Thermally Modified Timber The very dry end of drying. Thermisch modifiziertes Schnittholz Trockener geht s nimmer

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1 Abstract Thermally Modified Timber The very dry end of drying Thermisch modifiziertes Schnittholz Trockener geht s nimmer *, GmbH, Salzburg/AT und Mitteramskogler GmbH, Gaflenz/AT (hermann@timberfreaks.com) Thermal modification of timber has gained importance within wood industry. Its production quantity shows a sustainable demand for thermally modified timber. Thermal modification means exposing timber to high temperatures to alter at least some of its properties permanently. Noticeable changes are achieved applying temperatures of at least 160 C. Increasing temperatures lead to improved treatment classes. But on the other hand, increasing temperatures lead to an increased degradation of wood tissue, to an increased loss of mass and to decreased strength properties. Thermal degradation increases if air is present. In closed systems where acids concentrations may catalyse hydrolytic degradation thermal degradation is higher than in open systems where volatile mediums can exhaust and no air can enter. Thermal modification has to be planned in accordance with the timber treated to get defined and repeatable results. The condition of the timber always affects the results of thermal modification. Besides the cutting pattern, drying quality and moisture have got a wide influence on results of the treatment. High moisture contents may lead a high steam pressure and therefore damage the wood tissue. High moisture contents lead to an increased hydrolyses as well. Thermal modification only changes some properties of wood but can not improve poor wood quality or repair wood defects (except colour defects). Thermal modification only degrades wood defects. Especially drying defects lead to a fairly decreased timber quality. Zusammenfassung Thermische Modifikation von Schnittholz hat in den letzten Jahren seinen Stellenwert in der Holzwirtschaft festigen, bzw. ausbauen können. Die Produktionsmengen beweisen, dass ein nachhaltiger Bedarf für thermisch modifiziertes Holz vorhanden ist. Von thermischer Modifikation spricht man, wenn Holz hohen Temperaturen ausgesetzt wird, mit dem Ziel einer dauerhaften Änderung einige seiner Eigenschaften. Ab Temperaturen von 160 C kann mit einer bemerkbaren Vergütung gerechnet werden. Durch Erhöhung der Temperatur kann die Behandlung intensiviert werden. Mit steigender Temperatur kommt es allerdings zu einem stärkeren Abbau der Holzstruktur, einem stärkeren Masseverlust und einer stärkeren Abnahme der Festigkeit. Der thermische Abbau ist in Anwesenheit von Luft stärker als unter Luftabschluss. Weiters ist der Abbau im geschlossenen System größer, da sich Säuren, die die Hydrolyse katalysieren können, in höheren Konzentrationen bilden als in Systemen, wo flüchtige Produkte entweichen können, aber keine Luft eintreten kann. Die thermische Modifikation muss auf die zu behandelnde Holzart und ihren Ausgangszustand abgestimmt werden, um definierte und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Neben der (H. Huber)

2 Einschnittart hat die Trocknungsqualität und die Holzfeuchtigkeit, bei der die Prozesse der thermischen Behandlung stattfinden, einen großen Einfluss auf das Endergebnis. Zu hohe Holzfeuchten belasten das Zellgewebe durch den entstehenden Dampfdruck. Außerdem beschleunigen hohe Feuchtigkeiten die Hydrolyse. Durch thermische Modifikation können Holzeigenschaften gezielt geändert werden, schlechte Ausgangsqualität und Holzfehler können nicht verbessert werden (mit Ausnahme von Farbfehlern). Holzfehler werden durch die thermische Behandlung verstärkt. Vor allem Trocknungsfehler wirken sich drastisch auf die auf die Qualität des Endprodukts aus. Corresponding author Full address: GmbH Markt 136 a 5431 Kuchl/AT Tel: Fax mail: hermann@timberfreaks.com (H. Huber)

3 Thermally Modified Timber The very end of drying Thermisch modifiziertes Schnittholz Trockener geht s nimmer EDG Drying Seminar, Hamburg Thermally Modified Timber The very end of drying Thermisch modifiziertes Schnittholz Trockener geht s nimmer Die Präsentation beruht auf Erfahrungen im Rahmen des CRAFT-Projektes Innovation for Beech, welches mit finanzieller Unterstützung der EU (6. Rahmenprogramm) von 5 KMU s und 4 Forschungsinstituten durch-geführt wird. 1

4 Themenüberblick Warum Holz thermisch modifizieren? Wie kann thermisch modifiziertes Laubholz erzeugt werden? Welche Änderungen erfolgen bei der thermischen Modifizierung? Worauf kommt es bei der thermischen Modifizierung an? Was bedeutet modifizieren? modifizieren = abwandeln, auf das richtige Maß bringen, [ab]ändern (Duden) Modifizieren ist also ein Vorgang der bestimmte [Ver]Änderungen mit sich bringen soll. In unserem Fall bedeutet dies, durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung von Holz neue Produkte zu erzeugen, bzw. neue Anwendungsbereiche für heimische Holzarten zu ermöglichen. 2

5 Warum Holz modifizieren welche Erwartungen werden gestellt? Erhöhung der Dimensionsstabilität - geringere Ausgleichsfeuchte und dadurch bedingt ein um ca. 50 % geringeres Quell- und Schwindmaß Erhöhte Dauerhaftigkeit gegenüber Pilzbefall Witterungsbeständig Gut be- und verarbeitbar Farbänderung verbesserte Oberflächeneigenschaften Thermisch modifiziertes Holz ist bei der Anwendung und Entsorgung unbehandeltem Holz gleichzusetzen Holz soll als solches erkennbar bleiben Thermische Modifikation Verfahren Verfahren ohne Zusatzstoffe und ohne Druckbeaufschlagung Einteilung in 3 Phasen: Trocknen Modifizieren - Konditionieren Temperatur Trocknen Behandeln Abkühlen Gasatmosphäre Zeit 3

6 Trocknen Trocknungstemperatur zwischen 100 C und ca. 135 C Temperaturanstieg abhängig von Holzart, Ausgangsfeuchte,... Dauer der Trocknungsphase abhängig von Holzart, Ausgangsfeuchte,... Ziel: darrtrockenes Schnittholz für die thermische Modifikation Temperatur Trocknen Behandeln Abkühlen Gasatmosphäre Zeit Trocknen Vorgänge im Holz Auftreten von Trocknungsspannungen Beginnender aber sehr geringer thermischer Abbau Messbare Änderung der mechanischen Eigenschaften und der Farbe Veränderungen abhängig von: Holzart Ausgangsfeuchte Einschnittart Dimension 4

7 Thermische Modifikation Behandlungstemperatur zwischen 170 C und 230 C Behandlungsdauer 2 h bis 24 h Masseverlust je nach Behandlungsintensität zwischen 5 % und ca. 15 % Temperaturanstieg abhängig von Holzart, Dimension, Qualität,... Sauerstoffarmes oder freies Klima in der Kammer Temperatur Trocknen Behandeln Abkühlen Gasatmosphäre Zeit Thermische Modifikation Vorgänge im Holz Thermischer Abbau vor allem von Hemizellulosen und Zellulosen (Änderung des Kristallisationsgrades der Zellulose) [bis ca. 160 C Zerstörung der amorphen Bereiche, übe r 200 C Zerstörung der Kristallinstruktur] Masseverlust durch pyrolytische Oxidationsreaktionen (= brennbare Gase) Entstehung von Essigsäure aus abgespaltenen Acetylgruppen der Hemizellulosen Reaktionen von und mit Inhaltsstoffen Einbau/Vernetzung von und mit Abbauprodukten 5

8 Thermische Modifikation Veränderungen abhängig von Temperatur Dauer der Einwirkung Umgebendes Medium/Klima Druck Feuchtegehalt (hydrolytischer Abbau von Hemizellulosen) Abkühlen und Konditionieren Abbruch der chemischen Reaktionen Feuchteaufnahme des Holzes (Sprühen) Abkühlen auf Temperaturen, um gefahrloses Entladen zu ermöglichen und um Oberflächenrisse auf Grund von hohen Temperaturunterschieden bei der Entnahme zu vermeiden Temperatur Trocknen Behandeln Abkühlen Gasatmosphäre Zeit 6

9 Praktische technische Problemstellungen bei der thermischen Modifiaktion: Trocknungsspannungen und ihre Folgen (Risse, Verformungen, Zellkollaps,...) Verstärke Astausbrüche Mikrorisse (bei höheren Temperaturen) Delamination (Ringschäle bei Nadelholz) Festigkeitsverminderung UV- Stabilität Bläuresistenz nicht gegeben Trocknungsspannungen Entstehen auf Grund des Feuchtegefälles während der Trocknung und der dadurch bedingten unterschiedlichen Feuchten über den Holzquerschnitt. Zur Vermeidung von Innenrissbildung, Verformung, Verschalung und Verfärbung sind neben der Behandlungsführung in erster Linie auch die vorgelagerten Behandlungsphasen (Dämpfen/Trocknen) und die Vorbereitung des Ausgangsmaterials zu optimieren. 7

10 Trocknungsspannungen Verformungen Trocknungsspannungen Risse, Verformung 8

11 Astausbrüche Mikrorisse Mikrorissen treten erst ab einer Behandlungstemperatur von ca. 200 C auf. Bei Rotbuche lassen sich Risse vor allem entlang der Verbindungen von Holzstrahlen mit den Fasern erkennen. Diese Risse verlaufen in radialer Richtung. 9

12 Festigkeitsverminderung Versprödung Mit zunehmender Behandlungsstufe steigt die Sprödigkeit des Holzes. So ergab sich selbst bei Mikroschnitten von Rotbuche mit steigender Behandlungsstufe im Querschnitt ein immer ausgefransteres Schnittbild. Diese Ausfransungen sind vor allem am Porenrand zu erkennen. Praxis der thermischen Modifikation Um ein definiertes, reproduzierbares Ergebnis zu erzielen muss die thermische Modifizierung abgestimmt werden auf: die Holzart den geplanten Grad der Umwandlung (Temperatur und Dauer) den Holzausgangszustand (Holzfeuchte, Einschnittart, Dimension,...) und dem geplantem Verwendungszweck (Qualität, Einsatzbereich,...) Eine einwandfrei gewartete Anlage ist ebenfalls Voraussetzung, um neben dem reproduzierbaren Ergebnissen, der Vermeidung einer Umweltgefährdung auch eine Gefährdung für Bedienpersonal und Anlage auszuschließen. 10

13 Praxis der thermischen Modifikation Bei etwa 200 C setzt die Entstehung größerer Mengen f lüchtiger Abbauprodukte ein: wie CO 2, CO, Wasser, Essigsäure, Methanol und Teerprodukte. Quelle: Mühlböck, Ohnesorg Praxis der thermischen Modifikation Prozesstemperaturen nahe am Flammpunkt von Holz fallweise instabile Umwandlungsmechanismen des Holzes ( Durchgehen ) Ab ca. 270 C verläuft die Reaktion exotherm. Der Beginn der exothermen Reaktion kann jedoch variieren (150 C C). Quelle: Mühlböck, Ohnesorg 11

14 Zusammenfassung Thermisch modifiziertes Holz (TMT = thermally modified timber) ist ein etabliertes Produkt Normen zur Sicherstellung der Qualitäten in Ausarbeitung Ab 160 C messbare, dauerhafte Änderungen von Holzei genschaften: erhöhte Dimensionsstabilität erhöhte Dauerhaftigkeit gegenüber Abbau durch Holz zerstörende Pilze dunklere Farbtöne Steigende Temperatur = intensivere Behandlung mit stärker Änderung der Eigenschaften, aber auch stärkerem Abbau der Holzstruktur (Masseverlust, Festigkeitsverlust) Zusammenfassung Qualität von TMT abhängig von: Umgebungsmedium Temperatur und Dauer der Temperatureinwirkung Feuchtegehalt Druck Die thermische Modifikation ist auf Holzart und Ausgangszustand abzustimmen Die thermische Behandlung kann keine Fehler verstecken (mit Ausnahme von Farbfehlern). Holzfehler werden durch die thermische Behandlung nur verstärkt. Trocknungsfehler wirken sich drastisch auf die auf die Qualität des Endprodukts aus. 12