Die Eignung von Holz als Wärmedämmstoff - Vergleichende Untersuchungen von Spänen und Fasern -

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1 Die Eignung von Holz als Wärmedämmstoff - Vergleichende Untersuchungen von Spänen und Fasern - als Dissertation der Forstwissenschaftlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München zur Erlangung der Würde eines Doktors der Forstwissenschaft vorgelegt von Dipl.-Forstwirt Klaus Vogel München, Februar 1999

2 Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Holzforschung und wurde teilweise mit finanziellen Mitteln des Forstabsatzsfonds, Bonn über die Deutsche Gesellschaft für Holzforschung, München gefördert. Zudem haben die folgenden Unternehmen dankenswerterweise Sachmittel zur Verfügung gestellt: Haindl Papier GmbH, Schongau, Holzspäne Blieninger GmbH, Vilsbiburg, Säge- und Hobelwerk Steinhauser, Rot a. d. Rot, Staatliches Sägewerk, Spiegelau, Wacker-Werke GmbH & Co. KG, München. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Dr. habil. Dr. h.c. G. Wegener für die Überlassung des Themas und dem gewährten Freiraum, der meiner Arbeitsweise sehr entgegenkam. Ausdrücklich bedanken möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Holzwirt F. Tröger für die kritische Auseinandersetzung mit der Thematik und der Durchsicht des Manuskriptes, woraus eine Reihe wertvoller Anregungen entstanden sind. Das Thema der Arbeit machte es notwendig, in den verschiedenen Arbeitsbereichen des Instituts für Holzforschung tätig zu sein. Hier gilt mein Dank all denjenigen, die mich in dieser interdisziplinären Arbeitsweise unterstützt haben. Stellvertretend für den Bereich Mechanik und Physik möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. G. Gaede für die Unterstützung bei schwingungstechnischen Fragen und bei Herrn Dr. G. Böhner und Herrn Dipl.-Ing. L. Wagner für die gewährte Hilfestellung im Rahmen feuchteschutztechnischer Fragestellungen bedanken. Für den Bereich Werkstoffe, Brandverhalten und Umwelt bedanke ich mich stellvertretend bei Herrn M. Zwack für die Mitarbeit bei der Durchführung von brandschutztechnischen Versuchen und bei Frau M. Wenzkowski für den Bereich Chemie und Ultrastruktur für die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen. Besonderer Dank gilt auch den Werkstätten und hier stellvertretend den Herren W. Weber und B. Fischer für die zahlreichen gebauten Versuchseinrichtungen. Ferner danke ich Herrn P. Herrmann, der in der anstrengenden Schlußphase der durchzuführenden Versuche mit sehr unterschiedlichen Aufgaben betraut war und Herrn R. Rosin für die Fotoarbeiten. Nicht zuletzt möchte ich mich stellvertretend für die studentischen bzw. wissenschaftlichen Hilfskräfte bei Herrn A. Mutschler M.A. bedanken, ohne dessen tatkräftigen Einsatz die angefallenen Arbeiten nicht in dem angestrebten Zeitraum hätten bewältigt werden können. An dieser Stele sei auch Frau Dr. A. Ringleb und Hern Dr. H. Schulz, ehemals Landtechnik in Weihenstephan, für Ihre Mitarbeit bei den Wärmeleitfähigkeitsmessungen gedankt. Mein herzlicher Dank gilt schließlich meiner Frau Stephanie und meiner Tochter Anna, die mich während einer nicht immer familienfreundlichen Zeit praktisch und moralisch unterstützt haben.

3 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen Inhaltsverzeichnis 0. Forschungsinitiative 1 1. Dämmstoffe Einsatzgebiete und Markt Holz als Dämmaterial Bauaufsichtliche Regelung für lose Wärmedämmstoffe auf Holzbasis und zugelassene Produkte 1.4 Formulierung des Arbeitsziels und der Arbeitsschwerpunkte 7 2. Unterschiedlich aufbereitetes Fichtenholz für lose Dämmstoffe Säge- und Hobelspäne Extrudierter Holzstoff und Thermomechanischer Refiner-Holzstoff 9 3. Probenherstellung und Materialcharakterisierung Herstellung repräsentativer Proben und Bestimmung der Feuchte Materialcharakterisierung Streudichte Siebanalyse Sägespäne Hobelspäne Extrudierter Holzstoff Thermomechanischer Refiner-Holzstoff Morphologie der kleinsten Bestandteile Wärmeleitfähigkeitsmessungen Die Wärmeleitfähigkeit als bauphysikalische Kenngröße Wärmeleitfähigkeitsmessungen in Anlehnung an DIN und nach DIN Prüfnormen und Prüfungsparameter Ergebnisse 26 Seite 5 26 I

4 5. Untersuchungen zum Setzungs- und Separationsverhalten Beobachtungen zum Setzungsverhalten von losen Dämmstoffen und Setzungsrisiken Versuchseinrichtungen und Prüfungen im Rahmen des bauaufsichtlichen Zulassungsverfahrens Setzungsverhalten beeinflussende Faktoren Untersuchungen und Versuchseinrichtungen am Institut für Holzforschung Vibrationsversuche mit Bestimmung der Dichten und der Separation Versuchseinrichtung Versuchsserie Versuchsdurchführung Ergebnisse Erschütterungs- und Dauerversuch Versuchseinrichtungen und Versuchsdurchführung Ergebnisse Brandschutztechnische Untersuchungen Versuche für den Nachweis der Baustoffklasse Probenhalter und Versuchsdurchführung Ergebnisse Versuche zum Schwel- und Glimmverhalten Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Ergebnisse Feuchteschutztechnische Untersuchungen Bestimmung des Sorptionsverhaltens Meßeinrichtung und Versuchsdurchführung Ergebnisse Bestimmung des Wasserdampfdiffusionswiderstandes Prüfnorm, Prüfgefäße und Versuchsdurchführung Ergebnisse Versuche zur pneumatischen Einbringung Diskussion Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang 102 II

5 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen A Fläche der Heizplatte A F Prüffläche der Probe Cr Chrom D Wasserdampf-Diffusionskoeffizient Fz Zentrifugalkraft I Wasserdampf-Diffusionsstrom Ni Nickel Pa Pascal R² Bestimmtheitsmaß REM Raster-Elektronenmikroskop TMP Thermomechanischer Refiner-Holzstoff atro absolut trocken â Beschleunigungsamplitude g Erdbeschleunigung ( = 9,81 m/s²) i Wasserdampf-Diffusionsstromdichte m K Masse des Körpers p 1, p 2 Wasserdampfteildrücke q mittlere Wärmestromdichte durch die Probe q k Wärmestromdichte zwischen Kühlplatte und Probe q w Wärmestromdichte zwischen Heizplatte und Probe r Radius s mittlere Dicke einer Probe s L mittlere Dicke der Luftschicht im Prüfgefäß unterhalb der Probe s a Standardabweichung s d Wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke s m ½ (s 1 +s 2 ) s 1, s 2 mittlere Dicke der Probe 1 bzw. 2 t k mittlere Temperatur der Probenoberfläche an der Kühlplatte t w mittlere Temperatur der Probenoberfläche an der Heizplatte v Variationskoeffizient w Nennöffnungsweite des Siebes Mittelwert Δ Wasserdampf-Diffusionsdurchlaßkoeffizient Φ Wärmestrom, der im stationären Zustand senkrecht zur Probenfläche durch die Probe strömt Ψ Porenanteil δ Wasserdampf-Diffusionsleitkoeffizient δ L Wasserdampf-Diffusionsleitkoeffizient der Luft λ Wärmeleitfähigkeit λ R Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit λ Z um Zuschlagswert erhöhter Meßwert der Wärmeleitfähigkeit µ Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl ϱ Rohdichte υ k1, υ k2 mittlere Temperaturen der Oberfläche der Probe 1 bzw. 2 auf der Kühlplattenseite in C υ w1, υ w2 mittlere Temperaturen der Oberfläche der Probe 1 bzw. 2 auf der Heizplattenseite in C υ km ½ (υ k1 +υ k2 ) υ wm ½ (υ w1 +υ w2 ) υ Temperaturdifferenz relative Luftfeuchte ω Winkelgeschwindigkeit III

6 10. Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden morphologisch sehr unterschiedliche Holzspäne (Sägespäne, Hobelspäne) und Holzstoffe (Extrudierter Holzstoff, Thermomechanischer Refiner-Holzstoff [TMP]) systematisch untersucht. Dabei war es das Ziel, die Eignung der verschiedenen Materialien als lose Wärmedämmstoffe zu beurteilen. Um dieses Ziel zu erreichen, mußten vorhandene Prüfverfahren und Geräte entsprechend modifiziert (z.b. Prüfgefäße für die Bestimmung der Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl) bzw. neue Prüfmethoden und Einrichtungen (z.b. Vibrationseinrichtung) entwickelt bzw. gebaut werden. Für die nachfolgend aufgeführten Forschungsschwerpunkte (1.-4.) wurden die Stoffkennwerte ermittelt und dabei besonderer Wert auf die Aufbereitung der Untersuchungsmaterialien zu homogenen Probekörpern gelegt. Die Materialien wurden anhand ihrer Streudichte und der Größenverteilung ihrer einzelnen Partikel mittels Siebanalyse charakterisiert. Die mittlere Streudichte beträgt bei dem TMP ~ 20 kg,atro/m³, dem Extrudierten Holzstoff 49 kg,atro/m³, bei den Hobelspänen ~ 69 kg,atro/m³ und den Sägespänen ~ 168 kg,atro/m³. 1. Wärmeleitfähigkeitsmessungen Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit zwei unterschiedlichen Meßverfahren bestimmt. Die mit dem Wärmestrommeßplatten-Gerät in Anlehnung an DIN ermittelten Meßwerte, ermöglichen die Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Materialdichte darzustellen. Danach gibt es für alle Materialien ein Minimum der Wärmeleitfähigkeit. Dieses liegt für den TMP und den Extrudierten Holzstoff bei rund 54 bzw. 104 kg,atro/m³ und für die Hobelspäne und die Sägespäne bei rund 109 bzw. 200 kg,atro/m³. Für ähnliche Dichten wurden mit dem Plattengerät nach DIN Wärmeleitfähigkeitswerte λ 10,tr von 0,039 W/m K(TMP), 0,044 W/m K (Extrudierter Holzstoff), 0,046 W/m K(Hobelspäne) und 0,054 W/m K(Sägespäne) bestimmt. 2. Untersuchungen zum Setzungs- und Separationsverhalten Bei den Setzungs- und Separationsversuchen wurden Wandbauteile mit 200 und 300 mm Tiefe bei unterschiedlicher Neigung (45 und 90 ) und mit verschiedenen Dichten der Untersuchungsmaterialien auf dem selbstgebauten Rütteltisch einer dynamischen Belastung ausgesetzt. Ferner wurden 200 mm tiefe Bauteile aus 100 mm Höhe frei fallengelassen und anschließend nochmals auf dem Rütteltisch geprüft. Alle Materialien haben sich bis zum letzten Versuch gesetzt und dabei wurden Dichten von rund 51 kg,atro/m³ (TMP), 94 kg,atro/m³ (Extrudierter Holzstoff), 99 kg,atro/m³ (Hobelspäne) und 205 kg,atro/m³ (Sägespäne) erreicht. Im Rahmen eines

7 Dauerversuchs erwiesen sich diese Dichten in 200 mm tiefen Bauteilen als setzungssicher. Bezieht man diese Dichten auf die jeweilige Streudichte, so hat sich der TMP (~ 253 %) und der Extrudierte Holzstoff (~ 191 %) stärker gesetzt als die Hobelspäne (~ 143 %) und die Sägespäne (~ 122 %). Bei den Hobelspänen und den Holzstoffen konnte die geringste Variabilität der lokalen Dichten innerhalb eines 300 mm tiefen Bauteils mit 45 festgestellt werden. Bei den Sägespänen sind die ermittelten lokalen Dichteunterschiede insgesamt unbedeutend. Im 300 mm tiefen Bauteil in senkrechter Stellung waren bei allen Untersuchungsmaterialien die Unterschiede in der Materialzusammensetzung in verschiedenen Höhenlagen des Bauteils sehr gering. 3. Brandschutztechnische Untersuchungen Bei den Untersuchungen zum Nachweis der Baustoffklasse konnte die Beziehung zwischen dem Prüfkriterium (maximale Höhe der Flammenspitze) und der Dichte des Probekörpers aufgezeigt werden. Alle nicht mit Feuerschutzmittel behandelte Proben haben, mit Ausnahme der geringsten Dichten beim TMP, die Anforderungen an die Baustoffklasse B2 erfüllt. Das eingesetzte Feuerschutzmittel (~ 9-10 %) hat insbesondere die Höhe der Flammenspitze reduziert (nicht bei den Sägespänen) und das rasche Verlöschen der Flammen bewirkt. Das Schwel- und Glimmverhalten wurde durch das Schutzmittel nicht nachhaltig beeinflußt. 4. Feuchteschutztechnische Untersuchungen Für die verschiedenen Materialien wurden die Sorptionsisothermen bei 10 C und die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahlen (µ-werte) bestimmt. Danach liegen zwischen 20 und 90 % relativer Luftfeuchte die mittleren Sorptionsisothermen der Holzstoffe unterhalb derjenigen der Säge- und Hobelspäne. Die Holzstoffe haben bis zu etwa 2,5 % niedrigere massebezogene Stoffeuchten. Die ermittelten µ-werte liegen bei den Holzstoffen zwischen etwa 1,5 und 2, bei den Hobelspänen zwischen etwa 2 und 3 und bei den Sägespänen zwischen etwa 3 und 4,5. Alle Untersuchungsmaterialien können aufgrund der ermittelten Wärmeleitfähigkeitswerte als Wärmedämmstoffe bezeichnet werden. Die sich im Dauerversuch als setzungssicher erwiesenen Dichten liegen teilweise noch unterhalb der Dichten, oder in ähnlicher Größenordnung, bei denen die Werte der Wärmeleitfähigkeit ein Minimum aufweisen. Werden die setzungssicheren Dichten in ein Bauteil eingebracht, so kann dadurch der Separation und größeren lokalen Dichteunterschieden entgegengewirkt werden. Die Untersuchungsmaterialien können ohne Feuerschutzmittel die Anforderungen der Baustoffklasse B2 erfüllen.

8 Welchem Material der Vorzug zu geben ist, hängt von dem Anspruch an die wärmedämmende Eigenschaft, der Konstruktion und nicht zuletzt von der Technologie ab, mit der eine homogene und ausreichend verdichtete Dämmschicht rationell hergestellt werden kann.

9 Die Dissertation liegt in Buchform vor und kann über den Fachbuchhandel bezogen werden. Vogel, Klaus: Die Eignung von Holz als Wärmedämmstoff: Vergleichende Untersuchungen von Spänen und Fasern. Aachen: Shaker Verlag GmbH. ISBN