Holzwerkstoffe und Leime

Wir können generell 2 Gruppen von Produkten aus Holz unterscheiden:

Bei allen Holzwerkstoffen erfolgt zunächst eine Auflösung der Struktur des nativen Holzes in Elemente und eine auf den jeweiligen Einsatzfall orientierte Neuanordnung. Nachfolgend werden einige wichtige Grundlagen zur Strukturbildung, die für alle Werkstoffe gelten, zusammengestellt.

Gemäß Abb. 3.1 werden die Eigenschaften eingeteilt in physikalische, biologische und chemische.

Die Holzwerkstoffindustrie ist innerhalb der Holzindustrie einer der am weitesten entwickelten und automatisierten Bereiche. So hat eine kostenoptimale Spanplattenanlage heute eine Kapazität von ca. 1000-2000 m³/Tag und darüber.

Holzwerkstoffe werden in der Möbelindustrie und in zunehmendem Umfang auch im Bauwesen eingesetzt (Abb. 5.1; Tab. 5.2, Tab. 5.3). In Deutschland wurden 1998 ca. 52% der Spanplatten in der Möbelindustrie, 40% im Bauwesen eingesetzt. Der Anteil im Bauwesen steigt.

Kondensationsharze auf Basis von Formaldehyd entstehen durch die Reaktion von Formaldehyd mit verschiedenen Verbindungen wie Harnstoff, Melamin, Phenol oder Resorcin sowie mit Kombinationen dieser Verbindungen. Allen Formaldehyd-Kondensationsharzen ist das Merkmal des duroplastischen Aushärtens gemeinsam. Sie bestehen in Liefer-und Verarbeitungsform aus linearen oder verzweigten oligomeren bzw. polymeren Molekülen und liegen in wässriger Lösung bzw. als Dispersion von Molekülen in wässrigen Lösungen der gleichen Molekülart vor. Beim Aushärtungsprozess gehen sie in unlösliche und unschmelzbare dreidimensionale Netzwerke über. Je nach Art des Harzes und des eingesetzten Härtungskatalysators laufen diese Reaktionen im sauren (UF, MF, MUF, MUPF), im alkalischen (PF, PUF) oder im neutralen Bereich (RF, PRF) ab. Moderne Analysenverfahren ergaben in den letzten 20 Jahren detaillierte chemische und physikalisch-chemische Ergebnisse betreffend der Zusammensetzung und der Struktur der Formaldehyd-Kondensationsharze (s.Teil II, Kap. 3).

Isocyanat-Bindemittel auf Basis von PMDI (Polymethylendiisocyanat) werden seit mehr als 25 Jahren in der Holzwerkstoffindustrie eingesetzt, vorwiegend für die Herstellung von Holzwerkstoffen für den Einsatz im Feuchtbereich (z.B. Spanplatten nach EN 312-5 bzw.-7), aber auch für „formaldehydfrei“ verleimte Platten sowie für verschiedene schwer zu verleimende Einjah-respflanzen, wie z. B. Stroh oder Bagasse. Die guten Anwendungseigenschaften von PMDI und von damit hergestellten Holzwerkstoffen sind insbesondere auch in den speziellen Eigenschaften dieses Klebstoffes begründet, die sich deutlich von denen anderer Bindemittel, wie z.B. den Kondensationsharzen, unterscheiden. PMDI zeichnet sich vor allem auch durch sein gutes Benetzungsverhalten einer Holzoberfläche im Vergleich zu den verschiedenen wässrigen Kondensationsharzen aus. Zusätzlich ist ein gutes Eindringvermögen in die Holzoberfläche gegeben. Die Ursache dafür scheint vor allem in der kleinen Molekülmasse zu liegen. PMDI hat offensichtlich die Fähigkeit, nicht nur in die makroskopischen Hohlräume des Holzes, sondern auch auf molekularer Ebene in die Polymerstrukturen des Holzes einzudringen. Dies ermöglicht eine gute mechanische Verankerung, möglicherweise ist durch diese Durchdringung dieser beiden Netzwerke eine Verfestigung der Holzsubstanz gegeben. (1995) weist jedoch darauf hin, dass diese gute Benetzung bzw. das starke Eindringen in die Holzoberfläche auch Anlass zu verhungerten Leimfugen geben kann. Infolge der hohen Reaktivität und der niedrigen Molmasse scheint es zur Ausbildung einer speziellen Grenzschicht zwischen Holz(oberfläche) und dem Bindemittel zu kommen. Wenn die Aushärtung rascher erfolgt als die thermodynamisch bedingte Entmischung während des Aushärtevorganges, entsteht ein Polyharnstoff/Biuret-Netzwerk, welches das „Polymernetzwerk“ des Holzes durchdringt. Dabei könnten sowohl kovalente Bindungen als auch Nebenvalenzkräfte mithelfen, diese Entmischungsreaktion während der Aushärtung zu verhindern.

Die Charakterisierung von flüssigen Klebstoffsystemen, insbesondere von Leimen auf Basis von Formaldehyd-Kondensationsprodukten, hat in den letzten zwei Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Die Bestimmung der Molmassenverteilung solcher polydispersen Systeme z.B. mittels Gelpermeations-chromatographie lässt direkte Rückschlüsse auf den Kondensationsgrad zu und ist die Grundlage für Korrelationen zwischen dem molekularen Aufbau und den technologischen Eigenschaften solcher Harze. Spektroskopische Verfahren wie IR und NMR geben Aufschluss über die verschiedenen Strukturelemente in den Harzen, z.B. über die Art der Brückenbindung zwischen den einzelnen Monomeren. Aber auch die grundlegenden technologischen Laborkennwerte, insbesondere die Messung der Gelierzeit als Maß für die Reaktivität eines Leimsystems, lassen wichtige Rückschlüsse auf die Eigenschaften und Eignung der Harze zu. Nichtsdestotrotz besteht bei der Charakterisierung von Leimharzen nach wie vor ein großer Entwicklungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der labormäßigen Voraussage von in der Praxis erzielbaren Bindefestigkeiten und Eigenschaften von Holzwerkstoffen.

Es ist möglich, direkt an Holzwerkstoffen verschiedene Analysen des eingesetzten Leimes durchzuführen. Damit können Informationen über die bei der Herstellung dieser Holzwerkstoffe eingesetzten Bindemittel erhalten werden. Zur Auswertung dieser Analysen sind jedoch meist verschiedene Annahmen zu treffen bzw. verschiedene Informationen als bekannt vorauszusetzen.

Die Bestimmung von aus Holzwerkstoffen emittierbaren Restmonomeren steht seit mehreren Jahrzehnten im Mittelpunkt des Interesses; insbesondere zum Thema der nachträglichen Formaldehydabgabe existiert ein umfangreiches Schrifttum, welches in dieser Fülle an dieser Stelle nur teilweise wiedergegeben werden kann. Aufgabe dieses Kapitels ist demnach insbesondere eine systematische Gliederung und übersichtliche Darstellung. Weitere Hinweise zu diesem Thema finden sich insbesondere auch in Teil III, Abschn. 2.2.3.

Das Zusammenwirken zwischen Holz (Holzoberfläche) und Bindemittel wird durch viele holzabhängige und holzunabhängige bzw. bindemittelabhängige Faktoren bestimmt (Roffael 1999). Zu den holzabhängigen Faktoren gehören die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Holzoberfläche, die wiederum durch verschiedene Einzelparameter beeinflusst werden. Zu den bindemittelabhängigen Einflussfaktoren zählen vor allem das Molverhältis des (aminoplastischen) Harzes, dessen Viskosität im technisch relevanten Konsistenzbereich sowie verschiedene eingesetzte Modifizierungsmittel. Das Härtungsprofil des Harzes und damit auch die Platteneigenschaften werden in Wechselwirkung mit dem Härtungsbeschleuniger, den Prozessparametern und den Eigenschaften der Holzoberfläche bestimmt.

Die Einflussgröße Holz umfasst eine Vielzahl von einzelnen Parametern. Beispielhaft werden für Späne und Spanmischungen als Rohstoff für Spanplatten und andere Spanwerkstoffe in Tabelle 1.1 die wesentlichen Kenngrößen zusammengefasst (Niemz und Wenk dy1989). Viele dieser Parameter gelten auch für andere Holzwerkstoffe, z.B. für Sperrholz oder Faserplatten

In den beiden folgenden Abschn. 2.2 und 2.3 wird schwerpunktsmäßig auf aminoplastische und phenoplastische Harze eingegangen; über die Einflüsse anderer Bindemittel und Klebstoffe auf die Verleimung und die Eigenschaften der hergestellten Holzwerkstoffe wird direkt bei der Beschreibung dieser Klebstoffe eingegangen (Teil II, Kap. 2).

Die Herstellungsbedingungen stellen bei der Produktion von Holzwerkstoffen den dritten großen Komplex an Einflussgrößen dar. So verschieden die einzelnen Holzwerkstoffe sind, gelten doch viele grundsätzliche Parameter für alle Arten gemeinsam. Auf der anderen Scite üben die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Holzwerkstofftypen auch einen entsprechenden Einfluss auf die erforderlichen Herstellungsbedingungen aus.

Plattenförmige Holzwerkstoffe, insbesondere Spanplatten und MDF, haben auf Grund ihres Aufbaues und ihrer Herstellweise keine einheitliche Dichte. Sie weisen sowohl Dichteschwankungen in der Plattenebene als auch ein charakteristisches Rohdichteprofil über den Plattenquerschnitt auf. Die Bestimmungsmethoden für die Plattendichte sowie das Rohdichteprofil werden in Teil I, Anhang 3 beschrieben.

In Teil II, Abschn. 1.1.5.1 und 1.2.1 wurde bereits über Möglichkeiten der Verbesserung der Beständigkeit von UF-gebundenen Holzwerkstoffen gegenüber dem Einfluss von Feuchtigkeit und Wasser berichtet. Die Witterungsbeständigkeit von Holzwerkstoffen orientiert sich an der langjährigen Freibewitterung, die im Wesentlichen die Einsatzbedingungen der Holzwerkstoffe widerspiegelt. Da das Wetter und damit die Intensität der Bewitterung weder vorhersehbar ist noch in irgendeiner Form geregelt werden kann, können sich bei Bewitterungsversuchen, die z.B. an unterschiedlichen Orten durchgeführt wurden, deutliche Unterschiede in den Ergebnissen zeigen. Die wesentlichen Parameter für eine erfolgreiche Freibewitterung liegen demnach in der richtigen Wahl des Aufstellungsortes und der sonstigen Parameter sowie in einer exakten Erfassung aller während des Tests auftretenden Bedingungen, insbesondere der meteorologischen Daten.