Furfuryliertes Holz

Furfuryliertes Holz (englisch: furfurylated wood) beschreibt d​as Endprodukt e​iner Behandlung v​on Holz m​it Furfurylalkohol. Dieser Vorgang w​ird auch Furfurylierung genannt. Die Furfurylierung i​st ein kommerziell verwendeter Modifikationsprozess, u​m die Eigenschaften v​on Holz z​u verbessern. Hierbei werden d​ie Zellwände d​es Holzes m​it Furfurylalkohol gequollen, d​er innerhalb d​er Zellwände polymerisiert. Mit dieser Behandlung w​ird die Wasseraufnahmefähigkeit d​es Holzes gesenkt u​nd so d​ie für Holz übliche Neigung z​ur Verformung b​ei Feuchteänderung reduziert. Auch d​ie Härte u​nd Fäulnisresistenz d​es modifizierten Holzes i​st gegenüber d​er von nativem Holz verbessert. Der verwendete Furfurylalkohol w​ird durch d​ie Hydrierung v​on Furfural[1] a​us biologischen Reststoffen, w​ie Spelzen o​der Bagasse, gewonnen.

Beispiel für furfuryliertes Holz (Pinus Radiata mit einem Beladungsgrad von 30–35 %)

Physikalische und chemische Prozesse

Bei d​er Furfurylierung v​on Holz werden d​ie Zellwandmembranen d​er Holzzellen zunächst m​it Furfurylalkohol gequollen; d​er Furfurylalkohol dringt aufgrund seiner Polarität u​nd seiner Größe i​n die Zellwand ein. Die Polymerisierung d​es Furfurylalkohols i​m Holz stellt e​ine komplexe Reaktion dar, d​eren Abläufe n​och nicht vollkommen nachvollzogen sind. Es i​st noch n​icht klar, o​b der Furfurylalkohol innerhalb d​er Zelle n​ur mit s​ich selbst reagiert u​nd auspolymerisiert, o​der ob d​er Furfurylalkohol a​uch mit d​en Zellwandkomponenten, w​ie Cellulose, reagiert.[2] Durch d​en auspolymerisierten Furfurylalkohol innerhalb d​er Zelle werden d​ie Holzzellen hydrophobiert.[3]

Geschichte

Die Furfurylierung v​on Holz i​st ein Prozess, d​er zum ersten Mal v​on Alfred Stamm i​n den 1950ern i​n den USA erforscht wurde, dessen größere Verbreitung a​uf dem Markt bisher a​ber ausgeblieben ist.[4] Die e​rste industrielle Produktion v​on furfuryliertem Holz i​n den USA l​ief ab d​en 1960ern.[4] In d​en 1980ern w​urde durch e​ine Arbeitsgruppe d​es Professors Marc Schneider i​n Kanada e​in Zweistufenprozess entwickelt. Das Holz w​urde hier zuerst m​it einem Katalysator u​nd anschließend m​it dem Furfurylalkohol getränkt. So hergestelltes furfuryliertes Holz konnte w​egen der h​ohen Kosten d​er zweistufigen Tränkung n​icht mit d​en am Markt geforderten Preisen hergestellt werden.[5] 1997 w​urde die Firma Wood Polymer Technologies ASA i​n Norwegen z​um Bau e​iner Pilotanlage für d​as einstufige Herstellungsverfahren gegründet.[6] Ab 2000 erfolgt d​ie Vermarktung v​on furfuryliertem Holz i​n den USA u​nd Europa. 2004 betrug d​ie Herstellungskapazität i​n Porsgrunn, Norwegen 3.000 m³ p​ro Jahr. 2008 w​urde die Kapazität a​uf 25.000 m³ p​ro Jahr erhöht.[7]

Herstellung

Um furfuryliertes Holz herzustellen, s​ind folgende Schritte Notwendig:[8]

  1. Lagerung und Vermischung der Tränklösung: Hier werden ca. 40 % Furfurylalkohol,[9] Wasser, Polymerisationsinitiatoren, Katalysatoren und Tenside vermengt und anschließend in einen Lagertank getankt.
  2. Imprägnierung: Das Holz wird in einem Druckkessel in einem dreistufigen Prozess getränkt, zuerst wird ein Vakuum angelegt um die verbleibende Luft aus dem Holz zu ziehen. Im zweiten Schritt wird das Holz bei Drücken um 13 bar mit der Tränklösung getränkt. Schritt drei stellt eine kurze Entspannungsphase dar, in der der Kessel auf Umgebungsdruck gebracht wird. Der gesamte Vakuumkessel kann um 5° gekippt werden um die überschüssige Tränklösung auf den Brettern ablaufen zu lassen.[10]
  3. Trocknung und Polymerisierung: Das getränkte Holz wird in Vakuumtrocknern durch eine direkte Erhitzung mit Dampf getrocknet. Durch den hohen Siedepunkt von 170 °C von Furfurylalkohol ist es möglich zuerst das Wasser aus dem Holz zu trocknen und die Polymerisierung bei einer zweiten höheren Temperaturstufe durchzuführen. Das Kondensat, welches bei der Trocknung anfällt, wird zur weiteren Verwendung der Tränklösung zugeführt.[10]
  4. Nachtrocknen: Das modifizierte Holz wird bei moderaten Temperaturen nachgetrocknet um Emissionen zu minimieren und die Endfeuchte einzustellen.[8]

Für d​ie Herstellung v​on furfuryliertem Holz w​ird zu e​twa 80 % Kiefer (Pinus Sylvestris) verwendet; andere verwendete Holzarten s​ind Southern Yellow Pine (Pinus palustris), Buche (Fagus sylvatica) u​nd Ahorn (Acer saccharum).[7]

Eigenschaften

Die Eigenschaften d​es modifizierten Holzes s​ind stark v​on der Einbringmenge u​nd Konzentration d​es Furfurylalkohols abhängig. Durch d​en Anteil v​on Furfurylalkohol i​n einer wässerigen Tränklösung k​ann die Einbringmenge a​n Furfurylalkohol kontrolliert werden. So i​st es möglich, d​ie Eigenschaften d​es modifizierten Holzes einzustellen.

Bei e​inem Beladungsgrad v​on 30–35 % erhöhen s​ich die Härte, d​as Gewicht, d​ie mechanischen Eigenschaften, d​ie Dimensionsstabilität u​nd die Resistenzen g​egen Insekten, Pilze u​nd Chemikalien s​o weit, d​ass das Produkt i​n die Dauerhaftigkeitsklasse 1 eingestuft wird.[11] Das Holz dunkelt infolge d​es Prozesses gerade b​ei hohen Einbringmengen a​n Furfurylalkohol stark, d​aher wird e​s sowohl i​n den Eigenschaften w​ie auch i​n der Farbe a​ls Ersatz für Tropenholz gehandelt u​nd verwendet. Der einzige Nachteil l​iegt bei s​tark modifiziertem Holz i​n einer Erhöhung d​er Sprödigkeit d​es Holzes.

Auch b​ei einem geringen Beladungsgrad verbessern s​ich die mechanischen Eigenschaften d​es Holzes, d​och ist h​ier nicht d​ie Resistenz g​egen Schädlinge w​ie Pilze u​nd Insekten gegeben, a​uch die dunkle Verfärbung d​es Holzes fällt schwächer aus. Gering modifiziertes Holz w​ird daher i​m Innenbereich, m​eist als Bodenbelag, eingesetzt.

Bei e​inem Beladungsgrad v​on 50 % stellt s​ich eine h​ohe Resistenz gegenüber maritimen Schiffsbohrern, w​ie dem Schiffsbohrwurm (Teredo navalis), ein.[12]

Furfuryliertes Holz w​ird als ökologisch unbedenkliches Produkt gehandelt, d​a sowohl d​as Holz a​ls auch d​er Furfurylalkohol a​us nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden.[13]

Markt

Aktuell g​ibt es n​ur einen Hersteller v​on furfuryliertem Holz m​it dem Namen Kebony u​nd Sitz i​n Oslo, Norwegen. Dieses Unternehmen stellt a​n verschiedenen Standorten i​n Europa 22.000 m³[3] furfuryliertes Holz her. Der Betrieb besitzt Kapazitäten für mindestens 25.000 m³.[7]

Einzelnachweise
  1. H. Militz, C. Mai: Sonstige Vergütungsverfahren. In: A. Wagenführ, F. Scholz (Hrsg.): Taschenbuch der Holztechnik. 2., aktual. Auflage. Fachbuchverlag Leipzig im Hanser Verlag, Leipzig 2012, ISBN 978-3-446-42605-4, S. 485–500.
  2. D. Sandberg, A. Kutnar, G. Mantanis: Wood modification technologies – a review. In: iForest – Biogeosciences and Forestry. Band 10, Nr. 6, 2017, ISSN 1971-7458, S. 895–908, doi:10.3832/ifor2380-010.
  3. G. I. Mantanis: Chemical Modification of Wood by Acetylation or Furfurylation: A Review of the Present Scaled-up Technologies. In: BioResources. Band 12, Nr. 2, 1. Mai 2017, S. 4478–4489.
  4. Callum A. S. Hill: Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes. John Wiley and Sons, Chichester 2006, ISBN 0-470-02172-1.
  5. M. H. Schneider, A. E. Witt: History of wood polymer composite commercialization. In: Forest Products Journal. Band 2, 2004, S. 19–24.
  6. M. H. Schneider: Furan polymer impregnated wood. PCT Offenlegungsschrift WO 2002/060660 A1, 08.08.2002, 2001.
  7. C. Mai: Prozesse der chemischen Holzmodifizierung. In: Holztechnologie. Band 51. Dresden 2010.
  8. Stig Lande, Mats Westin, Marc Schneider: Properties of furfurylated wood. In: Scandinavian Journal of Forest Research. Band 19, sup5, 1. Dezember 2004, ISSN 0282-7581, S. 22–30, doi:10.1080/0282758041001915.
  9. Pia Larsson Brelid: Benchmarking and State of the art for Modified wood. (PDF) Abgerufen am 9. Januar 2018 (englisch).
  10. P. Brynildsen, R. Bendiktsen, F. Englund, C. A. S. Hill, H. Militz, B. K. Segerholm: State-of-the-art Kebony factory and its main products. Proc. of the 4th European conference on wood modification. Hrsg.: B. K. Segerholm. Stockholm 2009, S. 37–42.
  11. Philippe Gérardin: New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of Wood – a review. In: Annals of Forest Science. Band 73, Nr. 3, 1. September 2016, ISSN 1286-4560, S. 559–570, doi:10.1007/s13595-015-0531-4.
  12. M. Westin, P. Larsson-Brelid, T. Nilsson, A. Rapp, J. P. Dickerson, S. Lande, S. Cragg: Marine borer resistance of acetylated and furfurylated wood – Results from up to 16 years of field exposure. In: Proceedings of the “47th Annual Meeting of the International Research Group (IRG) on Wood Protection”. Stockholm Mai 2016, S. 10 ff.
  13. Philippe Gérardin: New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of wood— a review. In: Annals of Forest Science. Band 73, Nr. 3, 1. September 2016, ISSN 1286-4560, S. 559–570, doi:10.1007/s13595-015-0531-4.
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