aktuelle trends aus der holzforschung · 2020. 12. 24. · 27.01.2014 5 © fraunhofer wki vergleich...

27.01.2014

1

© Fraunhofer WKI

Bo Kasal, Institutsleiter

Fraunhofer WKI, Braunschweig

Aktuelle Trends aus der Holzforschung

© 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«

27.01.2014

2

© Fraunhofer WKI

Spezialisierte Ausbildung mit MS

Land/Region Univers 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-, Kyushu- University

Russland 5 St. Petersburg, Uni Moskau, FTU, NARFU, MGUL,

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

3

© Fraunhofer WKI


0

20

40

60

80

100

120

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

Ca

pa

cit

y i

n m

m

³

Year

Particle Board

Plywood

MDF

Hardboard

Insulating Board

Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.

© Fraunhofer WKI



27.01.2014

4

© Fraunhofer WKI

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

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Ca

pa

cit

y i

n m

m

³

Year

Germany France

United K... Austria

Italy Spain

Romania Belgium

Finland Czech Re...


© Fraunhofer WKI

.... wir haben Wechsel

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Ca

pa

cit

y i

n m

m

³

Year

Russia Turkey Belarus

DE


27.01.2014

5

© Fraunhofer WKI

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

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Ca

pa

cit

y i

n m

m

³

Year

Russia + Turkey

West Europe

East Europe


© Fraunhofer WKI

MDF-Kapazität ausgewählter europäischer Länder von 2003 bis 2012

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

2002 2004 2006 2008 2010 2012

Ca

pa

cit

y i

n m

m

³

Year

MDF

Germany

France

United Kingdom

Austria

Italy

Spain

Belgium

Portugal


27.01.2014

6

© Fraunhofer WKI

China wächst schnell

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

2002 2004 2006 2008 2010 2012

Ca

pa

cit

y i

n M

io.

m³

Year

China

MDF

Particle Board

Plywood


© Fraunhofer WKI

Es wird noch relativ viel Holz verbrannt

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

27.01.2014

7

© Fraunhofer WKI

Naturfasern bieten weitere Gelegenheiten

Holzwerkstoffe etwa 160 Mio m3 (etwa 130 Mio T)

© Fraunhofer WKI

.... Zum Vergleich: Holzpellets

DE (in 1.000 Tonnen)


27.01.2014

8

© Fraunhofer WKI

Fasereigenschaften

Parameter/ Eigenschaften

Flachs Jute Hanf Sisal Nadelholz Laubholz E-Glas

Length/ Faserlänge (mm)

9-70 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.

© Fraunhofer WKI

Gibt es genug Holz?

Faserquelle 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.

27.01.2014

9

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

10

© Fraunhofer WKI

Forschungstrends

Produktebene

Holz und Holzwerkstoffe im Bauwesen

Holzfaser-Kunststoff

Schwerbrennbare Naturfaserdämmstoffe

Holz in Transportmitteln (Schutzplanken, laminiertes Holz, Kurzfaser-Kunststoff)

© Fraunhofer WKI

Hybridisierung – eine Gelegenheit für neue Werkstoffe?

Materialebene Konstruktionsebene

27.01.2014

11

© Fraunhofer WKI

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?

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

12

© Fraunhofer WKI

Holz-Hochfestkompositen

GF Wood

H

Ep

GF

© Fraunhofer WKI

Hybride Systeme

Holz-Stahl-Holz

UHFB-Stahl-Holz

SB-Stahl-Holz-Glass ....

Bautechnik

Licht

Klima.....

Topologie

Modularität

Knotenpunkte/Anschlüsse

27.01.2014

13

© Fraunhofer WKI

Hybride Systeme

© Fraunhofer WKI

Warum „Hybridisierung“?

primäre Vorteile:

ökonomische Gründe

Nachhaltigkeit, Umweltbelastung ....

Funktionalität und Funktion

Energiebedarf

.....

sekundäre Vorteile:

Masse (Gewicht)

Transport

lokale Rohstoffe

.....

27.01.2014

14

© Fraunhofer WKI

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.

© Fraunhofer WKI

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.

27.01.2014

15

© Fraunhofer WKI

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

...........

© Fraunhofer WKI

Hybride Bauteile

27.01.2014

16

© Fraunhofer WKI

Beispiel Schutzplanken

Streckenlänge [km] Deutschland EU 25 USA

Autobahnen 12.700 62.778 75.376

sonstige Straßen 631.780 4.312.006 6.249.624

Jährlich zu ersetzende Stahlmenge [1.000 t]

316 1.912 2.032

Jährliche CO2-Menge [1.000 t] 578 3.499 3.718

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

17

© Fraunhofer WKI

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

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

18

© Fraunhofer WKI

Aufbereitung von Altholz für Spanplatten

Querzugfestigkeit von Spanplatten aus Spänen mit und ohne hydrothermale Hackschnitzelvorbehandlung

Die mechanischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen werden auch durch die Partikelabmessungen beeinflusst.

Bei der klassischen Altholzaufbereitung entstehen ungünstige Partikelabmessungen und hohe Staubanteile.

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

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

mit Fraktion x < 1,25 mm ohne Fraktion x < 1,25 mm

Qu

erz

ug

fest

igkeit

in N

/mm

²

ohne Vorbehandlung

mit Vorbehandlung

Plattentyp: einschichtige SpanplattenKlebstoff: 8 % K 350

© Fraunhofer WKI

Beispiel:

Furnierwerkstoffe für hochwertige Anwendungen

Holzlamellierung

27.01.2014

19

© Fraunhofer WKI

Biegefestigkeit in Abhängigkeit von der Decklagenvariante. Ohne Decklage (Standard), Decklage Strands und Decklage Furnier

Durch Fügen großflächiger Holz-elemente (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.

Holzlamellierung

© Fraunhofer WKI

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

27.01.2014

20

© Fraunhofer WKI

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

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

S3-Schicht einer Fichtentracheide mit sichtbar faserartiger Struktur. (2x2 µm; non-contact mode).

27.01.2014

21

© Fraunhofer WKI

Mapping spezifischer Wechselwirkungen zwischen funktionellen Gruppen der Messspitze und der Oberfläche

Abstand Spitze-Oberfläche (nm)

Kra

ft (

nN

)

0

rep

uls

iv

ad

hä

siv

Ad

hä

sio

nsk

raft

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

Spitze

Adhäsionsmechanismen

© Fraunhofer WKI

Chemische Grenzflächeneigenschaften

Topographie 10x10 µm

Adhäsion zu hydrophiler Spitze

Topographie 10x10 µm

Mapping spezifischer Wechselwirkungen zwischen funktionellen Gruppen der Messspitze und der Oberfläche

Auch unter Wirkung der Flüssigkeiten und Gase

aktuelle trends aus der holzforschung · 2020. 12. 24. · 27.01.2014 5 © fraunhofer wki vergleich...

Documents