Grundlagen der Be- und Verarbeitung von Holz

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Grundlagen der Be- und Verarbeitung von Holz

Author(s):

Niemz, Peter Publication Date:

2016

Permanent Link:

https://doi.org/10.3929/ethz-a-010635669

Rights / License:

In Copyright - Non-Commercial Use Permitted

Peter Niemz Institut für Baustoffe Arbeitsgruppe Holzphysik ETH Hönggerberg HIF E25.2 mail: niemzp@ethz.ch www.ifb.ethz.ch

Grundlagen der Be-und Verarbeitung von Holz

Ablauf der LV

•Vorlesungen

•benotete Semesterleistung:

Vortrag zur Holznutzung/Bericht oder Prüfung

I. Grundlagen der Holzbearbeitung 1. Ökologische Bedeutung des Holzes 2. Trennen

3. Trocknen 4. Verkleben

5. Holzschutz und Holzvergütung

II. Herstellung von Produkten aus Holz (Prozesse) 1. Schnittholz

2. Holzwerkstoffe (Massivholzwerkstoffe, Sperrholz, Spanwerkstoffe, Faserwerkstoffe, Verbundplatten, WPC)

3. Zellstoff

4. Chemische und energetische Nutzung des Holzes

Gliederung Holzverarbeitungskomplex in Chile, 4,5Mio m

³

Holz/a

Rundholzsortieranlage, 2Miom

³

/a

1. Ökologische Bedeutung des Holzes

Struktur Holzverbrauch Deutschland

Massenbilanz beim Wachstum des Baumes

Chemische Zusammensetzung von Holz:

50% Kohlenstoff, 44% Sauerstoff, 6% Wasserstoff, 0,05-02,25% Stickstoff Quelle: Lexikon der Holztechnik 2003

CO 2 - Speicherung in einem m ³ Holz Wälder als Kohlenstoffspeicher, -senken und -quellen

Kohlenstoffsenke: Der Wald nimmt in der Wachstumsphase CO

₂

auf und bindet es. Durch die Messung des Zuwachses kann die jährliche, zusätzliche CO

₂

-Bindung berechnet werden.

Kohlenstoffspeicher: Urwälder, aber auch nachhaltig genutzte Wirtschaftswälder, befinden sich bezüglich des Kohlenstoff- Austausches im Gleichgewicht und stellen somit Kohlenstoffspeicher dar. Die Speicherwirkung hängt von der Höhe des Vorrates und der Humusschicht (CO

₂

-Bindung im Boden).

Kohlenstoffquelle: Wird mehr Holz geerntet als nachwächst bzw. Wald umgewandelt, so wird Kohlenstoff freigesetzt.

Ziel:

Möglichst viel Holz einsetzen, um Kohlenstoff zu binden (Holz,

Holzwerkstoffe)

Treibhausgase

Treibhausgas Chemische Formel Anteil am Treibhauseffekt

Kohlendioxid CO

2

55 %

Methan CH

4

17 %

Distickstoffoxid N

2

O 5 %

Bodennahes Ozon O

3

14 %

FCKWs und Halogene 9 %

CO 2 -Bilanz Fichtenschnittholz

Energieaufwand zur Herstellung wichtiger Baustoffe

Der Lebensweg eines Produktes

2. Trennen

Schnittarten

Schneiden mit sowie gegen die Faser

Schneiden mit der Faser Schneiden gegen die Faser

Schnittgüte in Abhängigkeit von der Messerschlagtiefe

Ansprüche Messerschlagtief in mm Gefordert bei

hoch 0,03 bis 0,3 Sichtbaren Möbelteilen, die nicht nachgeschliffen werden

mittel 0,3bis 1,2 Profilfräsungen bei Möbelteilen, die

nachgeschliffen werden

gering 1,2- 10 Konstruktionsfräsungen wie Nut und Feder

Schälen von Holz, Druckleiste zum Verhindern des Vorspaltens

Schneidenverschleiss

BR-radiale Verschleissmarkenbreite BT-tangentiale Verschleissmarkenbreite

Kraterbildung und Verbrennung durch Funkenüberschlag bei hoher elektrostatischer Aufladung

(Reibungselektrizität)

Mechanischen Abrieb (Ausbrechen von Gefügeteilchen)

Korrosion durch im Material

vorhandene Säuren

Entstehung der Welligkeit beim Fräsen von Holz Schneidstoffe für Holz und Holzwerkstoffe

Einteilung der Maschinen der Holzindustrie Sägemaschinen

Fräsmaschinen Fräsen

Kreissägeblätter

a) mit Schrank b) mit Stauchung c) Konisch

d) Hobelkreissägeblatt e) Spaltkreissägeblatt

f) bestücktes Sägeblatt

Sägeblätter

a) Gattersäge

b) Dekupiersäge

c) Bandsäge

d) Kettensäge

e) Kreissäge

Schneiden

1) Furnierpaket 2) Messer 3)Druckbalken 4) Messerbalken 5) Anschlag 6) Maschinentisch

Prinzip des Scherens

1) Werkstück 2) Obermesser 3) Untermesser 4) Arbeitsrichtung Obermesser 5) Trennschnitt

6) durch schneidendes Eindringen des Messers entstandener Trennflächenteil

7) durch Überwinden der Scherfestigkeit entstandener Teil

Körnungen für Schleifmittel 3. Trocknen von Holz

3.1 Grundlagen der Trocknung

Holz muss vor der Nutzung auf Zielfeuchte der späteren Verwendung getrocknet werden

Da:

Volumenänderung bei Feuchteänderung/Rissbildung,

Pilzbefall, Festigkeitsänderung

Zielfeuchte

Einsatzfall Feuchtegehalt in %

Schnittholz für Wohnraummöbel 8 … 10

Schnittholz für Bauzwecke 12 … 18 Holzwerkstoffe für Küchenmöbel 10 … 12

Wohnraummöbel 8 … 10

Inneneinbauten 8 … 12

Heizkörperverkleidungen 6 … 8 Fussböden

Parkett

10 … 14 6…8

Sorptionsverhalten des Holzes

Gleichgewichtsfeuchte von Fichte Schema der Vorgänge während der

Holztrocknung

Wasseraufnahme von Luft

7,52 g Wasser (absolute Feuchtemenge) 10 ^o C= Luft zu 80% gesättigt 50 ^o C= Luft zu 3,3% gesättigt

Abhängigkeit der Wasserdampf-Sättigungsmenge von der Temperatur

spezifische Trocknungszeit

Z spezifische Trocknungszeit (h) Ua Anfangsfeuchte (%) Ue Endfeuchte (%) D Holzdicke (mm)

 0,003 bis 0,07

x 1,25 für nasse, 1,5 für vorgetrocknete Hölzer Y 1,5

Gesamte Trocknungszeit

Die Gesamtdauer der Trocknung setzt sich zusammen aus:

T

_{to t}

= T

_erw

+T + T

_ko

+T

_ab

T

_tot:

Gesamttrocknungszeit T spezifische Trocknungszeit T

_erw:

Erwärmungszeit für Kammer und Holz T

_ko

Konditionierungszeit

T

_ab

Abkühlzeit

Trocknungsgefälle

TG Trocknungsgefälle U momentane Holzfeuchte U

_gl

Gleichgewichtsfeuchte

Trocknungsgefälle

Schematischer Ablauf der Holztrocknung Feuchtegefälle

Feuchtegefälle über der Holzdicke bei der Trocknung in

Abhängigkeit von der Zeit und der rel. Luftfeuchte

Entstehung von Trocknungsspannungen Nachweis von Trocknungspannungen

oben: Trennschnitt oben: aussen verschalt unten: innen verschalt rechts: Gabelprobe  oben: spannungsfrei

unten rechts: innen verschalt (Zugspannungen innen) unten links: aussen verschalt (Zugspannungen aussen)

Zellkollaps, Trocknungsrisse, Verformungen 3.2 Trocknungsverfahren

a) Freilufttrocknung b) Technische Trocknung

•Verdunstung

•Verdampfung

•Hochfrequenz

•Vakuumtrocknung

Freilufttrocknung

Zu beachten sind folgende Hinweise:

Die minimal erreichbare Holzfeuchte liegt zwischen 18-22% im Winter und 10-14% im Sommer (ein Einfluss der Holzdicke ist vorhanden)

Ein genügend hoher Unterbau ist erforderlich (frei von Spritzwasser und Mikroklima)

Die Stapelfläche ist frei von Gras etc. zu halten.

Die Bodenfreiheit mindestens 40-60cm (Zementsockel, darüber Stapelunterlage)

Freilufttrocknung

Stapelbildung Lagerung der Bretter in Stapeln

oben: dünne Ware paarweise unten: übliche Anordnung,

rechte Seite nach oben

Holzstapel

Freilufttrocknung

•Die Stapellatten sollten am Rand leicht überstehen (Schutz vor Sonne)

Teilweise werden leicht geneigte Dächer verwendet, um das Holz oben vor Regen zu schützen

•Die Dauer beträgt je nach Holzart und Dicke zwischen 1-4 Jahren Richtwerte: Dichte unter 500kg/m

³

0,6 Jahre/cm;

über 500kg/m

³

1 Jahr pro cm Holzdicke auf freien Luftdurchzug achten

Verdunstungstrockner (Temperatur unter 100 ^o C)

Verdampfungstrocknung (T über 100 ^o C)

Trocknung bei Temperaturen über 100°C.

Die Trocknung wird wesentlich beschleunigt da,

•Hohe innere Dampfdrücke entstehen

•Das Holz eine niedrigere Gleichgewichtsfeuchte anstrebt

•Der E-Modul des Holzes deutlich sinkt

Verdunstungstrocknung 80°C Verdampfungstrocknung 118°C

4 : 1 (Nadelholz)

3..2 : 1 (Laubholz)

Einfluss Temperatur auf Trocknungszeit

Hochtemperaturtrockner (Temperatur über

100 ^o C) Autoklav für Wärmebehandlung

Vakuumpresstrocknung (Opel) Vakuumtrocknung

Vakuumpresstrocknung

Dabei wird eine flexible Abdeckung über das Holz gelegt.

Durch den atmosphärischen Aussendruck

wirkt eine äussere Kraft bei Anlegen des Vakuums auf das Holz, Verformungen werden verhindert.

Vakuumtrockner (Bollmann)

Ziele:

1.Plastifizierung des Holzes zur Verbesserung der weiteren Verarbeitung (z.B. zum Biegen oder für die Furnierherstellung) 2.Abtöten von Schädlingen 3.Abbau von inneren Spannungen (zu Beginn der technischen Trocknung) 4.Farbveränderungen

3.3 Dämpfen von Holz

Indirektes (links) direktes Dämpfverfahren (rechts)

Dämpfzeiten von Holz Dämpfen

Dampfverbrauch:

-indirektes Dämpfen: 10-15 kg/h und umbauten m ³ -direktes Dämpfen: 7-11 kg/h und umbauten m ³ Dämpfzeiten:

Darrdichte: 0,5g/cm ^3: t= 1/2D ² Darrdichte: 0,64g/cm ^3: t= 2/32D ² Dämpfzeit in h

Dämpfen ist auch im Autoklaven möglich

Vor- und Nachteile der beiden Dämpfverfahren

4. Verkleben

•Moderner Holzbau ohne Klebstoffe nicht möglich

•Einsatz für Herstellung von Holzwerkstoffen, Verbindung von Bauteilen, Fugenabdichtungen

Schweiz hat Vorreiterrolle bei Verklebung (Klebstoffe für

konstruktiven Holzbau (Fa. PURBOND) aber auch Spanplatten

(Fred Fahrni)

Was sind Klebstoffe?

= nichtmetallische Werkstoffe, die andere Werkstoffe durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und ihre innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden können, ohne dass sich das Gefüge der zu verbindenden Körper wesentlich ändert

nichtflüchtige Bestandteile:

- Bindemittel - Pigmente - Füllstoffe - Streckmittel

- Hilfsstoffe (Härter, Beschleuniger, Verzögerer)

flüchtige Bestandteile:

- Lösungsmittel - Dispersionsmittel - Verdünnungsmittel

Auto in Holzbau (1934),

Karosserie in Holzbau (Quelle: von Büren)

Tennis- Halle in Holzleimbau, 1928 St. Gallen (Foto: von Büren) Dachkonstruktionen aus

Holzwerkstoffen

Expo-Dach Hannover 2000

6 geschossiger Holzbau,Fa. Rengli/CH

Fassade aus Spezialspanplatte

Kohäsion und Adhäsion

Klebstofffuge Holzteil

Holzteil

Kohäsion Adhäsion

Klebstofffuge

Klebstoffauftrag

•Vollholzverklebung, beschichten von Holzwerkstoffen:

vollflächige Klebstoffangabe

•Holzpartikelwerkstoffe: punktförmige Klebstoffangabe

Anforderungen an einen Klebstoff

• Er muss eine Verbindung mit ausreichender Zug- und Scherfestigkeit sowie Klima–

und Chemikalienbeständigkeit ergeben

• Er soll leicht und schnell auftragbar sein und die zu verbindenden Flächen rasch benetzen

• Er soll möglichst arm an quellend (Wasser) oder destruktiven Reaktionen sein (saure Reaktion)

• Der Übergang des Klebstoffes beim Abbinden soll kontrollierbar sein und in kurzer Zeit erfolgen

• Die Klebfuge darf nicht verhungern, d.h. der Klebstoff darf nicht zu stark in das

Holz eindringen

Zusammensetzung des Klebstoffes

Nicht flüchtigen Bestandteilen

•Klebgrundstoff

•Modifizierungsmittel

•Füllstoffe/Streckmittel

•Hilfsstoffe

•Spezifische Zusatzstoffe

Flüchtigen Bestandteilen

•Lösungsmittel

•Dispersionsmittel

•Verdünnungsmittel

Einteilung von Klebstoffen Nach Aushärtung

Einteilung von Klebstoffen Nach Struktur

Natürliche Klebstoffe:

Klebstoffe auf Basis von Eiweiss:

•Glutin

•Blutalbumin

•Kasein

Klebstoffe auf Basis von Polysachariden:

•Dextrin

•Nitrocellulose

•Karboxymethylcellulose

Synthetische Klebstoffe :

Klebstoffe auf Basis duroplastisch härtender Harze

•Harnstoff-Formaldehyd-Harze (UF)

•Melamin-Formaldehyd-Harze (MF)

•Phenol-Formaldehyd-Harze (PF)

•Kresol-Xylenol-Formaldehyd-Harze

•Resorcin-Formaldehyd-Harze (RF)

•Ungesättigte Polyester-Harze

•Polurethane (PUR, PMDI)

•Mischharze (Harnstoff mit Melamin verschnitten u.a.; z.B. MUPF, PMF, PMUF, Zugabe von Taninnen, Lignin, Isocyanat)

Klebstoffe auf Basis von thermoplastischen Harzen und Kautschuk

•Polyvinylacetat (PVA)

•Polyvenylchlorid und Mischharze

•Chloropren und Kautschuk

Abbinde- bzw. Härtevorgänge

Chemisch reagierende Klebstoffe - Polyaddition

Polyaddition: Anlagerung reaktiver Moleküle an reaktive Doppel- bindungen führt zur Bildung von Makromolekülen;

Wärme oder Katalysator einsatz

Beispiele: - Isocyanate - Polyurethane

Chemisch reagierende Klebstoffe - Polykondensation

Polykondensation: kleine Moleküle bilden Makromoleküle (Spaltprodukt z.B. Wasser), Vernetzung

dieser zu Duroplasten

Beispiele: - Harnstoffharze (UF)

- Melaminharze (MF)

- Phenolharze (PF)

- Resorzinharze (RF)

Chemisch reagierende Klebstoffe – Polykondensation

Harnstoffharze = wichtigste Leimgruppe der Holzindustrie

Vorteile:

+ einfache Handhabung und Verarbeitung + für verschiedenste Holzarten geeignet

+ duroplastische, farblose Leimfuge + unbrennbar + Verfügbarkeit + niedriger Preis + schnelle und vollständige Aushärtung

Nachteile:

- Feuchteempfindlichkeit - Formaldehydabspal-

tung (während und nach Verarbeitung) Aushärtung: freies Formaldehyd reagiert mit Härtern oder zugegebenen Säuren; Reaktionssteuerung über pH-Wert

Chemisch reagierende Klebstoffe - Polykondensation

Melaminharze (MF):

Phenolharze (PF):

Resorzinharze (RF):

- Bessere Feuchtebeständigkeit als Harnstoff- harze - aber teurer, daher meist in Kombination -Feuchtebeständige Verleimung (Span-, Faser-

platten, OSB, Sperrholz mit heisshärtenden PF-Leimen) - geringe Formaldehydabgabe

- geringe Dickenquellung - dunkle Leimfuge - kalthärtend (hohe Reaktivität durch Resorzin-

anteil) - hohe Festigkeit und Wetterbeständigkeit - konstruktiver Holzleimbau auch Aussenbereich

(Keilzinken etc.) - teuer, daher Kombination mit RF-Harzen

Feuchtebeständigkeit von Klebstoffen Feuchtebeständig:

PUR, Phenolharz, Resorcinharz, Melaminharz Nicht feuchtebeständig:

Harnstoffharz, PVA D1 und D2 Tests:

• Partikelwerkstoffe/Sperrholz: kochen in Wasser V100 Test

• Brettschichtholz: Kochen, Kaltwasserlagerung, Delaminierungstest an Bauteilen nach EN 302 (mind. 6 verklebte Lamellen, imprägnieren mit Wasser dann bei 28 oder 65 ^o C trocknen, Test Delaminierung max. 5-10%)

Zerfall von harnstoffharzverleimten Spanplatten bei Freilagerung, BSH nicht mit HF verkleben !

Einsatz in Eishalle in Bad Reichenhall

Verleimungsklassen bei Holzwerkstoffen

Klebstoffeinsatz nach Feuchtebeanspruchung V20 Holzfeuchte < 15% (Faserplatten 12%)

Innenbereich

 Harnstoffharze V100 Holzfeuchte < 18%

Fussbodenbereich, Dachplatten

 Phenolharze, Isocyanate, Melaminharze

V100G Holzfeuchte bis 21% (mit Pilzschutzmitteln)

Gebräuchliche Klebstoffe in der Holztechnik Verarbeitung von Klebstoffen

Material Holzanteil in % Leimanteil in %

Brettschichtholz 95-97 3-5

Massivholzplatte 95-97 3-5

Spanplatte 86-93 7-14

Faserplatte 86-100 0-16

(bei HDF bis 16%, bei leichten MDF je nach Klebstoffart z.T.

deutlich höher)

Furnierwerkstoffe 20-95 5-(80)

(hohe Anteile bei kunstharzimprägniertem Holz)

Übersicht – Holz- und Klebstoffanteile Klebstoffauftrag

Absperren, Auftrag auf Mittellage 150-240g/m

²

Absperren, Auftrag auf Furnier 140-240g/m

²

Kleben sägerauher Flächen 400-500g/m

^2,

, bei PUR 180-200g/m

²

Kleben von Folien auf Spanplatten 80-150g/m

²

Kleben von Dekorfolien auf harte Faserplatten 30-80g/m

²

Kleben von Schmalflächenband auf Spanplatten 140-170g/m

²

Brettschichtholz 300-400g/m

²

Spanplatten/Faserplatten 8-10% bezogen auf darrtrockene Partikel

Klebstoffverarbeitung

Brettschichtholzherstellung Presse mit verstellbarem Pressbett

Holztechnologie I

Kapitel 3 Holzschutz und Holzvergütung

2.5. Holzschutz und Holzvergütung

1 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen für Holz

Holz kann von Pilzen, Insekten und Mikroorganismen zerstört oder abgebaut werden

Holz ist brennbar

Holz ist hygroskopisch. Es kann Feuchte aufnehmen bzw. abgeben und quillt bzw. schwindet infolgedessen

1 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen für Holz

Unterhalt von Holzbauteilen (im Aussenbereich)

1 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen für Holz 2 Gefährdung

Klasse Einsatzort Feuchte Organismen

1 Innen Trocken Insekten

2 Innen Gelegentlich feucht Insekten, Pilze

3.1 Aussen, witterungsgeschützt Gelegentlich feucht

Insekten, Pilze

3.2 Aussen, ungeschützt Häufig feucht

4.1 Erdkontakt Vorwiegend feucht

Insekten, Pilze (inkl.

4.2 Erdkontakt (hohe Beanspruchung); in

Süsswasser Ständig feucht

5 Im Meerwasser Ständig feucht Meerestiere (z.B.

Schiffsbohrmuschel)

Gebrauchsklassen

Gefährdungsklassen 2 Gefährdung

Witterungseinfluss

Holzfeuchte = entscheidender

Aspekt der

Pilzgefährdung

Einfluss durch:

Feuchte (Luftfeuchte, Niederschläge) Sonneneinstrahlung (Wärme, UV) Temperaturen Wind (Trocknung, Abrasion z.B.durch Sand)

2 Gefährdung Witterungseinfluss

2 Gefährdung Holzverfärbende Pilze

Bläuepilze 30-180% Holzfeuchte

15-35°C

Schimmelpilze 30-150% Holzfeuchte

0-50°C

- Abbau von Lignin Zellulose,

Hemizellulose, - Bevorzugt an LH - Zerfaserung des Holzes - Grenzlinien möglich - Bsp.: Schmetterlings-

porling 2 Gefährdung

Fäulearten

- Abbau der Zellulose - Bevorzugt an NH - Rohdichte- und

Festigkeitsabnahme - Würfelbruch - Bsp.: Echter Hausschwamm

Braunfäule Moderfäule Weissfäule

- Holz im Erdkontakt - Aufgeweichte

Oberfläche - Kleiner Würfelbruch

- Gruppe der Moderfäulepilze

Lebensbedingungen holzzerstörender Pilze:

geeignetes Substrat

Feuchte (hohe Substrat- bzw. Umgebungsfeuchte) charakteristischer Temperaturbereich (0-44°C) geringe Ansprüche an Lichtverhältnisse Sauerstoff für Atmung und Stoffwechsel

2 Gefährdung

Eichenporling bzw. Ausgebreiteter Hausporling - Donkioporia expansa Striegeliger Schichtpilz- Stereum hirsutum Schmetterlingsporling - Trametes versicolor Echter Hausschwamm - Serpula lacrimans Brauner Keller- und Warzenschwamm - Coniophora puteana

Weisser Porenschwamm - Antrodia vaillantii Balkenblättling - Gloeophyllum trabeum Schuppiger Sägeblättling (Zähling) - Lentinus lepideus

2 Gefährdung

Vertreter

2 Gefährdung

Tierische Schädlinge

Entwicklungskreislauf der Insekten am Beispiel des Veränderlichen

Scheibenbockes

Holzbewohnende Ameisen Holzwespen Gewöhnlicher Nagekäfer – Anobium punctatum

Brauner Splintholzkäfer – Lyctus brunneus Hausbockkäfer – Hylotrupes bajulus

2 Gefährdung

Vertreter

Termiten

Natürlicher Holzschutz Organisatorischer Holzschutz Konstruktiver Holzschutz Chemischer Holzschutz Biologischer Holzschutz Physikalischer Holzschutz Holzmodifikation Brandschutz

3 Holzschutzmassnahmen

3 Holzschutzmassnahmen Natürlicher Holzschutz

Auswahl der einzusetzenden Holzart in Abstimmung von natürlicher Dauerhaftigkeit (gegen Insekten, Pilze) und potentieller Gefährdung

Bsp.: Stiel-/Traubeneiche Dauerhaftigkeit gegen Pilze  2( = dauerhaft) kein Befall durch Hausbock, anfällig gegen Nagekäfer

Kernholz schwer tränkbar, Splint gut tränkbar

Dauerhaftigkeit einheimischer Bauhölzer

Pilzbefall an mit Teeröl imprägnierter Eisenbahnschwelle (auch Holzschutzmittel werden

abgebaut)

3 Holzschutzmassnahmen Organisatorischer Holzschutz

- Einbaufeuchte

- Fällzeitpunkt: Abtransport ↔ Flugzeiten Insekten

Nasslagerung von Sturmholz zum Schutz vor

Pilzen (zu hohe Feuchte)

Konstruktionsbeispiele 3 Holzschutzmassnahmen Konstruktiver Holzschutz

Zustände vermeiden, die - Befeuchtung, - Pilzbefall, - Insektenbefall etc.

begünstigen.

= Schutz vor Feuchte (Tauwasser-, Wetterschutz

3 Holzschutzmassnahmen Chemischer Holzschutz

= letzte anzuwendende Möglichkeit zum Schutz des Holzes

3 Holzschutzmassnahmen Holzschutzmittel - Inhaltsstoffe:

- Wirkstoff mit biozider Wirkung (Bsp. DDT (grösstenteils verboten), Lindan, Arsen)

- Bindemittel zur Fixierung des Wirkstoffes - Emulgator zum Lösen des Wirkstoffes in der Flüssigkeit löst.

- Pigmente für optische Wirkung, Holzschutz sichtbar machen - Lösemittel

- weitere Hilfsmittel zur Verbesserung der Eigenschaften

3 Holzschutzmassnahmen Holzschutzmittel - Eigenschaften:

Das Holzschutzmittel sollte folgende Bedingungen erfüllen:

- Spezifische Wirkung

- Wirkung in möglichst geringen Dosen - Langandauernde Wirkung

- Kein Fisch- und Bienengift - Gute biologische Abbaubarkeit

- Gute Abbaubarkeit im Wasser

3 Holzschutzmassnahmen Holzschutzmittel - Wirkstoffe:

Lösemittellösliche Wirkstoffe:

Organische Verbin-dungen (spezifische Wirkung bereits in

geringen Mengen) - Lasuren, Grundie-rungen und

Imprägnierungen Wasserlösliche Wirkstoffe auf Basis

anorganischer Salze:

C Chrom F Fluor A Arsen B Bor K Kupfer

Steinkohleteeröl:

aus Fraktionen des Steinkohleteeröls (entsteht bei Trockendestillation von Steinkohle

zu Koks) Biozide Wirkung vieler polyzyklischer aromatischer

Verbindungen

3 Holzschutzmassnahmen Einbringverfahren

Nichtdruckverfahren Druckverfahren

Langzeitverfahren Kurzzeitverfahren Sonderverfahren Niederdruck-verfahren Hochdruck- verfahren - Trogtränkverfahren

- Diffusions-/Osmose- verfahren

- Streichen - Spritzen - Beschäumen - Tauchen - Spritztunnelverfahren - Fluten - Giessen

- Bohrlochtränkung -Tränksonden-

verfahren - Bandagen - Patronenverfahren - Begasungsverfahren

- Saftverdrängungs- verfahren

- Kesseldruck- verfahren

3 Holzschutzmassnahmen Anlage zur Kesseldruckimprägnierung

1 Imprägnierkessel 2 Messgefäss 3 Kompressor 4 Vakuumpumpe

5 Kondensator 6 Vakuumvorlage 7 Vorratsbehälter

Vorbereitung von Eisenbahnschwellen

Kesseldruckimprägnierung (Fa. Corbat)

3 Holzschutzmassnahmen Tränkbarkeit

Gut tränkbar:

Buche, Föhre (Splint) Schlecht tränkbar:

Eiche (Kern), Fichte Eindringtiefen

von Holz- schutzmitteln

3 Holzschutzmassnahmen

Prüfzeichen und Wirksamkeit von Holzschutzmitteln

B vorbeugend, Bläuepilze B* vorbeugend, Bläuepilze (Fixierung nötig) Bs vorbeugend, Bläue und Schimmel, für frisches Schnittholz E vorbeugend, Braun-, Weiss- und Moderfäule, bei extremer Feuchtebeanspruchung

Ib schnell bekämpfend, Insekten Iba verzögert bekämpfend, Insekten

Iv vorbeugend, Insekten

Ivr vorbeugend, Werft- und Nutzholzborkenkäfer, berindetes Holz

P vorbeugend, Braunfäule

Pb bekämpfend, Echter Hausschwamm im Mauerwerk W Witterung, kein ständiger Wasser- oder Erdkontakt F vorbeugend, Feuchte (-schwankungen)

O abiotische Einflüsse

3 Holzschutzmassnahmen Zulassung von Holzschutzmitteln - Zulassung durch das BUWAL und das BAG - Wirksamkeitsnachweis durch die EMPA St Gallen

Gütezeichen der LIGNUM:

"Holzschutzmittel und wirkstofffreie Produkte zur Oberflächenbehandlung"

"Druckimprägniertes Holz"

Kategorie Herkunft Entsorgung

Natur-belassenes Holz

Wald (auch in Form von Hackschnitzel oder Sägemehl) Öfen, Holzheizkessel

Restholz

Holzverarbeitende Betriebe (Schwarten, Spanplatten, Schaltafeln, Kanthölzer,...)

Restholzfeuerungen sind meldepflichtig; es gelten niedrigere Emissionsgrenzwerte als für naturbelassenes Holz

Altholz

Gebäudeabbrüche, Verpackungen, Möbel Nur in Altholzfeuerungen, Zementöfen und Müllverbrennungsanlagen mit spez. Filtern

Problemati- sche Holzabfälle

z.B. Platten mit PVC-Beschichtungen, Eisenbahnschwellen, Telefonstangen, sämtliches mit Holzschutzmitteln behandelte Holz etc.

Zementöfen und Müllverbrennungsanlagen mit spez. Filtern; die hohen Temperaturen führen zu einer praktisch vollständigen Verbrennung der org. Schadstoffe

3 Holzschutzmassnahmen Entsorgung

3 Holzschutzmassnahmen Biologischer Holzschutz

- Einsatz natürlicher (Frass-)Feinde (sogenannter Nützlinge) gegen holzschädigende Organismen - Gewinnung natürlicher Stoffe, z.B. Holzinhaltsstoffe aus

resistenten Holzarten, Einsatz als HSM

 geringe Bedeutung biologischer Holzschutzmassnahmen in der Praxis

Probleme: - nur bekämpfende Massnahme - Schaden meist schon fortgeschritten

Prinzip der Zeitverschiebung: Dem Auftreten der Holzzerstörer folgt das Auftreten der Holzräuber

Anstriche bzw. Beschichtungen, die Wasseraufnahme verzögern oder verhindern = Wetterschutz

Schutz gegen: - Niederschläge - hohe Luftfeuchten - UV-Strahlung - mechanische Beanspruchung

Zusatz von chemischen Wirkstoffen gegen Holzschädlinge möglich

3 Holzschutzmassnahmen

Physikalischer Holzschutz

Wirkung von Anstrichen Wirkung von Anstrichstoffen

Wirkung von Anstrichstoffen

Eigenschaften, auf die Einfluss genommen werden soll:

- Wasseraufnahme von Holz infolge Hygroskopizität - Resistenz gegen biotische und abiotische Einflüsse Möglichkeiten der Holzmodifikation - chemisch - biologisch - thermisch - Einbringen holzfremder Substanzen

3 Holzschutzmassnahmen

Holzmodifikation

3 Holzschutzmassnahmen Prinzipien der Holzmodifikation

3 Holzschutzmassnahmen

Chemische Holzmodifikation - Acetylierung

Industrielle Umsetzung:

Acetylierungsanlage

3 Holzschutzmassnahmen

Biologische Holzmodifikation durch Enzyme

Gezielte Pilzbeimpfung mit Enzymen der Braun-, Weiß, und Moderfäulepilze (Abbau von Holzsubstanz)

 Erhöhung der Tränkbarkeit

Einsatz auch für: - die Herstellung von Faserplatten (Auflockerung der Holzfasern) - Bleistiftherstellung

- Holzformen in der Glasindustrie

3 Holzschutzmassnahmen Thermische Holzmodifikation

Parameter:

Holzart; Anfangsfeuchte Probengrösse und -geometrie Behandlungstemperatur und -dauer

Wärmeübertragungsmedium:

- Wasserdampf - Inertgas (Foto rechts: Autoklav Fa. Balz)

- Pflanzenöl

3 Holzschutzmassnahmen Thermische Holzmodifikation

Eigenschaftsänderungen:

+ verringerte Ausgleichsfeuchte  + verbesserte Dimensionsstabilität + verbesserte Dauerhaftigkeit + dunklere Farbe  - Verminderung der Festigkeit

- zunehmende Sprödigkeit

3 Holzschutzmassnahmen

Einlagerung holzfremder Substanz

Imprägnierung mit Silikon (Silane) - gelförmig ins Holz eingebracht

- Prinzip der Wasserabweisung Verkieselung - Alkalisilikate versteinern Oberfläche - nach (langer) Trockenzeit sehr hartes Holz

Polymerholz - monomere oder niedermolekulare Harze

- Aushärtung zu Polymeren

3 Holzschutzmassnahmen

Einlagerung von Holz in andere Stoffe Wood plastic composites - Einlagerung von Holzspänen oder –fasern in

Kunststoffmatrix

Ziel: hohe Dauerhaftigkeit und Wetterbeständigkeit

3 Holzschutzmassnahmen Brandschutz

Temperatur Bezeichnung Erläuterung

>105°C Thermische Zersetzung Gasförmige Zersetzungsprodukte: Aceton, Methanol, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid

200 – 275°C Flammpunkt

Holzgase entflammen kurzzeitig durch Fremdzündung; dünnes Holz kann sich bei Wärmestau und längerer Wärmeeinwirkung von Temperaturen < 200°C selbst entzünden

260 – 290°C Brennpunkt

Holz brennt ohne Wärmeenergiezufuhr. Ausbildung einer Holzkohleschicht an der Holzoberfläche, deren Wärmeleitfähigkeit nur noch etwa 20% derjenigen von Holz beträgt; Abbrandgeschwindigkeit sinkt infolge erschwerter Wärmezufuhr in das Holzinnere

330 – 520°C Zündpunkt Holzgase entzünden sich selbst ohne Fremdzündung

Brennbarkeitsgrad Qualmgrad

1-2 als Baustoff nicht zugelassen 1 Starke Qualmbildung

3 leicht brennbar 2 Mittlere Qualmbildung

4 mittel brennbar 3 Schwache Qualmbildung

5 schwer brennbar

5(2000) schwer brennbar bei 2000°C

6q quasi nicht brennbar

6 nicht brennbar

3 Holzschutzmassnahmen

Brandverhalten von Baustoffen (laut VKF)

Baustoff BKZ

Holz (Fichte, Tanne, Buche) 4.3

Holz (Eiche) 5.3

Spanplatten, Faserplatten 4.3

Wärmedämmung aus Zellulosefasern 5.3

Spanplatten, gips- oder zementgebunden 6q.3

Mineralfaserplatten 6q.3



Brandkennziffern

Gruppe Anorganische Salze Schaumschichtbildner

Einbringverfahren Kesseldruckverfahren Mehrmaliger Anstrich

Schutzart Tief- bis Vollschutz Oberflächenschutz

Chemikalien Nicht-flüchtige kristallwasserhaltige Salze (Ammoniumverbindungen, Hydrogencarbonate bzw. –sulfate, Ammoniumphosphate, Borate)

Stickstoffhaltige organische Ver-bindungen (Dicyanidamid, Harnstoffe, Phosphaten, Kohlehydraten)

Verhalten bei Feuereinwirkung Verdampfen der Schmelze zu den Löschgasen CO2, NH3, SO2 Bildung mikroporöser Schaumschicht

Feuerhemmende Wirkung

Schmelzvorgänge, Wärmeentzug durch Freiwerden von Wasser, Bildung einer Holzkohle-Schicht beschleunigt Verzögerung der Entzündung bzw.

Brandausbreitung

nicht brennbare Schutzschicht (Verzögerung der Entzündung und Brandausbreitung), Unterbindung der Sauerstoffzufuhr

3 Holzschutzmassnahmen Feuerhemmende Schutzmittel

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten Vorgehen im Schadensfall

Holz- oder Bauteilschaden charakterisieren - Schadursache - Schadensausmass - beteiligte Schädlinge

Pilzbefall: Echter Hausschwamm beteiligt?

Insektenschaden: Aktiver Befall?

I II III

Analyse Diagnose Prognose Ausschreibung Bekämpfung Vorbeugen

Zustands-erhebung Befund bezüglich:

- Tragsicherheit - Feuchte - Organismen (Aktivität, Ausbreitung)

Konsequenzen möglicher Massnahmen

Planung Kosten

Ersetzen Verstärken Feuchtesanierung Behandlung

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten

Phasen der Sanierung

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten

Nachweismethoden -Mikroskopie

Bestimmung des/der Schadorganismus/men

- Bohrwiderstandsmessung (Resistograph) Schädigung des Holzes / Restfestigkeit

- Holzschutzmittelnachweis

Qualitativer Nachweis mittels Farbreagenzien -Vitalitätstest (Pilze)

Lebensfähigkeit vorgefundener Pilze/Pilzteile

- betroffene Bauteile entfernen; Putz abschlagen, Mauerfugen auskratzen - Holzschutzmittel ins Mauerwerk und gefährdete Bauteile 4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten

Bekämpfung

Insektenbefall: (nachweislich aktiver Befall mit grosser Ausbreitung) Einsatz von: - Kontaktinsektiziden (schnell),

- Frassgifte (verzögert), - Häutungshemmern (langsam wirksam)

Pilzbefall

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten

Bekämpfung

Heissluftbehandlung + schnelle Wirksamkeit + kein Eintrag oder Einsatz chemischer Stoffe

- hoher Energieeinsatz - hoher Aufwand für Abdichtung/Dämmung

- keine vorbeugende Wirkung

- Rissbildung möglich

_www

.holzfragen.de

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten

Bekämpfung Begasungsverfahren

+ sehr wirksam + alle Lebensstadien sicher abgetötet

- Gefährdungen durch Gift - umfangreiche Sicherungsmassnahmen - Reaktionen/Schäden an Farben/Metallen

- keine vorbeugende Wirkung

www.brinker.de

4 Nachweis und Bekämpfung holzzerstörender Pilze und Insekten Bekämpfung

Sonderverfahren - Hochfrequenztechnik 

- Mikrowellentechnik - Kälteverfahren

www.brinker.de

Peter Niemz Institut für Baustoffe Arbeitsgruppe Holzphysik Hönggerberg HIF E25.2 mail: niemzp@ethz.ch www.ifb.ethz.ch

Grundlagen der Be-und Verarbeitung von Holz II

II. Herstellung von Produkten aus Holz (Prozesse) 1. Schnittholz

2. Holzwerkstoffe (Massivholzwerkstoffe, Sperrholz, Spanwerkstoffe, Faserwerkstoffe, Verbundplatten, WPC)

3. Zellstoff

4. Chemische und energetische Nutzung des Holzes

Gliederung

1. Schnittholzherstellung

Charakteristik Schweizer Wald

•Rel. alte Bäume mit grossem Durchmesser

•Viel Laubholz, perspektivisch mehr Laubholz, andere Einschnitttechnik erforderlich, geringere Stammausbeute

•Viele kleine Besitzer (Australien, Südamerika Plantagen, Skandinavien, Osteuropa, Russland grosse Flächen)

Holzzuwachs: 10 Mio m ³ /a Holznutzung: 4,5 Mio m ³ /a Holzverbrauch: 9 Mio m ³ /a

Aufkommen und Verbrauch an Holz in

Schweiz

Sortimente der Schweizer Holzindustrie (Vorratsänderung zwischen 2. (1995) und 3. LFI (2007)

Vorratsver- änderung

Nadelholz

Fichte Tanne Föhre Lärche Arve übrige total

[Mio.m³] -7,55 2,96 -0,55 2,13 0,20 0,42 -2,40

[%] -4,1 5,2 -4,1 11,0 9,2 41,5 -0,9

Vorratsver- änderung

Laubholz

Buche Ahorn Esche Eiche Kastanie übrige total

[Mio.m³] 4,28 2,06 2,87 0,59 0,18 1,98 11,96

[%] 6,2 21,8 24,4 7,1 3,8 18,0 10,4

Perspektiver Anfall von Schnittholz

bevorzugt geringe Durchmesser gefragt (leichter verarbeitbar, Technik besser entwickelt)

Zuwachs in fm/ha und Jahr

Starkholzproblematik

Automatisierte Ernte (Fällen, Entasten,

Ablängen), Starkholz: Probleme, meist manuell

Struktur des Holzverbrauches in der Schweiz

Struktur der Schweizer Holzindustrie

Sägewerke:

Grossbetriebe: Schilliger Holz (mit Betrieb, In Frankreich; Sägewerk Chur) Plattenwerke:

•Kronospan (Hauptstandorte ausserhalb CH), Spanplatte, MDF

•Hess (Sperrholz, Formteile)

•Massivholzplatten (Schilliger, Schuler, Tschopp) Zellstoff: keine Fertigung mehr

Meist kleine Betriebe, Handwerkscharakter

Herstellung von Schnittholz

Holzausnutzung im Sägewerk Haupteinschnittarten

Hauptmaschinengruppen

Gattersäge: Durchmesser bis 80cm, geringer Vorschub 5- 7m/min

Blockbandsäge: Durchmesser bis 3m, Vorschub 200m/min

Profilzerspaner: Durchmesser 12-45cm, 150m/min und mehr

Kreissägen: Durchmesser bis 50cm, Vorschub 120m/min

Arbeitsabläufe in einem Sägewerk

Holzlagerung auf Poltern

Bewässerung im Sommer, um Pilzbefall zu verhindern

Sortieranlagen

Messtechnik im Sägewerk Holzeingang:

Durchmesser, Länge (keine Vermessung durch Forst, werkseitig maschinelle Vermessung)

Einschnitt:

Durchmesser, Form, Logscanning (teilweise, Messung innerer Fehler mit CT)

Trocknung:

Holzfeuchte, Qualität Sortierung:

•Optische Fehler (Äste, Risse, Verfärbungen)

•Festigkeit

Rundolzmessgerät

Entrindungsmaschinen Wurzelanlaufreduzierer

Gattersägen (1)

• Einschnitt mit feststehen- den Abständen der Sägeblätter

• Schnitt bei Abwärtsbewegung

• Vorsortierung nach Durch- messer notwendig

• Durchmesser ca. max.1m

• Vorschubgeschwindigkeit 20 m/min

Anwendung:

• Vorsortiertes Nadelholz

• Massenware (einheitlich Dicken)

Gattersägen (2)

Überhang des Sägeblattes eines Gatters Mehrere Blätter, Schneiden bei Abwärtsbewegung

Blockbandsäge

• Grosse Durchmesser

• Individueller Einschnitt

• Vorschub bis 140m/min Anwendung:

• Starkholz

• Laubholz

Variantenvergleich Bandsäge Anordnung mehrerer Blockbandsägen

Mobile Bandsägen (z.B. Wood Mizer) Profilzerspaner

Spaner

Profilzerspaner mit nachgeschalteten Kreissägen

Edging

Sawing Clipping

Kreissägemaschine zum Rundholzeinschnitt in Chile

Kreissäge Technik (flexible Verstellung Breite)

Kreissäge Technik (starre Blätter, hohe Präzision)

Kennwerte verschiedener Sägen

Kenngrösse Alle Angaben in mm

Gattersäge Hub 600 mm

Doppelwellenkreis-säge 2x440mm Durchmesser oder 1x600mm

200mm Schnitthöhe

Doppelwellenkreis-säge2x 500mm Durchmesser im Vorschnitt 300mm

Schnitthöhe

Bandsäge 1600mm/

1400mm Rollen- durchmesser

Blattdicke 2,2 2,2 3,4 1,5

Schrank bzw. Stauchung 2x0,8 2X0,7 2x0,7 2x0,7

Theor. Schnittfugenbreite 3,8 3,6 4,8 2,9

Praktische Schnittfugebreite 4,1 3,8 5,0 3,3

Materialverlust in % 6,1 4,4 5,6 5,9

Festigkeitsklassen nach SIA 164

Grundwerte für zulässige Spannungen parallel zur Faser für Schnittholz (N/mm

²

)

FKI FKII FKIII

Biegung 12 10 7

Druck 10 8,5 6

Zug 10 8,5 Nicht zulässig

Pappel und Nadelholz Laubholz

Festigkeit in N/mm2

C14 C16 C18 C22 C24 C27 C30 C35 C40 D30 D35 D40 D50 D60 D70

Biegung, fmk 14 16 18 22 24 27 30 35 40 30 35 40 50 60 70

Zug parallel, ft0k

8 10 11 13 14 16 18 21 24 18 21 24 30 36 42

Zug senkrecht ft90k

0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,9

Druck parallel fc0k

16 17 18 20 21 22 23 25 26 23 25 26 29 32 29

Druck Senkrecht ft90k

4,3 4,6 4,8 5,1 5,3 5,6 5,7 6,0 6,3 8,0 8,4 8,8 9,7 10,5 13,5

Scheren fv

1,7 1,8 2,0 2,4 2,5 2,8 3,0 3,4 3,8 3,0 3,4 3,8 4,6 5,3 6,0

Steifigkeit in N/mm2 E-Modul Parallel (Mittelw)

700 0

800 0

900 0

10.0 00

11.0 00

12.0 00

12.0 00

13.0 00

14.0 00

10.0 00

10.0 00

11.0 00

14.0 00

17.0 00

20.0 00

E-Modul Parallel (5%)

470 0

540 0

600 0

670 0

740 0

800 0

800 0

870 0

940 0

800 0

870 0

940 0

11.8 00

14.3 00

16.8 00

Schubmodul 440 500 560 630 690 750 750 810 810 600 650 700 880 106 125

fmk charakteristische Werte für Biegefestigkeit

Festigkeitsklassen nach EN 338

0-50 51-100 101-150 151-200 0

20 40 60 80

Ausbeute

[%] maschinelle

Sortierung

visuelle Sortierung

Markabstand [mm]

Laservermessung vor dem weiteren Einschnitt der Bretter

Maschinelle Sortierung von Fehlern mit Scannern Logscanning heute Industriell:Fa. Arauco/Chile Anlage von Microtec

44

Anlage zur Schnittholzsortierung mit Eigenfrequenz

(Martensen, Schweden)

Festigkeitssortierung mittels Biegebeanspruchung

EuroGrecomat (Fa.GreCon)

Sortierparameter

für die Festigkeitssortierung

Korrelations- Koeffizient

r ²

Ästigkeit 0,15 ... 0,35

Rohdichte 0,20 ... 0,40

Elastizitätsmodul 0,40 ... 0,65 Ästigkeit + Rohdichte 0,40 ... 0,60 Ästigkeit + E-Modul 0,55 ... 0,75 Ästigkeit + Rohdichte + E-Modul 0,55 ... 0,80 Schwingung, Ultraschall 0,30 ... 0,55

Sortierkriterien (Denzler, TU München

Röntgenverfahren – Euro-GreComat 702

Kontinuierliche Bestimmung der Rohdichte und der Ästigkeit

Röntgenbild Bestimmung der Rohdichte über Grauwertanalyse

Bestimmung der Ästigkeit über

Bildauswerte- 0-50 51-100 101-150151-200

14

13 6 Wuchs- gebiet

11

12

0,1 0,2 0,4 0,5

Ästigkeit n a ch DIN 4074

0,3

Rohdichte-Anstieg von innen nach außen (Fi)

1,3 m 6,5 m

12 m 17 m

13% 20%

3%

16%

Manuelle Sortierung von Holz nach Qualität

Stapelanlage, Fa. Balz, Langnau i.E. / CH Ablauf der Sortierung und Stapelung, Fa. Balz

Sägewerk 1 Miom

³

Einschnitt, Chile/Aruaco

Fa. Klausner, Kodersdorf/D, Einschnitt 1 Mio m

³

/a

Sägewerk

Trocknung

Holzbearbeitung

Anschluss: Bahn, Autobahn

10km von Polen und Tschechien

Verwendung von Laubholz

•Wachsender Anfall durch Umbau der Wälder

•Geringerer Stammholzanteil

•Höhere Dichte des Holzes

•Weniger gefragt in Massenprodukten als Nadelholz (höhere Kosten, höhere Dichte)

• Kosten für Brettschichtholz bis zu 100% höher als bei Nadelholz (Verschnitt, Pressdrücke, etc.)

Mischwald im Jura

Vorrat pro Produkti onsregion

Laubhölzer

Buche Esche Ahorn Eiche Kasta

nie übrige Total

in Mio.

m³ 73,35 14,79 11,82 9,10 4,92 13,48 127,45 Schätzfeh

ler 3 5 4 7 9 4 2

2. Nutzung von Holznebenprodukten

Möglichkeiten der Rindenverwertung

Waldentrindung Werkentrindung

Gerbstoffe Harze Drogen, Gewürze Kautschuk, Guttapercha ght

Extraktstoffe

Holz-, Faserplatten Flechtmaterial Kork

Substanzen

Kraft Wärme

Energie

Torfersatz Bodenverbesserungsmittel Düngung Rindenmulch Garten- und Landschaftsbau

Füll- und Filterkörpermaterial Biotechnik

Bindemittel Verpackungsmaterial usw.

Weitere Verwendungen Wald

Lebende Bäume

Korkeiche

Sekundär erzeugter Wundkork der Korkeiche (Quercus suber)

Korkeiche (Quercus

suber) nach der

Wundkorkentnahme

Kanu aus Rinde Energetische Nutzung

Heizwert von Rinde in Abhängigkeit von der Feuchte

Chemische Nutzung

Vor und während 2. Weltkrieg grosse Bedeutung Rückgang mit Aufkommen Erdöl, Erdgas Beispiele:

•Fischer-Tropsch Synthese

•Viskose

•Teerölgewinnung

•Essig- und Ameisensäure

•Kollophonium

•Harzverwertung von Föhre für Lacke

•Klebstoffe aus Rinde (Tanine)

•Ligninverwertung als Klebstoff

Gewinnung und Aufbereitung von Balsamharz

Gewinnung und Aufbereitung von Wurzelharz

Föhrenstamm nach Harzung

Datum

Grundlagen der Holzbearbeitung III Peter Niemz, IfB, Holzphysik

Teil: III

Holzwerkstoffe-Eigenschaften, Herstellung, Verwendung

© ETH Zürich | Taskforce Kommunikation Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 2

1 Übersicht – Zusammensetzung der Holzwerkstoffe

Material Holzanteil in % Leimanteil in %

Brettschichtholz 95-97 3-5

Massivholzplatte 95-97 3-5

Spanplatte 86-93 7-14

Faserplatte 86-100

0-16

(bei HDF bis 16%, bei leichten MDF je nach Klebstoffart z.T. deutlich höher)

Furnierwerkstoffe 20-95 5-(80)

(hohe Anteile bei kunstharzimprägniertem Holz)

1 Übersicht – Holz- und Klebstoffanteile 1.1 Vollholz

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 5

1.2 Holzwerkstoffe - Strukturelemente

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 6

1.2 Holzwerkstoffe - Strukturauflösung

Einfluss der Strukturauflösung auf die Eigenschaften von Holzwerkstoffen

1.2 Holzwerkstoffe – Einteilung von Holzwerkstoffen 2 Struktureller Aufbau und wesentliche Einflussfaktoren auf die Eigenschaften ausgewählter Holzwerkstoffe

2.1 Allgemeine Gesetzmässigkeiten der Werkstoffbildung 2.2 Klebstoffe

2.3 Einteilung der Klebstoffe 2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis 2.5 Werkstoffe auf Furnierbasis 2.6 Werkstoffe auf Spanbasis 2.7 Werkstoffe auf Faserbasis 2.8 Verbundwerkstoffe

2.9 Engineered Wood Products

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 9

2.1 Allgemeine Gesetzmässigkeiten der Werkstoffbildung

L Longitudinal R Radial T Tangential

LT Tangentialfläche, Fladerschnitt RT Querschnitt, Hirnfläche LR Radialfläche, Riftschnitt

Hauptachsen des Holzes  Orthotropie von Vollholz

Elastizitäts-Moduln (E): ET : ER : EL

bei Nadelholz: 1 : 1,7 : 20

bei Laubholz: 1 : 1,7 : 13

kjhgkjhkh

Schub-Moduln (G): G_LR : G_LT

bei Nadelholz: 1 : 1

bei Laubholz: 1,3 : 1

G_RT(Schub Hirnfläche)

bei Nadelholz: 10% G_LT, bei Laubholz 40% G_LT

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2.1 Allgemeine Gesetzmässigkeiten der Werkstoffbildung

Eigenschaften der Holzwerkstoffe durch folgende Parameter bestimmt:

14 16

10 12

6 8

4

Scherfestigkeit [N/mm]2

Neigungswinkel [ ° ] 153045607590

1 2

3

 m ax x)

 y)

- Eigenschaften der Strukturelemente

- Lage und Orientierung der Strukturelemente (zur Belastungsrichtung) - Abmessungen der Strukturelemente

- Überlappungslängen der Strukturelemente - Güte der Verbindung der Strukturelemente

- Ausbildung eines Dichte-/Festigkeitsprofiles über den Querschnitt

s s 20,0

17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5

Birke, Buche

Fichte

Fugenfaktor

Mittlere Scherfestigkeit [N/mm]2

0 0,25 0,50 0,751,0 1,25 1,50 1,75 2,0

cm

s 1

l [ ]

Flankenneigungswinkel  Zugfestigkeit bzw. Biegefestigkeit [N/mm]zBbB2

10° 15° 20° 25°

40,0

30,0

20,0

10,0

Biegefestigkeit

Zugfestigkeit

2.1 Allgemeine Gesetzmässigkeiten der Werkstoffbildung

Einfluss des Schichtenaufbaus auf den E-Modul und die Festigkeit

Rechenbeispiel 3-schichtiges Element:

2.2 Klebstoffe

= nichtmetallische Werkstoffe, die andere Werkstoffe durch

Oberflächenhaftung (Adhäsion) und ihre innere Festigkeit

(Kohäsion) verbinden können, ohne dass sich das Gefüge der

zu verbindenden Körper wesentlich ändert

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 13

2.3 Einteilung der Klebstoffe

Einteilung der Klebstoffe

physikalisch abbindend chemisch reagierend

Polyaddition Polykondensation - Weissleim (PVAc-Emulsion)

- Kautschukkleber - natürliche Leime







Harnstoffharze (UF) Melaminharze (MF) Phenolharze (PF) Resorzinharze (RF)











Isocyanate (PMDI) Epoxidharze (EP) Polyurethane (PUR) ungesättigte Polyester- harze

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 14

2.3. Chemisch reagierende Klebstoffe – Polykondensation

Harnstoffharze = wichtigste Leimgruppe der Holzindustrie

Vorteile:

+ einfache Handhabung und Verarbeitung + für verschiedenste Holzarten geeignet + duroplastische, farblose Leimfuge + unbrennbar

+ Verfügbarkeit + niedriger Preis

+ schnelle und vollständige Aushärtung

Nachteile:

- Feuchteempfindlichkeit - Formaldehydabspal-

tung (während und nach Verarbeitung) Aushärtung: freies Formaldehyd reagiert mit Härtern oder zugege-

benen Säuren; Reaktionssteuerung über pH-Wert

2.3. Chemisch reagierende Klebstoffe - Polykondensation

Melaminharze (MF):

Phenolharze (PF):

Resorzinharze (RF):

- Bessere Feuchtebeständigkeit als Harnstoff- harze;

- aber teurer, daher meist in Kombination -Feuchtebeständige Verleimung (Span-, Faser-

platten, OSB, Sperrholz mit heisshärtenden PF-Leimen);

- geringe Formaldehydabgabe, - geringe Dickenquellung, - dunkle Leimfuge

- kalthärtend (hohe Reaktivität durch Resorzin- anteil),

- hohe Festigkeit und Wetterbeständigkeit, - konstruktiver Holzleimbau auch Aussenbereich

(Keilzinken etc.),

- teuer, daher Kombination mit RF-Harzen

Sonstige Klebstoffe

(Massivholzplatten im Möbelbauabu

 1 KPUR (Brettschichtholz, Brettsperrholz)

 PVAc (einschichtige Massivholzplatten im Möbelbau)

 EPI (konstruktiver Holzbau)

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2.3. Verleimungsklassen

Klebstoffeinsatz nach Feuchtebeanspruchung V20 Holzfeuchte < 15% (Faserplatten 12%)

Innenbereich

 Harnstoffharze V100 Holzfeuchte < 18%

Fussbodenbereich, Dachplatten

 Phenolharze, Isocyanate, Melaminharze V100G Holzfeuchte bis 21% (mit Pilzschutzmitteln)

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2.3. Formaldehyd

Formaldehyd

- Erforderlich für die Aushärtung des Klebstoffes

- Gesundheitsschädlich  Grenzwerte für Wohn- und Arbeitsräume - Grosse Mengen zu Beginn der Holzwerkstoffproduktion

 Formaldehydabgabe der Endprodukte

- Kontinuierliche Herabsetzung der Emissionen aus Holzwerkstoffen

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis

Werkstoffe auf Vollholzbasis





 Brettschichtholz Lamelliertes Holz (einschliesslich Profile) Kreuzbalken

plattenförmig stabförmig Verbund-Elemente



Hohlkastenträger Elemente mit Wärme- / Schall- dämmung



einschichtig mehrschichtig

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 21

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis - Massivholzplatten

Massivholzplatten - ein- oder mehrschichtig, auch „Leimholzplatten“

- im Bauwesen: Formate bis zu 3m x 12m x 0,5m - über 12cm Dicke meist Hohlraumkonstruktion

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 22

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis - Brettstapelkonstruktion

Brettstapelkonstruktion Verbindungen: - genagelt

- gedübelt  - geklebt

- Schwalbenschwanz 

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis – Brettstapel (gedübelt, genagelt)

Brettstapel mit Betondecke

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis – Massivholzwände (bis etwa 500 mm dick; genagelt (Alu-Nägel, gedübelt)

Genagelte Brettwand

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 25

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis – Massivholzwände (bis etwa 500 mm dick; genagelt (gedübelt mit Buchendübel) Für Luftdichtheit teilweise Filzmatte eingelegt

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch

Durch Gratverbindung verbundene Elemente (Soligno/Italien)

26

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis - stabförmige verklebte Elemente

stabförmige verklebte Elemente - zunehmender Einsatz im Bauwesen - lamelliertes Holz, Brettschichtholz, Profile

Lamelliertes Holz Brettschichtholz

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis - Verbundelemente

Verbundelemente

- Bsp.: Kastenträger (Leichtbauprinzip)

- Hohlräume zur Dämmung mit Sand (Schall) oder Faserdämmplatten

(Wärme) gefüllt

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 29

2.4 Werkstoffe auf Vollholzbasis - Eigenschaften

Einflussfaktoren auf die Eigenschaften:

- Güte des eingesetzten Holzes

- Art der Längsverbindung der Elemente (stumpfer Stoss, Keilzinken) - Schichtenaufbau (z.B. Lagendicken, Lagenorientierung) - Schnittrichtung der Lagen

- technologische Parameter (Pressdruck und Klebstoffanteil)

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 30

2.5 Werkstoffe auf Furnierbasis (Lagenholzwerkstoffe)

Lagenholzwerkstoffe

(Parallam) Verdichtung /

Klebstoffgehalt

Furnier- Partikel- Werkstoffe

Faserverlauf in den Furnierlagen





 parallel (Schichtholz, LVL) unter einem Winkel von 90°

(Sperrholz) unter einem Winkel von 15°

(Sternholz)







unverdichtet (Normal-Lagen- holz)

verdichtet (Presslagenholz) verdichtet und mit Kunstharz getränkt (Kunstharz-Press- lagenholz)

2.5 Werkstoffe auf Furnierbasis - Einsatzgebiete

Bauindustrie: herkömmliches Sperrholz als Bauholz

(flächiges Material)

Formenbau: hochverdichtet und kunstharzimprägniert Sportindustrie: Ski- und Snowboardkerne

Möbelindustrie und Fahrzeugbau: Formteile, Armaturenbretter (Edelfurnier, teils Kombination Holz-Metall)

2.5 Werkstoffe auf Furnierbasis

Strukturmodelle:

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 33

2.5 Werkstoffe auf Furnierbasis - Eigenschaften

Einflussfaktoren auf die Eigenschaften:

- Furnierdicke - Dichte - Klebstoffgehalt

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 34

Spanwerkstoffe

Herstellungs- Verfahren





 flachgepresst kalandriert stranggepresst Formteile

Spanart / Orientierung















 Schneidspäne Schlagspäne Fremdspäne Normalspan- Deckschicht Feinspan- Deckschicht Wafer Flake Laminated Strand Lumber (LSL) Oriented Structural Board

Querschnitts- struktur







 einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Quer- schnittsstruktur

Rohdichte



 niedrig mittel hoch

Klebstoff- / Bindemittelart



 pressblank geschliffen beschichtet Formaldehyd-

abgabe











 Harnstoffharz Phenolharz Melaminharz Isocyanatharz Mischharze Zement Gips Tannine





 sehr niedrig niedrig mittel hoch



 feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Oberfläche Beständigkeit

2.6 Werkstoffe auf Spanbasis

2.6 Werkstoffe auf Spanbasis

- konventionelle Spanplatten (EN 312), OSB (EN 300) - Spezialplatten:

- reduzierter elektrischer Widerstand (Russzugabe) - homogene Mittelschicht für Profilierungen - helle Deckschicht für Möbelfronten

- leichte Flachpressplatten (300-400kg/m3); verschiedene Zusatzstoffe wie Polystyrol, «Poppkorn» etc.

- verdichtete Platten aus Laubholz (Bodenplatten) - extrem dicke Flachpressplatten für den Hausbau

= häufigste Holzwerkstoffe weltweit

2.6 Werkstoffe auf Spanbasis - Struktur

Typische Rohdichteprofile:

1 homogen

2 deutliche Differenzierung 2 zwischen Deck- und 2 Mittelschicht 3 geringe Differenzierung 2 zwischen Deck- und 2 Mittelschicht

1 2 3

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 37

2.6 Werkstoffe auf Spanbasis - Eigenschaften

Festigkeit:

Eigenschaften und zugehörige Einflussfaktoren:

E-Modul:

Quellung:

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 38

2.7 Werkstoffe auf Faserbasis

Faserwerkstoffe

- sehr niedrig - niedrig - mittel - hoch - feuchtegeschützt

- biogeschützt - schwer brennbar

(z.B. Lochen) - Sonderbehandlung

- homogene Quer schnittsstruktur

- holzeigene - mittlere Dichte

Bindemittel

Formaldehyd- abgabe

- Harnstoffharz - Phenoharz - Bitumen

- pressblank - geschliffen - beschichtet

Klebstoffart Oberfläche Beständigkeit sonstige Querschnitts-

struktur Rohdichte

- hart - extrahart

- einschichtig - dreischichtig - mehrschichtig - stufenlos - weich

2.7 Werkstoffe auf Faserbasis

Einsatzgebiete: - Dach-, Wandplatten 350kg/m

³

, niedriger Diffusionswiderstand

- Dämmplatten 50-150-250kg/m

³

-Dämmsteine (Wandelemente)

Variation von mechanischen Eigenschaften und Diffusionswiderstand (v.a. über die Dichte, Zusatzstoffe, Bindefasern)

MDF-Technologie (Trockenverfahren)  Nassverfahren



Höhere Druckfestigkeit Bessere Oberflächenqualität

2.7 Werkstoffe auf Faserbasis - Struktur

Typische Rohdichteprofile:

1 mittlere Dichte, homogen 2 mittlere Dichte, ausgeprägte

2Dichtedifferenzierung 3 harte Faserplatte

2(Nassverfahren), 2links: glatte Seite;

2rechts: Siebseite

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 41

2.7 Werkstoffe auf Faserbasis - Eigenschaften

- Festigkeit (Biegefestigkeit)

Eigenschaften und zugehörige Einflussfaktoren:

- Wärmeleitung - Quellung

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 42

2.8 Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe

Vollholz- mittellage

Spanplatten- mittellage

Hohlraum- mittellage

Schaumstoff- mittellage

2.8 Verbundwerkstoffe

= mehrschichtige Materialien, mit meist hochfesten Decklagen und einer Mittellage aus einem leichteren Kern

Beispiele:

- Träger aus Holz und Holzwerkstoffen - Verbundplatten

- OSB mit MDF (HDF)- Decklagen - mehrschichtig aufgebaute Parkettböden - lamellierte Fensterkanteln

- vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder HWS

2.8 Verbundwerkstoffe - Struktur

-Decklagen z.B. Furnier, Faserplatten etc.

-verschiedene Kerne/Mittellagen

-auch für Fensterprofile eingesetzt (Strohplatte

oder MDF zur Wärmedämmung in Mittellage)

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 45

2.8 Verbundwerkstoffe - Eigenschaften

- E-Modul

Eigenschaften und zugehörige Einflussfaktoren:

Datum Wintersemester 2010 Peter Niemz, IfB; niemzp@ethz.ch 46

spezifisches Gewicht 110 - 170 kg/m³ Standardformat 505 x 205 cm

Mittelschicht:

stehende Welle

Deckschicht:

Naturholzlamellen

elka-Holzwerke, Lud. Kuntz GmbH

Naturholzwabenplatten

Zukünftige Entwicklung Spanplatten mit NawaRo Anteil

leichte Spanplatten

Ermittlung des spezifischen Gewichts 110 kg/m³ Die neue Leichtigkeit

70 mm stark

Format 5,00 m x 0,50 m entspricht 18 kg

Prüfnormen - Prüfverfahren