aktuelle trends aus der holzforschung · 2020. 12. 24. · 27.01.2014 5 © fraunhofer wki vergleich...
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© Fraunhofer WKI
Bo Kasal, Institutsleiter
Fraunhofer WKI, Braunschweig
Aktuelle Trends aus der Holzforschung
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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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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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Year
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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
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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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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
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Year
MDF
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Portugal
Quelle: European Panel Foundation2012 Annual Report. Brussels 2012.
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China wächst schnell
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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
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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.
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mit Fraktion x < 1,25 mm ohne Fraktion x < 1,25 mm
Qu
erz
ug
fest
igkeit
in N
/mm
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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
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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)
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Ad
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Funktionelle Gruppe (z.B.: -OH, -CH3)
Spitze
Adhäsionsmechanismen
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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