Autor: Felix K. Tregret

Holz und Holzwerkstoffe neigen bei Änderungen der relativen Luftfeuchte sowie bei Wasserlagerung zu Dimensionsänderungen. Dieser Dimensionsänderung kann durch eine Reduzierung des Gehaltes an Hemicellulosen entgegengewirkt werden, welche z.B. durch (hydro-/ hygro-) thermische Verfahren erreicht werden kann. Bei den industriell angewendeten Verfahren unterliegen Hemicellulosen meist Depolymerisierungs- und Abbaureaktionen und gehen im Prozess verloren. Zudem kommt es bei der Behandlung zu Festigkeitseinbußen des verbleibenden Holzmaterials. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Heißwasserextraktion von Fichtenholzspänen (Picea abies) untersucht. Die extrahierten Späne wurden zu Spanplatten weiterverarbeitet. Hierbei kamen unterschiedliche Bindemittel zum Einsatz (Harnstoff-Formaldehydharz (UF), Poly-Diphenylmethan-Diisocyanat (PMDI) sowie emulgierbares Poly-Diphenylmethan-Diisocyanat (EMDI)). Die Spanplatten wurden auf ihre Dimensionsstabilität bei Änderungen der relativen Luftfeuchte und nach Wasser-lagerung, sowie auf ihre Festigkeitseigenschaften (Biege-Elastizitätsmodul, Biegefestigkeit, (Koch-) Querzugfestigkeit) untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Extraktions-temperaturen und -zeiten, sowie unterschiedlicher Bindemittel untersucht. Neben den Eigenschaften der Spanplatten lag der Fokus auch auf den nach der Behandlung im Extrakt vorliegenden Mono- und Oligosacchariden1. Hierfür wurden zunächst Extraktionen von Fichtenholz-spänen im kleinen Maßstab in einem Accelerated Solvent Extractor (ASE) bei unterschiedlichen Extraktionszeiten und Extraktions-temperaturen durchgeführt und der Extrakt auf seinen Gehalt an Mono- und Oligosacchariden untersucht. Die Extrakte der Extraktionen im größeren Maßstab, die durchgeführt wurden, um eine ausreichende Menge an Spänen zur Spanplattenproduktion zu erhalten, wurden ebenfalls analysiert und mit den Extrakten der Extraktionen im kleinen Maßstab verglichen. Bei den im kleinen Maßstab durchgeführten Heißwasserextraktionen zeigte sich ein Zusammenhang zwischen Extraktionstemperatur und der Molmasse der gelösten Moleküle sowie deren Ausbeute. Mit steigender Temperatur kam es zu einer Vergrößerung der Ausbeute bei gleichzeitiger Verringerung der Molmasse der gelösten Moleküle. Ein ähnlicher Zusammenhang bestand bei einer Verlängerung der Extraktionsdauer. Die größte Menge an gelösten Kohlenhydraten in oligomerer Form lag bei einer Extraktionszeit von 20 min und einer Extraktionstemperatur von 180 °C im Extrakt vor. Hier konnten ca. 109 mg oligomere Kohlenhydrate aus 1 g Holz (atro) gelöst werden. Die größte Gesamtmenge an gelösten Kohlenhydraten lag bei einer Extraktionstemperatur von 180 °C und einer Extraktionsdauer von 40 min im Extrakt vor. Hier konnten ca. 136 mg g-1 gelöst werden (davon ca. 49 mg in monomerer und ca. 87 mg in oligomerer Form). Auch bei den in größerem Maßstab durchgeführten Heißwasser-extraktionen zeigte sich ein Zusammenhang zwischen Extraktions-temperatur und Ausbeute sowie Molmasse der gelösten Moleküle. Hier konnten bei einer Extraktionstemperatur von 170 °C ca. 88 mg Kohlenhydrate aus 1 g Holz (atro) gelöst werden, davon ca. 75 mg in oligomerer und ca. 13 mg in monomerer Form. Die maximale Molmasse der im kleinen Maßstab gelösten Moleküle betrug ca. 1.300-1.600 g mol-1, die der im größeren Maßstab gelösten Moleküle ca. 1.200 g mol-1. Die aus den im größeren Maßstab bei Temperaturen von 80 °C bis 170 °C extrahierten Spänen hergestellten Spanplatten, die mit UF gebunden wurden, zeigten eine erhöhte Dimensions-stabilität bei Änderungen der relativen Luftfeuchte sowie bei Wasserlagerung, verglichen mit den Kontrollplatten, die aus bei 15 °C extrahierten Spänen hergestellt wurden. Hierbei führte insbesondere eine Erhöhung der Extraktionstemperatur über 120 °C zu einer weiteren Zunahme der Dimensionsstabilität. Biege-festigkeit und Querzugfestigkeit der Spanplatten sanken mit steigenden Extraktionstemperaturen, der Biege-Elastizitätsmodul wurde nur geringfügig beeinflusst. Die Verwendung von bei 160 °C behandelten Spänen bei der Produktion von PMDI-gebundenen Spanplatten führte ebenfalls zu einer Erhöhung der Dimensionsstabilität bei Erhöhung der relativen Luftfeuchte sowie bei Wasserlagerung verglichen mit der Verwendung von bei 15 °C behandelten Spänen. Eine Erhöhung des Anteils an PMDI führte zu einer weiteren Zunahme der Dimensionsstabilität. Biegefestigkeit und (Koch-) Querzug-festigkeit wurden durch die Verwendung von bei 160 °C behandelten Spänen negativ beeinflusst, der Biege-Elastizitätsmodul hingegen stieg. Eine Erhöhung des Bindemittelanteils führte zu einer Steigerung der Werte des Biege-Elastizitätsmoduls, der Biegefestigkeit sowie der (Koch-) Querzug-festigkeit. Durch eine Erhöhung des Anteils an PMDI konnten Festigkeitseinbußen, die durch die hydrothermale Behandlung hervorgerufen wurden, ausgeglichen werden. Der Vergleich der eingesetzten Bindemittel (UF, PMDI, EMDI) zeigte insbesondere bei der Wasserlagerung deutliche Vorteile bei der Verwendung von PMDI sowie EMDI. So hatten die PMDI- bzw. EMDI-gebundenen Platten aus den bei 160 °C behandelten Spänen ähnliche Querzugsfestigkeitswerte, wie die UF-gebundenen Platten, die aus den bei 15 °C behandelten Spänen hergestellt wurden. Zwischen den PMDI- bzw. EMDI-gebundenen Platten traten hierbei keine Unterschiede auf. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch Heißwasserextraktion Hemicellulosen aus Fichtenholzspänen gelöst werden konnten. Hierbei spielten Extraktionstemperatur und Extraktions-dauer eine entscheidende Rolle in Bezug auf Ausbeute und Molmasse der gelösten Moleküle. Aus extrahierten Spänen produzierte Spanplatten verfügten über eine höhere Dimensionsstabilität bei Änderungen der relativen Luftfeuchte sowie bei Wasserlagerung, allerdings kam es zu Festigkeits-einbußen. Durch die Wahl eines geeigneten Bindemittels sowie dessen Anteils konnte diesen Festigkeitseinbußen entgegengewirkt werden. Hierdurch können sich für Spanplatten neue Anwendungsgebiete, z.B. in Bereichen mit häufig wechselnder Luftfeuchte, ergeben. Die gelösten Hemicellulosen stehen zudem für weitere Anwendungen, z.B. zur Produktion von Ethanol oder XI sogenannten Plattform-Chemikalien, als biobasierte Barrierefilme, als Lebensmittelzusatzstoffe oder zur Verwendung in der Textil,- Kosmetik- und Papierindustrie, zur Verfügung.