Projekt 08001/02

Förderschwerpunkt Holz: Einsatz von modifizierten Siliciumdioxid-Nanosolen in der Holz- und Holzwerkstoff-Industrie

Projektdurchführung

Kallies Feinchemie AG
01851 Sebnitz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer, ökologisch unbedenklicher Holzschutz- und Holzveredlungsmittel auf Basis von modifizierten Siliciumdioxid-Nanosolen, die frei von organischen Holschutzmitteln sind. Dazu werden Siliciumdioxid-Nanosole in wäßrig-alkoholischen Lösungsmitteln, ggf. modifiziert durch Borsäure-Derivate, gezielt synthetisiert und als Beschichtungslösungen eingesetzt. Im Projekt sollen die im Rahmen einer erfolgreichen Projektvorphase erzielten Ergebnisse vertieft und hinsichtlich ihrer konsolidierenden, maskierenden und holzschützenden Wirkung untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenChemische Untersuchungen zur Herstellung modifizierter Siliciumdioxid-Nanosole, zu deren Filmbindungsverhalten bei unterschiedlichen Beschichtungsverfahren, zu den Schichteigenschaften auf AC-Folien und Holzträgern und zur Freisetzung von Borsäure aus unterschiedlich modifizierten SiO2-Schichten (ICP; HPLC) wurden parallel zu den holztechnischen Prüfungen nach unterschiedlicher Beschichtung (15min/24h-Tränkung, Vakuumdruckimprägnierung) durchgeführt. Nach Bestimmung der Eindringtiefen wurden die physikalisch-mechanischen Änderungen hinsichtlich Brinellhärte, Quell-Schwindverhalten und Ausgleichsfeuchten an verschiedenen Hölzern (Pappel, Kiefer, Fichte) untersucht. Die Bestimmung des Maskierungsverhaltens der Nanosole erfolgte durch PCP-Ausgasungen aus behandelten Fichtenproben mit anschließender gaschromatographischer Bestimmung des derivatisierten PCP. Die Bewertung der fungiziden Wirkung erfolgte in Anlehnung an DIN EN 113 und RAL-GZ830 mit/und ohne Auswaschbeanspruchung. In Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Landesamt für Denkmalpflege konnten einige Sole bei holzrestauratorischen Arbeiten praktisch getestet werden.


Ergebnisse und Diskussion

Modifizierte Siliciumdioxid-Nanosole mit unterschiedlichem Feststoffgehalt und Zusätzen (Borsäure, Borsäureester, Naturharze, PMMA) wurden hinsichtlich ihrer Wirkung auf die physikalisch-mechanischen und bioziden Eigenschaften bei verschiedenen Holzarten geprüft. Die erzielten Holzeigenschaften hängen von der Menge an eingebrachter Festsubstanz ab, wobei die Tränkbarkeit mit Silicium-Nanosolen wiederum von der Holzart und dem Einbringverfahren abhängt. Zum Nachweis der konsolidierenden Wirkung feststoffreicher Sole wurden Untersuchungen an geschädigten Althölzern durchgeführt. Mittels Vakuum-Druck-Imprägnierung konnte eine Erhöhung der Mittelwerte der Biegefestigkeiten (z.B. bei pilzgeschädigtem Tannenholz von 25%) erreicht werden. Im Gegensatz dazu ist eine wesentliche Steigerung der Brinellhärte selbst durch Vakuum-Druck-Imprägnierung nicht zu erreichen. Die Ausgleichsfeuchten behandelter Prüfkörper lagen generell unterhalb der unbehandelten Hölzer. Das Quell-Schwind-Verhalten lässt sich durch die Behandlung mit Siliciumdioxid-Nanosolen verbessern. Dabei verstärkt ebenfalls eine möglichst große Menge eingebrachten Feststoffes den positiven Effekt. Die Untersuchungsergebnisse zur Maskierungswirkung der Sole gegenüber PCP lassen eine deutliche Differenzierung der getesteten Sol-Systeme erkennen. Bei alkalisch eingestellten Solen bildet sich das schwerflüchtige Pentachlorophenolat. Mit derartigen Solen lassen sich die PCP-Ausgasungen unmittelbar nach der Beschichtung um bis zu 80% senken. Die Untersuchungen zur bioziden Wirkung der Nanosole zeigen, dass mit dem System SiO2-Borsäure-PMMA ein Beschichtungssystem mit verzögerter Borsäurefreisetzung entwickelt wurde, das für den Schutz von Hölzern der Gefährdungsklasse 3 geeignet erscheint. Abweichend dazu zeigten die nach Abschluß des Projektes bei der BAM und eph Dresden durchgeführten Prüfungen (EN113/84/46/47) , dass borhaltigen SiO2-Nanosole zwar eine Verwendung in der Gefährdungsklasse 2 ermöglichen, die fungizide Wirkung nach Auswaschbeanspruchung aber bislang nicht die Kriterien für die Gefährdungsklasse 3 erfüllt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorträge:
- M. Scheithauer, Ch. Swaboda, H. Böttcher
Neue Holzveredlungsmittel auf der Basis von modifizierten Siliciumdioxid-Solen
Plenarvortrag, 21. Holzschutztagung der DGfH Rosenheim 23.04.98
- J. Trepte, H. Böttcher, Ch. Swaboda, M. Scheithauer
Möglichkeiten des Einsatzes von Sol-Gel-Beschichtungen im Holzschutz
Plenarvortrag, 1.Wörlitzer Workshop Funktionelle Schichten, 03.09.98

Publikationen
- M. Scheithauer, Ch. Swaboda, H. Böttcher, J. Trepte
Möglichkeiten des Einsatzes von Siliciumdioxid-Solen als Holzveredlungsmittel DBU-Tagung Biologischer/Biotechnischer Holzschutz, Kassel 09.09.98, Proceedings S. 5 - 17
- H. Böttcher, C. Jagota, J. Trepte, K.-H. Kallies, and H. Haufe, Sol-Gel Composite Films withControlled Release of Biocides Journal of Controlled Release 60 (1) 57 - 65 (1999)
- H. Böttcher, J.Trepte, M. Scheithauer, Ch. Swaboda
Möglichkeiten des Einsatzes von Sol-Gel-Beschichtungen im Holzschutz
GDCH-Monographie Bd. 15 Bauchemie von der Forschung bis zur Praxis S. 246 - 149 (Herausg. GDCh-Fachgruppe Bauchemie, F. Winnefeld), 1999 GDCh Frankfurt/M.
- M. Eisbein, A. Michel, I.Pönicker, H.Böttcher, J. G.Trepte, Siliciumdioxid-Sole - eineProduktgruppe, viele Anwendungen, RESTAURO 3/2000, 168 - 172


Fazit

Die Projektergebnisse zeigen erstmals anhand von Meßdaten die Vor- und Nachteile bei der Verwendung umweltfreundlicher anorganischer Nanosole zur Holzbehandlung. Unter Nutzung der Vorteile konnten im Sächsischen Landesamt für Denkmalpflege einige Nanosole bei holzrestauratorischen Arbeiten erfolgreich eingesetzt werden. Ziel weiterer Arbeiten ist die Nutzung der Nanosole für brandhemmende Holz-imprägnierungen sowie die Erreichung der Kriterien für die Gefährdungsklasse 3 im Holzschutz.