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UV-Selbstschutz von Holzoberflächen durch Cellulosefasern

 

Holzoberflächen werden unter Einwirkung von Sonnenlicht und Niederschlag rau und verfärben sich. Gäbe es Möglichkeiten das Verwittern von Holz zu verhindern oder zumindest hinauszuzögern, würde dessen Einsatz im Aussenbereich gegenüber anderen Werkstoffen wettbewerbsfähiger. Dieses Projekt untersuchte Methoden, wie Holz gegen UV-Strahlung widerstandsfähiger gemacht werden kann.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Beim Einsatz von Holz im Aussenbereich wird besonders dessen Oberfläche stark beansprucht. Je nach Art und Intensität der Einflüsse wird dabei Substanz abgebaut und das Holz wird grau und unansehnlich.

Entscheidend ist die photochemische Umwandlung von Lignin und anderer Moleküle im Holz, welche UV-Strahlung absorbieren. Die Sonnenstrahlung sorgt dafür, dass die chromophoren Gruppen, welche dem Holz seine natürliche Farbe geben, in wasserlösliche Substanzen umgewandelt werden. Regen oder Schnee waschen sie dann aus – eine graue und raue Oberfläche bleibt zurück. Wir suchten nach einem Verfahren, welches die Verwitterung aufhalten kann.

Hintergrund

Die Verwendung von Holz im Aussenbereich könnte Auftrieb erhalten, falls Holzoberflächen über längere Zeiträume ästhetisch ansprechend wären. Die witterungsbedingt rasche und unansehnliche Veränderung von Holz verhindert dessen häufigere Verwendung.

Ziel

Ziel des Projekts war es, einen holzeigenen Schutz vor den schädlichen Wirkungen der Ultraviolettstrahlung auf der Oberfläche des Holzes zu entwickeln. Dieser UV-Schutz kann durch mehrere Schichten und Bündel von Cellulosefasern aufgebaut werden. In der ersten Phase des Projektes analysierten wir unterschiedliche Möglichkeiten der Delignifizierung. Dabei beurteilten wir insbesondere die Tiefenwirkung des Ligninabbaus und die mechanischen und optischen Veränderungen auf der Oberfläche. In der zweiten Phase des Projektes untersuchten wir, inwieweit die delignifizierte Oberfläche mechanisch stabilisiert und wasserabweisend werden kann. Dazu prüften wir die Eignung einerseits von funktionalisierten Reagenzien und anderseits von polymeren Substanzen. Wir stellten fest, dass sich mit verschiedenen Methoden eine natürliche stabile schützende Schicht auf dem Holz bildet, welche wasserabweisend ist und somit die Verwitterung verzögert.

Bedeutung

Eine Methode, welche Holzoberflächen delignifiziert und gleichzeitig dauerhaft stabilisiert, würde Holz im Aussenbereich besser schützen. Damit könnte die Wettbewerbsfähigkeit des Werkstoffs Holz im Vergleich zu anderen Baumaterialien deutlich verbessert werden. Dies wäre eine Chance, um den breiten Einsatz von Holz auch dort zu fördern, wo es der Witterung ausgesetzt ist.

Ergebnisse

Um eine Cellulose-reichere Faserschicht auf der Holzoberfläche zu erzeugen, wurden mehrere Methoden getestet, um sie zu deligninifizieren. Diese Methoden bauen eine holzeigene Schutzschicht auf, welche den photochemischen Abbau stoppt oder verzögert und die darunterliegenden Holzschichten vor Sonnenlicht schützt.

Eine gute Möglichkeit zur Delignifizierung ist die natürliche Bewitterung, diese ist im Moment nicht industriell anwendbar. Im Verlauf der natürlichen Bewitterung folgt der Ligninabbau einem spezifischen Muster — bereits nach vier Wochen ist ein Grossteil des Lignins abgebaut. Der Abbauprozess erfolgt dabei bis in eine Tiefe von ca. 200μm. Die Stabilisierung der Oberfläche kann zu diesem Zeitpunkt sehr gut mit einer reinen Acrylatdispersion durchgeführt werden, hierbei sind keine speziellen Additive für den UV-Schutz notwendig.

Verschiedene Methoden zur mechanischen Stabilisierung der modifizierten Oberflächen wurden ebenfalls untersucht. Die Stabilisierung ist notwendig, da die delignifizierte Oberfläche mechanisch instabil und sehr hygroskopisch ist. Mit unterschiedlichen Polymeren liess sich zum Beispiel ein Schutz vor Wasser erreichen. Dabei wurden Acrylatsysteme, natürliche und synthetische Öle sowie funktionalisierende Substanzen eingesetzt.

Originaltitel

Development of a natural UV-protection of wood surfaces by cellulose-rich layers

Projektleitung

  • Dr. Thomas Volkmer, Berner Fachhochschule, Biel
  • Martin Arnold, Abteilung Holz, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf
  • Prof. Francis W. M. R. Schwarze, Abteilung Holz, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf

 

 

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 Kontakt

Dr. Thomas Volkmer Berner Fachhochschule Solothurnstrasse 102 2504 Biel +41 32 344 03 46 thomas.volkmer@bfh.ch