Einsatz von Einjahrespflanzen als Rohstoffe für eine emissionsarme Spanplattenproduktion

Vor dem Hintergrund der bestehenden Holzknappheit und einer gleichzeitig stärkeren Nachfrage an verfügbaren Rohstoffen sowie der Forderung nach effizienteren und stofflich ausgelegten Verwendungen des Rohstoffes Holz steht die Erforschung von neuartigen Spanplatten unter Verwendung alternativer Rohstoffe im Fokus dieser Forschungsarbeit. Das Ziel ist es durch Einsatz von leichten Hölzern wie dem Schirmbaum (Musanga cecropooides) und dem Kakaobaum (Theobroma cacao) rohdichtereduzierte Spanplatten zu entwickeln. Neben diesen Hölzern wird auch untersucht, ob sich die Bohnenschalen der Einjahrespflanze Bohne (Phaseolus vulgaris) zur Spanplattenherstellung eignen.

Im ersten Jahr dieses Projektes wurden die Materialien in Regionen von Kamerun geerntet, gesammelt und nach Deutschland verschifft. Das Material wurde in Anlehnung an die Spanplattenherstellung: luftgetrocknet, zu Spänen zerkleinert und in Deck- bzw. Mittelschichtspäne separiert. Anschließend fand eine chemisch-physikalische Analyse der Materialien mit Hilfe gängiger Analysemethoden statt.

Die chemischen Analysen zeigten, dass die Rohstoffe Schirmbaum, Kakaobaum und Bohnenschalen sich sehr stark in der chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Anhand der Untersuchungen kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die konventionellen Bindemittel wie Harnstoff-Formaldehydharze ohne Einschränkungen zur Herstellung der Spanplatten eingesetzten werden können.

Durch die bisherigen Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass sich die hergestellten Späne mit konventionellen Fichtenspänen vergleichen lassen und daher für die Herstellung von Spanplatten geeignet sein müssten. Der nächste Schritt in diesem Forschungsprojekt ist die Herstellung von Spanplatten aus Schirmbaum bzw. Kakaobaumholz sowie Bohnenschalen. Die Spanplatten sollen mindestens den Ansprüchen von P2 Spanplatten für die Inneneinrichtung (inklusive Möbel) zur Verwendung im Trockenbereich genügen. In den weiteren Untersuchungen sollen unterschiedliche Abhängigkeiten zwischen Rohdichte und Querzugfestigkeit bzw. Biegefestigkeit sowie Bindemittelanteile herausgearbeitet werden.

Erste Zwischenbericht vom Zeitraum 01.02.2017 bis 14.12.2017

Einleitung

      Die weltweit steigenden Nachfrage nach Holz als Energieträger ist eine  Reaktion auf die rasante Entwicklung der Weltwirtschaft und der stetig wachsenden Bevölkerung. Dies hat in der  holzverarbeitenden Industrie, insbesondere der Holzwerkstoffindustrie, zu Holzknappheit geführt. Die Holzwerkstoffindustrie stützt sich fast ausschließlich auf minderwertigen Holz- und Sägewerknebenprodukte. Nach Behrendt und Rupp (2006) wird der derzeitige Holzbestand in Deutschland nicht ausreichen, um die Nachfrage der nächsten Jahrzehnte zu decken. Bemmann (2013) prognostiziert für die kommenden Jahre ein Defizit bei der Holzbereitstellung von 20 bis 30 Mio. m³ pro Jahr in Deutschland. Buongiorno et al. (2012) schätzten, dass der weltweite Verbrauch von Schnittholz und Holzwerkstoffen im Jahr 2060 800 Millionen m3 erreichen wird. Die insgesamt hohe Nachfrage nach Holz als Energielieferant und in der Holzwerkstoffindustrie hat zu einem kontinuierlichen Anstieg des Holzpreises auf dem Weltmarkt geführt. Diese Probleme haben zur  großflächigen Abholzung der Wälder beigetragen, in den letzten Jahrzehnt führte dies wiederum zu einem erheblich schlechteren Weltklima. Daher steht die Suche nach alternativen Rohstoffen für die Holzwerkstoffindustrie im Mittelpunkt.

Es wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, um eine langfristige Versorgung der holzverarbeitenden Industrie zu gewährleisten, z.B. das Recycling von Holzprodukten, die Vergrößerung der Plantagen mit schnell wachsenden Baumarten in kurzen Rotationszyklen, die Verwendung von Laubhölzern und Fasern von einjährigen Pflanzen und weiteres mehr (Behrendt et al., 2007; Dohrenbusch und Bolte, 2008; Spellmann und Kehr, 2008; Youngquist et al., 1994; Bowyer und Stockman 2001). Ein geeigneter Rohstoff für die Holzwerkstoffindustrie sollte jedoch die Kriterien eines günstigen Preises erfüllen, schnell wachsen, leicht verfügbar sein, physikalisch-mechanische Eigenschaften aufweisen, die mit Holz vergleichbar sind, und auch mit den bestehenden Verarbeitungstechnologien kompatibel sein.

Bei der Verwendung von Agrarfasern in der Holzwerkstoffindustrie wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Weltweit gibt es etwa 30 Pflanzen, wie Kenaf, Bagasse, Bambus, Hanf, Flachs und Baumwolle die als Rohstoff verwendet werden können.

In den letzten Jahren hat sich die Präferenz der Verbraucher verändert, die Konsumenten bevorzugen leichte Holzwerkstoffe mit geringer Dichte. Dabei profitieren  nicht nur die Verbraucher, es bieten sich auch Vorteile für die Holzwerkstoffindustrie, da größere Mengen an Paneelen auf Straßen und Eisenbahnen transportiert werden können und somit Kraftstoff eingespart werden kann. Die Gewichtsreduzierung von Holzprodukten wirkt sich weiterhin positiv auf alle Postproduktions- und Verarbeitungsschritte aus, einschließlich Transport, Umschlag und Nachlieferung (Olhauser, 2005).

Die Verwendung von Agrarfasern und Jahrespflanzen in der Holzwerkstoffindustrie hat sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile. Aktuell werden Agrarfasern normalerweise in Mülldeponien verbrannt oder vergraben, wodurch Treibhausgase erzeugt werden, die die Umwelt beeinträchtigen. Durch die Nutzung von Agrarfasern wird weniger Holz benötigt, so dass weniger Waldfläche abgeholzt wird und weiterhin Treibhausgase binden kann. Fasern aus einjährigen Pflanzen benötigen im Vergleich zu Holz weniger Energie  bei der  Trocknung und in der  Verarbeitung. Somit wird der Energiebedarf der Industrie reduziert. Aus wirtschaftlicher Sicht wird die Nutzung von landwirtschaftlichen Abfällen und einjährigen Pflanzen zur Verringerung der globalen Armut, insbesondere in den Entwicklungsländern beitragen, indem diese zusätzliche Einnahmequelle die Landwirte unterstützt und Arbeitsplätze für Einheimische schafft.

Schätzungen von Nguyen et al., 2006, Deppe und Ernst, 2000, weisen darauf hin, dass allein in Europa 238 Millionen Tonnen bis 311 Millionen Tonnen landwirtschaftlicher Nebenprodukte produziert werden. Davon werden allein in Deutschland 46 Millionen bis 61 Millionen Tonnen erzeugt, diese werden jedoch hauptsächlich zur Energiegewinnung verwendet. Die Entwicklung erneuerbarer Energien hat in den letzten Jahren große politische Unterstützung gefunden , da saubere Energiegewinnung ein Hauptthema in vielen Wirtschaftszweigen ist. Dennoch ist eine stoffliche Nutzung dieser Rohstoffe denkbar und ökologisch sinnvoll. Um die  zukünftige  Nachfrage in Deutschland und Europa nach leichten, wirtschaftlichen Holzwerkstoffen zu decken, müssen weitere alternative Rohstoffe aus dem Agrarsektor und Holzarten mit geringer Dichte gesucht werden. Eine Möglichkeit könnten dabei schnell wachsende Baumarten aus Ländern ohne etablierte Holzwerkstoffindustrie sein.

Material und Methoden

Als Ausgangsmaterial für die Entwicklung der leichten Spanplatten wurden Rohstoffe unterschiedlicher Pflanzen verwendet. In dieser Forschungsarbeit lag das Hauptaugenmerk auf den Baumarten Schirmbaum (Musanga cecropioides) und Kakaobaum (Theobroma cacao) sowie auf Bohnenschalen. Diese Materialien wurden aus den süd-westlichen bzw. nord-westlichen Regionen Kameruns geerntet und anschließend nach Göttingen, Deutschland verschifft. Im Biotechnikum des Büsgen-Institutes der Universität Göttingen wurden die Materialien anschließend Luftgetrocknet und zerkleinert. Hierzu wurde das Holz des Schirmbaums sowie des Kakaobaums mit einem Trommelhacker zu Hackschnitzelgut in einer Größenvariation von etwa 5 mm bis 120 mm zerkleinert. Im Anschluss wurden die Hackschnitzel einem Messerringzerspaner des Typs PML 1 150/250 der Firma DELACHAUX GmbH, Offenbach/Main zugeführt und zu Spanmaterial weiterverarbeitet. Für die weitere Verarbeitung war es notwendig das Material auf eine Holzfeuchte von <15 % zu trocknen. Dies erfolgte in Form einer Lufttrocknung innerhalb des Biotechnikums.

Die geernteten Bohnenschalen (Phaseolus vulgaris) wurden mit Hilfe einer Hammermühle der Fa. ELECTRA SAS, Poudenas, Frankreich, Typ F 3 zu Partikeln verarbeitet und ebenfalls getrocknet.

Nach Erreichen der gewünschten Materialfeuchte konnte das Untersuchungsmaterial nach seiner jeweiligen Verwendung als Deck- oder Mittelschichtmaterial fraktioniert werden. Im Anschluss wurden die eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften untersucht, hierzu wurden Analysen zur Spangrößenverteilung, Schüttdichte, Ligningehalt, Pentosangehalt, etc. durchgeführt.

Für die chemischen Untersuchungen war es notwendig das vorgetrocknete Spanmaterial noch einmal zu zerkleinern. Hierzu wurden die Spanmaterialien mit Hilfe einer Ultra-RETSCH-Mühle auf eine Spanpartikelgröße von < 0,50 mm zerkleinert. Anschließend wurde das Material entsprechend der verschiedenen Analysemethoden behandelt (vgl. Tab. 1).

Tabelle 1: Übersicht der verwendeten Analysemethoden

Ergebnisse und Diskussion

Chemisch-physikalische Charakterisierung der Untersuchungsmaterialien

 Die Bestimmung der Schüttdichte ist bedeutend, da sie sich nach Brinkmann (1982) stark auf die Eigenschaften von Verbundplatten auswirkt. Die Schüttdichte beeinflusst unter anderem die Mindestrohdichte von Werkstoffen. Es ist bekannt, dass die Schüttdichten deutlich unterhalb der anvisierten Rohdichten der Platten liegen sollten. In Abbildung 1 sind die ermittelten Schüttdichten  der untersuchten Materialien dargestellt.

Tabelle 2: Schüttdichten der unterschiedlichen Materialien

Aus Tabelle 2 geht hervor, dass das Holz des Kakaobaums die höchste Schüttdichte mit 119 kg/m³ besitzt, gefolgt von dem Holz des Schirmbaums mit 91,7 kg/m³. Zu Referenzzwecken wurde auch Fichtenspanmaterial untersucht. Hierbei zeigen die Deckschicht- sowie die Mittelschichtspäne der Fichte mit 170 kg/m³ bzw. 119 kg/m³ deutlich höhere Schüttgewichte als die leichteren Holzarten des Schirmbaums bzw. des Kakaobaums. Die geringsten Schüttdichten besitzen die Bohnenschalenpartikel mit ca. 80 kg/m³.

Die chemische Charakterisierung des Spanmaterials erfolgte mit Hilfe der Lignin-, Pentosan-, sowie Extraktstoffbestimmung nach einer Heiß- bzw. Kaltwasserextraktion. Die ermittelten Ergebnisse sind der Tab. 3 zu entnehmen.

Tabelle 3: Ergebnisse der chemischen Analysen der eingesetzten Materialien

Die chemischen Analysen zeigen, dass sich die Rohstoffe Schirmbaum, Kakaobaum und Bohnenschalen sehr stark in der chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Die Heiß- und Kaltwasserextraktionen der schnellwachsenden Baumarten sowie der Bohnenschalen zeigen teilweise deutlich höhere Extraktstoffgehalte als die Fichtenspäne. Das Holz des Schirmbaums zeigt die größte Ähnlichkeit mit dem heimischen Fichtenholz, das zu Referenzzwecken ebenfalls untersucht wurde. Anhand der chemischen Untersuchungen kann davon ausgegangen werden, dass die konventionellen Bindemittel wie Harnstoff-Formaldehydharze ohne Einschränkungen zur Herstellung der Spanplatten eingesetzten werden können.

Zusammenfassung und Ausblick

Die chemischen Analysen zeigten, dass die Rohstoffe Schirmbaum, Kakaobaum und Bohnenschalen sich sehr stark in der chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Anhand der Untersuchungen kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die konventionellen Bindemittel wie Harnstoff-Formaldehydharze ohne Einschränkungen zur Herstellung der Spanplatten eingesetzten werden können.

Durch die bisherigen Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass sich die hergestellten Späne mit konventionellen Fichtenspänen vergleichen lassen und daher für die Herstellung von Spanplatten geeignet sein müssten. Der nächste Schritt in diesem Forschungsprojekt ist die Herstellung von Spanplatten aus Schirmbaum bzw. Kakaobaumholz sowie Bohnenschalen. Die Spanplatten sollen mindestens den Ansprüchen von P2 Spanplatten für die Inneneinrichtung (inklusive Möbel) zur Verwendung im Trockenbereich genügen. In den weiteren Untersuchungen sollen unterschiedliche Abhängigkeiten zwischen Rohdichte und Querzugfestigkeit bzw. Biegefestigkeit sowie Bindemittelanteile herausgearbeitet werden.

Zweite Zwischenbericht von 15.12.2017 bis 12.12.2018

Zusammenfassung und Ausblick

Vor dem Hintergrund der bestehenden Holzknappheit für die Holzwerkstoffindustrie, der Forderung nach einer effizienteren Nutzung des Rohstoffs Holz und der Tatsache das  Holzpaneelprodukte mit hohem Formaldehydausstoß von Konsumenten nicht mehr akzeptiert werden, sollten alternative Rohstoffe erforscht werden. Die Entwicklung von niedrig Formaldehyd emittierenden Spanplatten unter Verwendung alternativer Materialien ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Das Ziel ist die Entwicklung von Spanplatten mit geringer Dichte und niedrigen Formaldehydemissionen, indem das Holz von schnell wachsenden Baumarten, wie dem Schirmbaum (Musanga cecropoides) und Abschnitten des Kakaobaums (Theobroma cacao) verwendet wird. Neben diesen Hölzern wird auch untersucht, ob die Rückstände der einjährigen Pflanzenbohne (Phaseolus vulgaris) für die Spanplattenproduktion geeignet sind.

Im zweiten Jahr dieses Projekts wurden Spanplatten mit den drei Rohstoffen in drei Phasen entwickelt. Die erste Phase bestand aus der Herstellung von Spanplatten aus 100% Bohnenrückständen mit dem Standard-Aminoplastharz Kaurit 350. Ebenfalls wurde die Kombination der Bohnenrückständen aus der Trockenzeit in der Mittelschicht von Holzspanplatten aus Schirmbaum untersucht. In der zweiten Phase der Entwicklung von Spanplatten wurden inzwischen Spanplatten mit reduzierten Formaldehydemissionen aus Schirmbaumholz und Kakao-Zweigen hergestellt. Schließlich bestand die dritte Phase in der Entwicklung von  formaldehydfrei gebundenen Spanplatten mit Schirmholz und Kakaobaumabschnitten.Die Ergebnisse zeigen, dass Schirmbaumholz und Kakaobaumabschnitte wertvolle alternative Ressourcen sind, die als Rohstoff in der Holzwerkstoffindustrie zur Herstellung von Spanplatten verwendet werden können, die den Anforderungen der DIN EN 312 entsprechen. Bisher ist ein Austausch von bis zu 20% Bohnenabfall der trockene Jahreszeit in der Mittelschicht der Schirmbaumholz Spanplatten möglich, um Platten herzustellen, die den Festigkeitsanforderungen der DIN EN 312 entsprechen.

Die nächsten Schritte in diesem Forschungsprojekt werden die Entwicklung von Spanplatten aus 100% Bohnenrückständen welche durch andere Bindemittelsysteme verklebt sind, die die Anforderungen der DIN EN 312 erfüllen, sein. Desweiteren sollen die Produktionsparameter der bereits entwickelten Spanplatten optimiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Herstellung von Hybrid-Spanplatten aus den beiden Holzwerkstoffen und Bohnenrückständen mit proteinbasierten Klebstoffsystemen.