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Nanofibrillierte Zellulose (NFC) in Holzbeschichtungen

 

Holz ist ein beliebtes Baumaterial für den Außenbereich. Gegen Witterungseinflüsse und Mikroorganismen werden Holzoberflächen mit Beschichtungen geschützt, deren Komponenten und Zusammensetzungen stetig optimiert und weiterentwickelt werden. NFC soll dabei als neues Additiv eine wichtige Rolle übernehmen.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Damit das natürliche optische Erscheinungsbild von Holzfassaden möglichst lange erhalten bleibt und es langfristig nicht zu Einschränkungen der Gebrauchstauglichkeit führt, werden Holzfassaden mit Anstrichen beschichtet. Diese müssen später regelmäßig gewartet werden, da Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Hagel oder Mikroorganismen die Beschichtung schädigen und früher oder später zu deren Versagen führen können. Besonders transparente und teiltransparente Beschichtungen sind weniger beständig und verursachen dadurch den Immobilienbesitzerinnen und -besitzern höhere Renovationskosten, da sie häufiger erneuert werden müssen als beispielsweise pigmentierte Anstrichsysteme. Im vorliegenden Projekt wurde nanofibrillierte Zellulose in wässrige, transparente Acryl- und Alkydharz Bindemittelsysteme eingebracht, um die Leitung und Dauerhaftigkeit dieser Holzbeschichtungen zu verbessern.

Hintergrund

Damit das natürliche optische Erscheinungsbild von Holzfassaden möglichst lange erhalten bleibt und es langfristig nicht zu Einschränkungen der Gebrauchstauglichkeit führt, werden Holzfassaden mit Anstrichen beschichtet. Diese müssen später regelmäßig gewartet werden, da Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Hagel oder Mikroorganismen die Beschichtung schädigen und früher oder später zu deren Versagen führen können. Besonders transparente und teiltransparente Beschichtungen sind weniger beständig und verursachen dadurch den Immobilienbesitzerinnen und -besitzern höhere Renovationskosten, da sie häufiger erneuert werden müssen als beispielsweise pigmentierte Anstrichsysteme. Im vorliegenden Projekt wurde nanofibrillierte Zellulose in wässrige, transparente Acryl- und Alkydharz Bindemittelsysteme eingebracht, um die Leitung und Dauerhaftigkeit dieser Holzbeschichtungen zu verbessern.

Ziel

Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit war es, das Potential von fibrillierter Zellulose (NFC) als neuartiges, biologisches und erneuerbares Additiv auszuschöpfen, um die Leistung und Dauerhaftigkeit von Holzbeschichtungen im Aussenbereich zu verbessern.

Dabei ging es zum einen darum, die rheologischen und mechanischen Eigenschaften der Beschichtungen zu charakterisieren und aufzuzeigen, wie sich diese durch den Einsatz von NFC verändern. Zum anderen wurde untersucht, ob NFC die Rolle einer Trägersubstanz übernehmen kann. Hierbei können verschiedene Wirkstoffe wie z.B. UV-Absorber, organische Biozide oder Nanopartikel an das Netzwerk der NFC angelagert werden, um die Funktionalität der Beschichtung zu optimieren. So können die Wirkstoffe in der Beschichtungsmatrix besser verteilt und zuverlässiger fixiert werden.

Bedeutung / Anwendung

Dank des Forschungsprojektes wissen wir heute mehr über den möglichen Einsatz, die Eignung und die Funktion reiner oder modifizierter Cellulose-Nanofibrillen als Additiv in Holzbeschichtungen. Es ist ein multifunktionales Additiv, das verschiedene Eigenschaften der Holzbeschichtungen verbessert und deren Leistungsfähigkeit positiv beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Studie liefern die Wissensgrundlage zur Optimierung ganz konkreter Eigenschaften einer Beschichtung, wie z.B. die UV-Beständigkeit, die Beständigkeit gegen Mikroorganismen oder auch die Verbesserung mechanischer Eigenschaften.

Ergebnisse

Die an wässrigen Acryl – und Alkyd Bindemitteln durchgeführten Untersuchungen zeigten folgende Ergebnisse:

NFC kann als Verdickungsmittel eingesetzt werden. Die Zugabe von NFC ändert zudem das Fliessverhalten der Bindemittel von linear viskos zu scherverdünnend.

NFC beeinflusst die Filmbildung. Eine rauere Oberflächenstruktur führt dabei generell zu verringertem Glanz. Die Transparenz und Farbe der Beschichtungen wird kaum beeinflusst.

NFC macht die Bindemittelfilme steifer und erhöht die Zugfestigkeit. Gleichzeitig zeigen die Bindemittel einen erhöhten Speichermodul, das heisst sie können sich nach einer Verformung besser in den Ausgangszustand rückverformen. Besonders spröde Bindemittel sind durch das NFC Netzwerk weniger rissanfällig.

NFC eignet sich als Trägersubstanz und gleichzeitig als Dispergiermittel für Holzschutzbestandteile wie ZnO Nanopartikel. Durch das Anbinden der Nanopartikel an das NFC Netzwerk kann ein Verklumpen und späteres Absinken der Partikel während der Filmbildung verhindert werden.

Originaltitel

Modified nanofibrillated cellulose in wood coatings (MoNaCo)

Projektleitung

  • Dr. Tanja Zimmermann, Angewandte Holzforschung, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Dr. Tanja Zimmermann Angewandte Holzforschung EMPA Überlandstrasse 129 8600 Dübendorf +41 58 765 41 15 tanja.zimmermann@empa.ch