27.01.2014

Aktuelle Trends aus der Holzforschung

Bo Kasal, Institutsleiter Fraunhofer WKI, Braunschweig

© Fraunhofer WKI

Wo steht heute Holzforschung in Deutschland, Europa und der Welt?  Nach positiver Entwicklung der Holzforschung repräsentieren die letzten Jahre eine Stagnation in der akademischen Forschung und Ausbildung  mehrere Fakultäten für Holzwissenschaften sind geschlossen oder umgewandelt  in DE gibt es nur noch in Hamburg und Göttingen Holzforschungsprogramme  mehrere Professuren sind unbesetzt  mehrere Programme in den USA sind geschlossen oder umgewandelt  Warum?  geringere Anzahl von Bewerbern (Studierenden)  Gehälter in der Holz- und Holzwerkstoffindustrie sind zu niedrig  Das Fach hat ein »Imageproblem« © Fraunhofer WKI

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27.01.2014

Spezialisierte Ausbildung mit MS Land/Region

Univ ers itäten

Deutschland

5

Freiburg, Hamburg, Gött, TU Dresden, TUM,

Nordische Länder/Skandinavien

13

DTU, UEF, CBU, LTU, SLU, LNU, LUT, UEF, NTNU, WUR, KU, TTU, UGLA,

Neue EU Länder

4

TU Zvolen , Uni Sopron, Uni Brasov, CZU,

USA

7

OSU, VP&SU, WSU, MSU, LSU, U Miness.

Japan

11

IWATE-, Kyoto-, Nagoya-, Nagaoka-, Nihon-, Shimane-, Shinshu-, Hokkaido-, Tokyo-, Miyazaki-, KyushuUniversity

Russland

5

St. Petersburg, Uni Moskau, FTU, NARFU, MGUL,

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Die Produktion der Holzwerkstoffe weltweit stagniert nicht  Bevölkerungswachstum und eine positive Entwicklung der Lebensstandards stellen neue Herausforderungen an den Wohnbau und daher auch an alle Holzprodukte (Boden, Möbel, Türen....)  Es ist klar, dass die Menschheit ohne nachhaltige Ansätze nicht überleben kann

http://www.dw-world.de/dw/article/0,,5988100,00.html © Fraunhofer WKI

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Die Produktion der Holzwerkstoffe weltweit stagniert nicht 120

Capacity in m m³

100

80

60 Particle Board Plywood

40

MDF Hardboard Insulating Board

20

0 2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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Die Produktion der Holzwerkstoffe weltweit stagniert nicht

Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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Deutschland ist relativ gut positioniert, aber...... 16

Capacity in m m³

14 12 10 8

Germany

France

United K...

Austria

Italy

Spain

Romania

Belgium

Finland

Czech Re...

6 4 2 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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.... wir haben Wechsel

16 Russia

Turkey

Belarus

Capacity in m m³

14 12

DE

10 8 6 4 2 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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Vergleich der Holzwerkstoffkapazitäten zwischen Russland + Türkei, Osteuropa und Westeuropa von 1990 bis 2011 50 Russia + Turkey

45

Capacity in m m³

40

West Europe East Europe

35 30 25 20 15 10 5 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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MDF-Kapazität ausgewählter europäischer Länder von 2003 bis 2012 4,0 MDF Germany

3,5

France

Capacity in m m³

United Kingdom

3,0

Austria Italy

Spain

2,5

Belgium Portugal

2,0 1,5

1,0 0,5 0,0 2002

2004

2006

2008

2010

2012

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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China wächst schnell

50,0

China

Capacity in Mio. m³

MDF

Particle Board

40,0

Plywood

30,0

20,0

10,0

0,0 2002

2004

2006

2008

2010

2012

Year Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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Es wird noch relativ viel Holz verbrannt

Quelle: 2012 Global Forest Products Facts and Figures.United Nations FAO.

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Naturfasern bieten weitere Gelegenheiten

Holzwerkstoffe etwa 160 Mio m3 (etwa 130 Mio T)

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.... Zum Vergleich: Holzpellets DE (in 1.000 Tonnen)

Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

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27.01.2014

Fasereigenschaften Param eter/ Eigens chaften

Flachs

Jute

Hanf

S is al

Nadelholz

Laubholz

E-Glas

Length/ Faserlänge 9-70 (mm)

0,5-6

5-55

60-120

3-6

1-2

N/A

Diameter/ (µm) Faserdurchmesser

5-38

18-25

10-50

17-50

30-45

20-40

5-25

Density/ Dichte (g/cm³)

1,4

1,46

1,5

1,33

1,4

1,4

2,55

Tensile strength/ Zugfestigkeit (GPa)

0,3 - 2

0,3-0,7

0,31-1,1

0,4-0,8

0,38-0,93

0,6-1,0

2,4-3,5

E-modul/ (GPa) Elastizitätsmodul

85

8-78

25-69

3-98

16-26

25-35

73

Müssig, J. (Editor) 2010. Industrial applications of natural fibers. Structure, properties and technical applications. Wiley,538 p.

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Gibt es genug Holz? Fas erquelle

Welt (trockene t)

Holz

1 750 000 000

Gras (Getreide, Flachs, Reis..)

1 145 000 000

Schliff

75 000 000

Bambus

30 000 000

Jute, Kenaf, Hanf

2 900 000

Gesamtpflanzenfasern ohne Holz = 2 283 080 000

Quelle: Pickering, K.L. (Editor). 2008. Properties and performance of natural-fiber composites. CRC Press, Boca Raton, Fl.

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Gibt es genug Holz? 6 Billion Ha (vor 8000 Jahren) »Year 0«

80%

10 000 BC

45%

3, 6 Billion Ha (1999) 2012

34%

SUMMARY RE. PORT OF THE WORLD COMMISSION ON FORESTS AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT. 1999. Winnipeg, Manitoba, Canada ISBN 0-9685191-0-5 http://www.fao.org/docrep/016/i3010e/i3010e.pdf (State of the World’s Forests 2012) © Fraunhofer WKI

Forschungstrends  Materialforschung und -entwicklung  Holzfaserwerkstoffe  Lamellierte Werkstoffe  Werkstoffe aus recyceltem Holz  Adhäsion  Formaldehyd  VOC  Oberflächenvorbereitung / Modifikation  Neue Technologien  Holzfaser-hybride Werkstoffe  Brandschutz von Naturfaserdämmstoffen

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Forschungstrends  Produktebene  Holz und Holzwerkstoffe im Bauwesen  Holzfaser-Kunststoff  Schwerbrennbare Naturfaserdämmstoffe  Holz in Transportmitteln (Schutzplanken, laminiertes Holz, KurzfaserKunststoff)

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Hybridisierung – eine Gelegenheit für neue Werkstoffe?  Materialebene

 Konstruktionsebene

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27.01.2014

Was ist der Unterschied zwischen hybriden Materialien und hybriden (Bau-)Systemen?  Eine Kombination mehrerer Technologien  Eine Kombination mehrerer Materialien  Was ist dann der Unterschied zwischen hybriden Werkstoffen (composites) und hybriden Systemen?

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Verbundmaterial versus kompositer Querschnitt (hybrides System, Materialebene)  Für ein Verbundmaterial können diejenigen Eigenschaften kalkuliert und erwartet werden, die bereits bei den Komponenten bekannt sind  In einem hybriden System funktioniert dies nicht; es müssen andere Vermutungen angestellt werden (beispielsweise die durchschnittliche Veränderung)  In beiden Fällen wird angenommen, dass die Materialien hookesch sind, doch andere Vermutungen müssen ebenfalls erfasst werden, z.B. die Kompatibilität

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Holz-Hochfestkompositen Ep H

GF

Wood

GF

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Hybride Systeme



Holz-Stahl-Holz



Topologie



UHFB-Stahl-Holz



Modularität



SB-Stahl-Holz-Glass ....



Knotenpunkte/Anschlüsse



Bautechnik



Licht



Klima.....

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27.01.2014

Hybride Systeme

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Warum „Hybridisierung“?  primäre Vorteile: 

ökonomische Gründe



Nachhaltigkeit, Umweltbelastung ....



Funktionalität und Funktion



Energiebedarf



.....

 sekundäre Vorteile: 

Masse (Gewicht)



Transport



lokale Rohstoffe



.....

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27.01.2014

Sind Hybridisierung und Leichtbau im Bauwesen praktikabel?

Quelle. Klein B. 2011. Leichtbau-Konstruktion, DOI 10.1007/978-3-8348-8321-6_3 Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH.

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Leichtbau-Realisierung: Kosten  - 30 % konstruktive Bearbeitung (Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten),  - 40 % Auslegung (Dimensionierung, Optimierung),  - 20 % experimentelle Absicherung (Prototyp, Test),  - 10 % Überarbeitung (Konzept, Entwurf).

Dies bedeutet, dass etwa 80 % der Arbeit in theoretische Disziplinen fließen. Experimente sowie Prototypentwicklung machen lediglich 20 % des Aufwands aus.

Quelle. Klein B. 2011. Leichtbau-Konstruktion, DOI 10.1007/978-3-8348-8321-6_3 Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH.

© Fraunhofer WKI

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27.01.2014

Welche wissenschaftlichen Fragen entstehen?  Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien  Aggressive Umgebung  Räumliche Verteilung der 

Steifigkeiten



Massen



des Brandverhaltens



Dauerhaftigkeit ...



und Optimierung

 Differenzialdehnungen (Temperatur, Feuchte...)  Zeitabhängige Eigenschaften  Sicherheit, Zuverlässigkeit der hybriden Systeme  ...........

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Hybride Bauteile

© Fraunhofer WKI

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27.01.2014

Beispiel Schutzplanken S treckenlänge [km ]

Deuts chland

EU 25

US A

12.700 631.780

62.778 4.312.006

75.376 6.249.624

Jährlich zu ers etzende S tahlm enge [1.000 t]

316

1.912

2.032

Jährliche CO2 -Menge [1.000 t]

578

3.499

3.718

Autobahnen s ons tige S traßen

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Brandschutz  Verbindung Leichtbau mit Brandschutz  Hochleistungsbrandschutzbeschichtung für den Holzbau zur Substitution der Kapselung mit Feuerschutzplatten (mehrgeschossiger Holzbau)  Unterdrücken von Glimmerscheinungen bei porösen lignocellulosehaltigen Werkstoffen  Brandschutz von Hochleistungsverbundwerkstoffen durch reaktive Systeme in der Matrix als auch im Laminat  Verstärkte Berücksichtigung der Brandnebenprodukte (Rauchgasanalyse und toxikologische Wirkung)

Quelle: Deutsche Feuerwehrzeitung, www.bs-dfz.de © Fraunhofer WKI

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27.01.2014

Material- und Prozessoptimierung zur Herstellung und Verarbeitung von (hybriden) Verbundmaterialien mit maximalem Bioanteil  Herausforderungen in der Werkstoffentwicklung:  Erhöhung des biobasierten Anteils der Matrixpolymere in Verbundmaterialien  Erhöhung des Anteils von Naturfasern und/oder biobasierter Halbzeugen in Faserverbundmaterialien  Nutzung des bestehenden Know-Hows zur Herstellung neuartiger hybrider Verbundmaterialien  Herausforderungen in der Bauteilherstellung:  Adaption und Weiterentwicklung bestehender Verfahren und Techniken zur Herstellung und Verarbeitung nachhaltiger Verbundmaterialien mit max. Bioanteil

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Einsatz von hybriden Verbundmaterialien mit maximalem Bioanteil unter Betrachtung ökonomischer und ökologischer Aspekte  Verbundbauteile der Zukunft können unter Betrachtung der ökologischen und ökonomischen Anforderungen zu wesentlichen Anteilen aus biobasierten Materialien bestehen  Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbundmaterialien bestehen sowohl in der Herstellung, in der Gebrauchsphase wie auch in der Verwertung am Ende ihres Lebenszyklus  Eine CO2-Neutrale thermische Verwertung ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundmaterialien, gegeben  Die Adaption bestehender prozessoptimierter Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung führt zu nachhaltigen und ökonomisch konkurrenzfähigen Biohybridwerkstoffen

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27.01.2014

Aufbereitung von Altholz für Spanplatten Die mechanischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen werden auch durch die Partikelabmessungen beeinflusst.

Werden die Späne aus hydrothermal vorbehandelten Hackschnitzeln hergestellt, ergeben sich günstigere Partikelabmessungen. Die mechanischen Eigenschaften von Spanplatten aus diesen Partikeln sind höher.

1,00 Querzugfestigkeit in N/mm²

Bei der klassischen Altholzaufbereitung entstehen ungünstige Partikelabmessungen und hohe Staubanteile.

0,90

Plattentyp: einschichtige Spanplatten Klebstoff: 8 % K 350

0,80

ohne Vorbe handlung

0,70

mit V orbeha ndlung

0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 mit Fra ktion x < 1,25 mm

ohne Frak tion x < 1,25 m m

Querzugfestigkeit von Spanplatten aus Spänen mit und ohne hydrothermale Hackschnitzelvorbehandlung

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Holzlamellierung Beispiel:

Furnierwerkstoffe für hochwertige Anwendungen

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Holzlamellierung Durch Fügen großflächiger Holzelemente (Strands, Furniere, Bretter) lassen sich Holzwerkstoffe sehr hoher Festigkeit herstellen. Durch eine gezielte Kombination der Rohstoffe und der Lamellengeometrie ist eine hohe Rohstoffeffizienz erzielbar. Neben der Nutzung wenig dauerbeständiger Holzrohstoffe (Buche) für das Bauwesen, sind auch mehrlagige Holzwerkstoffe mit hohen mechanischen Eigenschaften herstellbar, die Lagen aus geringwertigen Partikeln enthalten. Biegefestigkeit in Abhängigkeit von der Decklagenvariante. Ohne Decklage (Standard), Decklage Strands und Decklage Furnier

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Formaldehyd  Reduktion der Formaldehydabgabe von Holzwerkstoffen und -produkten  Ersatz von Formaldehyd in den Bindemittelsystemen für Holzwerkstoffe  Entwicklung einer Referenzquelle für die Bestimmung der Formaldehydemission in Prüfkammern  Überprüfung eines mathematischen Models zur Berechnung von Formaldehydkonzentrationen in der Raumluft

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Klebstoffforschung  Synthese und Erprobung von Klebstoffformulierungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe  Untersuchungen zur Eignung von Klebstoffkombinationen aus Aminoplastharzen mit Isocyanaten zur Holzwerkstoffherstellung  Entwicklung von Verfahren und Modifizierung von Klebstoffen zur Senkung der nachträglichen Formaldehydemission aus Holzwerkstoffen  Schnellhärtende Klebstoffsysteme für den Einsatz im Holztafelbau  Prüfungen von Holzklebstoffen für tragende und nichttragende Anwendungen

I © Fraunhofer WKI

Adhäsionsmechanismen  AFM Topografie der Oberfläche S 3-S chicht einer Fichtentracheide mit sichtbar faserartiger Struktur. (2x2 µm; noncontact mode).

Links : Amplitudenbild, Rechts : Phasenbild. Bei Bereichen dunkler Färbung im Phasenbild ist vermutlich der Verbund der S3-Schicht zum Untergrundmaterial der Zellwand gelockert.

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Adhäsionsmechanismen  Mapping spezifischer Wechselwirkungen zwischen funktionellen Gruppen der Messspitze und der Oberfläche

Adhäs ions kraft

repulsiv

0 adhäsiv

Kraft (nN)

S pitze

Funktionelle Gruppe (z.B.: -OH, -CH3)

Abs tand S pitze-Oberfläche (nm )

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Chemische Grenzflächeneigenschaften  Mapping spezifischer Wechselwirkungen zwischen funktionellen Gruppen der Messspitze und der Oberfläche  Auch unter Wirkung der Flüssigkeiten und Gase Topographie 10x10 µm Adhäsion zu hydrophiler Spitze

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