Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer. und ausgewählte mechanische Kennwerte wärmebehandelten

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1 24 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission und ausgewählte mechanische Kennwerte wärmebehandelten Holzes Melanie Wetzig, Redelf Kraft, Edmone Roffael, Andreas Schmutz, Christian Huber, Peter Niemz Generelle Zusammenhänge zwischen Behandlungsparametern und Eigenschaften vergüteten Holzes sind weitgehend bekannt. Bereits angewandte Prozesse müssten jedoch hinsichtlich wachsender Anforderungen an die behandelten Hölzer sowie einer energieeffizienten Prozess führung optimiert werden. Eines der wichtigen Probleme ist die starke Geruchsemission von Thermoholz. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war die Reduzierung der Emissionen von Holz, das in Autoklaven nach zwei Verfahren thermisch behandelt wurde. Der Einfluss der Prozessführungsparameter und die mechanischen Kenndaten der Hölzer standen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Je Verfahren wurden zwei Behandlungstypen untersucht. Die erste Behandlung verlief unter den bisherigen Verfahrenseinstellungen, die zweite nach Veränderung der Prozessparameter. Die Ergebnisse der chemischen Untersuchungen ließen eine deutliche Reduzierung der Säureemissionen im Rahmen der Prozessmodifizierungen erkennen, während die Formaldehydabgaben des vergüteten Holzes zum Teil markant stiegen. Die mechanischen Kenndaten sind durch Veränderung der Prozessparameter verfahrensabhängig verbessert worden. Schlüsselwörter: Ameisensäure, Autoklav, Biegefestigkeit, Bruchschlagarbeit, Elastizitätsmodul, Essigsäure, Farbe, Formaldehyd, VOC Einleitung Der Einsatz von thermisch vergütetem Holz gewinnt zunehmend an Bedeutung, wenn auch das Gesamtvolumen dieses Produkts noch vergleichsweise gering ist. So stiegen die Produktionsmengen in Europa von m³ im Jahr 2007 auf derzeit ca m³ (Scheiding, 2010). Der dunkle Farbton tropischer Holzarten, der durch eine thermische Behandlung bei einheimischen Hölzern erreicht werden kann, ist zur Zeit begehrt (Anonymus, 2010). Thermisch behandeltes Holz (Thermoholz) wird aufgrund der Farbgebung als Alternative zu Tropenholz verwendet, wodurch der Absatz einheimischer Holzarten gefördert werden kann. Verwendet wird Thermoholz sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Für die thermische Behandlung von Holz sind verschiedene Verfahren bekannt. Eine Übersicht geben Hill (2006) und Niemz (2005). Die Eigenschaftsänderungen infolge einer thermischen Vergütung wurden bereits in den frühen 1950er Jahren und wieder verstärkt in den vergangenen zwei Dekaden untersucht (Kollmann und Fengel, 1965; Schneider und Rusche, 1973; Bourgois et al., 1991; Ewert und Scheiding, 2005; Tjeerdsma und Militz, 2005; Johansson und Morén, 2006; Junghans, 2007; Pfriem, 2007; Pfriem et al., 2009; Willems und Militz, 2011). Unter anderem wurde erkannt, dass die Farbwerte thermisch modifizierten Holzes mit dessen mechanischen Eigenschaften korrelieren. Noch besser als mit der Helligkeit L, konnten Zusammenhänge mit dem Gesamtfarbabstand E ab nachgewiesen werden (Bekhta und Niemz, 2003). Klement und Marko (2009) wiesen eine Abhängigkeit der Farbgebung vergüteten Holzes von dessen Dichte nach, wobei Holz höherer Dichte höhere Gesamtfarbabstände aufwies als jenes niedrigerer Dichte. Die Farbänderung des Holzes infolge

2 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission 25 Tab. 1: Gegenüberstellung der grundlegenden Verfahrensschritte der Prozesse zur thermischen Vergütung des untersuchten Holzes Tab. 1: Comparison of the basic steps for thermal wood modification in the process Vorvakuum 1. Heizphase, auf 100 C, in 1,5-2,5 h 2. Heizphase, Haltephase Verfahren 1 Verfahren 2 Behandlung A Behandlung B Behandlung A Behandlung B Druckanstieg linear, bis auf 8 bar während 5-7 h, 8 bar, T max C, max. Druck gehalten für ca. 1-3 h mbar, min Druckanstieg nichtlinear, bis zu 4 bar während 5-7 h, 1-4 bar, T max C, Druck für ca. 1-3 h der Wärmebehandlung wird nach Bourgois et al. (1991) durch den Abbau der Hemicellulosen, insbesondere der Pentosane verursacht. Auch Untersuchungen von Gonzáles-Peña und Hale (2009) hinsichtlich der Korrelationen zwischen der Modifikation chemischer Substanzen und Farbänderung infolge thermischer Behandlung ergaben holzartenabhängig sehr hohe Beziehungen zwischen dem Gesamtfarbabstand und den Hemicellulosen. Untersuchungen des Lignins mittels FTIR- Spektroskopie und dessen Beziehungen zur Farbänderung des vergüteten Holzes ergaben, dass die Farbgebung stärker mit den säureunlöslichen Ligninanteilen in Verbindung stehen als mit den Sacchariden des Holzes. Die Farbänderung wird stark durch das Verfahren bestimmt. So ist bei gleichen Behandlungstemperaturen im Autoklav behandeltes Holz deutlich dunkler als mittels Vakuum-Presstrocknung behandeltes. Die Reduzierung der Festigkeiten des behandelten Holzes und die Bildung flüchtiger Verbindungen wie Ameisen- und Essigsäure oder Formaldehyd stehen ebenfalls mit den chemischen Veränderungen im Zusammenhang. Hierüber gibt die Literatur einen ausführlichen Überblick: Kollmann und Fengel (1965), Roffael et al. (2007) und Roffael et al. (2008). Das Ausmaß der Veränderungen der chemischen und physikalisch-mechanischen Eigenschaften hängt vom angewandten Verfahren und den Verfahrensparametern (Behandlungsdruck, -temperatur, -dauer, -atmosphäre) ab (Ewert und Scheiding, 2005; Hill, 2006). Burmester (1973) erkannte, dass der Einfluss einer hohen Temperatur über einen kurzen Zeitraum auf die mechanischen Eigenschaften geringer ist, als eine niedrigere Temperatur über einen langen Zeitraum. Allgemein gilt zudem, dass die Festigkeitswerte mit steigendem Behandlungsdruck zunehmend verringert werden. Besonders hohe Festigkeitsverluste erfährt thermisch behandeltes Holz bei dynamischer Belastung. Die Korrelation mechanischer und chemischer Eigenschaften thermisch modifizierten Holzes untersuchten u. a. Hofmann et al. (2008), wobei ein Zusammenhang zwischen dem Totalphenolgehalt während 5-7 h, 7 bar, T max C, max. Druck gehalten für ca. 1-2 h und der Biegefestigkeit festgestellt wurde. Bei Laubhölzern wurden höhere Korrelationen nachgewiesen als bei Nadelhölzern. Bächle et al. (2010) wiesen mittels FT- NIR-Spektroskopie parameterabhängige Korrelationen zwischen chemischen Änderungen und mechanischen Kennwerten nach. Vergütungsverfahren und Behandlungsmodifizierungen Zwei Verfahren, bei denen das Holz in einem Autoklaven (Vakuum-Druck-Kammer) vergütet wird, wurden untersucht. Beide Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Behandlungsatmosphäre. Durch die Verfahren 1 und 2 wurde zunächst je eine Probencharge mit den Parametern der Behandlung A (Tab. 1) modifiziert und die Hölzer auf chemische und mechanische Kennwerte hin untersucht. Basierend auf den Ergebnissen und unter Berücksichtigung theoretischer Kenntnisse wurden beide Verfahren bezüglich Behandlungsdauer, maximaler Temperatur und Druck daraufhin verändert (Behandlung B), um in erster Linie die Emissionen von VOC relevanten Verbindungen zu verringern. Bei Verfahren 1 wurde dabei der Behandlungsdruck um 3-6 bar während verschiedener Prozessphasen reduziert. In Behandlung B des Verfahrens 2 wurde die Temperatur um 20 K gesenkt und die Behandlungsdauer um 3-5 h erhöht. Von der zweiten Probencharge (vergütet mit Behandlung B) wurden die chemischen wie physikalisch-mechanischen Kennwerte wie nach Behandlung A ermittelt und somit der Einfluss der Verfahrensparameter auf die Materialeigenschaften charakterisiert. Material mbar, ca. 30 min Druck konstant, bei 1 bar Abkühlung auf 100 C innerhalb von 3-6 h innerhalb von 3-6 h Konditionierung, (Öffnung der Kammer) * zur Abführung von flüchtigen Stoffen 5-15 h 5-8 h (2 h vor Kammeröffnung Vakuum* bis Duckausgleich) Untersucht wurden unbehandelte und thermisch vergütete Hölzer von Buche (Fagus sylvatica L.), Esche (Fraxinus excelsior L.) und Fichte (Picea abies (L.) Karst.). Um die Ergebnisse der unbehandelten Proben mit denen der Behandlungen A und B sowie die beider Verfahren untereinander vergleichen zu können, ist das Ausgangsmaterial entsprechend Abb. 1 aufgegliedert und thermisch behandelt worden. Diese Aufteilung ermöglicht die Inhomogenität des Holzes auszugleichen und beide Verfahren und Behandlungen objektiv zu beurteilen. Prüfverfahren während 5-9 h, 5 bar, T max C, max. Druck gehalten für ca. 3-4 h 5-12 h Farbmessungen 50 Farbmessungen wurden an radial sowie tangential ausgerichteten und gehobelten Oberflächen mit einem Chroma-

3 26 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission E = c 2 ρ (5) Abb. 1: Probenaufteilung eines Brettes vom Ausgangsmaterial Fig. 1: Pre-cut part of an untreated board of the basic raw material Meter CR 200 Prüfgerät (Firma Minolta) durchgeführt. Die Lichtquelle (Tageslichteinstellung D65) besaß einen Durchmesser von 8 mm. Das Prüfgerät wurde regelmäßig gegen den Weiß-Standard kalibriert. Die ermittelten Farbkennwerte dienten der Berechnung des Gesamtfarbabstandes E ab. Dieser beschreibt den absoluten Abstand zweier Farben im CIELAB-Farbraum und errechnet sich aus den Koordinaten zweier Farborte nach Gl. 1. E ab Wobei: = L 2 L = L T L R a = a T a R b = b T b R + a E ab Farbabstand, L Helligkeitswert, a/b Farbkennwerte (grün-rot/ blau-gelb), T Testwert (behandelt), R Referenzwert (unbehandelt). 2 + b Chemische Untersuchungen Die Abgabe von Ameisen- und Essigsäure sowie von Formaldehyd wurde mittels der Flaschenmethode (40 C, 24 h) bestimmt. Die in der Absorptionsflüssigkeit befindlichen flüchtigen organischen Säuren wurden ionenchromatographisch ermittelt. Der Formaldehyd in der Absorptionsflüssigkeit wurde photometrisch mit Hilfe der Acetylacetonmethode, gemäß DIN EN (1996), bestimmt. Dreipunktbiegung Die 65 Prüfkörper (longitudinal x radial x tangential: 400 x 20 x 20 mm³) wurden im Normalklima 20/65 (20 C und 65 % relative Luftfeuchte) konditioniert. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Rohdichte nach DIN (1976), des statischen Elastizitätsmodul (E-Modul; E stat ) und der Biegefestigkeit nach DIN (1978). Zudem wurde an den Prüfkörpern der dynamische E-Modul (E dyn ) mittels Ultraschall (BPV, Firma Steinkamp, 50 khz) ermittelt. Die Berechnung des E dyn erfolgte nach Gl (1) (2) (3) (4) Wobei: m ρ = b d l 5 10 (6) E dynamischer E-Modul in N/mm 2, c Schallgeschwindigkeit in m/s, ρ Dichte in kg/m 3, m Masse in g, b Breite in mm, d Dicke in mm, l Länge in mm. Bruchschlagarbeit Der Zuschnitt der 65 Prüfkörper (longitudinal x radial x tangential: 300 x 20 x 20 mm 3 ) und die Prüfung der normalklimatisierten Proben mit einem Pendelschlagwerk (Fa. Mohr & Federhaff AG, Mannheim) erfolgte nach DIN (1981). Die Schlagarbeit des Pendels betrug 10 mkg. Die Berechnung erfolgte nach Gl. 7. W w = 1000 b h g Wobei: w Bruchschlagarbeit des Holzes in kj/m 2, W Arbeit, die zum Durchschlagen der Probe erforderlich ist in mkg, b, h Querschnittsmaße der Proben in tangentialer und radialer Richtung in mm, g Fallbeschleunigung in m/s 2 (Konstante: 9,81). Zudem wurden die Rohdichte der Prüfkörper nach DIN (1976) und E dyn mittels Ultraschallgerät (siehe Proben Dreipunktbiegung, Gl. 5) bestimmt. Ergebnisse und Diskussion Farbmessungen Der Gesamtfarbabstand E ab nach Behandlung B in Bezug zum Referenzholz ist bei beiden Verfahren deutlich geringer als jener nach Behandlung A (Abb. 2). Die Laubhölzer wiesen größere Differenzen auf als die Nadelhölzer. Der im Vergleich zu Verfahren 1 geringere Farbunterschied zwischen den Behandlungen A und B des Verfahrens 2 kann wie folgt erklärt werden: Aufgrund der gesenkten Behandlungstemperatur hätte sich eine geringere Farbänderung einstellen müssen, diese wurde jedoch durch die erhöhte Prozessdauer wieder egalisiert (vgl. Burmester, 1973). Die deutliche Reduzierung des Farbabstandes E ab der Behandlung B bei Verfahren 1 (bis zu -45 % bezüglich Behandlung A) konnte ausschließlich durch eine Druckreduzierung während verschiedener Phasen (Heiz- und Haltephase, siehe Tab. 1) der (7)

4 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission 27 Abb. 2: Gesamtfarbabstand E ab des thermisch behandelten Holzes der Behandlungen A und B beider Verfahren in Bezug auf unbehandeltes Referenzholz Fig. 2: Colour distance E ab of heat-treated wood samples from treatment A and B of both processes compared to untreated wood Vergütung erreicht werden. Die Behandlungstemperaturen waren identisch. Der hohe Einfluss des Druckes lässt sich mit der Bildung, Abgabe und Konzentration von Säuren im Holz während der thermischen Modifizierung erklären. Bekanntlich führt eine thermische Behandlung zur Abspaltung von Essigsäure aus den Acetylgruppen der Hemicellulosen (Roffael et al., 2008). Die Essigsäure bewirkt einen hydrolytischen Abbau der Kohlenhydrate, was wiederum die Bildung von Ameisensäure fördert. Wird der Druck während der Behandlung reduziert, wie es bei Behandlung B bei Verfahren 1 der Fall war, treten die flüchtigen Verbindungen leicht aus dem Holz aus und entweichen mit dem verdampfenden Wasser aus dem Reaktionsbereich ( Wasserdampfdestillation ). Dadurch reduziert sich die Säurekonzentration im Holz, wodurch die säurekatalysierten Reaktionen der Hemicellulosen Bildung von Furfural und Kondensationsreaktionen unter den diversen Abbauprodukten verlangsamt werden. Da solche Reaktionen wesentlich zur Bildung von chromophoren Gruppen (zur Farbgebung) beitragen, ist die Reduzierung der Farbunterschiede plausibel (Bourgois et al., 1991). Chemische Analysen Die Abgabe von Ameisen- und Essigsäure ist bei thermisch unbehandeltem Holz äußerst gering. Infolge thermischer Behandlung stieg diese verfahrensabhängig deutlich bis um das 210fache an (Ameisensäure Abb. 3a; Essigsäure Abb. 3b). Die Säureabgabe der Laubhölzer des Verfahrens 1 bei Behandlung A lag deutlich (25-47 %) über den Werten des Verfahrens 2 bei Behandlung A. Bei der Fichte war dies mit einer Differenz von 19 % umgekehrt. Nach Modifizierung der Prozesse (B) konnte für Buche und Esche bei Verfahren 1 eine Reduzierung der Abgabe beider Säuren um ca. 90 % gegenüber Behandlung A nachgewiesen werden, für Fichte um ca. 80 %. Bei Verfahren 2 unterschieden sich die Abgaben von Ameisensäure (sank um 3-50 %) und Essigsäure (sank um 30 % und 60 %) (Abb. 3a und 3b). Die Formaldehydabgabe des modifizierten Holzes beider Verfahren und Behandlungen lag über der des unbehandelten Referenzholzes (Abb. 3c). Durch die Prozessmodifizierung konnte die Formaldehydabgabe von Buche um jeweils Abb. 3: Säureabgabe (a: Ameisensäure, b: Essigsäure) und Formaldehydabgabe (c) des unbehandelten Referenzholzes und des thermisch behandelten Holzes der Behandlungen A und B beider Verfahren, gemessen mit der Flaschenmethode (40 C, 24 h) Fig. 3: Release of acids (a-formic acid, b-acetic acid) and of formaldehyde (c) of untreated and heat-treated wood samples according to scheme A and B of both processes, measured with the flask method (40 C, 24 h) 20 % reduziert werden, während die Emissionen der Esche (Verfahren 1) und Fichte (Verfahren 2) nahezu unverändert blieben. Die Esche des Verfahrens 2 wies nach Behandlung B, verglichen mit Behandlung A, eine um 25 % höhere Formaldehydabgabe auf. Die Formaldehydabgabe der Fichte nach Verfahren 1 nahm sogar um rund 60 % zu (Tab. 2). Trotz dieser klaren Steigerung gilt die Formaldehydemission des thermisch behandelten Holzes noch immer als sehr gering. Der Grund für die verstärkte Bildung von Formaldehyd ist nicht völlig geklärt. Es gilt als sehr wahrscheinlich, dass Formaldehyd bei hohen Drücken und Temperaturen teilweise mit dem aromatischen Ring des Lignins reagiert (Wooten et al., 1988). Dreipunktbiegung Die Biegefestigkeit sank infolge der thermischen Vergütung in Abhängigkeit der Behandlungsparameter und Holzart um bis zu 40 % (Abb. 4a). Nach Behandlung A wies die Esche des Verfahrens 1 eine geringfügig höhere Biegefestigkeit als jene des Verfahrens 2 auf. Bei der Buche war dies umgekehrt und die Fichtenproben besaßen mit einer Differenz von 2 N/mm 2 nahezu den gleichen Wert. Gegenüber Behandlung A beein-

5 28 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission Tab. 2: Änderung der Abgabe von Ameisen- und Essigsäure sowie Formaldehyd [%] des thermisch behandelten Holzes der Behandlung B in Bezug auf Behandlung A beider Verfahren Tab. 2: Changes in the release of formic and acetic acid as well as formaldehyde [%] of heat-treated wood from treatment B relating to treatment A of both processes Buche Verfahren 1 Verfahren 2 Esche Fichte Buche flusste Behandlung B die Biegefestigkeit des mit Verfahren 2 behandelten Holzes nur gering (± 6 %). Die mit Verfahren 1 vergüteten Proben wiesen dagegen durch Behandlung B deutlich gesteigerte Werte auf (Esche/Fichte +20 %, Buche +56 %), womit die Werte nur 5-19 % unter der Biegefestigkeit des unbehandelten Referenzholzes lagen. Oelhafen (2005) wies eine starke Abhängigkeit der Biegefestigkeit von der Intensität der Behandlung nach, wobei ein Anstieg der Biegefestigkeit nach milder thermischer Behandlung des Buchenholzes zu beobachten war. Dass Behandlung B bei Verfahren 1 milder als Behandlung A bei Verfahren 1 verlief, zeigte sich bereits durch die Farbwerte und die geringere Säureabgabe. Die Änderung der statischen (Abb. 4b) wie auch dynamischen E-Moduln des Holzes im Zuge der thermischen Behandlung ergab keinen klaren Trend. Dies deckt sich mit bisherigen Ergebnissen zum E-Modul (vgl. Bekhta und Niemz, 2003). Die Eschen- und Fichtenproben der Behandlung A bei Verfahren 1 wiesen, wie das Buchenholz des Verfahrens 2, gegenüber dem thermisch unbehandelten Holz einen erhöhten E-Modul auf. Ein gering reduzierter E-Modul wurde für das vergütete Buchenholz aus Verfahren 1 ermittelt. Behandlung B bewirkte bei allen Proben des Verfahrens 1 und der Buche des Verfahrens 2 nur geringfügige Änderungen der E-Moduln (± 1,7 %), während die mit Verfahren 2 und B behandelte Esche rund 7 % und die Fichte rund 10 % geringere Werte, verglichen mit den Werten der Behandlung A, aufwiesen. Der E dyn ergab durchschnittlich 26 % höhere Werte als E stat. Die Unterschiede zwischen beiden Verfahren sind hinreichend bekannt (höherer E-Modul bei Durchschallung). Esche Fichte Ameisensäure -91,51-90,34-76,00-2,68-38,96-47,06 Essigsäure -88,69-85,30-77,67-28,55-32,69-58,90 Formaldehyd -18,23-1,38 57,58-29,22 25,37 4,69 über einen kurzen Zeitraum auf die mechanischen Eigenschaften geringer ist, als der einer niedrigeren Temperatur über einen langen Zeitraum. Das heißt, der potenzielle Anstieg der Bruchschlagarbeit durch die reduzierte Behandlungstemperatur wurde durch die, durch eine verlängerte Behandlungsdauer verursachte Bruchschlagreduzierung wettgemacht. Die wesentliche Prozessänderung des Verfahrens 1 bestand in einer Druckreduzierung. Nach Kollmann (1939) besteht kein Einfluss des angewandten Druckes auf die Ergebnisse der Bruchschlagarbeit. Dieser Aussage widersprechen die Resultate der vorliegenden Arbeit insofern, als dass bei Verfahren 1 nach Behandlung B höhere Bruchschlagarbeitswerte nachgewiesen werden konnten. In diesem Zusammenhang ist jedoch auch der Einfluss des Druckes auf die Bildung von Säuren zu berücksichtigen, welche wiederum den Abbau der Hemicellulosen und somit folglich auch die Festigkeiten des Holzes wesentlich beeinflussen. Bruchschlagarbeit Wie dies Abb. 4c entnommen werden kann, ist die mittlere Bruchschlagarbeit, wie erwartet, infolge der thermischen Behandlungen gesunken bei beiden Verfahren durch Behandlung A stärker als durch Behandlung B. Die Proben der Behandlung A des Verfahrens 1 wiesen geringere Bruchschlagarbeiten auf, als jene des Verfahrens 2; nach Behandlung B war dies mit Ausnahme der Fichte umgekehrt. Die Modifikation des Verfahrens 2 erfolgte durch Reduzierung der Behandlungstemperatur bei gleichzeitiger Erhöhung der Vergütungsdauer. Somit ist die nahezu unveränderte Bruchschlagarbeit der Proben von Behandlung B in Bezug zu Behandlung A in Übereinstimmung mit dem Befund von Burmester (1973), wonach der Einfluss einer hohen Temperatur Abb. 4: a) Biegefestigkeit, b) statischer Elastizitätsmodul, c) Bruchschlagarbeit des unbehandelten Referenzholzes und des thermisch behandelten Holzes der Behandlungen A und B beider Verfahren Fig. 4: a) Bending strength, b) Static modulus of elasticity, c) Impact bending strength of untreated and heat-treated wood samples according to scheme A and B of both processes

6 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission 29 Zusammenfassung und Ausblick Ziel der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter von zwei thermischen Vergütungsverfahren auf die Emissionen des behandelten Holzes. Ferner wurde die Auswirkung einer Prozessmodifizierung auf ausgewählte physikalisch-mechanische Eigenschaften untersucht. Durch Senkung der Behandlungstemperatur und gleichzeitiger Verlängerung der Behandlungsdauer (Verfahren 2, Behandlung B) wurden nur geringfügige Änderungen der chemischen und mechanischen Eigenschaften erzielt. Durch eine Reduzierung des Behandlungsdruckes (Verfahren 1, Behandlung B) wurde hingegen eine deutliche Senkung der Säureemissionen erreicht. Gleichzeitig konnte bei diesem Verfahren eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften festgestellt werden. Geringere Emissionswerte lassen auf einen geringeren Abbau der Holzbestandteile schließen, wodurch auch die natürliche Struktur des Holzes in geringerem Maße zerstört wird. Dies erklärt die verbesserten mechanischen Eigenschaften des Holzes. Der in der Literatur beschriebene Zusammenhang zwischen dem Gesamtfarbabstand des Thermoholzes und dessen mechanischen Eigenschaften (Bekhta und Niemz, 2003) wurde bestätigt. Die Resultate des vergüteten Holzes des Verfahrens 2 wiesen nur geringfügig veränderte Gesamtfarbabstände zwischen den Behandlungen A und B auf. Gleiches gilt für dessen mechanische Kennwerte. Die Prozessmodifikation (Behandlung B) beim Verfahren 1 bewirkte einen geringerer Gesamtfarbabstand und milder reduzierte mechanische Kennwerte im Vergleich zu Behandlung A. Die Arbeit zeigt, dass ein erhebliches Optimierungspotenzial bezüglich der Emissionen an flüchtigen Bestandteilen besteht und dass ein starker Einfluss der Prozessparameter vorliegt. Auch konnte erkannt werden, dass die Änderung der Säureabgabe in enger Beziehung mit den physikalisch-mechanischen Eigenschaften steht. Diese Beziehungen sollten in kommenden Arbeiten detaillierter untersucht werden, um Holz gezielt dem Verwendungszweck entsprechend thermisch modifizieren zu können. Danksagung Die Autoren möchten sich beim Fonds zur Förderung der Wald- und Holzforschung des BAFU Schweiz für die finanzielle Unterstützung des Projektes Nr bedanken, auf dessen Ergebnissen der vorliegende Artikel beruht. Literatur Anonymus (2010) Living at home. wohnen_einrichten /parkett_laminat/holztrends/holz_dunkel.html Zugriff am Bächle H, Zimmer B, Windeisen E, Wegener G (2010) Evaluation of thermally modified beech and spruce wood and their properties by FT-NIR spectroscopy. Wood Sci Technol 44 (3): Bekhta P, Niemz P (2003) Effect of high temperature on the change in colour, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood. Holzforschung 57 (5): Bourgois PJ, Janin G, Guyonnet R (1991) La mesure de couleur Une methode d etude et d optimisation des transformations chimques du bois thermolyse. Holzforschung 45 (5): Burmester A (1973) Einfluss einer Wärme-Druck-Behandlung halbtrockenen Holzes auf seine Formbeständigkeit. Holz als Rohund Werkstoff 31 (6): DIN (1981) Prüfung von Holz Schlagbiegeversuch Bestimmung der Bruchschlagarbeit DIN (1976) Prüfung von Holz Bestimmung der Rohdichte DIN (1978) Prüfung von Holz Biegeversuch DIN EN (1996) Holzwerkstoffe Bestimmung der Formaldehydabgabe Teil 3: Formaldehydabgabe nach der Flaschen- Methode Ewert M, Scheiding W (2005) Thermoholz in der Anwendung Eigenschaften und Möglichkeiten. holztechnologie 46 (2): Gonzáles-Peña MM, Hale MDC (2009) Colour in thermally modified wood of beech, Norway spruce and Scots pine Part 1: Colour evolution and colour changes. Holzforschung 63: Hill CAS (2006) Wood Modification, chemical, thermal and other processes. John Wiley and Sons, Chichester Hofmann T, Rétfalvi T, Albert L, Niemz P (2008) Investigation of the chemical changes in the structure of wood thermally modified within a nitrogen atmosphere autoclave. Wood Res 53 (3): Johansson D, Morén T (2006) The potential of colour measurement for strength prediction of thermally treated wood. Eur. J. Wood Prod. 64 (2): Junghans K (2007) Untersuchungen zu spezifischen Eigenschaftsänderungen bei der thermischen Vergütung von Fichtenholz. Diplomarbeit, Berufsakademie Sachsen, Dresden Klement I, Marko P (2009) Colour changes of beech (Fagus sylvatica L.) during high temperature drying process. Wood Research 54 (3): Kollmann F (1939) Vorgänge und Änderungen von Holzeigenschaften beim Dämpfen. Holz als Roh- und Werkstoff 2 (1): 1-11 Kollmann F, Fengel D (1965) Änderungen der chemischen Zusammensetzung von Holz durch thermische Behandlung. Holz als Rohund Werkstoff 23 (12): Niemz P (2005) Herstellung und Eigenschaften von thermisch vergütetem Holz eine Übersicht. Schweizerische Zeitung für Forstwesen 156 (11): Oelhafen M (2005) Untersuchung der Eignung der thermischen

7 30 M. Wetzig u. a.: Untersuchungen zum Einfluss ausgewählter verfahrenstechnischer Parameter auf die VOC-Emission Behandlung als Methode zur Farbegalisierung von Holz mit fakultativem Farbkern. Diplomarbeit, Berner Fachhochschule Biel Pfriem A (2007) Untersuchungen zum Materialverhalten thermisch modifizierter Hölzer für die Verwendung im Musikinstrumentenbau. Dissertation, Technische Universität Dresden Pfriem A, Horbens M, Beyer M, Peters J (2009) Untersuchung von Extraktstoffen aus thermisch modifizierter Rotbuche (Fagus sylvatica L.) auf ihre fungizide Wirkung. holztechnologie 50 (2): Roffael E, Hameed M, Kraft R (2007) Bildung von Formaldehyd, Furfural und Ameisensäure bei der thermohydrolytischen Behandlung von einigen monomeren Zuckern (Xylose, Arabinose und Galactose). holztechnologie 48 (3): Roffael E, Kraft R, Niemz P (2008) Formaldehyd- und Säureabgabe aus Thermoholz. Holz-Zentralblatt 134 (50): 1418 Prof. Dr.-Ing. Edmone Roffael war bis zum Leiter des Lehrbereichs Holzchemie und Holztechnologie des Instituts für Holzbiologie und Holztechnologie der Georg-August-Universität Göttingen. Dipl.-Ing. (FH) Christian Huber studierte Holztechnik an der Berner Fachhochschule in Biel. Derzeit ist er Betriebsleiter der Sägerei A+C Corbat Holding in 2943 Vendlincourt, Schweiz. Andreas Schmutz ist Betriebsleiter der Balz Holz AG, Industrie Obermatt, CH-3550 Langnau i. E., Schweiz. Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Peter Niemz hat an der TU Dresden am Institut für Holz- und Faserwerkstofftechnik habilitiert. Seit 2002 ist er Leiter der Arbeitsgruppe Holzphysik am Institut für Baustoffe/Holzphysik der ETH Zürich, Schafmattstraße 6, CH-8093 Zürich, Schweiz. niemzp@ethz.ch Scheiding W (2010) Entwicklung des TMT-Sektors seit In: Tagungsband 6. Europäischer TMT-Workshop, Institut für Holztechnologie Dresden ggmbh, Dresden Schneider A, Rusche H (1973) Sorptionsverhalten von Buchenund Fichtenholz nach Wärmeeinwirkung in Luft und Vakuum. Holz als Roh- und Werkstoff 31 (8): Tjeerdsma BF, Militz H (2005) Chemical changes in hydrothermal treated wood: FTIR analysis of combined hydrothermal and dry heat-treated wood. Holz als Roh- und Werkstoff 63 (2): Willems W, Militz H (2011) Applicability of electron paramagnetic resonance to characterize hygrothermally modified wood. In: Conference paper of the COST Action FP0904 Workshop, Biel, Schweiz Wooten AL, Sellers T Jr, Tahir PM (1988) Reaction of formaldehyde with wood. Forest Products Journal 38 (6): Autoren Dipl.-Ing. (BA) Melanie Wetzig studierte Holztechnik an der Berufsakademie Sachsen, Staatliche Studienakademie Dresden, und beschäftigte sich anschließend während eines Praktikums am Institut für Baustoffe/Holzphysik der ETH Zürich, Schafmattstraße 6, CH-8093 Zürich, Schweiz, mit thermisch vergütetem Holz. Von 2010 bis Ende 2011 arbeitete sie da als wissenschaftliche Mitarbeiterin. Dr. Redelf Kraft hat im Jahr 2006 am Institut für Holzbiologie und Holztechnologie der Georg-August-Universität promoviert und ist z. Z. als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der forstlichen Fakultät der Georg-August-Universität Göttingen beschäftigt. ABSTRACT Investigations on the influence of selected process parameters of the thermal modification of wood on the emissions of VOC and selected mechanical properties In general, interrelationships between process parameters and properties of heat-treated wood are reasonably well known. However, the already applied processes should be further optimized in terms of the growing requirements of modified products and energy-efficient process management. Odour emissions are, for example, one of the major problems. The present study is dealing with the reduction of emissions of volatile organic compounds (VOCs) of heat-treated wood in autoclaves in two different treatment atmospheres. Additionally, the influence of the process parameters on the mechanical wood properties was investigated. Two test series were conducted under different process conditions in both atmospheres. The results of chemical studies revealed a marked reduction of acid emissions due to process modification, while the release of formaldehyde partly markedly increased. The more the emission values changed, the greater was the modification of the mechanical properties. Keywords: Acetic acid, autoclave, bending strength, colour, formaldehyde, formic acid, impact bending strength, modulus of elasticity, VOC