2. Kooperationsforum

Kleben von Holz und Holzwerkstoffen

23./24. Juni 2014, Tagungszentrum Festung Marienberg, Würzburg

 

Bericht

  • 80 % aller Holzprodukte kommen mit Klebstoff in Kontakt
  • Dialog zwischen Anwendung und Chemie für ganzheitliche Holz-Klebstoff-Modelle wesentlich
  • Mikrosystemtechnik und Lernen von der Natur bieten Potenziale für sicheres Kleben

Zukunft Holzverklebung

Mit rund 250 Teilnehmern aus Deutschland, Österreich, Schweiz, Italien und Norwegen hat das zweite Kooperationsforum ‚Kleben von Holz und Holzwerkstoffen‘ am 23./24. Juni 2104 wiederum eine überwältigende Resonanz erzielt. Es wurde von der Bayern Innovativ GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Internationalen Verein für Technische Holzfragen (iVTH) ausgerichtet, unterstützt durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie. Weitere Partner waren die Holzforschung München, die Hochschule Rosenheim, die ETH Zürich, das Kompetenzzentrum Holz WoodKplus und der Cluster Forst und Holz in Bayern. Im Fokus des Forums standen spannende und aufschlussreiche Einblicke in die Verklebung von Laubholz, modifiziertem Holz und Hybrid-Werkstoffen, die emissionsarme/-freie Verklebung von Holzprodukten sowie alternative Klebstoffe und Aktivierungsverfahren. Die Keyplayer der europäischen Klebstoff- und Holzszene kamen in Würzburg zusammen, um Kontakte für vielversprechende Vorhaben entlang der Wertschöpfungskette Klebstoffe – Holzwerkstoffe – Möbelherstellung sowie Holzbau/-ausbau zu knüpfen. 

Im Rahmen dieser Netzwerkveranstaltung und darüber hinaus ermöglicht die Bayern Innovativ mit ihrem Angebot von ‚Open Innovation‘ das Zusammenführen unterschiedlicher Disziplinen und damit eine neue Qualität diversifizierter Innovationsnetzwerke. „Erfolgreiche Innovatoren bedienen sich vom Tablett der Technologien und steigen dann rasch in Innovations- und Technologieprozesse ein“, so Prof. Dr. Werner Klaffke, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH. Technologien, wie das Kleben, sind ‚Enabler‘ für zahlreiche neue Anwendungen. Durch diese effiziente und vielseitige Fügetechnologie können sich Holz und Holzwerkstoffe weitere Märkte erschließen. Zudem hob Prof. Dr. Werner Klaffke Holz als zentralen Bestandteil einer Bioökonomie hervor, gerade in einer Zeit, in der Ressourceneffizienz immer wichtiger wird.

Auch für Prof. Dr. Klaus Richter, Leiter Holzforschung der TU München bietet die transdisziplinäre Forschung ebenso, wie das Lernen von der Natur enormes Potenzial für zukünftige Anwendungen. Zahlreiche Forschungsfelder werden intensiv bearbeitet, wie beispielsweise die Integration von Informationstechnik in die geklebten Holzprodukte. Bereits heute sind rund 80% der Holzprodukte in Kontakt mit Klebstoffen. Marktanforderungen und gesetzliche Vorgaben treiben den Markt voran.
Holz hat aufgrund seiner Strukturporosität die ideale Voraussetzung für das Kleben, seine chemische Zusammensetzung und Struktur stellen die Klebetechnologie aber auch vor technische Herausforderungen wie z. B. die Heterogenität bei Laubholz, die Verarbeitung von Bambus, den Einfluss von Feuchtigkeit und Temperatur sowie das Eindringverhalten des Klebstoffes. Große Herausforderungen aber auch Chancen liegen im hybriden Kleben, der Verbindung von Holz mit unterschiedlichen Werkstoffen.
Holzkleben befindet sich zunehmend im Spannungsfeld von Wirtschaftlichkeit, gesellschaftlicher Verantwortung und Nachhaltigkeit. Klebstoffmodifikationen müssen den rechtlichen Rahmenbedingungen folgen und beispielsweise formaldehydfrei sein. Da mehr als 98% der Klebstoffe erdölbasiert sind, sind hier alternative Rohstoffquellen gefragt. Alternative Applikationssysteme sind in den letzten Jahren nicht wesentlich vorangekommen – hier besteht massiver Forschungsbedarf. Des Weiteren droht für Formaldehyd eine Verschärfung von Richtlinien für Holzprodukte im Jahr 2015. Auch die Recyclingfähigkeit von verklebtem Holz ist ein Thema, bei dem sich Dauerhaftigkeit und Lösbarkeit von Verbindungen gegenüberstehen. Lösungsansätze könnte die Natur liefern wie z. B. die Entwicklung eines Klebstoffes für Anwendungen in feuchtem Milieu, inspiriert von Muschelklebstoffen.

Dr. Till Vallée, Klebtechnische Fertigung, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen stellte in seinem Beitrag „7 Thesen zum Kleben im Holzbau“ auf: 1) „Wir müssen raus aus der Substitutionsphase“ – Kleben ist keine Substitutionslösung für mechanische Verbindungsmittel, die Tragstruktur muss klebgerecht ausgelegt werden. 2) „Beim Entwurf an die Fertigung denken“ – Eine durchdachte konstruktive Auslegung nimmt von vornherein Probleme vorweg. 3) „Geklebte Anschlüsse müssen sich (normgerecht) bemessen lassen“ – Eine der größten Hürden für das Kleben im Holzbau liegt in der Skepsis der Praktiker gegenüber Bemessungsverfahren, weil diese nicht ‚werkstoffgebunden‘ sind. Für ingenieurmäßige Zwecke ist hier die Berechnung von Umwelteinflüssen möglich. 4) „Es ist eine Frage des Maßstabes“ – Die Zugscherfestigkeit zur Qualifizierung von Klebstoffen und Klebverbindungen lässt sich nicht 1:1 auf andere Situationen übertragen. Die Zugscherfestigkeitsprüfung ergibt tau13 und das kann mit der Fläche multipliziert werden, auch das Kriechen ist maßstabsabhängig. Kleine Proben werden mit hoher Last gemessen. 5) und 6) „Kleben ermöglicht hybride Tragwerke und Multifunktionalität“ – Hier liegt das wahre Potenzial vom Kleben im Holzbau. Das ‚Weiterdenken‘ von hybriden Strukturen führt zur Multifunktionalität. 7) „Tg ist nicht das Ende“ – Verschiedene Studien zeigen, dass die Tragfähigkeit von geklebten Anschlüssen unter erhöhten Temperaturen bei weitem nicht so stark abfällt wie es die dynamisch-mechanische Analyse (Klebefestigkeit oberhalb der Glasübergangstemperatur) suggeriert.
Dr. Till Vallée zieht für die Holzbranche ein Mut machendes Fazit: Für den Holzbau ist das Kleben eine wesentliche Technologie, die Flexibilität und optimale Lösungen erlaubt. Es bestehen hierfür jedoch keine Klebnormen, da das Kleben nicht aus dem Holzbau kommt und von Chemikern geprägt wurde, die mit Themen wie Kraft, Spannung etc., anders umgehen als Bauingenieure. Der Dialog zwischen diesen beiden Gruppen muss intensiv geführt werden, um praxisgerechte Lösungen mit guten Zukunftsaussichten speziell im Hybridbau anbieten zu können. Erfolgsversprechende Modelle und Nachweise sind auf Werkstoffebene zu führen und zwar auf der Ebene des Klebstoffes für das kohäsive Verhalten und auf der Ebene der Klebfuge für das adhäsive Verhalten.

Auch Prof. Dr. Peter Niemz, Leiter der Gruppe Holzphysik, Institut für Baustoffe (IfB), ETH Zürich, Schweiz wies in seinem Vortrag „Verklebung von Vollholz mit 1K PUR Klebstoffen – Nasshaftung und Ansätze zur Optimierung“ darauf hin, dass mit wachsender Bedeutung des Holzbaus eine zuverlässige Bewertung von Klebetechnologie immer wichtiger wird. Aussagekräftige Prüfmethoden, speziell zum Alterungsverhalten müssen noch entwickelt werden. Bei schwierig zu verklebenden Hölzern, speziell bei den in wachsendem Maße verfügbaren Laubhölzern, ist die Vorbehandlung mittels Primersystemen eine praxistaugliche Möglichkeit für dauerhafte Klebungen. Die Haftfestigkeit von PUR im nassen Zustand ist reduziert, Primer wie z. B.  Dimethylformamid (DMF) können eine Verbesserung der Nasshaftung erzielen. Langfristiges Ziel sollte aber letztendlich die Entwicklung angepasster Klebstoffe und schneller Oberflächenbehandlung sein (Erhöhung der Produktionssicherheit, Reduktion von Wartezeiten).

Verleihung der WKI-Medaille durch den iVTH

Im Rahmen des Forums wurde Prof. Dr. Peter Niemz wurde für seine besonderen Verdienste um die Holzforschung, insbesondere in den Bereichen Holzphysik/-technologie und Holzverklebung die Wilhelm-Klauditz-Medaille verliehen. Überreicht wurde die Auszeichnung von Prof. Dr. Rainer Marutzky, Internationaler Verein für Technische Holzfragen (iVTH), Braunschweig und Prof. Dr. Werner Klaffke, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH.
Die nachfolgenden Inhalte der Kongresstage 23./24.06.2014 sind wie folgt gegliedert:

Aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung

Karl Moser, Netzwerk Holzbau, Augsburg/Merk Timber GmbH, Aichach führte gekonnt durch das Thema ‚Aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung‘.

Yuan Jiang, M.Sc., Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion, Technische Universität München wies in Ihrem Referat darauf hin, dass durch den Klimawandel zukünftig mit Mischwäldern mit 45 % Laubholzanteil zu rechnen ist. Durch Veränderungen in der Holzverfügbarkeit rücken somit Laubhölzer in den Fokus der Forschungen zu neuen Holzwerkstoffe, wie z. B. das Forschungsprojekt zur Verwendung von Laubholz für die Herstellung von Brettschichtholz. Hier besteht speziell für das Kleben Forschungsbedarf, da sich Laubhölzer oder auch die Lärche hinsichtlich ihres Extraktionsverhaltens und der Holzchemie stark von heute häufig genutzten Holzarten, wie der Fichte oder der Kiefer, unterscheiden. Die Extraktion von Lärchenholz mit Kaltwasser löst einen hohen Anteil an Zuckern. Holzalterung führt zu einer Erhöhung des Oberflächen-pH-Wertes. Die Verklebung mit MUF und PUR zeigt unbefriedigende Ergebnisse bei Zugscherversuchen. Eine Erklärung hierfür liefert die schlechte Benetzung. Eine Wiederholung des Versuchs zeigte, dass bei veränderten Klebeparametern die geforderten Zugscherfestigkeiten erreicht werden können. 

Gordian Stapf, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA Stuttgart, Otto-Graf-Institut (FMPA)) machte in seinem Vortrag deutlich, dass auch Bearbeitungsverfahren und der Alterungszustand der Holzoberflächen einen wesentlichen Einfluss auf die Klebung haben. Hier gilt es, den Prozess ganzheitlich zu betrachten. Unterschiedliche Fertigungsparameter z.B. die Art des Hobelns und der Zustand der Messer müssen berücksichtigt werden. In Bezug auf die Oberflächenalterung scheinen die Ergebnisse zu zeigen, dass gealterte Oberflächen neutrale bzw. positive Klebparameter aufweisen. Lange Wartezeiten zwischen Hobeln und Verkleben führten zu besseren Delaminierungsergebnissen als kurze Wartezeiten.

Laut Privatdozent Dr. Ulrich Müller, Institut für Holztechnologie und Nachwachsende Rohstoffe, Universität für Bodenkultur Wien, Österreich ist die Verklebung DER technische und wirtschaftliche Schlüsselfaktor bei der Herstellung von Holzwerkstoffen und Engineered Wood Products. Ca. 25% der Kosten von Holzwerkstoffen entfallen auf den Klebstoff und daher spielt die Wechselwirkung von Holzpartikeln und Leim eine zentrale Rolle für die Wirtschaftlichkeit der Produkte. Abhängig von der Klebstoffchemie müssen Holzoberflächen somit polarer oder unpolarer eingestellt werden. Künstliche Alterung kann Zugscherfestigkeiten für PUR-Verklebungen erhöhen, da der Anteil unpolarer Holzoberflächen steigt.

„In Zukunft können wir uns vielleicht die großen Holzquerschnitte nicht mehr leisten“, so Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schwarz, Dekan, Fachbereich Holztechnik, Hochschule für nachhaltige Entwicklung, Eberswalde (FH). Die Konkurrenz um den Rohstoff Holz wird von der Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe stark beeinflusst. Funktionalisierte Klebstoffe könnten schlankere und gleichzeitig sicherere Bauwerke ermöglichen.  Werden beispielsweise leitfähige Klebstoffsysteme eingesetzt, deren elektrischer Widerstand von den Spannungszuständen in der Klebfuge abhängt, so lassen sich Structural-Health-Monitoring (SHM) Systeme aufbauen, die kritische Bauteile fortwährend überwachen. SHM ist aus dem Flugzeugbau gut bekannt und kann über die Lebenszeit von Bauwerken einen großen Vorteil bei Wartungskosten und Gebäudesicherheit bringen. Interessierende Parameter können Verformung, Schadenswachstum, Feuchtezustand u. ä. sein und leitfähige Klebstoffe sollten Aussagen hierzu ermöglichen, z. B. durch Erhöhung der Leitfähigkeit im Lastfall, ausgelöst durch dichtere Packungen von Füllstoffen - „ein Modell, mit dem wir gerne arbeiten“, so Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schwarz. Im Labor lassen sich die Messwerte beispielsweise zur Holzfeuchte gut reproduzieren. Die Klebstoffsysteme müssen aber spezifisch angepasst werden, inklusive der Modifikation der Leitfähigkeitsadditive. Vorstellbar sind zudem interdisziplinäre Aufgaben für komplexe Messungen, beispielsweise in Zusammenarbeit mit der Nachrichtentechnik. SHM eignet sich auch zur Prozessüberwachung und hier gibt es noch großes Forschungspotenzial.

Für Univ. Prof. Dr. Wolfgang Gindl-Altmutter, Institut für Holztechnologie und Nachwachsende Rohstoffe, Universität für Bodenkultur Wien, Tulln, Österreich „sind Klebeverbindungen die Grundlage leistungsfähiger Werkstoffe aus Holz“. Die Weiterentwicklung von Klebstoffen schließt die gezielte Kompatibilisierung mit den Holzoberflächen, beispielsweise in Bezug auf das Eindringverhalten ein. Dabei ist das richtige Gleichgewicht zwischen Klebstoff, der in die Zellen eindringt und Klebstoff in der Fuge wichtig, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Da die meisten Leime steifer als die Holzzellwand sind, ist übermäßiges Eindringen nicht unbedingt erwünscht. Für die gezielte Einstellung von Eigenschaften der Klebefuge eignet sich „Nanozellulose“ d.h. mikrofibrillierte Zellulose. Die Additivierung von Klebstoffen mit Nanozellulose (z. B. bei UF-Klebstoff mit 1% MFC) kann zugscherfestere und rissbeständigere Spanplatten hervorbringen und bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften Klebstoffmengen reduzieren helfen. Dabei „resultiert die höhere Mechanik der kleineren Strukturen aus geringerer Defekthäufigkeit“, so Univ. Prof. Dr. Wolfgang Gindl-Altmutter.

Vielversprechende Lösungen für die Praxis

Prof. Torsten Leps, Studiendekan Holztechnik, Hochschule Rosenheim moderierte den thematischen Teil ‚Vielversprechende Lösungen für die Praxis‘ und wies darauf hin, dass das Forum Holzkleben die entscheidenden Partner für die Weiter- und Neuentwicklung klebtechnologiegerechter Lösungen im Holzbereich zusammenbringt.

Laut Dr. Christian Lehringer, Technology Manager, Purbond AG, Sempach Station, Schweiz liegt in den neuen Herausforderungen beim Kleben alternativer Hölzer die Chance auf einen Benefit für die Holzbranche. So wurde für Lärche, Buche, Esche, Eiche, Douglasie, Birke, Robinie und Edelkastanie ein neues PUR-Klebstoffsystem mit Primer (1K-PUR-BOND) entwickelt, das alle Anforderungen an Brettschichtholz erfüllt. Die Wirkung der Primer beruht auf einer Begünstigung der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen Holz und Klebstoff, was zu einer besser ausgeprägten Grenzschicht führt. Primer verbessern so den Kontakt des Klebers zum Holz und erhöhen dadurch die Haftung. Die Integration der Primerung in die Produktion ist durch vorhandene Anlagenteile (z. B. Wassersprühanlage) möglich, allerdings stellt die Ablüftzeit von 10 Minuten noch eine Herausforderung dar. Stirnplanfräsen zeigt bei jahresringporigen Hölzern negative Effekte in Bezug auf die Delamination.
Auch im Brandfall müssen Klebstoffe eine zuverlässige Festigkeit und Dauerhaftigkeit aufweisen, so dass sie ihre Funktionsfähigkeit vollständig behalten. Wird dem Holz genügend Wärme zugeführt, beginnt es, sich in einem thermischen Prozess (Pyrolyse) unter Bildung von Holzkohle und brennbaren Gasen zu zersetzen. Hierdurch verliert das Holz an Steifigkeit und Festigkeit. Die Kohleschicht besitzt im Vergleich zum Holz eine geringere Wärmeleitfähigkeit und schützt daher das innere Holz vor der Wärmeeinwirkung. Die Brandeinwirkung führt nicht nur zu einem Querschnittsverlust (Bildung von Holzkohle), sondern auch zu einer temperaturbedingten Abnahme der Festigkeit und Steifigkeit des unter der Kohleschicht vorhandenen Holzes. Bei Brandeinwirkung werden an der Holzoberfläche Temperaturen von bis zu 900°C erreicht, im Inneren nur unter 100°C. Um der Frage nachzugehen, wie sich Klebstoffe auf das Brandverhalten von Brettschichtholz auswirken, wurden von Dr. Michael Klippel, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich, Schweiz umfangreiche Brandversuche unternommen. Für die Bestimmung des Einflusses des Klebstoffes im Brandfall existieren keine Normen - für die numerische Betrachtung der Festigkeit von Keilzinken BSH muss die Eigenschaftsmodellierung daher mittels probabilistischer Methoden erfolgen, um Eigenschaftsschwankungen im Holz zu berücksichtigen. Die Ergebnisse für  12 verschiedene Klebstoffe in 49 Brandversuchen weisen den Einfluss der Klebstoffe in der flächigen Verklebung (zwischen den Brettlamellen) sowie in der Keilzinkung (Längsverbindung) auf das Tragverhalten von Brettschichtholzträgern im Brandfall nach. Bei konstanten Temperaturen wird der Feuerwiderstand in der Praxis meist um 10-30 % überschätzt. Bei flächiger Verklebung (BSP) hat die Klebefuge keinen Einfluss auf das Brandverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Berücksichtigung der Verklebung für die Brandbemessung nicht notwendig ist.

Dr. Andreas Zillessen, Bereich Kleben und Klebstoffe, Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, Braunschweig stellte in seinem Beitrag eine neuartige konstruktive Lösung für den Holztafelbau durch konduktiv erwärmbare Klebebänder aus Streckmetall mit Polyamid-Hotmelt vor. Die Haltezeit für das Aufschmelzen beträgt ca. 40 s mit anschließender Kühlzeit, die von den Klebepartnern abhängt (Vollholz dauert ein paar Minuten). Die Metalladhäsion bereitet Probleme, weswegen sich die Streckmetall-Variante positiv verhält. Die Methode eignet sich für Klebungen bis 3 m, die mit Heizzeiten von unter einer Minute geklebt werden können. Für den Praxiseinsatz ist die Entwicklung einer geeigneten Temperaturkontrolle notwendig. Für das Auflösen der Klebung kann eine induktive Erwärmung genutzt werden, jedoch muss die Energie durch dicke Schichten eingebracht werden. Die neuartige Klebung von Schmalflächenfugen der Plattenwerkstoffe aneinander bietet eine größere Designfreiheit, Steifheit und Materialersparnis.

Beat Bruderer, Engineering, nolax AG, Sempach Station, Schweiz gab in seinem Vortrag einen Überblick über Injektionsverbindungen bei Holz und Holzwerkstoffen. Die Holzbranche hat viele „hundertjährige“ Verbindungstechniken und sollte sich neuem öffnen. Das Injektionskleben ist ein trockenes Fügeverfahren, bei dem ein Klebstoff in einen Hohlraum eingespritzt wird. Die Vorteile ergeben sich aus sehr kurzen Taktzeiten, einer Klebeverbindung auf „Knopfdruck“ oder „Bonding on demand“, der Ermöglichung komplexer Geometrien sowie allgemein einer Vereinfachung des Klebstoffhandlings. Die Polyurea Technologie leistet hier einen wichtigen Beitrag, da die hohe Reaktivität und die kurzen Fixierzeiten neue Verbindungskonzepte ermöglichen. Neben der flächigen Applikation kann bei entsprechender Anpassung der Konstruktion das Injektionskleben eine sehr interessante Alternative zum Verbinden von Bauteilen sein. Vielfältige Anwendungen sind möglich, jedoch ist eine spezielle Anlagentechnik notwendig - die Taktzeiten sind bei 2 Minuten und an der Injektionsstelle bleibt ein Loch. Ein neues 2K-Polyharnstoff-Klebstoffsystem bietet die Möglichkeit, die Taktzeiten auf wenige Sekunden zu reduzieren. Es ist eine spezielle Anlagentechnik zur Hochdruck-Gegenstrom-Dosierung notwendig. Der Klebstoff kostet je nach Formulierung 10-12 Euro/kg. 

Fabian Leuthard, Technology Manager Reactive Systems, Collano Adhesives AG, Sempach Station, Schweiz veranschaulichte in seinem Referat spezifische Lösungen mit Hybridklebstoffen. Die reaktiven Silan-Hybridklebstoffe von Collano kombinieren die speziellen Eigenschaften von silanbasierten Klebstoffen und belastbaren 2K PUR oder Epoxid Klebstoffen. Oft sind Silane als Komponenten enthalten, aber auch UF, PU und Acrylat-Komponenten werden verwendet. So werden die hohen Anforderungen erfüllt, die an stark beanspruchte Verbindungen für tragende Teile im Fahrzeug-, Metall- und Fassadenbau gestellt werden: hochfest und doch elastisch, stoss- und vibrationsbeständig, schalldämmend, witterungsbeständig. Die Klebstoffe weisen ein breites Haftspektrum auf: Aluminium, Edelstahl, GFK und verschiedene Kunststoffe können verklebt werden. Hybridklebstoffe werden im Baubereich eingesetzt, um komplexe Fügeaufgaben zu lösen. Sie ermöglichen leichte Konstruktionen durch die Verbindung kompatibler Materialien (z.B. hochfeste elastische Verbindung von GFK mit Aluminium möglich). Beispielsweise läßt sich mit dem 1K-MS-System Stahl mit Holzträgern dauerhaft verbinden oder auch hochfeste elastische Verbindungen von GFK mit Aluminium. Kleben ist zudem oft ästhetischer als eine mechanische Befestigung. 2K-Systeme bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten ohne Abhängigkeit von Feuchteeintrag. Allerdings sind diese Systeme träge und haben offene Zeiten von Stunden.

Prof. Dr. Holger Militz, Direktor der Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte, Georg-August-Universität Göttingen bot in seinem Vortrag spannende Einblicke in die Verklebung thermisch und chemisch modifizierter Hölzer. Modifizierungsverfahren bestehen seit 20 Jahren und werden ständig weiterentwickelt. Mittels thermischer, chemischer, enzymatischer bzw. imprägnierender Prozesse der Holzmodifizierung wird sowohl die natürliche Dauerhaftigkeit als auch die Dimensionsstabilität von einheimischen Hölzern optimiert sowie die Anwendung unbekannter Holzarten gefördert. Langfristig soll modifiziertes europäisches Holz den Einsatz von Tropenholz (z. B. Meranti oder Teak) substituieren. Das Verkleben modifizierter Hölzer ist aufgrund der zusätzlichen Oberflächenparameter sehr komplex. Der Verbund ist wichtig, da Modifikationen leichter an dünneren kleineren Stücken durchzuführen sind. Für die Bewertung der Fügeeigenschaften von modifizierten Hölzern muss viel Sachverstand angewendet werden und eventuell sind Standardmethoden anzupassen.

Emissionsarme und –freie Verklebungen von Holzprodukten

Prof. Dr. Rainer Marutzky, Internationaler Verein für Technische Holzfragen (iVTH), Braunschweig führte versiert durch die Thematik ‚Emissionsarme und –freie Verklebungen von Holzprodukten‘.

Christoph Funke, F&E Dispersionen Holz – Möbel, Jowat AG, Detmold gab in seinem Beitrag einen Überblick über emissionsreduzierte Klebstoffe im Holz- und Möbelbau. Die Anzahl der Emissionsquellen in Gebäuden hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich erhöht. Sanierungsmaßnahmen wie Dämmung und die Minimierung von Luftwechselraten führten und führen dabei zu höheren Konzentrationen in Innenräumen. Das Umweltbundesamt geht von 80-90% Aufenthaltszeit in Innenräumen aus. Die Einteilung der Bewertung von VOC‘s ist sehr länderspezifisch. Fakt ist, dass Formaldehyd von der EU hinsichtlich der krebserregenden Eigenschaften zukünftig strenger eingestuft werden wird. Die Neueinstufung in Klasse 1B würde bedeuten, dass der allgemeine Emissionswert für Formaldehyd von 20 mg/m³ auf höchstens 1 mg/m³ abgesenkt würde. Zusätzlich würde das Emissionsminderungsgebot gelten. Daher wird der Trend zu emissionsminimiertem Bauen in den nächsten Jahren sicher stärker werden und der Einsatz von emissionsarmen Substanzen an Bedeutung gewinnen. Für den Einsatz im konstruktiven Holzleimbau wurden formaldeyhdfreie 1K-PUR-Prepolymerklebstoffe entwickelt. Mögliche Alternativen zur emissionsreduzierten Klebung in der Möbelherstellung sind PVAc Dispersionen, Folienklebstoffe und EPI Klebstoffe.

Dr. Stephan Weinkötz, BASF SE, Ludwigshafen widmete sich in seinem Vortrag emissionsreduzierten Bindemittelsystemen nach den Standards E1, CARB2, F****, ULEF, NAF (no added formaldehyde) für Holzwerkstoffe. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass ca. 10µg Formaldeyhd pro Kubikmeter Luft ‚Grundrauschen‘ ist, das zu einem Drittel aus Verbrennungsvorgängen und zu zwei Drittel pflanzlichen Ursprungs stammt. In der Spanplattenherstellung sind viele Faktoren in Bezug auf die Formaldehydemission zu berücksichtigen - von der Lagerung über den Leim, bis hin zur Presseneinstellung. Auch wirtschaftliche Erwägungen spielen eine Rolle: Aminoharz kostet ca. 30 ct/kg, PMDI ca. 2 €/kg, Phenolharz liegt dazwischen.
Die Formaldehydemission der gesamten Holzwerkstoffplatte wird stark von den Deckschichten beeinflusst. In der Deckschicht können langsamere Bindemittel eingesetzt werden wie z. B. langsamere UF- oder mUF-Leimsysteme. Für die Prozessoptimierung wird die RGT-Regel ausgenutzt (Beschleunigung chemischer Reaktionen auf doppelte bis vierfache Geschwindigkeit durch Temperaturerhöhung um 10 K). Des Weiteren können alternative Bindemittel mit höherer Vernetzungstemperatur zur Anwendung kommen. Für die optimierte Einstellung von Emissionseigenschaften kann das effektive Molverhältnis von Formaldehyd zu Harnstoff in der Platte abgesenkt werden (in der Deckschicht stärker als in der Mittelschicht). Ergänzend können fester Harnstoff statt Lösung in der Mittelschicht, PMDI als Additiv in der Mittelschicht und melamin-verstärkte Leime mUF eingesetzt werden.

Maria Brodel, Bereich Qualitätsprüfung und –bewertung, Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, Braunschweig machte in Ihrem Vortrag deutlich, dass durch eine Kombination des reaktiven Isocyanat und eines kostengünstigen Aminoplastharzes, wie z. B. eines Harnstoffharzes die Vorteile beider Klebstoffsysteme kombiniert werden können. Um das Mischen und Lagern der Klebstoffkombinationen zu ermöglichen, werden die reaktiven Gruppen des Isocyanates durch Blockierungsmittel zunächst geschützt. Erst durch die thermische Einwirkung in der Heißpresse wird die Bindung zwischen dem Isocyanat und dem Blockierungsmittel aufgebrochen und das Isocyanat zur Reaktion mit den Harnstoffverbindungen freigesetzt. Durch den sinkenden Formaldeyhd-Gehalt in UF-Harzen sinkt seine Reaktivität. Eine PMDI-Zugabe verschiebt die Aushärtung zu niedrigeren Temperaturen und wirkt somit beschleunigend. Dies geht zurück auf die bevorzugte Reaktion der Isocyanate mit den Methylolgruppen der Kondensationsprodukte aus Harnstoff und Formaldehyd. Die mechanischen Kennwerte lassen sich bei einer Einsatzmenge von 1 % (FH/atro Span) zusätzlich steigern. Die Zugabe von Isocyanaten zu Aminoharzen kann Presszeiten verkürzen und Emissionen reduzieren. Bei der Verarbeitung wird blockiertes PMDI eingesetzt, das im UF-Harz diespergierbar und mischbar ist und in den Deckschichten verstärkend wirkt.

Dr. Frank Börner, Bereich Aminoharzchemie, Mikroverkapselung, Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam und Dr. Brigitte Dix, Bereich Holzwerkstoffe, Klebstoffe, Emissionen, Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, Braunschweig widmeten sich in ihrem Referat den formaldehydfreien Melamin-Glykol-/Glycerinaldehyd-Harzen als Bindemittel für Holzwerkstoffe. Sie wiesen darauf hin, dass der überwiegende Anteil an Klebstoffen für Holzwerkstoffe - ca. 95% - formaldehydhaltig ist. Anforderungen an alternative Klebstoffe beginnen mit der Verfügbarkeit. Eine große Zahl alternativer Systeme ist bereits in Erforschung, allerdings sind viele der Systeme in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit nicht optimal. Alternative Aldehyde haben oft das Problem starker Hydratisierung und somit geringer Reaktivität. Mögliche Alternativen sind Dimethoxyethanal, Glyoxal, Glyoxylsäure oder deren niedermolekulare Kondensationsprodukte. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von Glykol- und Glycerinaldehyd. Erste Versuche zeigen die Eignung der Systeme für Papierbeschichtungen und Spanplattenfertigung, allerdings noch mit zu hohen Dickenquellungswerten.

Laut Dietmar Itt, Verkauf, Grünig KG, Bad Kissingen/Albertshausen ergeben Harnstoffleime gute Endfestigkeiten bei einem leider hohen Formaldehydgehalt. Es besteht daher eine hohe Marktnachfrage nach formaldehydfreien Dispersionsklebstoffen für den Innentüren-, Parkett- und Möbelbau. Alternative Weißleime auf Dispersionsbasis haben einige Nachteile wie beispielsweise kurze offene Zeit, längere Aushärtungszeit und höhere Preise, aber es können sich auch Vorteile in Bezug auf Verarbeitung und Einsatzbandbreite ergeben wie z. B. Reduzierung der Auftragsmenge und Komponenten sowie Reduzierung der Presszeit und –temperatur. Der neu entwickelte Dispersionskleber kann bei Einsatz in der Türblattherstellung viele Vorteile wie nur noch eine Presstemperatur und –zeit sowie Formaldehydgehalt unter der Nachweisgrenze realisieren, er ist aber etwas teurer als UF.

Thomas Hero, Ressort Chemie, Institut für Holztechnologie Dresden gemeinnützige GmbH konnte in seinen Untersuchungen zu einem reaktionsfähigen Polymer auf Basis holzeigener Inhaltsstoffe als alternativer Klebstoff aufzeigen, dass Cellulosederivate ein hohes Potenzial als Klebstoffe haben. Aufgrund der chemischen Homogenität lassen sich auch zielgerichtet Derivate herstellen. Einige Herausforderungen sind auf chemischer und technologischer Ebene noch zu meistern wie beispielsweise die Erhöhung des Feststoffgehaltes, resultierend aus dem hohen Viskositätswert sowie eine gezieltere Steuerung der Aushärtereaktion. Cellulose als häufiger Stoff ist jedenfalls eine vielversprechende Ressource für diverse Anwendungen und daher eine gute Basis für die Entwicklung einer nachhaltigen Bioökonomie.

Prof. Dr. Rainer Marutzky, Internationaler Verein für Technische Holzfragen (iVTH), Braunschweig wies in seiner Zusammenfassung darauf hin, dass die Holzverleimung ihren Ursprung bereits vor etwa 3200 Jahren genommen hat. Holzverklebung ist mengen- und qualitätsmäßig ganz oben angesiedelt und überragt sogar Hightech-Bereiche wie „Automobil“. Ziel der Klebstoffentwicklung ist „as Wood“, aber der Markt nimmt noch nicht wirklich die Alternativen an. „Wer neue Welten entdecken will, muss alte Ufer verlassen und die Segel setzen“. Prof. Dr. Rainer Marutzky hob die hervorragende Zusammenarbeit mit Bayern Innovativ hervor und zog ein sehr positives Fazit dieser europaweiten Vernetzung der Holz- und Klebstoffszene, insbesondere in Bezug auf die Konzeption des Forums, die Qualität der Vorträge, die Diskussionsfreudigkeit der Teilnehmer und das Ambiente der Tagungsstätte. Bilder und Vorträge sind verfügbar unter: www.bayern-innovativ.de/holzkleben2014
Eine Fortführung des Forums ist vom 21. – 22. Juni 2016 in Würzburg geplant.

Fachlicher Ansprechpartner 
Regina Merz
Tel. +49 911-20671-146
Fax +49 911-20671-733

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