holzwissenschaft an der universität göttingen
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Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Holzmodifizierungen von
Fassaden
Holger Militz
Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte
Georg-August-Universität Göttingen
S-Win Statusseminar 13.Juni 2016
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Forstfakultäten/ Holzforschung in D
Freiburg
Tharandt/ IHD Dresden
Freising/ München
Göttingen
Hamburg
WKI
Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte
40 Mitarbeiter
Arbeitsbereiche Beschichtungen / Lacke
Bewitterung / UV-Schutz
Biologischer Holzabbau
Holzmodifizierung
Holzqualität
Holzschutz
Vollholzverklebung
Wood-Plastic-Composites
Nanokomposite
Holzwerkstoffe
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Vortrag
• Holztechnologische
Anforderungen an Fassaden
• Wie funktioniert
Holzmodifizierung?
• Verfahren der
Holzmodifizierung
• Materialeigenschaften
• Herausforderungen
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Holz…
++ Holzverwendung ++
Ern
euerb
ar
Traditionell oder modern
Nachhaltig
Ökologisch
Ästhetisch
Technolo
gis
ch v
ielfä
ltig
Holz…
Schwachpunkte:
•Feuchte
•UV-Stabilität
•Pilzresistenz
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Abbau-Mechanimus bei der Bewitterung
Licht
Auswaschung abgebautes
Material
Rissbildung
Erosion
Photo-Abbau
Lignin
Photo-Abbau
Hemicellulose
Wasser
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
UV-Angriff von Kiefernholz (Fotos P. Evans)
Holzbiologie und Holztechnologie
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„Vergrauung“ des Holzes
Vergrauung durch
Aureobasidium pullulans
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Holztechnologische Anforderungen an
Fassadenholz
• Dauerhaftigkeit/ Pilzresistenz
• (Insekten)
• Wasseraufnahmeeigenschaften
• „Arbeiten“ (Quellen und Schwinden)
• UV-Stabilität
Fotos: Accoya
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Holzeigenschaften
Technischer Aufwand
(Produktion, Wartung)
Pro
du
ktq
ua
litä
t
Teak
Eiche
Fichte
Kiefer-
splint
DRM
????
„Wunsch-
Holz“
100%
0%
Technische Anforderung an Holzprodukte
Quelle: Schmid, 2006
verändert
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Holzeigenschaften
Technischer Aufwand
(Produktion, Wartung)
Pro
du
ktq
ua
litä
t
Teak
Eiche
Fichte
Kiefer-
splint
DRM
Buche/ Kiefer/ Pappel
Modif.
Holz
100%
0%
Technische Anforderung an Holzprodukte
Quelle: Schmid, 2006
verändert
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Was ist „Holzmodifizierung“?
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Dauerhafte, biozidfreie Veränderung
des Holzes durch:
• Hitze (thermische Modifizierung)
• Einbringung von Chemikalien und
Reaktion mit Holz (chemische
Modifizierung)
Holzmodifizierung
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
Wo greift Holzmodifizierung an? E
inle
itu
ng
Holzbiologie und Holztechnologie
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Zusammenhang zwischen „WPG“ und Eigenschaften
100g
+
ROC
NN
O
CHCH
OHOH
CO
H
H
C
H
H
R
20g
=
Holz nimmt Chemikalien auf und wird schwerer= 20% WPG (Weight
Percent Gain)
120g
100mm
105mm
Da Chemikalien grösser als Wasser = 5% dauerhafte Quellung
(bulking)
Ein
leit
un
g
Holzbiologie und Holztechnologie
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Verfahren der Holzmodifizierung
Hitzebehandlung
(„Thermoholz“)
Acetylierung (Accoya)
Furfurylierung (Kebony)
Öle/Wachse/Paraffin
Melamin/ Silikone
Naturprodukte
(Chitosan, Extraktstoffe, …)
Auf dem Markt verfügbar
Prozesse verfügbar
Umsetzung fraglich
DMDHEU (Belmadur)
Holzbiologie und Holzprodukte Georg-August-Universität Göttingen
Prozessentwicklung der letzten Jahre
• Massivholz!!
• Furniere
• Holzwerkstoffe
– Späne
– Fasern
• WPC
Holzbiologie und Holztechnologie
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Anwendungsbeispiele
0
50
100
150
200
250
0 12 24 36
t(h)
T(C)
Phase 1 Phase 2 Phase 3
ThermoWood® process
Thermoholz (TMT, Thermowood)
Photos: Plato process
- Keine Chemikalien
- Temperature 180°C to 220°C
- diverse Holzarten
- unterschiedliche Prozesse
Thermowood “2. Generation” …
Steam generator
Vessel
Cooling coil
Gas washer
Vacuum pump
Exhaust valves
Safety valve
Tmax: 230°C
Pmin: -1 bar
Pmax: 9 bar
Volume: 65 l
Electric heating elements
Tmax: 180 °C
Pmin: -1 bar
Pmax: 9 bar
Volume: 25 l
Electric heating elements
Eigenschaftsveränderungen bei Thermoholz
Gleichgewichtsfeuchte bei
20°C/65% RH
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14
We
igh
t lo
ss b
y R
. pla
cen
ta [%
]
Mass loss during process [%]
Atmospheric pressure
Steam pressure
unmodified
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
0 2 4 6 8 10 12 14
Equ
ilib
riu
m m
ois
ture
co
nte
nt
[%]
Mass loss during process [%]
Atmospheric pressure
elevated steam pressure
Pilzresistenz
Holzbiologie und Holztechnologie
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Ästhetik
Foto Parkett: Hamberger, Ro
Holzbiologie und Holztechnologie
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Anwendung GK 3 (Photos by Thermowood Association, Finland)
Holzbiologie und Holzprodukte
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Modifizierung mit reaktive Harzen
Schnittholz Imprägnierung Trocknung / Reaktion
N
N
N
NR2
NR2
R2N
R = H, CH2OH, CH
2OCH
3
NN
O
CH2OHHOCH
2
OH OH
Modifiziertes Holz
Bilder: BASF AG
Melamin DMDHEU
„Belmadur“
Furfurylalkohol (PFA)
Kebony
Holzbiologie und Holztechnologie
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NN
O
CH2OHHOCH
2
OH OH
Belmadur® Technologie
Textilanwendungen (Bügelfrei, Easy Care Cotton)
DMDHEU (1,3-dimethylol-4,5-dihydroxyethylene
urea)
Holzbiologie und Holztechnologie
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Belmadur® Prozess
Pilotanlage BASF
Schritt 1: Behandlung mit Belmadur®
Lösung unter Druck
Schritt 2: Trocknen und Vernetzen bei
über 100°C
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Kebony® Technologie
Gewinnung
• Hydrierung von Furfural
• Furfural durch Destillation von
Zuckerrohr, Haferspelzen,
Maiskolben, Reis- und
Erdnußschalen, Schilf u.a.
O CH2
OH
Furfurylalkohol
OC
O
H
Furfural
Hydrierung
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Kebony® Prozess
Holzbiologie und Holztechnologie
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Autoklav: 13 m lang, 3.25 m Durchmesser (0.1 - 13 bar).
Kebony® Produktion
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4 spezielle Vakuumtrockner für Trocknung und Curing
Kebony® Produktion
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzarten Produktgruppen
• Fassaden
• Terrassenbeläge
• Bedachung
• Täfelung
• Fassaden
• Terrassenbeläge
• Fußböden
• Täfelung
• Wasserbau
• Bootsstege
• Europäische
Kiefer
• Buche
• Kiefer-Splint
(SYP/Radiata)
• Ahorn
K 100
K 30
Kebony® Produkte
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Kebony® Produkte
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzbiologie und Holztechnologie
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H3CO
H3C
O
O
H3C
OH
O+ +Holz O
CH3
O
Holz OH
Accoya® Titanwood
Prozess:
• Accoya = Pinus radiata
• Einbringen von Essigsäure-
Anhydrid
• Reaktion bei hohen
Temperaturen
• Entfernen der Essigsäure
Bilder: SHR (Niederlande)
37
www.accoya.com
Accoya & Tricoya production
Accoya production plant, the Netherlands
Medite MDF mill, Ireland: Tricoya produced alongside the larger volume of regular MDF
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Anlage, Arnhem, NL
Holzbiologie und Holztechnologie
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Accoya® Produkte
Holzbiologie und Holztechnologie
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Accoya® Produkte
Fussgängerbrücke – NL
Kanal-Einfassung – NL
Stege im Meerwasser – NL
42
www.accoya.com
Accoya context of use
Louis Vuitton facades, South America
500+ windows, German Embassy, Washington DC
• Core applications: Windows, decking, cladding and civil
• Core markets: Europe, US, Pacific
43
www.accoya.com
Tricoya, context of use & testing
Climbing walls, The Netherlands
Window shutters, Germany
• Core applications: Facades, joinery, door skins, wet rooms & ……… ‒ Sales of Tricoya by Medite through similar channels as Accsys with Accoya, but focused on UK, Ire, NL, DE &
Nordics
‒ Accsys supporting Medite in more distant markets: Japan, Australia and North America
• While we carry some market ‘good will’ from Accoya, a similar data set is required for Tricoya.
Holzbiologie und Holztechnologie
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Accoya (Fotos von Accoya)
Holzbiologie und Holztechnologie
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Accoya® Produkte
Brücke bei Sneek (NL)
Schwerlastbrücke (60t-Klasse), 40 m Länge
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzbiologie und Holztechnologie
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Wachsbehandlung: Dauerholz/ Natwood
Holzbiologie und Holztechnologie
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Furniermodifizierung
Impregnation
Drying
New Pressing technology:
• 60m-Contiroll-Press (Pollmeier)
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Buche-LVL = Laminated Veneer Lumber
Bau-Buche Fa. Pollmeier
http://www.pollmeier.com/
Holzbiologie und Holztechnologie
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Delaminierung und Verformung von Sperrholz unbeschichteter
Platten nach 18 Monaten Aussenbewitterung
• Von oben nach unten: Kontrolle, veräthertes Melamin, N-methylol
Melamin, AKD
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzmodifizierung: Erfolgsstory?
• Produktion in Europa in 2015 (geschätzt):
350.000 - 400.000 m3
– TMT: 300.000 m3
– Accoya: ca. 35.000 m3
– Kebony: 20.000 m3
– Nobelwood: ??
– Dauerholz/ Natwood: ??
– Q-treat: ??
Holzbiologie und Holztechnologie
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Basismaterial für Holzmodifizierung
• Imprägnierbarkeit !!!
– Kiefer
– Buche
– Erle
– Esche
– Nicht: Fichte etc.
Holzbiologie und Holzprodukte
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Basismaterial für Holzvernetzung
• Imprägnierbare Holzarten
Gut imprägnierbar:
z.B. Buche
Schlecht imprägnierbar:
z.B. Birke
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzbiologie und Holztechnologie
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Was macht Behandlungsgradient im Holz?
Fotos: Kebony
Holzbiologie und Holztechnologie
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Materialeigenschaften
• Pilzresistenz
• (Wasserbau)
• (Termiten)
• Festigkeiten
• Feuchterelatierte Eigenschaften
• Bewitterung
• Praxisrelevante Eigenschaften
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Pilzresistenz im Labor und Feld
Holzbiologie und Holztechnologie
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Pilzresistenz im Feld
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Pilzresistenz
• Dauerhaftigkeit
– Labortest in Anlehnung an CEN/TS 15083-1
– 16-wöchige Inkubationszeit
• Braunfäule: Coniophora puteana, Poria placenta
• Weißfäule: Trametes versicolor
Unbehandelte Buche DMDHEU 2,3M
Pilzresistenz in Abhängigkeit von Beladungsmenge
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
0% 5% 10% 15% 20%
weight gain after reaction
ma
ss
lo
ss
Interlace Treatment "A"
Interlace Treatment "B"
Interlace Treatment "C"
Coriolus versicolor, Beech
Biegefestigkeit (Bollmus 2010)
control Methylol treatment
Holzbiologie und Holzprodukte Georg-August-Universität Göttingen
Druckfestigkeit
Quelle:
Bollmus et al., 2009
Brinell Härte (Parkett)
0
10
20
30
40
50
60
70
Pinussylvestris
Tectonagrandis
Fagussylvatica
Ha
rdn
ess [
N/m
m2]
0
10
20
30
40
50
60
70
untreated 10% 30% 50% 80%
concentration of DMDHEU
Ha
rdn
ess (
N/m
m2)
Pine
Holzbiologie und Holzprodukte
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Kontrolle DMDHEU 1,3 M
Bruchschlagarbeit
Holzbiologie und Holzprodukte
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65
Zellwandstrukturen von vernetzer Buche
Unbehandelte Buche DMDHEU 1.3 M
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66
Feuchte: Sorption in Wasserdampf (Tjeerdsma, Boonstra 1990´s)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Relative Humidity (%)
Eq
uil
ibri
um
Mo
istu
re C
on
ten
t (
%)
Heat-treated adsorption
Heat-treated desorption
Non-treated adsorption
Non-treated desorption
Scotch pine
Non-treated
Heat-treated
Holzbiologie und Holzprodukte
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67
Sorption
0
5
10
15
20
25
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Au
sgle
ich
sfeu
chte
[%
]
Relative Luftfeuchte [%]
SYP Esche Buche
Radiata Sipo
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68
Anti Swell Efficiency Quell/ Schwindverbesserung
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0% 10% 20% 30% 40% 50%
WPG
AS
E
DMDHEU; 5% MgCl2
mDMDHEU(b); 5% MgCl2
mDMDHEU(a); 5% MgCl2
DHDMI; 5% catalyst formulation
Zusammenhang WPG-
ASE (%)
Holzbiologie und Holzprodukte
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69
0
5
10
15
20
Teak Oak Meranti Beech Pine
Belmadur® Wood
Swelling/
Shrinkage [%]
Quellung/ Schwindung
Holzbiologie und Holztechnologie
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Modifiziertes Holz in praxisnahen Tests
Blocktest Railtest Deckingelemente
Wood Biology and Wood Products Georg-August-University of Göttingen
Prüffeld Göttingen
Holzbiologie und Holztechnologie
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Wasseraufnahme (Weigenand 2004)
0
10
20
30
40
0 2 4 6 8
ASE 8730
ASE 8730
ASE 8730
ASE 8130
ASE 8130
ASE 8130
Control
Time (h)
Wate
r u
pta
ke (
%)
Degussa
(Tingaut et al., 2005)
Holzbiologie und Holztechnologie
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Kapillare Wasseraufnahme
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
SYP Radiata Esche Buche
Was
sera
ufn
ahm
eko
effi
zien
t [kg/m
2/√h]
Furfuylated Untreated
Holzbiologie und Holzprodukte
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Außenbewitterung: Holzfeuchteverlauf
Pinus radiata
0
10
20
30
40
50
60
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
Ho
lzfe
uc
hte
[%]
Zeit [Monate]
Behandelt, mit Beschichtung 1 Behandelt, mit Beschichtung 2 Behandelt, ohne Beschichtung
Unbehandelt, mit Beschichtung 1 Unbehandelt, mit Beschichtung 2 Unbehandelt, ohne Beschichtung
Holzbiologie und Holztechnologie
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Holzfeuchteverlauf im Feldtest
Holzbiologie und Holztechnologie
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Kiefer unbehandelt (19 Monate Bewitterung)
start after 20 months
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Kiefer Phenol (19 Monate)
start after 19 months
Holzbiologie und Holztechnologie
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Kiefer Phenol mit Pigment (19 Monate)
start after 17 months
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Kiefer Wachs mit Pigment (19 Monate)
start after 20 months
Holzbiologie und Holzprodukte Georg-August-Universität Göttingen
• DMDHEU-modifiziertes Sperrholz nach 10 Jahren
Aussenbewitterung
DMDHEU
Beschichet/ unbeschichtet
unbehandelt
Unbeschichtet/ beschichtet
Holzbiologie und Holztechnologie
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radiale PUR-Penetration in Kiefer und Buche
(Fluoreszenz Mikroskopie)
Holzbiologie und Holztechnologie
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Klebstoffpenetration (PU, Kiefer hitzebehandelt) im
CT (Nanotom)
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Klebstoffpenetration – maximale Tiefe
Holzbiologie und Holztechnologie
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Weitere Faktoren für Verarbeiter…
Floor, Kebony Bridge, Accoya Decking, Accoya
Decking, Belmadur
Roofing, Kebony
Furniture, Thermowood
– Umweltfaktoren
• Emissionen Luft, Wasser
• Giftigkeit Mensch/ Tier
• Eco tox
– Bearbeitbarkeit
• Gerätschaften
• MAK
• Variation des Materials
– Recycling/ Abfall
• Wiederverwendung als Faser, WPC?
• Verbrennung
• Andere Entsorgung
Holzbiologie und Holztechnologie
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Schraubenauszugswiderstand
Holzbiologie und Holztechnologie
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HO.06-4
VFF Merkblatt
Verband der Fenster- und
Fassadenhersteller E.V
HO.06: Hölzer für den Fensterbau
Teil 4: Modifizierte Hölzer
Holzbiologie und Holztechnologie
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HO.06-4: Geforderte Untersuchungen
• Allgemeine Eigenschaften
– Holzart und Holzqualität
– Herstellungsverfahren
– Beschreibung des Verfahrens
– Veränderungen gegenüber unbehandeltem Holz
– Beschreibung Qualitätssicherung Intern
– Beschreibung Qualitätssicherung Fremdüberwachung
(z.B ISO 9000)
– Beschreibung eines Prüfverfahrens zu Überprüfung
der zugesicherten Eigenschaften
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• Materialeigenschaften
– Dauerhaftigkeit
– Bläue
– Rohdichte bei 20°C/65%RH
– Gleichgewichtsfeuchte bei 20°C/65%RH
– Holzfeuchte Schätzverfahren
– Quellung und Schwindung
– Kapillare Wasseraufnahme
– Brandverhalten
– Wärmeleitfähigkeit
Holzbiologie und Holztechnologie
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• Mechanische Eigenschaften
– Biegefestigkeit
– Biege-E-Modul
– Druck parallel und quer zur Faser
– Bruchschlagarbeit
– Schraubenausziehwiderstand
– Oberflächenhärte
• Chemische Eigenschaften
– Einstufung nach REACH
Holzbiologie und Holztechnologie
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• Eignung für den Fensterbau - Fensterkomponenten
– Eignung für verklebte Konstruktionen
– Verträglichkeit mit Oberflächenbeschichtungen
– Verträglichkeit mit
• Befestigungsmitteln
• Dichtstoffen
• Dichtprofilen
– Verwendbarkeit im Kontakt mit dem Isolierglasrandverbund
Holzbiologie und Holztechnologie
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• Hinweise zur Be- und Verarbeitung
– Sägen, Fräsen, Schneiden etc.
– Staubentwicklung (BG Messung)
– Emissionen bei der Verarbeitung (BG Messung)
– Entsorgung (Altholzverordnung
– REACH
Holzbiologie und Holztechnologie
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• Eignung als Endprodukt
– Verklebung und Festigkeit im Eckbereich
– Freibewitterung von Fenstern
– Produkteigenschaften Fenster
– Windlast, Schlagregendichtheit, Luftdurchlässigkeit,
Stoßfestigkeit, Mechanische Festigkeit etc.
– Endprodukt
– Emissionsprüfung (VOC)
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Accoya HO.06
Holzbiologie und Holztechnologie
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Belmadur HO.06
Holzbiologie und Holztechnologie
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• ….Kebony
• ….Thermoholz
Holzbiologie und Holztechnologie
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Zusammenfassung
• In letzten 20 Jahren sind einige Verfahren der
Holzmodifizierung entwickelt worden und auf dem Markt
erhältlich
• Modifiziertes Holz hat eigenes Eigenschaftsprofil (anders
als unbehandelt)
• Wasseraufnahme, Pilzresistenz, Quelleigenschaften,
Festigkeiten
• Vieles neu und anders…aber immer noch Holz!
Holzbiologie und Holztechnologie
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Zusammenfassung
„Gut Ding will Weile haben“!
Holzbiologie und Holztechnologie
Georg-August-Universität Göttingen
www.kebony.com
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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