Thermisch modifiziertes Holz

Buchenholz aus unterschiedlich intensiven Behandlungsprozessen. 200°C, 190°C, unbehandelt (Rotkern)

Thermoholz Vergleich, links= Esche Nativ, rechts= Esche TMT

Holzoberfläche, Esche Thermoholz

Thermisch modifiziertes Holz (englisch: Thermally Modified Timber, kurz TMT) ist das Endprodukt einer thermischen Behandlung (Erhitzen) von Holz auf mindestens 160 °C bei Sauerstoffmangel^[1]. Der Begriff Thermoholz wird häufig synonym verwendet.^[2] Ziel der thermischen Holzmodifikation ist es, technische Eigenschaften des Baustoffs Holz über den gesamten Holzquerschnitt für bestimmte Einsatzzwecke zu verbessern. So sorgt z.B. die durch Hitzebehandlung erzielte hohe Fäulnisresistenz dafür, dass sich auch heimische Hölzer für den Einsatz im Außen- und Nassbereich eignen, ohne dass nach kurzer Zeit Schäden durch Pilzbefall entstehen. Die verringerte Wasseraufnahmefähigkeit von Thermoholz reduziert die für Holz typische Neigung zum Quellen und Schwinden, Schüsseln und Reißen. Nach mehreren Jahrzehnten Forschung begannen die ersten industriellen Anlagen gegen Ende der 1990er Jahre in Finnland zu produzieren.

Physikalische und chemische Prozesse

Chemisch handelt es sich bei TMT um das Ergebnis einer Teilpyrolyse in sauerstoffarmer Atmosphäre. Es werden für etwa 24 bis 48 Stunden Temperaturen von 170 °C bis 250 °C eingesetzt.

Dieses Verfahren ändert die OH-Gruppen (Hydroxygruppen), die zwischen Hemizellulose und Lignin verbunden sind. Hemicellulose wird ab etwa 140 °C partiell abgebaut und kristallisiert in anderer Form wieder aus. Durch die Erhitzung des Holzes werden Acetylgruppen an den Hemicellulosen abgespalten und es bildet sich Essigsäure. Die Essigsäure wirkt als Katalysator beim Abbau der Hemicellulose und führt zur Abnahme des Polymerisationsgrades der Hemicellulosen. Ab etwa 150 °C wird auch alpha-Cellulose abgebaut. Durch Ligninkondensation steigt der relative Ligninanteil im Holz.^[2] Das Holz wird „karamellisiert“. Flüchtige Stoffe wie Harze und Abbauprodukte der Hemicellulose und des Lignins wie z. B. Furfural und 5-Methylfurfural werden ausgetrieben.

Die thermische Modifizierung ist abzugrenzen von anderen Verfahren der Holzmodifizierung wie Dämpfung (etwa von Buchenholz) oder Räucherung.

Eigenschaften

Durch die Umwandlung bzw. Besetzung freier OH-Gruppen werden Schwind- und Quellmaß in tangentialer, axialer und radialer Richtung um bis zu 70 % verringert. Auch eine Erhöhung der natürlichen Dauerhaftigkeit gegen tierische und pilzliche Holzschädlinge wurde festgestellt. Bei Verwendung von Rotbuchenholz erreicht thermisch modifiziertes Holz je nach Intensität des Thermo-Prozesses bis Dauerhaftigkeitsklasse 1, bei Fichtenholz bis Klasse 2 und bei Eschenholz Klasse 1-2. Die Holzfarbe wird dunkler (durch den ganzen Querschnitt), ist jedoch nicht UV-beständig (Aufhellung). Die Temperaturbehandlung führt zu einer deutlichen Reduzierung des pH-Wertes auf 1,5. So wird den Mikroorganismen der Nährboden entzogen, und Wasser wird nur eingeschränkt aufgenommen.

Ein großer Unterschied besteht zwischen Thermonadelholz und Thermolaubholz. Die wärmebehandelten Nadelhölzer haben durch den Substanzabbau und durch den Harzaustritt eine reduzierte Dichte und sind sehr weich, was bei Laubhölzern nicht in dem Maße der Fall ist. Je nach Behandlungsintensität bzw. -methode verringern sich die Festigkeitswerte des Holzes durch die Behandlung. Insbesondere die Abnahme der Spaltfestigkeit kann hierbei kritisch sein.

Aufgrund der Veränderungen auf molekularer Ebene sind nicht alle Leime oder Beschichtungen, die für das Ausgangsmaterial benutzt werden, auch für das thermisch modifizierte Holz verwendbar. Ein wichtiger Nachteil der Thermobehandlung ist die Abnahme der Biegefestigkeit und damit eine Verringerung der Tragfähigkeit des Holzes, was die Verwendungsmöglichkeiten einschränkt. Weiterhin erhält das Holz einen rauchigen Geruch, der aber mit der Zeit nachlässt.

Herstellungsverfahren

Es gibt diverse Verfahren zur Produktion von Thermoholz, die von Firmen und Forschungsinstitutionen ständig weiterentwickelt werden. Im großindustriellen Einsatz ist das auf Wasserdampf und Hitze basierende Stellac-Verfahren führend. Beim Öl-Hitze-Verfahren/OHT (Menz-Holz) dient reines Pflanzenöl als Wärmeträger, das Holz wird in diesem bei Temperaturen bis zu 220 °C erhitzt. Heizplatten übertragen beim Vakuum-Press-Trocknungs-Verfahren (Timura- Holz) die Wärme auf das Holz. Das Vorgehen nach dem Wasserdampf-Hitze-Verfahren, z.B. das russische BICOS- (Thermoholz Spreewald) und das finnische Stellac-Verfahren (Firstwood) ist am weitesten verbreitet. Die Firma Stellac Oy gilt als Pionier in der Forschung und Weiterentwicklung des Wasserdampf-Hitze-Verfahrens, jedoch hat Stellac am 22. Februar 2011 beim zuständigen Gericht in Mikkeli die Einleitung eines Konkursverfahrens beantragt^[3]. Bereits seit dem Jahr 1990 arbeitet Stellac an der Entwicklung eines industriellen Produktionsprozesses zur Verbesserung von Holzeigenschaften auf Basis rein thermischer Behandlung der Holzzellstrukturen. Dieser kommt seit 1996 in ausgereifter Form in großtechnischen Thermokammern zum Einsatz. Während des langwierigen Fünf-Stufen-Prozesses wird das Holz schonend modifiziert, sodass durch starke, rasche Temperaturschwankungen verursachtem Reißen vorgebeugt wird. Das Holz durchläuft folgende Phasen: 1. Ersterwärmungsphase (auf 100 °C); 2. Vorkonditionierung und Trockenphase (kontrollierte Reduktion der Holzfeuchte auf 0 %); 3. Hochtemperaturphase (Erhitzung je nach Holzart und Veredelungsklasse auf bis zu 230 °C); 4. Konditionierungsphase (Wiederherstellung des optimalen Feuchtigkeitsniveaus); 5. Abkühlphase. Der Stellac-Prozess ist voll automatisiert, so ist eine hohe Qualitätskonstanz gewährleistet.
Aktuell wird an einem neuen Verfahren gearbeitet, das drucklos arbeitet und dadurch den apparativen Aufwand deutlich reduziert. Dabei kommt eine Kombination aus Wasserdampf und Stickstoff zum Einsatz. Federführend ist hier die Hochschule für Nachhaltige Entwicklung, Eberswalde.

Verwendung

Grundsätzlich sind alle Holzarten für die Thermomodifikation geeignet. Praktisch konzentriert sich dies auf folgende Hölzer: Erle, Buche, Eiche, Ahorn, Esche, Birke sowie Robinie bei den Laubhölzern sowie Fichte und Kiefer bei den Nadelhölzern. In thermisch modifiziertem Holz aus einheimischen Nadel- und Laubhölzern wird eine ökologische Alternative zu Tropenhölzern wie Bangkirai oder Teak gesehen. Das liegt zum einen an der Möglichkeit, thermisch modifiziertes Holz im Nass- oder Außenbereich einzusetzen, zum anderen an der dunklen Farbe, die das Holz je nach Intensität der Thermobehandlung erhält. Ebenso bietet Thermoholz eine unbedenkliche Alternative in Anwendungsbereichen, in denen die Verwendung mit chemischen Schutzmitteln getränkten/imprägnierten Holzes gängig ist. Typische Einsatzbereiche sind Terrassendielen und -möbel sowie Holzböden im Sanitär- und Saunabereich.

Da das Ausmaß der Tragfähigkeitsverringerung noch nicht ausreichend erforscht ist, stellt TMT (im Gegensatz zu konventionellem Bauholz) derzeit kein geregeltes Bauprodukt dar. Es darf daher ohne speziellen Verwendbarkeitsnachweis nicht für tragende und aussteifende Zwecke eingesetzt werden^[4].

Markt

Anteilig am gesamten Holzverbrauch nimmt Thermoholz eine marginale Größenordnung ein, zeigt jedoch hohe jährliche Wachstumsraten. So wird der Zuwachs der Europäischen Erzeugung zwischen 2000 und 2004 auf mehr als 300 % geschätzt. Mit (2004) etwa 40.000 m³ und damit rund 75 % der europäischen Produktion ist Finnland das bei Weitem wichtigste Erzeugerland, gefolgt von den Niederlanden, Österreich und Frankreich.^[5]

Die Hersteller nach dem finnischen ThermoWood-Verfahren geben für das Jahr 2007 Produktionszahlen von 72.000 m³ an, von denen 19 % in Finnland vermarktet werden, 73 % in der restlichen EU und 8 % in weiteren Ländern. Die von diesen Produzenten mit Abstand am meisten verwendeten Hölzer sind Kiefer und Erle.^[6]

Nach BSHD, Thermoholzproduktion um 43 % gestiegen: "Im ersten Halbjahr 2010 konnte die Thermoholzproduktion der Unternehmen in der Fachgruppe Thermoholz des BSHD um 43 % gegenüber dem ersten Halbjahr 2009 auf 14.000 m³ gesteigert werden. Der Produktionsanstieg ist teils durch neu angelaufene Produktionsstätten zu erklären. In der Anwendung überwiegt mit 80 % deutlich der Bereich Terrasse, der Innenbereich ist gegenüber 2009 rückläufig, der Bereich Fenster stieg von 5 auf 12 %. Buche und Esche werden mit jeweils circa 40 % am häufigsten eingesetzt, die Nadelhölzer Fichte und Kiefer haben eine geringere Bedeutung, thermisch behandelt werden weiterhin Eiche, Tanne und Pappel. Die Marktentwicklung für Thermoholz in der Produktion und im Importhandel wird positiv eingeschätzt, 75 % der Befragten gehen von einer Steigerung aus, 25 % erwarten einen stagnierenden Markt, mit einem Rückgang rechnet niemand. Die Fachgruppe Thermoholz repräsentiert in Deutschland mit acht Mitgliedern 85 % der Kapazitäten, hinzu kommen zwei österreichische Hersteller."^[7]

Es gibt mehrere europäische Hersteller mit teils unterschiedlichen Verfahren: In Finnland Finnforest, StellacWood und StoraEnso (ThermoWood-Verfahren); in Österreich Mitteramskogler (Vergütung nach ThermoWood-Verfahren), STIA bzw. Aberger (beide nach dem Stellac-Verfahren); in Deutschland Firstwood GmbH (Stellac-Verfahren), Menz-Holz (Öl-Hitze-Vergütung, OHT), timura Holzmanufaktur (Vakuum-Press-Trocknungs-Verfahren), Hagensieker/proGOODWOOD (Vergütung nach ThermoWood-Verfahren), Thermoholz Spreewald (Wasserdampf-Hitze, BICOS-Verfahren); in den Niederlanden Plato-Holz (Plato-Verfahren); in Frankreich NOW (Retification-Prozess).

Einzelnachweise

1. ↑ European Committee for Standardisation, 2007: Technical Specification prCEN/TS 15679 Thermal modified Timber - Definitions and characteristics (pdf)
2. ↑ ^{a b} TMT Merkblatt des Instituts für Holztechnologie Dresden gGmbH (PDF)
3. ↑ Konkursmeldung Stellac Oy
4. ↑ Merkblatt des Instituts für Holztechnologie Dresden zur Verwendbarkeit von TMT für tragende und aussteifende Bauteile
5. ↑ Thermoholz-Markt – Nachfrage noch klein. In: ParkettMagazin 05/04
6. ↑ Finnish Thermowood Association: Thermowood Production Statistics 2007 (pdf)
7. ↑ [1] In BSHD Speedletter 08/10

Weblinks

• Informationen zu thermisch modifiziertem Holz (Institut für Holztechnologie Dresden)
• Prüfbericht des Institutes für Holztechnik Dresden (PDF-Datei; 449 kB)
• Verarbeitungsrichtlinien für thermisch modifiziertes Holz (PDF-Datei; 111 kB)
• International ThermoWood Association
• Anwendungsgebiete von Thermoholz
• Holzmodifizierung (PDF-Datei; 176 kB)
• Thermoholz verbessert die akustischen Eigenschaften von Musikinstrumenten