Projekt 34871/01

Holznägel als Alternative zu Metallnägeln

Projektdurchführung

DR. HANS KORTE Innovationsberatung Holz & Fasern
Breite Str. 52
23966 Wismar

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Nägel aus Holz oder Holzwerkstoffen, die sich ohne Vorbohren direkt in eine Holz- oder Holzwerkstoffmatrix einschießen lassen, sind eine umweltrelevante Neuentwicklung der letzten Jahre. Die Nägel und ihre Wechselwirkung mit dem Matrixmaterial sind jedoch sowohl wissenschaftlich als auch anwendungstechnisch wenig untersucht. Ziel des Projektes ist es, das System Holz-/Holzwerkstoffnagel in Verbindung mit Massivholz und/oder Holzwerkstoffen besser zu verstehen und durch eine günstige Werkstoffauswahl die Umweltfreundlichkeit der Nägel zu verbessern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der Projektlaufzeit wurde ein druckluftbetriebenes Einschussgerät mit durchsichtigem Schusskanal gebaut, durch den die Nagelbewegung mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt werden kann. Zur Temperaturmessung im Grenzschichtbereich von Nagel zur Holzmatrix wurde mittels eines Hochgeschwindigkeitspyrometers durch ein Bohrloch die Oberflächentemperatur des durch ein Kantholz und das Bohrloch geschossenen Nagels bestimmt. Der Einfluss von Einschussgeschwindigkeit, Nagellänge und -dicke, der Holzfeuchtigkeit und -dichte, dem Messort im Kantholz, der Nagelspitzengeometrie und der Oberflächen Rauigkeit (glatt und Gewinde) auf die Oberflächentemperatur sowie der Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und Nagelauszugfestigkeit wurden umfänglich untersucht. Des Weiteren wurden der Einfluss von Frost-Tauwechseln und dynamische Festigkeiten bestimmt. Der Grenzbereich zwischen aufgeschnittenem Nagel und Matrix wurde mikroskopisch und chemisch untersucht. Für chemische Analysen wurden die Holznägel nach dem Einschuss freigelegt und anhaftende Späne abgeschabt. Die abgeschabten Späne sowie Referenzmaterialien aus Fichtenholz, Buchenholz und dem Nagelholzwerkstoff wurden gemahlen, extrahiert und magnetresonanzspektroskopisch, infrarotspektroskopisch (FTIR), Raman spektroskopisch sowie chromatografisch (HPLC und SEC) analysiert. Vollholznägel wurden sowohl mit biobasiertem Polyfurfurylalkohol (PFA) getränkt und gehärtet als auch aus furfuryliertem Holz hergestellt und geprüft. Buchenfurniere wurden mit Phenol-Formaldehyd (PF), reinem PFA sowie mit additiviertem PFA zu Platten sowie mit Folien aus Polylaktid (PLA) gepresst. Letztere wurden in einem Automated Bond Evaluation System (ABES) auf Scherfestigkeit der Leimfuge getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Nageleintreibgeschwindigkeiten lagen zwischen 4,4 m/s und 52,8 m/s. Die Oberflächentemperaturen beim Einschießen > 20 m/s lagen zwischen 168 °C und 216 °C, im Mittel bei 201 °C. Die aufgewandte Reibleistung wurde mit 69,4 kW beim Einschießen und im quasistatischen Eintrieb mit 4,69 W bestimmt (Faktor 14.800). Bis auf die Holzfeuchte des Matrixmaterials und die Wegstrecke konnte kein signifikanter Zusammenhang zwischen den Einschussbedingungen und der Oberflächentemperatur festgestellt werden. Durch Gewinderiffelung der Nägel wurde eine erhöhte Oberflächentemperatur gemessen und die Auszugfestigkeit um knapp 100% gesteigert. Das bedeutet, dass der Einschussvorgang ein sehr robustes System ist, das auch schon bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten funktioniert, wodurch Energie eingespart werden kann. Es konnte keine Korrelation zwischen Oberflächentemperatur und Nagelauszugfestigkeit gefunden werden. Beim Nagelauszug nach Frost-Tauwechsel zeigen sich glatte Lignoloc und solche mit Gewinde gegenüber blanken Stahlnägel im Vorteil, nicht jedoch gegenüber Rillennägeln. Untersuchungen von Verklebungen von Buchenfurnieren mit biobasierter thermoplastischer PLA-Folie zeigen so hohe Festigkeiten der Klebefuge, dass der Scherbruch im Holz und nicht in der Klebefuge auftritt. Die mit PFA imprägnierten Nägel versprödeten und kollabierten häufig beim Einschuss. Die Verleimung von Buchenfurnieren mit additiviertem PFA zeigt im Vergleich zu PF-Harzen gleichwertige bis höhere Festigkeitseigenschaften, sodass Holzwerkstoffe mit knapp 100 % biobasierten Inhaltsstoffen erzeugt werden können, die nicht mehr nach Phenolharz riechen. Die von den Nägeln abgeschabten Fichtenholzspäne haben ein Gewicht von ca. 0,02 bis 0,05 g/Nagel. Die FTIR-Spektren von Lignoloc (Buchenholz/Phenolharz) und Buchenholz sind sich deutlich ähnlicher als die zu Phenolharz. Die Spektren von Abschabungen in Abständen von 0,1 mm zeigen einen kontinuierlichen Übergang von Fichtenholz zum Holzwerkstoffnagel, jeweils im Vergleich zu Blindwerten, wobei es für Fichte zwei unterschiedliche Blindwerte gibt. Vergleichbare Übergänge findet man ebenfalls in der HPLC mit Graduentenelution von extrahierten Feinspänen sowie in der Molmassenverteilung bei der SEC. Die im „klassischen“ Holzschweißen nachweisbaren Verbindungen aus thermisch umgewandelten Kohlenhydraten und Ligninen konnten nicht gefunden werden. Es konnten jedoch Veränderungen an den Guyjacyl Seitengruppen des Lignins nachgewiesen werden und Lignin Veränderungen mit Raman-Spektroskopie und UMSP nachgewiesen werden. Mikroskopisch und computertomographisch (CT) wurden Nägel und angrenzende Verdichtungsbereiche charakterisiert. Erst-malig konnten mittels CT verdichtete, fächerförmige Tracheidenketten identifiziert werden.


Fazit

Mit dem neuartigen Messaufbau, durch ein seitliches Loch mittels Hochgeschwindigkeitspyrometer die Oberflächenveränderung eines Nagels beim Einschießen zu beobachten, wurden die Einflüsse von Nagelgeschwindigkeit, -länge, -dicke, Messort, Materialart und Holzfeuchte auf die Oberflächentemperatur erstmalig analysiert. Beim Einschuss von Holznägeln mit Druckluftnaglern in Holz werden Geschwindigkeiten von 28 bis 52 m/s erreicht. Die beim Einschuss durch Reibung erzeugte Oberflächentemperatur von 201 ± 15 °C führt zu einer Veränderung des Lignins in der Grenzschicht zwischen Nagel und Matrix, die mit den bekannten Analysemethoden, wie sie für das Holzschweißen bekannt sind, nicht, jedoch mit SEC, GC-MS, UMSP und Raman Spektroskopie nachgewiesen werden konnten. Parameter des Nagelein-schusses wie Geschwindigkeit, Holzfeuchte, Dichte der Matrix oder Messort (nahe oder entfernt der Mat-rixoberfläche) haben keinen signifikanten Einfluss auf Oberflächentemperatur und die Auszugfestigkeit. Mit dem Aufbringen einer Gewindestruktur auf einen Lignoloc Holznagel konnte die Auszugfestigkeit hingegen nahezu verdoppelt werden. Mit der Kombination von PFA und einem Additiv (1 bzw. 5%) konnte ein Bindemittel entwickelt werden, das mindestens die gleichen Festigkeits- und Quelleigenschaften aufweist wie traditionelles PF aber zu 95% bis 99% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Die Gewinnung kleinster Faserproben in 0,1 Millimeterabständen von der Nageloberfläche und die daran anschließende chemische Analytik kann erfolgreich eingesetzt werden. Mit der Entwicklung additivierter PFA-Verleimung besteht nun die Möglichkeit, Hochleistungsnägel aus fast 100% biobasierten Rohstoffen herzustellen und damit den CO2-Fussabdruck im Vergleich zum Phenolharz gebundenen Nagel deutlich zu reduzieren.