Mineralisierte Vollholzlamellen

Dieses Forschungsprojekt untersucht, ob sich organische Mineralsalze als potentielle Brandschutzmittel für Holz eignen.

Steckbrief

  • Lead-Departement Architektur, Holz und Bau
  • Institut Institut für Werkstoffe und Holztechnologie IWH
  • Laufzeit (geplant) 15.12.2017 - 30.05.2021
  • Projektverantwortung Thomas Volkmer
  • Projektleitung Thomas Volkmer

Ausgangslage

Brandschutz spielt bei der Anwendung von Holz als Konstruktions- und Bauwerkstoff eine wichtige Rolle. Während tragende Elemente im Brandfall die Tragfähigkeit des Bauteils über eine bestimmte Zeit gewährleisten müssen, ist das Schutzziel für Bauelemente ohne tragende Funktion primär eine Ausbreitung des Brandherdes zu verhindern und einzuschränken. Das Brandverhalten von brennbaren Bauprodukten wie Holz kann durch den Einsatz von Brandschutzmitteln massgeblich beeinflusst werden.  Brandschutzmittel umfasst eine Vielzahl an Produkten, die das Abbrandverhalten von hochbrennbaren Materialien beeinflussen sollen. Sie können nach ihrem chemischen Aufbau, ihrem Wirkmechanismus oder ihrer Applikationsmethode unterschieden werden. Die kommerziell erfolgreichsten Brandschutzmittel für Holz sind anorganische Salze, die i. d. R. in das Holz imprägniert werden. Viele dieser anorganischen Salze bestehen aus Schwermetallen und/oder Halogenverbindungen, wie Bromiden. Diese Bestandteile bergen sowohl ein hohes Umweltrisiko als auch ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Tier. Aus diesem Grund untersucht das Projekt «Mineralisierte Vollholzlamellen» die Anwendbarkeit von gesundheitlich und umwelttechnisch unbedenklichen mineralischen organischen Salzen als Brandschutzmittel für Holz.

Vorgehen

Die Mineralisierung von Vollholzlamellen hat das Ziel, die brandhemmenden Eigenschaften von Vollholz zu verbessern. Dazu soll ein  mineralisches organisches Salz in situ im Holz ausgefällt werden. Hierbei werden in Wasser gelöste Salze nacheinander in einem zweistufigen Verfahren in das Holz imprägniert. Dort reagieren sie zu einem hoch fixierten wasserunlöslichen mineralischen Salz. Die Imprägnierung und Umsetzung der eingesetzten Salze zum wasserunlöslichen Zielmineral umfasst den ersten Teil des Forschungsprojektes. Die Wechselwirkung in Form von Farbänderung mit den Holzbestandteilen, z.B. von Komponenten wie Tanninen im Holz, wird dabei ebenfalls evaluiert. Anschliessend wird das mineralisierte Holz auf sein Brandverhalten geprüft. Darüber hinaus wird der Einfluss der Mineralisierung auf weitere Eigenschaften untersucht. So wird beispielsweise ein Monitoring des Absorptionsverhaltens von Feuchtigkeit des mineralisierten Holzes durchgeführt.

Ergebnisse

Es konnte gezeigt werden, dass sich das zweistufige Verfahren zur Mineralisierung von Vollholz anwenden lässt. Es wurden verschiedene Holzarten (z.B. Buche, Eiche oder Tanne) mineralisiert. Ein besonderer Erfolg ist die Mineralisierung von dünnen Eichenlamellen (ca. 4 mm Stärke) zur Anwendung als Material für dekorative Deckschichten für Mehrschichtparkett. Eiche gilt als schwer imprägnierbares Holz (EN 350:2016 Tränkbarkeitsklasse 4, schwer Tränkbar). Als positiver Nebeneffekt bewirkt die Mineralisierung eine dunkle Verfärbung der Eiche (Bild1).

Verschiedene Versuche zur Beurteilung des Brandverhaltens der mineralisierten Hölzer zeigen des Weiteren das Potential der Mineralisierung als Brandschutzmittel. Eine deutliche Verbesserung gegenüber unbehandeltem Holz konnte nachgewiesen werden (Bild 2). 

Aufgrund der Hygroskopizität der Salze erhöht sich die Holzausgleichsfeuchte gegenüber unbehandeltem Holz lediglich gering. Erst bei hohen Luftfeuchten ist eine deutliche Erhöhung der Holzausgleichsfeuchte des mineralisierten Holzes zu erwarten (Bild 3).

Ausblick

In folgenden Forschungsprojekten werden weitere organische Mineralien und Formulierungen untersucht. Der Einsatz als Brandschutzmittel bleibt dabei im Fokus. Durch angepasste Formulierungen der mineralischen Salze und sich damit einstellende spezifische Eigenschaften, sollen die Anwendungsgebiete des mineralisierten Holzes erweitert werden. Beispielsweise soll Holz für die Anwendung als Fassadenmaterial dauerhaft ertüchtigt werden. Hierfür muss das Material nicht nur strengen Brandschutzforderungen gerecht werden, sondern auch resistent gegenüber Verwitterungseffekten sein.

 Farbveränderung der Oberfläche BFH Bild vergrössern
Bild 1: Farbveränderung der Oberfläche und Einlagerung von Salzkristallen in den Zelllumen
Brandverhalten mineralisierter Buche BFH Bild vergrössern
Bild 2: Brandverhalten mineralisierter Buche gemessen mit einem Cone Calorimeter.
Veränderte Sorptionseigenschaften von Eichenholz BFH Bild vergrössern
Bild 3: Veränderte Sorptionseigenschaften von Eichenholz durch die Mineralisierung