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© 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«
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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,
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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
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Die Produktion der Holzwerkstoffe weltweit stagniert nicht
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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.
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Die Produktion der Holzwerkstoffe weltweit stagniert nicht
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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Deutschland ist relativ gut positioniert, aber......
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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...
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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.... wir haben Wechsel
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1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011
2013
Ca
pa
cit
y i
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³
Year
Russia Turkey Belarus
DE
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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Vergleich der Holzwerkstoffkapazitäten zwischen Russland +
Türkei, Osteuropa und Westeuropa von 1990 bis 2011
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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
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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MDF-Kapazität ausgewählter europäischer Länder von 2003 bis
2012
0,0
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3,0
3,5
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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
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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China wächst schnell
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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
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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Es wird noch relativ viel Holz verbrannt
Quelle: 2012 Global Forest Products Facts and Figures.United
Nations FAO.
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Naturfasern bieten weitere Gelegenheiten
Holzwerkstoffe etwa 160 Mio m3 (etwa 130 Mio T)
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.... Zum Vergleich: Holzpellets
DE (in 1.000 Tonnen)
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels
2012.
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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.
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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.
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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)
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Forschungstrends
Materialforschung und -entwicklung
Holzfaserwerkstoffe
Lamellierte Werkstoffe
Werkstoffe aus recyceltem Holz
Adhäsion
Formaldehyd
VOC
Oberflächenvorbereitung / Modifikation
Neue Technologien
Holzfaser-hybride Werkstoffe
Brandschutz von Naturfaserdämmstoffen
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Forschungstrends
Produktebene
Holz und Holzwerkstoffe im Bauwesen
Holzfaser-Kunststoff
Schwerbrennbare Naturfaserdämmstoffe
Holz in Transportmitteln (Schutzplanken, laminiertes Holz,
Kurzfaser-Kunststoff)
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Hybridisierung – eine Gelegenheit für neue Werkstoffe?
Materialebene Konstruktionsebene
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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?
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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
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Holz-Hochfestkompositen
GF Wood
H
Ep
GF
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Hybride Systeme
Holz-Stahl-Holz
UHFB-Stahl-Holz
SB-Stahl-Holz-Glass ....
Bautechnik
Licht
Klima.....
Topologie
Modularität
Knotenpunkte/Anschlüsse
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Hybride Systeme
© Fraunhofer WKI
Warum „Hybridisierung“?
primäre Vorteile:
ökonomische Gründe
Nachhaltigkeit, Umweltbelastung ....
Funktionalität und Funktion
Energiebedarf
.....
sekundäre Vorteile:
Masse (Gewicht)
Transport
lokale Rohstoffe
.....
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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.
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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.
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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
...........
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Hybride Bauteile
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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
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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
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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
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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
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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
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Beispiel:
Furnierwerkstoffe für hochwertige Anwendungen
Holzlamellierung
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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
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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
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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
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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).
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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