleiben, die eine weitere Oberflächenbehandlung nicht mehr notwendig macht.

Erhöhte Wertschöpfung

Der primäre Fokus dieser Arbeit war auf die Parkettindustrie gerichtet.
Die erzielten und auch industriell umsetzbaren Ergebnisse zeitigen eine wesentliche Erhöhung der Wertschöpfung wie:

• Wesentliche Rohstoffoptimierung (6mm Stärke genügen gegenüber herkömmlichen Stärken von 21mm)
  
  
• Völlig neuartiges Produkt
  
  
• Keinen Renovierungsbedarf
  
  
• Erstmalig wirklich geeignet für Fußbodenheizsysteme
  
  
• Neue zusätzliche Anwendungsbereiche in Sektoren hoher Beanspruchungsklassen werden erschlossen.
  
  
• Hohe Chemikalienbeständigkeit – neue Marktfelder
  

Problemstellung

Holz zählt heute mehr denn je zu den am vielseitigsten verwendeten Werkstoffen. Besonders geschätzt wegen seiner vielen positiven Eigenschaften, wie Verarbeitbarkeit, Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eines hohen Wärmedämmvermögens, guter akustischer Eigenschaften und nicht zuletzt seines schönen Aussehen, ist Holz zu einem unverzichtbaren Werkstoff geworden. Gerade die Problematik „umweltbewusstes Denken “ in die daraus abgeleiteten Ökobilanzen betätigen die positiven Eigenschaften auf nachvollziehbarer objektiver Basis. Neben diesen und noch anderen positiven Eigenschaften hat Holz unter anderem auch Nachteile gegenüber anderen Werkstoffen.

Durch seine Hygroskopizität kommt es zu Schwind- u. Quellprozessen und als Folge davon oft zu unerwünschten Fugenbildungen. Deshalb zählt die Optimierung der Dimensionsstabilität von Holz durch verschiedenste physikalisch – chemische Methoden zu den vorrangigen Aufgaben der internationalen Holzforschung. Als Kombination zur Dimensionsstabilisierung werden sehr oft auch bestimmte physikalische Kennwerte, wie Härte oder Kratzfestigkeit sowie die Brennbarkeit ebenfalls verbessert. Bisher wurden mehr als 25 Methoden zur Verbesserung der Dimensionsstabilität und der mechanischen Eigenschaften des Holzes bekannt. Nur die allerwenigsten davon, wie beispielsweise die thermische Vergütung, werden auch produktionstechnisch umgesetzt. Die Ursache dafür liegt in vielen Fällen einerseits in der Umsetzung von Labor- auf Praxisbetrieb und anderseits im Kostenfaktor.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Verbesserung der Dimensionsstabilität, der Leitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften von Massivholz (erarbeitet an Rotbuche) durch die Einbringung von Primolharzen in einem mehrstufigen Verfahren. Weiters sollte durch die Beimengung von Farbstoffen eine durchdringende Imprägnierung erzielt werden, wobei die gesamte Farbpalette abgedeckt werden sollte. Dadurch sollte indirekt, basierend auf den eingebrachten Farbstoffen neben den optischen Gesichtspunkt auch der Faktor der UV-Absorption durch die eingesetzten Farbstoffe, eingebettet in das Harz, erreicht werden.

Bisherige Versuche einer Modifizierung von Massivholz mit Hilfe von Harzen scheiterten bisher daran, dass die Molekülgröße der eingesetzten Imprägnierungen maximal eine Imprägnierung der Randzonen erlaubte bzw. in Form des Melaminharzes an der Menge des eingebrachten Wassers mit all den Folgewirkungen im Rahmen der Aushärtung scheiterte. Deshalb sollte die Molekülgröße u.a. so optimiert werden, dass auch die Zellwände imprägniert werden können und das Wasser als Trägermaterial ersetzt werden. Nur eine Imprägnierung der Zellwände ist die Voraussetzung dafür, dass eine Dimensionsstabilisierung erreicht werden kann. Basierend auf der eingesetzten Substanz Primol sollte in weiterer Folge eine herkömmliche Oberflächenbehandlung durch Versiegelungslacke nicht mehr notwendig sein.

Stand der Technik

Die verschiedensten Methoden der Holzvergütung, teilweise auch als Kombination in der Anwendung, haben meist die verschiedensten Ansätze im Rahmen der Behandlung..
Eine Herabsetzung der Hygroskopizität des Holzes kann dabei grundsätzlich durch mehrere Faktoren erreicht werden. Dazu zählen die chemischen Methoden (Acetylierung), die Einlagerung von nicht flüchtigen Bestandteilen als Sperrmittel in die gequollene Zellwand (Monomere), die Bildung von Querverbindungen zwischen den Struktureinheiten innerhalb der Holzfaser und die physikalischen Methoden, wie beispielsweise die thermische Behandlung des Holzes.

Die Benetzbarkeit von Holzoberflächen gegenüber Flüssigkeiten kann dabei durch chemische Modifikation erreicht werden. Dabei ist dieser Prozess ein sehr zeitabhängiger ( Pecina u. Paprzychi 1990). Dabei zeigen leicht zugängliche Hydroxylgruppen eine hohe Hygroskopizität . Stoffe wie Lignin, Wachse und Harze wirken hingegen hydrophobierend. Die Behandlung mit Essigsäureanhydrid ( Militz 1991) zeigten Verbesserungen der Dimensionsstabilität von 60 bis 80 %. Weiters wurde festgestellt werden, dass die Holzausgleichsfeuchtigkeit deutlich herabgesetzt werden konnte. Der Fasersättigungspunkt lag bei behandelten Buchenholzproben bei rund 12 %. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine praktische Anwendung von acetylierten Buchenproben in verschiedenen Bereichen, in denen eine gewisse Formstabilität sowie Dauerhaftigkeit gefordert ist, denkbar ist. Pilotanlagen dazu haben bereits bedeutsame Fortschritte gebracht.

Von den auszugsweise angeführten Methoden werden nur die wenigsten Formen in der Praxis aus den bereits vorher angeführten Ursachen in größerem Umfang auch eingesetzt. Dazu zählt u.a. auch die Thermobehandlung zur Reduzierung des Schwindens und Quellens bzw. zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit, die gerade in den letzten Jahren große Anwendungsbereiche erschlossen hat jedoch keine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften erbringt.
Ähnliche Aussagen beziehen sich auf die Acetylierung. Der Ansatz zur Imprägnierung mit Harzen zeigt im Beriech der Parkettindustrie zeigt geringe Produktionskapazitäten ein der Verwendung von natürlichen Harzen und Stärkeprodukten aus der Landwirtschaft. Entsprechende Referenzböden wurden bereits verlegt.

Eine technische Anwendung bei der Imprägnierung mit Monomeren ist u.a. auch in der Fertigparketterzeugung anzutreffen, wo die Deckschicht mit Kunstoffen zur Verbesserung der Dimensionsstabilität und der Härte und Kratzfestigkeit eingesetzt wird. Die Aushärtung der eingebrachten Harze erfolgt dabei durch harte Strahlen. Bedingt durch diesen hohen technischen Aufwand (Aushärtung mit harten Strahlen) und die Ansiedelung als Fertigparkett (Unterzug in Weichholz nicht modifiziert) kommen die dimensionsstabilisierende Maßnahmen für das Gesamtparkett nicht zu tragen.

Aufnahme einer Probe			Blaue Buche

Innovative Lösung

Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Arbeiten ergeben sich einerseits Verbesserungen im bisherigen Anwendungsbereich des Massivholzes bzw. vollkommen neue Verwendungsmöglichkeiten im Bereich starker Beanspruchung und Farbgebung, die bisher anderen Werkstoffen vorbehalten waren.

Die erzielten Ergebnisse in Form von Praxisversuchen verdeutlichen dabei eine Dimensionsstabilität von bis zu 80 %. Dabei konnte, bezogen auf die dichte der eingesetzten Massivholzstücke, eine Gewichtszunahme von bis zu 52 % erzielt werden. Die mikroskopischen Untersuchungen (SEM/EDX) verdeutlichen dabei eine signifikante Aufnahme von Primol und Farbstoffen in die Zellwand. Der Anteil an Primol, zumindest in den Gefäßen, konnte nach der Aushärtung auf 15 % reduziert werden. Das ist deshalb auch von so entscheidender Bedeutung, da der Anteil von Primol im Lumen nicht zur Dimensionsstabilisierung beiträgt.

Die erzielten Ergebnisse haben dabei auch eine signifikante Verbesserung der Kratzfestigkeit, der Brinellhärte, der Chemikalienbeständigkeit, des Abriebverhaltens und der Brennbarkeit (Restlänge nach ÖNORM B 3810) erbracht.
Untersuchungen zur UV-Belastung der eingebrachten Farbstoffe entsprechend ÖNORM B 3803 zeigen eine Absorption von 100 % im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm. Bedingt durch die durchdringende Imprägnierung ergibt sich eine gleichmäßige Abnützung und, als Folge einer nicht notwendigen Beschichtung ( Versiegelung, Ölung, Waschbehandlung uä.) mit herkömmlichen Oberflächensystemen sowie in weiterer Folge auch keine Renovierung.

Ein weiteres und sehr wesentliches Ergebnis liegt in der signifikanten Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit (> 10 fache Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber herkömmlichen Buchenmassivparkett) und auch eine gewisse Wärmespeicherung durch das modifizierte Produkt konnte nachgewiesen werden. Somit ist dieses Produkt erstmalig wirklich für ein Fußbodenheizsystem geeignet.

Innovation

Die bis dato, entweder im Ansatz oder bereits in der Umsetzungsphase eingesetzten
Modifizierungen von Massivholz für die Anwendung im Fußbodenbereich, chemisch oder physikalischer Art, deckten stets nur einen Teil der gesetzten Zielvorgaben ab.

Dazu zählt unter anderem das gerade im letzten Jahr massiv eingesetzte Thermoholz. Zwar wird das Schwind und Quellverhalten solcher Böden reduziert hingegen gibt es, auch bei hellen Holzarten, nur einen Farbton, d.h. hell bis dunkelbraun je nach Intensität und Art der Behandlung. Eine Modifizierung der Festigkeitseigenschaften wird dabei nicht erreicht. Die Acetylierung liefert von der Dimensionsstabilität ähnliche Ansätze ohne gravierende Veränderung der Farbe jedoch ohne Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und keine direkte durchgehende Farbgebung. Andere Ansätze durch die Imprägnierung mit Monomeren oder alternativen Produkten liefern ebenfalls nur Detaillösungen zu einer Modifizierung und erreichen nicht die mit Primol erreichten Ziele.

Im Vergleich dazu, basierend auf dem mit Primol imprägnierten Massivholz erzielten Parametern, ergeben sich folgende spezifische Innovationen im Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technologien. Dabei treffen die spezifischen Innovationen auf die Punkte 1 bis 7 zu. Dazu zählen die Molekülgröße, der Ersatz von Wasser als Trägermaterial, die Imprägnierung über den gesamten Querschnitt, die Trennung in einzelne Komponenten, eine Aushärtung bei Normaltemperatur, eine Einsparung bei der Renovierung, eine Farbgebung und letztlich eine wesentliche Erhöhung der Leitfähigkeit. Die physikalischen Eigenschaften und die anderen positiven Eigenschaften, bedingt durch eine bessere Wärmeleitung, sind bei den bereits bekannten Methoden bereits vorhanden.

Die Innovationen im Detail:

• Die Molekülgröße von Primol konnte so verringert werden, dass dadurch eine Imprägnierung der Zellwand ermöglicht wird. Bedingt dadurch werden Dimensionsstabilisierungswerte von bis zu 80% erreicht. Außerdem wird durch ein Endvakuum überschüssiges Harz aus dem Lumen entfernt.
  
  
• Wasser als Trägermaterial für die Harze, wie beispielsweise bei Melaminharz, wurde durch Lösemittel ersetzt, wodurch es zu keiner Erhöhung der Feuchtigkeit der Proben im Rahmen der Behandlung kommt. Bedingt dadurch wird kein Wasser im Rahmen der Imprägnierung eingesperrt, das in weiterer Folge bei einer Trocknung wieder entfernt werden muss und gravierende Probleme bereitet.
  
  
• Bedingt durch den Applikationsablauf und die Konzeption von Primol kommt es zu einer Durchimprägnierung mit Harz und Farbstoffen und damit einer vollkommenen Stabilisierung. Bisherige Versuche sind eher von einem Randschutz ausgegangen, da die Molekülgröße der eingesetzten Harze für eine Penetration quer zur Fase limitiert war.
  
  
• Eine großtechnische Umsetzung kann nur durch eine Trennung der einzelnen Komponenten im Vakuumzylinder, wie Katalysator, Harz und Härter erfolgreich umgesetzt werden, da die Topfzeit bei einer Aushärtung bei Normaltemperatur begrenzt ist. Wird diese Trennung nicht durchgeführt, so muss entweder mit erhöhter Temperatur oder mit harten Strahlen gearbeitet werden, wobei in diesem Fall kein Katalysator erforderlich ist. Primol arbeitet mit einem chemischen Katalysator, um den großtechnischen Ablauf zu erleichtern.
  
  
• Dadurch ergibt sich eine Aushärtung bei Normaltemperatur, was einerseits den Produktionsablauf erleichtert und anderseits damit auch die Kosten senkt bzw. auch die Anschaffungskosten verringert.
  
  
• Bedingt durch eine Imprägnierung über den gesamten Querschnitt der Proben verbleibt eine gewisse Menge an ausgehärteten Harzen auch an der Oberfläche und bildet dadurch einen Film, der in weiterer Folge eine zusätzliche Oberflächenbehandlung nicht mehr notwenig macht. Dadurch gibt es einen gemeinsamen Abrieb von Harz und Holz an der Oberfläche. In Folge von starken Beanspruchungen im Objektbereich erfolgt damit eine langsame Reduzierung der Nutzschicht. Da die Matrix Holz und Oberfläche Primol gemeinsam abgenützt wird ist eine Renovierung im herkömmlichen Sinn (Abschleifen und Neuversiegeln) nicht mehr notwendig.
  
  
• Durch die Vermischung von Primol mit Farbstoffen ergibt sich je nach Menge und Farbton ein bestimmtes Maß an UV-Absorption sowohl für Primol als auch für die Matrix Holz. Weiters wird damit der gestalterische Rahmen wesentlich erweitert, da mit einer Holzart (Buche) die gesamte Farbpalette abgedeckt werden kann. Da die Farbstoffverteilung über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verläuft sind im Vergleich zu einer rein oberflächlichen Farbgebung (z.B. Beizen) wesentliche Voraussetzungen dafür gegeben, dass ein Renovierung auch bei eingefärbten Böden nicht notwendig ist. Die Matrix Holz und Oberfläche (Primol und Farbstoff) wird gemeinsam abgenützt.
  
  
• Die physikalischen Eigenschaften, wie Härte, Abrieb, Kratzfestigkeit, Brennbarkeit und Chemikalienbeständigkeit werden signifikant verbessert. Eine Beschreibung der Detailverbesserungen erfolgte bereits im Punkt B.2.
  
  
• Bedingt durch die erzielte Dimensionsstabilisierung und die wesentlich bessere Wärmeleitung als Folge des Einbringens von Primol ergeben sich optimale Einsatzmöglichkeiten bei Fußbodenheizungssystemen.

Die angeführten Verbesserungen, vorerst nur für den Fußbodenbereich konzipiert, beinhalten auch eine Menge von neuen Ansätzen für weitere Innovation in der Holzindustrie. Dazu zählt u.a. die Möbelindustrie und die Fensterindustrie.
Für solche Anwendungsgebiete werden derzeit Substanzen auf Primolbasis optimiert und deren Applikationsmechanismen adaptiert und sind Gegenstand eigener Projekte.

Future

Primol modifiziertes Holz ist ein völlig neuartiges Produkt welches somit auf verschiedene Märkte fokussiert werden kann, wobei anfänglich der Fokus klar auf die Parkettindustrie ausgerichtet wurde und alle Marketingaktivitäten sind somit auf diese Märkte konzentriert und konzipiert.

• Parkett erstmalig wirklich kompatibel mit Fußbodenheizsystemen

Bei Verwendung eines Fußbodenheizsystems entscheiden sich viele Kunden – in Kenntnis der schlechten Leitfähigkeit – leider gegen einen Holzboden und greifen zu „leitfähigeren“ Varianten wie Fliesen und ähnlichen Materialien.

Am Beispiel der Schweiz kann der Anstieg von Fußbodenheizsystemen in Verbindung mit keramischen Bodenbelägen sehr eindrucksvoll gezeigt werden. Fußbodensysteme als alternative alleinige Raumheizungsmodelle nehmen in der Schweiz überproportional zu und dieses geht Hand in Hand mit der Verwendung von entsprechenden leitfähigen Bodenbelägen wie Fliesen und ähnlichen Materialien.

Primol modifiziertes Parkett hat beispielsweise unter Verwendung der Baumart Buche eine mehr als zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit und besitzt zudem auch noch eine gewisse Speicherfähigkeit ähnlich dem eines keramischen Produktes – somit der ideale Bodenbelag mit dem großen Vorteil – Holz ist ein heimeliger warmer Werkstoff im Gegensatz zur kalten Bodenfliese.

Alleine dieser Aspekt mit einem entsprechenden Marketingkonzept des jeweiligen Produzenten kann eine wesentliche Steigerung der Holzparkettverwendung bewirken und somit einen multiplen Effekt bei allen vor- und nach gelagerten Industrien nach sich ziehen.

• Parkett mit sehr hoher Dimensionsstabilität

Viele potentielle Kunden führen als wesentlichen Nachteil eines Parkettbodens – insbesondere im Bereich Massivholzparkett – sein „unruhiges“ Verhalten und die damit verbunden negativen Konsequenzen an. Parkett mit der beschriebenen Stabilität hat diese negativen Eigenschaften nicht und wird für solcherart Kunden eine wirkliche Kaufalternative darstellen

• Farbgebung – ein Weg zur Lancierung neuer „Mode“

Ein sehr bedeutsamer Aspekt – mit Hilfe er erzielbaren flexiblen Farbgebung kann der Produzent eine „Mode“ kreieren und somit einen wesentlichen Wettbewerbsvorsprung als „Erster“ erzielen.

• Hohe Abriebswiderstände, große Härte, hohe Kratzfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit

Alles sehr wesentliche und sehr positive Eigenschaften welche diesem Produkt ebenfalls völlig neue Märkte erschließen kann.

Bedingt durch ein echtes MSP sind in diesem Markt sehr bedeutsame Sektoren ansprechbar und erhöhen die Wertigkeit des Produktes um ein Vielfaches.

Dies kann in allen Vor- und Nachgelagerten Sparten eine wesentliche Erhöhung von Kapazitäten und Ressourcen bedeuten – sowohl menschliche Ressourcen als auch Ressourcen im Bereich der Rohstoffbeschaffung und im Bereich der Produktion sind hier dauerhaft und somit nachhaltig positiv betroffen.