Furfuryliertes Holz

Furfuryliertes Holz (englisch: furfurylated wood) beschreibt das Endprodukt einer Behandlung von Holz mit Furfurylalkohol. Dieser Vorgang wird auch Furfurylierung genannt. Die Furfurylierung ist ein kommerziell verwendeter Modifikationsprozess, um die Eigenschaften von Holz zu verbessern. Hierbei werden die Zellwände des Holzes mit Furfurylalkohol gequollen, der innerhalb der Zellwände polymerisiert. Mit dieser Behandlung wird die Wasseraufnahmefähigkeit des Holzes gesenkt und so die für Holz übliche Neigung zur Verformung bei Feuchteänderung reduziert. Auch die Härte und Fäulnisresistenz des modifizierten Holzes ist gegenüber der von nativem Holz verbessert. Der verwendete Furfurylalkohol wird durch die Hydrierung von Furfural aus biologischen Reststoffen, wie Spelzen oder Bagasse, gewonnen.

Beispiel für furfuryliertes Holz (Pinus Radiata mit einem Beladungsgrad von 30–35 %)

Physikalische und chemische Prozesse

Bei der Furfurylierung von Holz werden die Zellwandmembranen der Holzzellen zunächst mit Furfurylalkohol gequollen; der Furfurylalkohol dringt aufgrund seiner Polarität und seiner Größe in die Zellwand ein. Die Polymerisierung des Furfurylalkohols im Holz stellt eine komplexe Reaktion dar, deren Abläufe noch nicht vollkommen nachvollzogen sind. Es ist noch nicht klar, ob der Furfurylalkohol innerhalb der Zelle nur mit sich selbst reagiert und auspolymerisiert, oder ob der Furfurylalkohol auch mit den Zellwandkomponenten, wie Cellulose, reagiert. Durch den auspolymerisierten Furfurylalkohol innerhalb der Zelle werden die Holzzellen hydrophobiert.

Geschichte

Die Furfurylierung von Holz ist ein Prozess, der zum ersten Mal von Alfred Stamm in den 1950ern in den USA erforscht wurde, dessen größere Verbreitung auf dem Markt bisher aber ausgeblieben ist. Die erste industrielle Produktion von furfuryliertem Holz in den USA lief ab den 1960ern. In den 1980ern wurde durch eine Arbeitsgruppe des Professors Marc Schneider in Kanada ein Zweistufenprozess entwickelt. Das Holz wurde hier zuerst mit einem Katalysator und anschließend mit dem Furfurylalkohol getränkt. So hergestelltes furfuryliertes Holz konnte wegen der hohen Kosten der zweistufigen Tränkung nicht mit den am Markt geforderten Preisen hergestellt werden. 1997 wurde die Firma Wood Polymer Technologies ASA in Norwegen zum Bau einer Pilotanlage für das einstufige Herstellungsverfahren gegründet. Ab 2000 erfolgt die Vermarktung von furfuryliertem Holz in den USA und Europa. 2004 betrug die Herstellungskapazität in Porsgrunn, Norwegen 3.000 m³ pro Jahr. 2008 wurde die Kapazität auf 25.000 m³ pro Jahr erhöht.

Herstellung

Um furfuryliertes Holz herzustellen, sind folgende Schritte Notwendig:

1. Lagerung und Vermischung der Tränklösung: Hier werden ca. 40 % Furfurylalkohol, Wasser, Polymerisationsinitiatoren, Katalysatoren und Tenside vermengt und anschließend in einen Lagertank getankt.
2. Imprägnierung: Das Holz wird in einem Druckkessel in einem dreistufigen Prozess getränkt, zuerst wird ein Vakuum angelegt um die verbleibende Luft aus dem Holz zu ziehen. Im zweiten Schritt wird das Holz bei Drücken um 13 bar mit der Tränklösung getränkt. Schritt drei stellt eine kurze Entspannungsphase dar, in der der Kessel auf Umgebungsdruck gebracht wird. Der gesamte Vakuumkessel kann um 5° gekippt werden um die überschüssige Tränklösung auf den Brettern ablaufen zu lassen.
3. Trocknung und Polymerisierung: Das getränkte Holz wird in Vakuumtrocknern durch eine direkte Erhitzung mit Dampf getrocknet. Durch den hohen Siedepunkt von 170 °C von Furfurylalkohol ist es möglich zuerst das Wasser aus dem Holz zu trocknen und die Polymerisierung bei einer zweiten höheren Temperaturstufe durchzuführen. Das Kondensat, welches bei der Trocknung anfällt, wird zur weiteren Verwendung der Tränklösung zugeführt.
4. Nachtrocknen: Das modifizierte Holz wird bei moderaten Temperaturen nachgetrocknet um Emissionen zu minimieren und die Endfeuchte einzustellen.

Für die Herstellung von furfuryliertem Holz wird zu etwa 80 % Kiefer (Pinus Sylvestris) verwendet; andere verwendete Holzarten sind Southern Yellow Pine (Pinus palustris), Buche (Fagus sylvatica) und Ahorn (Acer saccharum).

Eigenschaften

Die Eigenschaften des modifizierten Holzes sind stark von der Einbringmenge und Konzentration des Furfurylalkohols abhängig. Durch den Anteil von Furfurylalkohol in einer wässerigen Tränklösung kann die Einbringmenge an Furfurylalkohol kontrolliert werden. So ist es möglich, die Eigenschaften des modifizierten Holzes einzustellen.

Bei einem Beladungsgrad von 30–35 % erhöhen sich die Härte, das Gewicht, die mechanischen Eigenschaften, die Dimensionsstabilität und die Resistenzen gegen Insekten, Pilze und Chemikalien so weit, dass das Produkt in die Dauerhaftigkeitsklasse 1 eingestuft wird. Das Holz dunkelt infolge des Prozesses gerade bei hohen Einbringmengen an Furfurylalkohol stark, daher wird es sowohl in den Eigenschaften wie auch in der Farbe als Ersatz für Tropenholz gehandelt und verwendet. Der einzige Nachteil liegt bei stark modifiziertem Holz in einer Erhöhung der Sprödigkeit des Holzes.

Auch bei einem geringen Beladungsgrad verbessern sich die mechanischen Eigenschaften des Holzes, doch ist hier nicht die Resistenz gegen Schädlinge wie Pilze und Insekten gegeben, auch die dunkle Verfärbung des Holzes fällt schwächer aus. Gering modifiziertes Holz wird daher im Innenbereich, meist als Bodenbelag, eingesetzt.

Bei einem Beladungsgrad von 50 % stellt sich eine hohe Resistenz gegenüber maritimen Schiffsbohrern, wie dem Schiffsbohrwurm (Teredo navalis), ein.

Furfuryliertes Holz wird als ökologisch unbedenkliches Produkt gehandelt, da sowohl das Holz als auch der Furfurylalkohol aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden.

Markt

Aktuell gibt es nur einen Hersteller von furfuryliertem Holz mit dem Namen Kebony und Sitz in Oslo, Norwegen. Dieses Unternehmen stellt an verschiedenen Standorten in Europa 22.000 m³ furfuryliertes Holz her. Der Betrieb besitzt Kapazitäten für mindestens 25.000 m³.

Weblinks

• Website des Herstellers von furfuryliertem Holz

Einzelnachweise

1. H. Militz, C. Mai: Sonstige Vergütungsverfahren. In: A. Wagenführ, F. Scholz (Hrsg.): Taschenbuch der Holztechnik. 2., aktual. Auflage. Fachbuchverlag Leipzig im Hanser Verlag, Leipzig 2012, ISBN 978-3-446-42605-4, S. 485–500. 
2. D. Sandberg, A. Kutnar, G. Mantanis: Wood modification technologies – a review. In: iForest – Biogeosciences and Forestry. Band 10, Nr. 6, 2017, ISSN 1971-7458, S. 895–908, doi:10.3832/ifor2380-010. 
3. G. I. Mantanis: Chemical Modification of Wood by Acetylation or Furfurylation: A Review of the Present Scaled-up Technologies. In: BioResources. Band 12, Nr. 2, 1. Mai 2017, S. 4478–4489. 
4. Callum A. S. Hill: Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes. John Wiley and Sons, Chichester 2006, ISBN 0-470-02172-1. 
5. M. H. Schneider, A. E. Witt: History of wood polymer composite commercialization. In: Forest Products Journal. Band 2, 2004, S. 19–24. 
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7. C. Mai: Prozesse der chemischen Holzmodifizierung. In: Holztechnologie. Band 51. Dresden 2010. 
8. Stig Lande, Mats Westin, Marc Schneider: Properties of furfurylated wood. In: Scandinavian Journal of Forest Research. Band 19, sup5, 1. Dezember 2004, ISSN 0282-7581, S. 22–30, doi:10.1080/0282758041001915. 
9. Pia Larsson Brelid: Benchmarking and State of the art for Modified wood. (PDF) Abgerufen am 9. Januar 2018 (englisch). 
10. P. Brynildsen, R. Bendiktsen, F. Englund, C. A. S. Hill, H. Militz, B. K. Segerholm: State-of-the-art Kebony factory and its main products. Proc. of the 4th European conference on wood modification. Hrsg.: B. K. Segerholm. Stockholm 2009, S. 37–42. 
11. Philippe Gérardin: New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of Wood – a review. In: Annals of Forest Science. Band 73, Nr. 3, 1. September 2016, ISSN 1286-4560, S. 559–570, doi:10.1007/s13595-015-0531-4. 
12. M. Westin, P. Larsson-Brelid, T. Nilsson, A. Rapp, J. P. Dickerson, S. Lande, S. Cragg: Marine borer resistance of acetylated and furfurylated wood – Results from up to 16 years of field exposure. In: Proceedings of the “47th Annual Meeting of the International Research Group (IRG) on Wood Protection”. Stockholm Mai 2016, S. 10 ff. 
13. Philippe Gérardin: New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of wood— a review. In: Annals of Forest Science. Band 73, Nr. 3, 1. September 2016, ISSN 1286-4560, S. 559–570, doi:10.1007/s13595-015-0531-4.