Modifizierungsverfahren für Holz am Bau

Inhaltsverzeichnis

1.   Einleitung

2.   Verfahren und Anwendung

      2.1 Thermobehandlung

      2.2 Acetylierung

      2.3 Furfurylierung

3.   Wirkung auf Umwelt und Gesundheit

4.   Fazit

5.   Quellen

1.   Einleitung

Holz nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Je grösser die Wasser­aufnahmefähigkeit von Holz ist, desto höher ist das Risiko eines Befalls durch Mikro­organismen. Holzmodifizierungsverfahren verbessern die Dauerhaftigkeit durch chemische oder physikalische Prozesse. Die Behandlungen verändern jedoch auch die statischen, optischen und hygroskopischen Eigenschaften der Hölzer.
Es werden hier drei Verfahren zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit von Holz vorgestellt:

- Thermobehandlung

- Acetylierung

- Furfurylierung

Gemeinsames Prinzip der Behandlungsarten ist eine Veränderung der molekularen Struktur des Holzes, welche bewirkt, dass die Wasseraufnahmefähigkeit reduziert wird. Dadurch wird die Zersetzung durch Mikroorganismen und Insekten gebremst. Insbesondere für Holzoberflächen, die nicht gestrichen oder mit Bioziden behandelt werden sollen, ist das modifizierte Holz eine Option zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit. Der Vergrauungsprozess wird durch die Holz­modifizierung nicht verhindert. Falls eine möglichst geringe farbliche Veränderung des Holzes während der Nutzungsdauer gewünscht wird, gibt es neben einem deckenden Anstrich weitere Methoden um diese zu reduzieren:
→ WECOBIS Sonderthemen / Vorvergrauungs­methoden für Holz am Bau

2.   Verfahren und Anwendung

2.1 Thermobehandlung

Verfahren

Für die Herstellung von Thermoholz gibt es verschiedene Verfahren. Zum Beispiel die Behandlung in Wasserdampfatmosphäre, die Behandlung im Autoklav mit Stickstoff und reduziertem Sauerstoffanteil oder die Vakuumpresstrocknung. Die Wärmebehandlung erfolgt je nach Verfahren bei Temperaturen zwischen 150 °C bis 250 °C und bewirkt eine strukturelle Veränderung des Holzes. Die hydrophilen Bestandteile an der Oberfläche der Zellwände werden dabei abgebaut.

Wirkung - Begleiterscheinungen

Die Behandlung des Holzes bewirkt eine Reduktion der Aufnahme von Wasserdampf sowie von kapillarem Wasser. Demzufolge quillt und schwindet das behandelte Holz ca. 50% weniger als unbehandeltes Holz. Durch die Reduktion der Wasseraufnahmefähigkeit erhöht sich die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Pilz- und Insektenbefall. Je nach Holzart kann Dauerhaftigkeitsklasse 1 oder 2 erreicht werden [1]. Die Oberflächenverwitterung des behandelten Holzes wird reduziert. Die Behandlung hat allerdings keinen Einfluss auf die UV-Beständigkeit des Holzes. Auch thermobehandeltes Holz vergraut durch die UV-Strahlung. Als negative Begleiterscheinung führt die Behandlung zu einem Abbau von Hemicellulosen und zu einer Verflüchtigung von Harzbestandteilen. Dadurch wird die Festigkeit sowie die Dichte des Holzes reduziert. Demzufolge hat die Behandlung eine nachteilige Einwirkung auf die statischen Eigenschaften des Holzes. Gleichzeitig führt die Thermobehandlung zu einer merklichen Bräunung des Holzes.

[1] Dauerhaftigkeitsklassen nach DIN-EN 350-2, Klasse 1 sehr dauerhaft, Klasse 2 dauerhaft bis sehr dauerhaft.

Holzart / Eignung

Für die Behandlung kommen Nadel- sowie Laubholz in Frage. Um die Qualität des Thermoholzes zu gewährleisten ist die Behandlung nur für gleichmässig getrocknetes Holz (etwa 8% Holzfeuchte) und für eine gute Holzqualität geeignet.
Thermobehandelte Hölzer können nicht mit denselben Anstrichen und Klebstoffen kombiniert werden wie unbehandeltes Holz.

Anwendung

Thermisch modifiziertes Holz wird unter verschiedenen Handelsnamen (Thermoholz, Thermowood etc.) auf dem Markt angeboten. Häufige Anwendungsbereiche sind Gartenmöbel, Holzböden auf Terrassen sowie Böden, Decken- und Wandbekleidungen in Nasszellen. Weiterhin kann das thermobehandelte Holz für Fenster und Fassadenbekleidungen eingesetzt werden. Thermoholz ist gegenwärtig kein geregeltes Bauprodukt und darf ohne Nachweise nicht für tragende Bauteile eingesetzt werden.

2.2 Acetylierung

Verfahren

Bei der Acetylierung handelt es sich um eine Druckimprägnierung mit Essigsäureanhydrid. Unter dem Einfluss des Essigsäureanhydrids werden die hydrophilen Hydroxygruppen des Lignins und der Hemicellulose verestert. Dabei wird Essigsäure freigesetzt. Auf die Druckimprägnierung folgt eine Vakuumextraktion, um überschüssiges Essigsäureanhydrid und Essigsäure aus dem Holz zu entfernen.

Wirkung

Durch die Acetylierung wird die Wasseraufnahmefähigkeit des Holzes stark eingeschränkt. Die für das Pilzwachstum erforderliche Mindestfeuchte wird verhindert. Somit erhöht sich der Widerstand des Holzes gegen einen Pilz- und Insektenbefall. Ebenso führt die Acetylierung zu einer Reduktion des Quellens und Schwindens von Holz von bis zu 80%, was ein weiterer Vorteil ist. Fälle aus der Praxis zeigen, dass die Acetylierung keinen vollkommenen Schutz gegen einen Pilzbefall gewährleisten kann. In bewitterten Bauteilen kann sich Wasser in Rissen oder sich auflösenden Klebefugen ansammeln. In Folge können sich darin Mikroorgansimen und Pilze ansiedeln. Durch UV-Strahlung ausgelöste Verwitterung verläuft bei acetyliertem Holz langsamer, kann jedoch durch die Behandlung nicht verhindert werden.

Holzart / Eignung

Je nach Holzart gibt es Unterschiede, wie gut das Holz acetyliert werden kann. Eichen- und Fichtenholz können nur schwer acetyliert werden, Erle, Pappel und Birke hingegen einfach.

Anwendung

Das behandelte Holz wird vor allem für Anwendungen im Gartenbau oder für Fenster eingesetzt. Abhängig von der Nachbehandlung können noch Reste von Essigsäure im Holz vorhanden sein. Um Schäden durch Korrosion zu verhindern, wird bei Verbindungen die Verwendung von Nägeln und Schrauben aus Edelstahl empfohlen. Acetyliertes Holz ist durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBT) zugelassen und kann in Deutschland im konstruktiven Bereich eingesetzt werden. Der zulässige Querschnitt ist auf Abmessungen von 100 bis 250mm Breite und 25 bis 100mm Dicke/Höhe begrenzt.

2.3 Furfurylierung

Verfahren

Bei der Furfurylierung wird das Holz mit Furfurylalkohol druckimprägniert. Die Tränklösung besteht aus ca. 40% Furfurylalkohol, Wasser, Polymerisationsinitiatoren, Katalysatoren und Tensiden. Der Furfurylalkohol polymerisiert während des Trocknungsprozesses bei erhöhter Temperatur in den Zellwänden des Holzes und macht die Zellen wasserabweisend. Der Furfurylalkohol wird aus pflanzlichen Produkten oder Abfällen gewonnen.

Wirkung

Auch die Furfurylierung führt beim behandelten Holz zu einer Reduktion der Wasser­aufnahmefähigkeit, zu einer Reduktion von Quellen und Schwinden sowie zu einer Verbesserung der Fäulnisresistenz. Durch die Behandlung wird die Oberfläche des Holzes härter. Gleichzeitig bewirkt die Behandlung eine Reduktion des Elastizitätsmoduls. Dadurch verformt sich das furfurylierte Holz bei einer Belastung stärker als unbehandeltes Holz. Dies ist relevant, wenn das behandelte Holz für tragende Bauteile eingesetzt wird. Bei einer genügend grossen Einbringmenge von Furfurylalkohol kann das Holz in Dauerhaftigkeitsklasse 1 eingestuft werden. Holz wird durch den Prozess dunkel.

Holzart / Eignung

Als verwendete Holzarten werden im Wesentlichen Kiefer, zu einem kleineren Teil Southern Yellow Pine oder Radiata Pine genannt.

Anwendung

Furfuryliertes Holz wird vor allem für stark bewitterte Bauteile im Aussenbereich eingesetzt, wie Terrassen, Fassaden, Fenster und Dächer. Gering modifiziertes Holz mit geringeren Einbringmengen von Furfurylalkohol wird teilweise auch für Innenanwendungen z.B. für Bodenbeläge, Türen und Möbel eingesetzt. Die Hochdruckreinigung ist für behandelte Bauteile nicht geeignet.
Gegenwärtig gibt es weltweit nur einen Hersteller aus Norwegen für furfuryliertes Holz.
 

3.   Wirkung auf Umwelt und Gesundheit

Frisches Thermoholz riecht rauchig. Bei der Thermobehandlung von Holz kann Furfural entstehen. Das Aldehyd Furfural ist u.a. mit den H-Sätzen H330 (Lebensgefahr beim Einatmen), H351 (Kann vermutlich Krebs erzeugen) und H335 (Kann die Atemwege reizen) gekennzeichnet. Es besteht ein gewisses Risiko, dass Furfural von thermisch behandeltem Holz emittiert wird. Einige Prüfkammermessungen deuten drauf hin, dass die Abgabe von Furfural je nach Holzart stark variieren kann. Allerdings gibt es noch keine Untersuchungen, welche die Relevanz dieser möglichen Emissionen für die Innenraumluftqualität aufzeigen.

Frisches acetyliertes Holz riecht teilweise nach Essigsäure. Mit entsprechender Nachbehandlung (z.B. Verwendung eines Vakuums um überschüssiges Essigsäure­anhydrid und Essigsäure durch Entgasung zu entfernen) können Gerüche minimiert werden. Acetyliertes Holz wird für Innenan­wendungen wegen der möglichen Freisetzung von Essigsäure teilweise nicht empfohlen.

Problematische Emissionen aus furfuryliertem Holz im Innenraum sind nach gegenwärtigem Kenntnisstand nicht zu erwarten. Der eingesetzte Furfurylalkohol reagiert während des Trocknungsprozesses mit der Cellulose der Zellwände. Es gibt deshalb keine Emissionen von Furfurylalkohol aus furfuryliertem Holz.

Die oben beschriebenen Holzmodifizierungsverfahren verursachen Aufwendungen in der Herstellung bezüglich Einsatz von Energie und Chemikalien. Gleichzeitig bewirken Modifizierungsverfahren eine Verbesserung der Dauerhaftigkeit von Holz ohne Einsatz von Bioziden, welche in die Umwelt emittiert werden können. Ob sich dieser Mehraufwand durch die längere Lebensdauer der behandelten Hölzer amortisieren lässt, kann aufgrund von fehlenden Daten zur Ökobilanz der Modifizierungsverfahren und der Lebensdauer der behandelten Hölzer nicht abgeschätzt werden.

4.   Fazit

Alle drei beschriebenen Holzmodifizierungsverfahren führen zu einer farblichen Veränderung des Holzes. Durch die Behandlungen wird das Holz dunkler. Die Modifizierungsverfahren bieten eine Alternative zur einer Imprägnierung mit Holzschutzmitteln im Aussenbereich. Aus ökologischer Sicht ist es allerdings immer vorteilhafter, den Holzschutz soweit wie möglich auf konstruktive Art zu lösen. Zum Beispiel schützen adäquat dimensionierte Dachüberstände Holzschalungen an der Fassade ausreichend, so dass auf den Einsatz von Holzmodifizierungsverfahren oder Holzschutzmitteln verzichtet werden kann. Für Anwendungen im Innenbereich, wo ein Befall von Holz durch Mikroorganismen oder Insekten in der Regel wenig wahrscheinlich ist, scheint der Einsatz von modifizierten Hölzern kaum verhältnismässig. Zu beachten ist, dass die Modifizierungs­verfahren die statischen Eigenschaften von Holz beeinflussen. In welchem Maß die Modifizierungsverfahren die Langlebigkeit von natürlichem Holz verbessern können, ist unklar. Seitens Anbieter wird angegeben, dass die Hölzer über 30 bis 50 Jahre im Aussenbereich beständig sind. Es gibt allerdings keine wissenschaftlichen Studien, welche diese Angaben bestätigen. Zudem werden die diskutierten Verfahren noch zu wenig lange und breit eingesetzt. Ebenso ist die Beständigkeit gemäss Literaturangaben von der Intensität der Behandlung und den behandelten Holzarten abhängig.

5.   Quellen

Broege M., Thermoholz für Holzbodenbeläge, DIBt
Müller J., Koch G. Melcher E., Potsch T. Holz zerstörende Pilze an acetyliertem Holz, Holz-Zentralblatt, Nummer 37, 13. September 2019
Niemz P., Wetzig M., Einsatz von Thermoholz: Praxiserfahrungen, Schweizer Holzzeitung, Nr. 23, 04.11.2010
Schmid H., Argumente für Holz, Lignum, Dezember 2016
Sell J., Fischer J., Meili M., Oberflächenschutz von Holzfassaden, Lignatec 13/2001, Februar 2001
Weinert J. M., Furfurylierung von Holz, Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde, 2013
Website Holzland Schweiz / Ratgeber Thermoholz (Zugriff: 21.09.2020)
Website Umweltbundesamt /…/ Alternativen zum Biozideinsatz / Holzschutzmittel – Holzauswahl (Zugriff am 05.10.2020)

Autoren:

Matthias Klingler
MSc Umweltingenieur EPFL

Daniel Savi
dipl. Umweltnaturwissenschafter ETH

Büro für Umweltchemie GmbH, Zürich