Ziel der Entwicklung

Bauelemente mit Rahmenkonstruktionen aus Holz, wie zum Beispiel Fenster, Außentüren, Fensterläden, Schiebeläden, Wintergärten und Fassadenbekleidungen, sind im Vergleich zu Produkten anderer Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen besonders starkem Wettbewerb ausgesetzt. Im Wettbewerb der verfügbaren Rahmenmaterialien wird dem Kriterium eines möglichst geringen Pflege- und Wartungsaufwandes eine herausragende Bedeutung beigemessen (Nutzersicht). Das Rahmenmaterial Holz wird dabei undifferenziert analogen Beurteilungsmaßstäben wie Kunststoff, Aluminium unterzogen. Neben anderen Argumenten, die für die Verwendung von Holz sprechen, tritt fatalerweise die Bedeutung von Holz als natürlich nachwachsendem Rohstoff in den Hintergrund. Während die Stärkung des Einsatzes von Bauprodukten aus nachwachsenden Rohstoffen Strategie der Bundesregierung ist [Charta für Holz 2.0] und deren Vorteile für den Klimaschutz (Kohlenstoffspeicherung und Ökobilanzen) und die Ressourcenschonung kommuniziert wird, stehen Planer und Nutzer dem Einsatz von Bauelementen aus Holz (insbesondere für Fenster und Außentüren) häufig kritisch gegenüber.
Als problematisch werden die feuchteabhängigen Eigenschaften (Quellen/Schwinden, Verformung, Rissbildung, biologische Dauerhaftigkeit) mit ihren Auswirkungen im Nutzungszeitraum und die Lebensdauer eingeschätzt, obwohl hochwertige Bauelementkonstruktionen aus Holz existieren, die dem Wettbewerb mit Konkurrenzmaterialien standhalten. Die Anforderungen und Regularien des Umweltschutzes machen die Verwendung heimischer Ressourcen attraktiv. Immer weniger Holzarten, unter anderem Tropenhölzer, welche sich gut für den Fensterbau eignen, dürfen in die europäische Union eingeführt werden. Dagegen wird aufgrund des Waldumbaus in Deutschland das Angebot an Rotbuchenholz in den kommenden Jahren weiterhin steigen. Das Holz der Rotbuche erfüllt bislang jedoch nicht die Anforderungen für die Verwendung in Bauelementen. Tragende oder der Bewitterung ausgesetzte Bauteile aus unbehandeltem Rotbuchenholz (nicht dauerhaft nach DIN EN 350 (2016)) sind nicht zulässig. Im Holzbau werden andere heimische Holzarten wie Eiche, Kiefer und Fichte verwendet, obwohl Rotbuche die erforderlichen elastomechanischen Eigenschaften für Bauholz aufweist. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Vergütungsverfahrens für Rotbuchenholz mittels strahlenvernetzender naturbasierter Pflanzenöle und der Eignungsnachweis des so vergüteten Holzes für den Einsatz in maßhaltigen Bauelementen im Fenster und Türenbau. Dabei sollten Verbesserungen elastomechanischer und hygrischer Eigenschaften sowie der biologischen Dauerhaftigkeit des Werkstoffes erzielt und lamellierte Kanteln beziehungsweise Profile mit wohldefinierten (Gebrauchs-)Eigenschaften (Erhöhung der Bewitterungsbeständigkeit, optimale Beschichtungseigenschaften) hergestellt werden.

Vorteile und Lösungen

Die Lösung umfasst drei Teilbereiche. 1.Werkstoffentwicklung: Zunächst wurde im Labormaßstab der Werkstoff „Vergütete Rotbuche“ entwickelt. Basis hierfür waren Tränkmittelrezepturen auf Basis kationisch härtender epoxidierter Pflanzenöle. Deren Reaktivität und Viskosität beeinflusst sehr stark sowohl das Tränkergebnis als auch die sich einstellenden Werkstoffeigenschaften. So bestimmen zum Beispiel die Anzahl reaktiver Epoxidgruppen und die Reaktivität des Fotoinitiators den Aushärtegrad und so die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes. Die Viskosität des Tränkmittels und dessen Kriechverhalten bestimmen die Tränkbarkeit des Holzes sowie die Durchgängigkeit und Homogenität des Vergütungseffektes über den gesamten Querschnitt. Wichtige Kriterien sind die für Rahmenmaterialien erforderlichen Dimensionen und erzielbare Vergütungsgradienten in Abhängigkeit der Fertigungsvariante. Es erfolgte die Charakterisierung der für den Einsatz im Bauelementebereich wichtigen Materialeigenschaften. Aufgrund der hohen Bedeutung für die spätere Schadensfreiheit von Fenstern und Türen wurde neben den Festigkeitseigenschaften und der biologischen Dauerhaftigkeit besonderer Wert auf die Quell- und Schwindeigenschaften gelegt. Sie haben unter anderem großen Einfluss auf die Dichtheit von Konstruktionsfugen, die Haltbarkeit von Verklebungen an Rahmenverbindungen und die Formstabilität von Rahmen und Einzelteilen. Außerdem können sie Kriterium für die Haltbarkeit von Oberflächenbeschichtungen sein. 2. Verfahrensentwicklung: Zur Realisierung hoher Eindringtiefen und definierter Tränkmittelmengen wurde ein Imprägnierverfahren (Vakuum/Druckverfahren) entwickelt. Das Rezepturscreening erfolgte zunächst im Labormaßstab und anschließend im Pilotmaßstab auf einer hauseigenen Tränkanlage für größere Querschnitte. Die getränkten Hölzer wurden mit ionisierender Strahlung (Gamma) unter definierten Energiedosen ausgehärtet. Untersuchungen zu den sich einstellenden mechanischen Eigenschaften zeigten eine erhebliche Abhängigkeit von der applizierten Energiedosis. Ziel war, eine Versprödung des Materials durch Überhärtung zu vermeiden und Eigenschaften zu erzielen, die eine möglichst naturgleiche Bearbeitbarkeit des Holzes mit Werkzeugen ermöglichen.
Die angestrebten Effekte der verbesserten biologischen Dauerhaftigkeit und des Feuchteverhaltens sollten gewährleistet werden ohne die sonst typischen Nachteile anderer Methoden, wie zum Beispiel Festigkeitsverluste und verringerte E-Module in Kauf nehmen zu müssen. 3. Anwendung: Zur Untersuchung der Anwendungseignung wurden für Vorzugsvarianten zunächst Lamellen in größerem Maßstab hergestellt und im Anschluss folgende Nachweise für eine Tauglichkeit als Fensterholz erbracht: a) Nachweis der für den Einsatz im Außenbereich erforderlichen (Gebrauchs-)Eigenschaften (optimale Beschichtungseigenschaften, Bewitterungsbeständigkeit). Diese sind besonders im Hinblick auf zu erwartende Zeitintervalle für notwendige Wartungen oder darüber hinaus auf die Eintrittswahrscheinlichkeit von Schadensfällen von Bedeutung; b) Nachweis einer anforderungsgerechten Verklebungsqualität entsprechend den vorliegenden mechanischen und klimatischen Beanspruchungen; c) Nachweis der Beschichtbarkeit mit herkömmlichen Lacken; d) Nachweis der für Fenstermaterialien erforderlichen Wärmeleitfähigkeit und Brennbarkeit. Die biologische Dauerhaftigkeit wurde zunächst im Laborverfahren nachgewiesen. Versuche zur Außenbewitterung dauern derzeit noch an.

Zielgruppe und Zielmarkt

Hauptzielmarkt ist das Segment der Bauelemente, insbesondere Fenster, Türen und Fassadenelemente. Fenster und Türen aus Holz können mit verbesserten mechanischen (Härte, Festigkeiten), physikalischen (Quell-/Schwindverhalten) und biologischen (Dauerhaftigkeit) Eigenschaften herstellen werden. Eigenschaftsvorteile können insbesondere im Segment der hochwertigen Eingangstüren genutzt werden. Die Projektergebnisse sind für das gesamte Holzgewerbe und den Holzbau interessant. Die Eigenschaften des veredelten Werkstoffes bieten Schutz gegen Dimensions- und Verformungsänderung durch Wasser und Feuchte und eine hohe Dauerhaftigkeit bei länger andauernder Wasser- und Feuchtebelastung. Vorteile sind insbesondere für hochwertige Produkte im Außenbereich interessant sowie für spezialisierte Produkte in neuen Anwendungen (auch im GaLa-Bereich). Möglich ist auch die Substitution tragender und verkleidender Holzkonstruktionen im Industrie-, Hallen- und Hausbau. Imprägniermittelhersteller können ihr Portfolio um Tränkmittel für ein erweitertes Holzsortiment (Laubhölzer) erweitern und dabei weitgehend auf chemische und biologisch aktive Inhaltsstoffe verzichten. Dies ermöglich die Substitution teurer Nadel- und Tropenhölzer.