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Review:

Bambus als Rohstoff Potenziale prozesstechnischer Umsetzung Prozesstechnische Vielfalt im Holzwerkstoffbereich mit Bambus als Rohstoff Felix Böck Neben dem Vergleich mit vorangegangenen Ergebnissen ist das Ziel dieser Arbeit einen innovativen, hoch strapazierfähigen Werkstoff mit Bambus als Rohstoff und Acrodur® als formaldehydfreien Binder zu entwickeln, um Fortschritte in Richtung nachhaltiger Produktentwicklung in Schwellenländern zu erreichen. Steigendes Wirtschaftswachstum in Ländern wie China, Indien und Brasilien, sowie in Teilen Afrikas, zeigen das starke Verlangen nach neuen, innovativen Materialien aus lokal erreichbaren Rohstoffen. Die Herstellung konventioneller Produkte aus Stahl, Zement oder Glasfasern in der Automobilindustrie ist energieintensiv und nicht nachhaltig: Zement allein ist für 5 % der globalen CO2Emissionen verantwortlich. Bambus ist ein schnell nachwachsendes und erneuerbares Baumaterial, welches in den genannten Ländern zwar genutzt, aber nicht zu seinem vollsten Potenzial in modernen Anwendungen verwendet wird. Hochverdichtete Bambusprodukte (CBP), ähnlich wie Sperrholz, OSB oder Leimholz haben daher großes Potenzial, Alternativen zu Produkten mit schlechter Ökobilanz in Entwicklungs- und Schwellenländer zu bieten. Schlüsselwörter: Bambusfasern, Prozessoptimierung, Nachhaltigkeit, Innovation Einleitung Als Potenzial wird im wörtlichen Sinne die Fähigkeit zur Entwicklung einer noch nicht ausgeschöpften Möglichkeit zur Entfaltung beschrieben. Nichts anderes trifft die Arbeit mit dem Werkstoff Bambus besser. Bambus behauptet sich als etabliertes Baumaterial mit herausragenden Materialeigenschaften (Abb. 1) und findet auch in Designprodukten erfolgreich seine Anwendung (Abb. 2). Zylindrisch geformt, hat Bambus als natürlicher Hohlkörper außergewöhnliche Charakteristiken – und ist dabei eine schnell nachwachsende, erneuerbare Ressource. Die Wachstumsrate überschreitet dabei die von Holz um ein Vielfaches (Lee und Perry, 1994; Wong, 1995). Wie in Abb. 3 gezeigt, findet man das hölzerne Gras in tropischen und subtropischen Breitengraden. Bambus wächst bis zu 60 cm am Tag und erreicht mit Durchmessern über 10 cm, Höhen von 15-20 m in durchschnittlich vier bis sechs Monaten. Je nach Bambusart kann der vollständig lignifizierte Grashalm nach drei bis fünf Lebensjahren im Bestand eingeschlagen werden (Aminuddin und Abd. Latif, 1991). holztechnologie 55 (2014) 3

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Abb. 1: Brückenbau mit Guadua-Bambus (Design und Konstruktion: Jörg Stamm) Fig. 1: Bridge built with Guadua bamboo (Design and engineering by Jörg Stamm) © IHD, Dresden

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Abb. 3: Globale Verteilung von Bambus (Lobovikov et al., 2007) Fig. 3: Global bamboo distribution (Lobovikov et al., 2007) Abb. 2: Bambusfahrrad Blackstar im Slowroom Madrid (www. slowroom.es) Fig. 2: Blackstar bamboo bicycle seen in Slowroom Madrid (www.slowroom.es)

Wie im Jahresbericht der Food and Agriculture Organization (FAO, 2010) veröffentlicht, gibt es allein in China, Indien und Brasilien über 20 Mio. Hektar Bambus – weltweit mehr als 33 Mio. Das entspricht etwa 3,2 % der weltweiten Waldfläche. Seit mehreren Jahren gewinnt Bambus auch in der Entwicklung von Structural Bamboo Products wie Oriented Strand Board/ Oriented Strand Lumber (OSB/OSL), Parallel Strand Lumber (PSL) und Cross Laminated Timber (CLT) an Interesse. Hochverdichtete Compressed Bamboo Products (CBP), die auf eine Dichte von über 1.000 kg/m³ verpresst werden, haben die materialwissenschaftliche Motivation, Tropenhölzer wie Bangkirai für Terrassendielen oder Containerböden zu ersetzen.

Prozesstechnisch interessante Bambusarten

Klebstoffe für Kompositmaterialien mit Bambus

Eine Alternative zu bestehenden Klebstoffen wie UF- oder PFHarze (Harnstoff-/ Phenol-Formaldehyd), die hauptsächlich in asiatischer Herstellung von Bambusprodukten verwendet werden, bieten Acrylatharze wie Acrodur® von BASF. Dieser Binder wird für Naturfaserwerkstoffe im Automobilbereich, und nun auch für Werkstoffe aus Bambus, im Vergleich zu bestehenden Klebstoffsystemen näher untersucht. Isocyanate, die unter anderem in der Holzwerkstoffindustrie verbreitet sind, werden in der Bambusbranche aufgrund geringer Automatisierungsgrade, Sicherheitsaspekten sowie Kosten der Rohstoffe bisher kaum verwendet.

Prozesstechnische Umsetzung von Bambus Stand der Technik

Bambus wird zu meist von Hand in oft unwegsamen Gelände geschlagen und zu lokalen Produktionsstätten transportiert. Oft geschieht das über enge Bergpfade oder „Donkey-Highways“ (Stamm, 2013). Eine chemische oder thermische Modifizierung ist notwendig, um das Material vor Umwelteinflüssen, Insekten und Fungiziden zu schützen. Anschließend wird der Bambus mit Hilfe forcierter Freilufttrocknung auf geeignete

Bambus birgt Potenzial, Produkte für Einsatzbereiche zu entwickeln, in denen dauerhaft herausragende Performance gefragt ist. Die Herausforderungen dabei sind die Auswahl und die Qualität der Rohstoffe: Es gibt über 1200 Bambusarten weltweit, wobei Moso (Phyllostachys heterocycla) oder Sweet Bamboo (Dendrocalamus asper/ vulgaris) die am meisten verbreiTab. 1: Eine Auswahl von Bambusarten im Vergleich zu Holzarten (Quellen: 1 … Liese, teten Arten in Asien sind (Chap1987; 2 … Malanit, 2009; 3 … Fengel und Wegener, 1984; 4 … de Vos, 2001) Tab. 1: Different bamboo species in comparison with wood man, 1996). Allein Moso-Bambus Holozellulose/ entspricht dabei etwa 70 % des asiRohdichte MOR MOE Lignin Asche davon Zellulose Art atischen Bambusaufkommens (Lo[kg/m³] [MPa] [GPa] davon Zellulose [%] [%] bovikov et al., 2007). Prozesstech1/2 Bambus nisch vielfach untersucht wurden 750 95-199 8,3-15 76,3/68,1 28,7 1,5 Dendrocalamus asper auch Guadua (Guadua angustifo1 Moso 750 90 10 74,1 24,5 1,2 lia) aus Südamerika (Jiang, 2007), Phyllostachys heterocycla 4 oder afrikanische Spezien (Liese, Guadua 690 90 13 Guadua angustfolia 2002) wie Highland Bamboo aus 3 Douglasie Äthiopien (Yushania alpina). Die530 85 13 67/50,4 27,2 0,2 Pseudotsuga menziesii se Arten zeichnen sich durch die 3 Buche 690 120 14 85,6/49,1 23,8 0,3 Größe ihres natürlichen Bestandes Fagus sylvatica L. sowie relativ konstante MaterialeiTeak 3 640 125 15 -/39,1 29,3 0,7 Tectona grandis L. genschaften aus. © IHD, Dresden

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auswahl der Holzindustrie nicht vollständig adaptieren. Eine Modifizierung für längere Standzeiten der Werkzeuge und zugehöriger Schneidengeometrie Charakteristische Klebstoffarten der Holzwerkstoffindustrie sowie die Optimierung von Vorschubgeschwindigkeit und Zuführung von UF vergl. mit MUPF PF pMDI Acrodur® BASF BASF BASF Dynea Bayer 1520 Bambus ist notwendig, um dieses Pro950L Kauritec 405 KML 534 EXPM 5875 Desmodur dukt industriell zu realisieren. Braun, Hellbraun, Dunkelbraun, Bräunlich, Gelblich, Merkmal Aufgrund unwirtschaftlicher Prozesse flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig und hohem Personalaufwand produziert Feststoffgehalt [%] 65 ± 1 64 ± 1 35-55 25-50 zum heutigen Stand kein Unternehmen pH-Wert bei 20 °C 7,5-9,5 9,3-9,8 8,5-8,5 3-4 Viskosität [mPas] 350-550 200-400 50-300 150-250 900-2.500 Bambus-OSB, wobei oft Anteile an Bambus-Strands als Verstärkung von Holz-OSB in Asien eingestreut werden. Prozessfeuchten getrocknet. Mit Wandstärken zwischen 5 mm In Tab. 3 sind Durchschnittskennwerte von Bambus-OSB und 35 mm und durch Abstände der Nodien definierter Länge, dargestellt. wird Bambus zu Fasermaterial, Faserbündel, Spänen, Strands, Hackschnitzel oder Furnierstreifen verarbeitet. Spanplatte, MDF und HDF aus Bambus Spanplatten, mittel- und hochverdichtete Faserplatten (MDF, OSB und OSL aus Bambus HDF) finden vor allem im Möbel- und Innenausbau ihre heuOriented Strand Boards (OSB) wurden bereits in den 1950er tige Verwendung. Der große Vorteil ist die von Durchmesser Jahren in Nordamerika entwickelt und gelten noch heute als und Länge unabhängige hohe Materialausbeute von bis zu wichtigster konstruktiver Holzwerkstoff. Oriented Strand 90 %. Durch eine entsprechende Vorbehandlung können Lumber (OSL) wird hingegen durch größere Querschnitte Inhaltsstoffe soweit extrahiert werden, dass mit optimalen für den Baubereich charakterisiert. Mit diesen Produkten Feuchten beim Zerspanen des Bambus akzeptable und industkönnen hohe Materialausbeuten erzielt werden, was auch riell umsetzbare Ergebnisse erzielt werden können (Abb. 5 und für den Rohstoff Bambus interessant ist und bereits vielfach 6). Durch die im Vergleich zu Holz höhere Dichte, sind Bamim Labormaßstab erforscht wurde. Für die Herstellung wer- bus-Spanplatten und Bambus-MDF etwas schwerer. Die Rohden Strands mit Längen von 100-120 mm für Standard-OSB, dichten liegen im Bereich um 700 kg/m³. Die Feuchtebestän150-180 mm für Container-OSB, mit Breiten je nach Wand- digkeit ist je nach Vorbehandlung und unter Verwendung von stärke des Bambushalms von 12-22 mm und Dicken im Mit- Additiven den Normen entsprechend, die Oberflächenqualität tel von 0,65 mm produziert. Die in Abb. 4 gezeigte Geo- ist sehr gut und mit der von Holzspanplatten, MDF und HDF zu metrie der Strands hat dabei signifikanten Einfluss auf die vergleichen. Nachdem eine prozesstechnische Umsetzung mit mechanischen Eigenschaften des verpressten Plattenwerk- Hilfe kleiner Optimierungsmaßnahmen aus der Holzindustrie stoffes, wobei die schwierig zu bearbeitenden Nodien die übernommen werden kann, beschäftigen sich viele „Start-ups“ Qualität der industriell hergestellten Strands beeinflussen mit Realisierungen für vergleichbar kleine, diskontinuierliche können. Herausforderungen bei der Herstellung der Strands Anlagen für 100-150 m³ pro Tag. Ist eine ausreichende und sind mineralische Anteile, hochverdichtete Nodien sowie die äußerst harte und wachshaltige Epidermis des Bambus. Eigenschaften wie diese lassen Technologien und KlebstoffTab. 2: Charakteristische Klebstoffarten der Holzwerkstoffindustrie im Vergleich mit Acrodur® (Quellen: Technische Datenblätter BASF/ Dynea/ Bayer) Tab. 2: Properties of used resins in the wood based panel industry in comparison with Acrodur® (Sources: technical data sheet BASF/ Dynea/ Bayer)

Tab. 3: Kennwerte von im Labormaßstab hergestelltem Bambus-OSB (1 … Anji Y, 2012; 2 … Böck F, 2013a; 3 … Böck F, 2013b) Tab. 3: Characteristics of OSB made of bamboo produced in laboratory scale Art Bambus-OSL PMDI (10 %) 1 Dendrocalamus asper Bambus-OSL MUPF (13 %) 1 Dendrocalamus asper Bambus-OSB UF (13 %) 2 Phyllostachys heterocycla Bambus-OSB PF (13 %) 2 Phyllostachys heterocycla Holz-OSB 2/3 Pinus strobus L.

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Rohdichte

MOR

MOE

[kg/m³]

[MPa]

[GPa]

760

62,5

10.497

720

55,0

6.100

720

20,5

3.525

730

26,0

3.450

550-650

14,0-18,0

~ 4.000

Abb. 4: Test: Moso-Bambus-Strands (UBC Vancouver, 2013) Fig. 4: Testing: Strands of Moso bamboo (UBC Vancouver, 2013) © IHD, Dresden

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Abb. 5: Biegefestigkeit (MOR) und E-Modul (MOE) von Bambusspanplatte, hergestellt mit UF-Harzen Fig. 5: Modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) of bamboo particleboard, produced with UF-resin

Abb. 6: Biegefestigkeit (MOR) und E-Modul (MOE) von Bambus-MDF (Fraunhofer WKI Braunschweig, 2011) Fig. 6: Modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) of MDF made of bamboo (Fraunhofer WKI Braunschweig, 2011)

konstante Rohstoffversorgung gewährleistet, können je nach Automatisierungsgrad Projekte mit Investitionen von 3-5 Mio. Euro verwirklicht werden. Das eigentliche Potenzial dieses Werkstoffes hängt von dem Bedarf der lokalen Märkte ab, wo Bambus als Rohstoff zur Verfügung steht. Die internationale Wettbewerbsfähigkeit ist deswegen in Frage zu stellen, da die Spanplatte mit einer Produktionsmenge von weltweit jährlich 100 Mio. m³ als am weitest verbreiteter Plattenholzwerkstoff gilt.

mit PF-Harzen wurden bei einer Plattenstärke von 25 mm daher Presszeiten von 100-110 Minuten benötigt. Verschiedene Presstemperaturen (140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C) und Eingangsfeuchten (1-3 %, 8-10 %, > 15 %) des mit Acrodur® beleimten Materials (Moso-Bambus) wurden systematisch untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Bambus-CBP (Compressed Bamboo Panels, Abb. 8) mit einer Rohdicke von 25 mm und Acrodur® als Bindemittel mit einer Presszeit von nur sechs Minuten vergleichbare mechanische Eigenschaften erreicht. Die dabei konstant gehaltene Temperatur zwischen 200 °C und 210 °C resultiert in einer Energieersparnis von 90 % pro Presszyklus (kalkuliert am Fallbeispiel einer diskontinuierlichen 10-Etagen-Presse).

WSB aus Bambus Woven Strand Boards (WSB) sind hochverdichtete Plattenwerkstoffe, die vor allem in viel-beanspruchten Bereichen als Fußbodenbelag eingesetzt werden. Bambus wird hierbei durch profilierte Einzugswalzen zu Fasersträngen mechanisch zer- Ausblick quetscht (Abb. 7), Klebstoff appliziert und unter hohen Drücken von bis zu 25 MPa verpresst. Dieser hochkomprimierte Bambus gilt neben Holz als wichtigster nachwachsender Rohund strapazierfähige Werkstoff findet schon heute Anwendung stoff für Kompositprodukte des 21. Jahrhunderts. Bambus als Tropenholzersatz für Terrassendielen und Fensterelemente. dient dabei als CO2-Speicher und ist ein Produkt mit hoher UmDas Optimierungspotenzial ist dabei hinsichtlich richtiger KlebstoffausTab. 4: Zusammenfassung der Pressparameter und Materialcharakteristiken von wahl und Applikationsmöglichkeiten Bambus-WSB/CBP für langfasriges Material sehr hoch. Tab. 4: Summary of press parameters and material characteristics of WSB/CBP made of bamboo Auch die richtige Modifizierung therFeststoffmischer und chemischer Art ist geraEingangsgehalt im Temperatur Presszeit de für den Einsatz im Außenbereich feuchte Material Klebstoff Klebstoff noch nicht ausgereift. In neuesten [%] [%] [°C] [min] Forschungskooperationen von BASF 1 Moso PF 40-50 8-12* 140 111 SE Ludwigshafen und der Hochschu*Trocknung des Eingangsmaterials bei maximal 40-50 °C le Rosenheim (Böck, 2013a) werden 62 wertvolle Leistungssteigerungen Moso Acrodur 950L 45 < 3** 210 erzielt (Tab. 4). Bei vielen produzie**Trocknung des Eingangsmaterials bei maximal 90 °C renden Unternehmen werden wegen Binder Rohdichte MOR MOE unkontrollierbaren WasserdampfdrüGehalt Produkt cken bei jedem Pressvorgang zykli[kg/m3] [%] [MPa] [min] sche Aufheiz- und Abkühlvorgänge 3 Bamboo Panel PF (CoBam) 1.180 22-25 95 8.750 in der Heißpresse gefahren. Im urBamboo CBP Acrodur 1.000 8-10 178 15.500 sprünglichen Herstellungsprozess © IHD, Dresden

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Abb. 7: Mechanische Zerfaserung von Bambus in Faserbündel (Crushing) Fig. 7: Mechanical separation of bamboo in fiber bundles (crushing)

welt- und Kosteneffizienz (Cradle to Grave Balance). Vorteile wie diese sind kritisch den sozio-kulturellen Herausforderungen gegenüber zu stellen. Hersteller von innovativen Bambusprodukten müssen sich daher bewusst mit einer nachhaltigen Bewirtschaftung und der Kultur des Landes beschäftigen, in der Bambus als Rohstoff wächst. Setzt man sich erfolgreich mit diesen Herausforderungen auseinander, hat man auf das neue Holzhandelssicherungsgesetz vom Mai 2013 mit dem Rohstoff Bambus eine schnellnachwachsende Antwort auf die Bedrohung der Abholzung von Tropenwäldern. Mit effizienten Prozesstechnologien und konstanter Produktqualität können somit OSB-, MDF- und CBP-Produkte in traditionellen Holzwerkstoffanwendungen zum Einsatz kommen. Bambus ist daher nicht nur Trend, sondern ein hölzernes Gras mit besonderem Potenzial für die Holzwerkstoffindustrie.

Abb. 9: Design mit Bambus – Fahrrad im Slowroom Madrid (www.slowroom.es) Fig. 9: Design meets bamboo – bicycle seen in Slowroom Madrid (www.slowroom.es)

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Abb. 8: Hochverdichteter Bambuskomposit CBP mit Moso und Acrodur® Fig. 8: Compressed bamboo product CBP using Moso and Acrodur® holztechnologie 55 (2014) 3

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de Vos V (2001) Guadua Bamboo vs. Moso Bamboo – Comparing Structural and Mechanical Properties. Larenstein University, Netherlands © IHD, Dresden

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ABSTRACT Review: Bamboo as material – Process technology solutions Engineering opportunities of wood based panels using bamboo as raw material Beside comparing already existing processing, the goal of this research is to develop innovative compressed highly resistant materials from renewable bamboo and formaldehyde-free resin, using Acrodur® more specifically, in order to place growth in rapidly developing countries onto a more sustainable path. China, India, Brazil and lately parts of Africa have rapidly expanding economies with increasing demand for new materials. The production of conventional construction and composite materials such as steel, concrete, or glass fibres in the automotive industry is energy intensive and unsustainable: concrete alone accounts for 5 % of global CO2 emissions. Bamboo is a fast growing, renewable building material widely cultivated in these countries but not utilized to its full potential in modern construction and interior application. Compressed bamboo products (CBP), similar to plywood, oriented strand board, or glue-laminated wood products, therefore have enormous potential to partially replace the use of more energy intensive materials in rapidly developing countries. Keywords: Bamboo fibre composites, process technology optimization, sustainability

Autor B.Eng. Felix Böck ist ausgebildet im Schreinerhandwerk (2008) und seit 2013 Ingenieur der Holztechnik als Absolvent der Hochschule Rosenheim. Auslandserfahrung sammelt er an der University of British Columbia (UBC) in Vancouver, wo er im Bereich Fabrikplanung das erste Mal mit dem Werkstoff Bambus in Berührung kam. Böck arbeitete bereits während seines Studiums von 2012 bis 2013 in der Produktentwicklung für Bambusprodukte in Addis Abeba, Äthiopien. In seiner Bachelorarbeit beschäftigte er sich mit der Optimierung von Prozessparametern für hochverdichtete Bambusprodukte bei BASF SE in Ludwigshafen und forscht heute im Bereich Structural Bamboo Products an der University of British Columbia in Vancouver mit dem Ziel der Promotion. [email protected]

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