1 Einleitung
Nach Illmann et al. (
1983) sind Wachse Ester langkettiger Fettsäuren mit langkettigen Alkoholen, die aus dem pflanzlichen und tierischen Metabolismus stammen. Verschiedene synthetische Stoffe wie Polyolefine, Fischer-Tropsch-Wachse (Illmann et al.
1983) oder Amidwachse entsprechen zwar hinsichtlich ihrer chemischen Struktur nicht den klassischen Wachsen, aufgrund ihrer physikalisch-technischen Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkt, temperaturabhängige Viskosität, Molmasse, etc.) werden sie jedoch als Wachse eingestuft (DGF-Einheitsmethoden
1975). Sie werden in der Kunststoffbranche als Trennmittel und für Pigmente, im Lebensmittelbereich zur Feuchtekonservierung von Käse oder Citrusfrüchten oder für Polituren, Kosmetika und Schuhcreme verwendet (Illmann et al.
1983). Wachse und Paraffine werden im Holzsektor zumeist als Additive zur Hydrophobierung als Emulsionen (Deppe und Ernst
1996), in Beschichtungssystemen oder in Kombination mit Holzschutzmitteln eingesetzt. Reines Wachs wird hingegen selten genutzt. Für die Holzkonservierung und Holzfestigung werden u. a. Bienen- und Carnaúbawachs sowie Paraffine empfohlen (Unger et al.
2001). Mundigler und Rettenbacher (
2005) verweisen auf gesteigerte Härten bei Harz-Wachsimprägnierungen von Holz. Scheiding (
2007) ermittelte bei mit Wachs imprägniertem Thermoholz erhöhte Biegeeigenschaften und Härten.
Die thermische Modifizierung von Holz (nachfolgend als TMT bezeichnet) wird nach Militz (
2002) bei Temperaturen zwischen 160–260 °C durchgeführt. Dadurch kommt es zu hydrolytischen Spaltungen der Polysaccharide, Oxidations-, Kondensations- und Radikalreaktionen (Militz und Mai
2008). Nach Lukowsky et al. (
2002) wird das Sorptionsvermögen des Holzes reduziert, so dass die Dimensionsstabilität deutlich zunimmt. Im Vergleich zum unbehandelten Holz quillt und schwindet das Holz dann um 15–40 % weniger (Homan
2004). Neben einer dekorativen Dunkelfärbung wird auch die Resistenz gegenüber Pilzen gesteigert (Ewert und Scheiding
2005). Die thermische Behandlung bewirkt Masseverluste infolge des Zellwandabbaus (Militz und Mai
2008), insbesondere von Hemicellulosen und ab 200 °C bei Lignin (Windeisen et al.
2007) und damit eine Dichtereduktion. Hinzu kommen die Versprödung und Rissbildung in der Zellwand und die Delaminierung der einzelnen Zellwandschichten sowie der Mittellamellen (Fengel und Wegener
2003; Birkinshaw und Dolan
2009). Bei allen thermischen Modifizierungen kommt es hierbei in Abhängigkeit der Behandlungsdauer und Temperatur zu Festigkeitsverlusten und Versprödungen insbesondere bei Nadelholz (Ewert und Scheiding
2005), die zum Teil bestimmte Applikationen beispielsweise im konstruktiven Bereich limitieren. Die etablierten Verfahren unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der Temperatur und Prozessdauer (Homan
2004; Militz und Mai
2008). Sie werden in Stickstoff- und hydrothermischer Atmosphäre sowie in erhitztem Öl durchgeführt. Über 80 % des gesamten TMT werden mit Heißluft und Wasserdampf gefertigt (Ewert und Scheiding
2005). Einsatzgebiete bestehen im Fußbodenbereich, als Fassaden, im Fenster-, Landschafts- und Gartenbau oder im Kanalbau (Ewert und Scheiding
2005).
Bei der Acetylierung ist die Imprägnierung von Acetananhydrid in Holz und deren Veresterung mit den Hydroxylgruppen der Zellwand unter Abspaltung von Essigsäure technisch zur Prozessreife gelangt (Militz und Mai
2008). Das Holz wird nach erfolgter Behandlung in einen Zustand permanenter Quellung versetzt (Larsson Brelid
1998). Dadurch wird eine Reduzierung der Ausgleichsfeuchte, eine Verringerung des Quell- und Schwindverhaltens um bis zu 90 %, hohe Dimensionsstabilität und Resistenz gegenüber Pilzen erreicht (Beckers et al.
1994; Militz et al.
1997; Larsson Brelid
1998; Militz und Mai
2008). Bei einem geringfügigen Dichteanstieg bei Pinus radiata bleiben die Festigkeiten sowie die Bruchschlagarbeit unverändert oder werden im Fall der Härte erhöht (Tjeerdsma und Pfeiffer
2006). Nach Militz und Mai (
2008) ist bei größeren Dimensionen die Evakuierung von Essigsäure beispielsweise aufgrund der Geruchsbelästigung aus dem Holz erschwert. Nach Bongers et al. (
2009) wird acetyliertes Holz im Haus-, Fassaden- und Brückenbau verwendet.
Nach Militz und Mai (
2008) können auch Moleküle mit
N-Methylolgruppen wie DMDHEU (Dimethylol-dihydroxy-ethylenurea) oder deren Derivate eingesetzt werden. Die Moleküle können sowohl in der Zellwand polymerisieren bzw. über die
N-Methylolgruppen mit den Zellwandpolymeren vernetzen. Die Zellwand wird dabei im gequollenen Zustand fixiert. Die Quellung und Schwindung wird um bis zu 70 % reduziert. Des Weiteren wird die Dauerhaftigkeit verbessert und ein Bewitterungsschutz erreicht. Das behandelte Holz bleibt anfällig gegenüber Schimmelbefall (Homan et al.
2007). Die Biegefestigkeit (Nicholas und Williams
1987) und Bruchschlagarbeit (Schaffert
2006) werden reduziert, die Härte hingegen erhöht (Krause
2006; Militz und Mai
2008). Anwendungen bestehen als Parkett sowie im Garten-, Fenster- und Möbelbau.
Die hydrophobierende Wirkung von Wachs in Massivholz wird von Scholz et al. (
2009) quantifiziert. Scholz et al. (
2009,
2010) verweisen auf die Erhöhung der Festigkeiten durch die Vollimprägnierung von Massivholz. Dabei wurde auch ein Einfluss des Wachstyps festgestellt. Demnach erhöhten sich die Biegefestigkeit wachsgetränkten Kiefernsplints um bis zu 25 % bzw. die Bruchschlagarbeit um bis zu 31 % (Scholz et al.
2010). Speziell diese mechanischen Kennwerte werden bei der thermischen und chemischen Holzmodifizierung oftmals verschlechtert. Die Wachsimprägnierung soll dazu beitragen, verschlechterte Festigkeiten bereits modifizierten Holzes zu erhöhen. Des Weiteren wird der Einfluss des hydrophoben Imprägniermittels auf die kapillare Wasseraufnahme untersucht.
2 Material und Methoden
Tab.
1 gibt einen Überblick hinsichtlich des verwendeten Materials. Nach Trocknung in der Imprägnieranlage (100 °C/100 mbar) erfolgte die Volltränkung mit einem Montanesterwachs (C
24/C
34) unter Vakuum-Druck bei 100 °C (60 min/120 min) bei 12 bar. Die Versuche erfolgten an kernfreien Probenabschnitten. Zur optischen Visualisierung wurde ein blauer Farbstoff verwendet (Fett-Blau, Clariant). Die Prüfungen erfolgten an klimatisierten Proben (20 °C/65 % relative Luftfeuchtigkeit).
Tab. 1
Übersicht über die Materialherkunft und die Abmessungen bei der Imprägnierung
Table 1
Overview of material origin and dimensions during impregnation
Licolub WM31 | Montanesterwachs | Clariant | – | Granulat |
TMT | thermisch modifiziert (Stellac®) | Firstwood |
Pinus sylvestris
| 380×40×30 |
Acetylierung | Acetylierung (Accoya®) | Titan Wood |
Pinus radiata
| 380×150×40 |
DMDHEU |
N-Methylolvernetzer (Belmadur®) | BASF |
Pinus sylvestris
| 380×120×28 |
In Tab.
2 sind die verwendeten Prüfnormen aufgeführt. Abweichend von der Norm lag die unversiegelte Querschnittfläche der Prüfkörper zur Bestimmung der kapillaren Wasseraufnahme unter 50 cm
2. Die Prüfkörper wurden mit wasserdichtem Klebeband (Siga-Rissan) versiegelt. Periodisch (0 h, 1 h, 3 h, 6 h, 12 h, 24 h, 48 h, dann alle 48 h) wurde durch Wägungen die kapillare Wasseraufnahme ermittelt (Formel (
1)). Rechnerisch wurde mit Formel (
2) der kapillare Wasseraufnahmekoeffizient ermittelt. Dieser entspricht dem Steigungswinkel der Graphen.
Tab. 2
Verwendete Normen und Prüfvorschriften (Prüfklima: 20 °C, 65 % relative Luftfeuchte)
Table 2
Applied standards and test procedures (climate: 20 °C, 65 % relative air humidity)
Dichte | g/cm3
| 30×20×20 | 35–43 | 37–42 | |
Wasseraufnahme | | | | | |
tangential | kg⋅m2⋅h−0,5
| 40×40×25 | 10–12 | 10–12 | |
longitudinal | kg⋅m2⋅h−0,5
| 200×20×20 | 10–12 | 10–12 | |
Druckfestigkeit | N/mm2
| 30×20×20 | 33–50 | 37–42 | |
Biegefestigkeit | N/mm2
| 180×10×10 | 34–47 | 40–46 | |
Biege-E-Modul | N/mm2
| 180×10×10 | 34–47 | 40–46 | |
Bruchschlagarbeit | kJ/m2
| 150×10×10 | 34–41 | 43–52 | |
Härte | N/mm2
| 30×30×30 | 29–42 | 21–44 | |
WA
k
kapillare Wasseraufnahme des Materials
k
WA
kapillarer Wasseraufnahmekoeffizient
m
kap
Gewicht des Prüfkörpers während des jeweiligen Zustands
m
atro
Darrgewicht des Prüfkörpers
A
unversiegelte Fläche mit Kontakt zum Wasser
t
Dauer der kapillaren Aufnahme
Die Bestimmung der Biegefestigkeit erfolgte an Prüfkörpern mit Querschnitten von 10×10 mm
2. Die Bruchschlagarbeit wurde mit einem Auflagenabstand von 140 mm durchgeführt. Die Prüfkörper wurden in radialer Richtung bei einem Arbeitsvermögen des Pendelschlagwerks von 8,05 J durchschlagen. In Abweichung zu EN 1534 erfolgte die Bestimmung der Härte über die Eindringtiefe und daraus resultierende Mantelfläche des Kugelabdrucks. Die Signifikanz der Ergebnisse wurde statistisch mit dem
t-Test für unabhängige Stichproben bei einem Vertrauensintervall von 95 % überprüft.