AT507414B1 - Verfahren zum schutz von holz - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt wie organisches Material insbesondere Holz derart behandelt werden kann, dass es von einem „organischen", für biologische Abbauprozesse anfälligen Zustand, in einen Zustand übergeht in dem das Holz „anorganisch" maskiert und somit geschützt vorliegt. Gleichzeitig soll durch das Holzschutzverfahren eine hohe UV Schutzwirkung erzielt werden, sowie eine Erhöhung der Brandschutzsicherheit sowie der Festigkeit oder Oberflächenhärte eintreten

Description

österreichisches Patentamt AT507 414B1 2010-05-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUM SCHUTZ VON HOLZ

[0001] Holz bzw. Holzbauteil können vor der Witterung und biologischem Angriff durch Schimmelpilze und Insekten durch eine Vielzahl von Verfahren geschützt werden. Neben konstruktiven Schutzmaßnahmen (Hinterlüftung, Abdeckung durch wasserabweisende Überzüge) ist vor allem die Lackierung und die Imprägnierung mit Holzschutzmitteln zu nennen.

[0002] Beim Lackieren und Imprägnieren von Holz mit chemischen Holzschutzmitteln wird noch immer auf großteils toxische Substanzen zurückgegriffen. Ein wesentliches Merkmal bei den so behandelten Bauteilen ist deren schwierige Verwertung bzw. Rezyklierbarkeit. So können sie aufgrund der toxischen Inhaltsstoffe nicht problemlos einer Verbrennung zugeführt werden.

[0003] Die Einteilungskriterien für derzeit verwendete Holzschutzmittel sind: [0004] - wasserlösliche bzw. wasserverdünnbare Holzschutzmittel [0005] - Lösemittelhaltige Schutzmittel [0006] - Teeröl (korrekt: Steinkohlenteer Imprägnieröl) [0007] - Sonderpräparate für Holzwerkstoffe [0008] Für wasserlösliche bzw. wasserverdünnbare Holzschutzmittel ergeben sich durch charakteristische Kombinationen der Wirkstoffe verschiedene Holzschutzmittelgruppen. Hierbei hat sich eingebürgert, die enthaltenen anorganischen Wirkstoffe durch Buchstaben zu kennzeichnen.

[0009] A= Arsen B= Bor C= Chrom F= Fluor [0010] K= Kupfer (im englischen Sprachgebrauch C) Z = Zink [0011] Tabelle 1 zeigt das geschätzte jährliche Aufkommen von Rest- und Altholzsortimenten und deren Belastung:[aus:Beuth-Kommentare, Holzschutz, Erläuterungen zu DIN 68800-2,-3,-4; Beuth Verlag GmbH Berlin, Wien, Zürich, 1. Auflage 1998, S 195]

Sortiment (mögliche) Belastung Einbringmengen Geschätzte Rest-u. Altholzmenge (in Tonnen/a) Schwellen Teeröl, 45kg/m3-175kg/m3 Ca. 60.000-85.000 CKB (k.A) Masten CKB, CKF.CKA 6-12 kg/m3 Ca. 15.000-25.000 Teeröl ca. 90 kg/m3 HgCI2 0,6-1 kg/m3 Holz im Garten- und CKB, CKF 6-8 kg/m3 Ca. 220.000 Landschaftsbau Cu-HDO-Salze 3-4 kg/m3 Teeröl ca.80kg/m3 Carbolineen/Teerölpräparate 250-400 g/m2 Hopfenstangen CKB, CKF, CKA Ca. 6-8kg/m3 Derzeitiger Bestand Teeröl Ca. 90kg/m3 150.000-270.000 HgCI2 Ca. 0,4-0,8kg/m3 Weinbaupfähle CKA,CKF 5-6 kg/m3 Ca.9000-14.000 CKB ca. 10kg/m3 Teeröl 50-100kg/m3 HgCI2 ca.0,6-1,0kg/m3 CFA 5-6kg/m3 1/5 AT507 414B1 2010-05-15 österreichisches

Patentamt

Holz im Baubereich Alle HSM außer Teeröl, Chlornaphtalin und HgCI2; Beschichtungen, Lacke, Fremdstoffe usw. k.A. möglich Ca. 500.000- 2,0 Mio Holzpackmittel und Paletten selten — Ca. 470.000-970.000 Kabeltrommeln CKB,CKF,CK ro E oo CD 31.000-45.000 Möbel Lacke,Kleber, Beschichtungen Nicht bekannt Ca. 2,5 Mio Industrie-Restholz Selten, wenn dann bekannt k.A. möglich Ca. 8 Mio [0012] Die vorliegende Erfindung soll einen langlebigen Holzschutz vor biologischem Angriff bei gleichzeitigem UV Schutz und erhöhtem Brandschutz bieten. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das so behandelte Holz am Ende seines Lebenszyklus problemlos rezykliert oder thermisch verwertet werden kann. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG: [0013] Gefällte oder umgestürzte Bäume, Bau- und Schnittholz etc. sind im biologischen Sinne totes organisches Material. Die Natur hat dafür verschiedene Abbaumechanismen vorgesehen (Pilze, Insekten, etc.), die den im Holz gebundenen Kohlenstoff, wieder in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf zurückführen.

[0014] Vereinfacht kann gesagt werden, dass die Funktionsweise des herkömmlichen chemischen Holzschutzes beim Imprägnieren des Holzes mit Bioziden (Insektiziden, Fungiziden etc.), das Vergiften möglicher biologischer Angreifer ist. Dies kann durch organische (PCB-Polychlorierte Biphenyle etc.) oder anorganische biozide Verbindungen (Cu, HgCI2 etc.) geschehen.

[0015] Es soll hier jedoch eine andere Art des chemischen Holzschutzes beschrieben werden: die Überführung bzw. Maskierung des „organischen" Nährbodens Holz in einen „anorganischen" Zustand. Ein solcherart behandeltes Holz bietet für biologische Angreifer keine attraktive Nahrungsgrundlage mehr, bzw. täuscht ein biologisch schwer abbaubares anorganisches Material vor. Die Überführung des Holzes vom natürlichen organischen Zustand in diesen maskierten „anorganischen" Zustand sollte aus Umweltschutzgründen und Rezyklierbarkeitsgründen mit einem nicht toxischen, inerten anorganischen Material geschehen.

[0016] In der Natur tritt dieser Prozess bei der Verkieselung von Holz durch Kieselsäure auf Der Verkieselungsprozess ist ein in der Paläontologie bekannter Prozess, bei dem organisches Material über Jahrmillionen unter dem Einfluss von Kieselsäure in verkieselte Substanz umgewandelt wird.

[0017] Die Behandlung von Holzbauteilen mit Kieselsäure oder Wasserglas ist Stand der Technik. Um zusätzlichen UV Schutz zu erlangen, sollte ein derart behandeltes Holz noch zusätzlich mit einem UV Schutz (z.B. Lackschicht) überzogen werden.

[0018] S. Donath etal. beschreiben in [S. Donath, H. Militz, C. Mal, Weathering of silane treated wood", Holz als Roh-und Werkstoff (2007) 65: 35-42] ein Verfahren zur Imprägnierung von Kiefernholzspänen mit Silanen. Dabei wird das Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten des so behandelten Holzes beschrieben. Unter der Annahme, dass die Silane nicht langzeitstabil sind sondern sich langfristig im Holz zu Si02 umwandeln, so ist diese „Verkieselung" eine weitere Art des Holzschutzes durch Überführung des organischen Materials in einen „anorganischen" Zustand. In dem Artikel wird auch der Zusatz von UV Schutzadditiven beschrieben, die sich positiv auf den Gesamtschutz auswirken. Auch hier muss also eine zweite Maßnahme- ein extra UV Schutz erfolgen, was sich sowohl in den Herstellungskosten als auch in komplexeren Rezyklierungsstrategien des so behandelten Holzes am Ende seiner Lebensdauer niederschlägt.

[0019] Die vorliegende Erfindung beschreibt nun wie organisches Material insbesondere Holz 2/5 österreichisches Patentamt AT507 414B1 2010-05-15 derart behandelt werden kann, dass es von einem „organischen", für biologische Abbauprozesse anfälligen Zustand, in einen Zustand übergeht in dem das Holz „anorganisch" maskiert und somit geschützt vorliegt. Gleichzeitig soll durch das Holzschutzverfahren eine hohe UV Schutzwirkung erzielt werden, sowie eine Erhöhung der Brandschutzsicherheit eintreten.

[0020] Durch die Einbringung harter anorganischer Pigmente in die Holzstruktur ist eine Beeinflussung der Festigkeit bzw. der Oberflächenhärte zu erwarten. Dies kann insbesondere bei Holz welches mechanisch strapaziert wird (z.B. Terassenböden) einen positiven Effekt auf die Lebensdauer- und somit auf die Wirtschaftlichkeit- haben.

[0021] Als weiterer Vorteil des Verfahrens sei die Möglichkeit der Nutzbarmachung von Hölzern genannt, die bisher aufgrund ihrer Struktur, Festigkeit, Zusammensetzung und Haltbarkeit nicht als Konstruktionsholz sondern ausschließlich als Brennholz verwendet werden konnten. Dies betrifft z.B. bestimmte Kiefernsorten.

[0022] Erfindungsgemäß wird ein Holzschutz vor biologischen Abbauprozessen, UV Schutz und zusätzlichem Brandschutz durch ein zweistufiges Verfahren gewährleistet. In einem ersten Schritt wird das zu schützende Holzteil mit α-Titansäure imprägniert. Prinzipiell können bekannte Verfahren wie Druckimprägnierung, Vakuumimprägnierung, Tauchimprägnierung etc. angewendet werden. In einem zweiten Schritt wird die Titansäure in der Holzstruktur in inertes Ti02 umgewandelt.

[0023] Je nach den Umwandlungsbedingungen können prinzipiell drei verschiedene kristalline Modifikationen des Titanoxids auftreten: Rutil, Anatas und Brookit.

[0024] Beim Erhitzen von Ti02 wandelt sich Anatas und Brookit in Rutil um. Ti02 ist thermisch stabil und bis zum Schmelzpunkt von 1855° C beständig. Die Reaktionsfähigkeit hängt von der thermischen Vorbehandlung ab. Hochgetempertes Ti02 ist gegen Säuren und Basen beständig. Bei Raumtemperatur ist Ti02 ein Isolator. Wenn aus Titansäure bei 90-110° C ausgefälltes Titandioxid-Hydrat (Ti02*xH20) calciniert wird, so entsteht ohne Zusätze bis 1000° C Anatas. Rutil bildet sich erst bei höheren Temperaturen.

[0025] Die Umwandlung der Titansäure in Ti02 innerhalb der Holzstruktur kann über verschiedene Verfahrensschritte erfolgen. Es können je nach verwendeter Methode und Temperatur verschiedene kristalline Modifikationen des Ti02 auftreten. Es wird üblicherweise ein Gemisch an kristallinen Modifikationen auftreten. Die finalen Eigenschaften des Holzschutzes hängen stark von der letztlich vorliegenden kristallinen Modifikation bzw. der photoinduzierten Reaktivität des vorhandenen Ti02 ab. Eine umfassende Übersicht über die photoinduzierte Reaktivität von Titandioxid wird in der Literatur [O. Carp, C. L. Huisman, A. Reller, Progress in Solid State Chemistry 32 (2004) 33-177] beschrieben.

[0026] Die Umwandlung der Titansäure in Ti02 kann beispielsweise über Neutralisieren der Säure mittels einer Lauge mit anschließender Ausfällung durchgeführt werden. So wird in einem technischen Verfahrensschritt beispielsweise ein abschließender Tränkungsschritt in wässriger KOH, NaOH oder Ca(OH)2 Lösung zu einer Ausfallung von Ti02 führen. Über die richtige Wahl der Neutralisationslösungen und anschließender Temperung können im Holz prinzipiell drei Arten von Doppeloxiden entstehen. Da Ti02 amphoter ist kann es mit Metalloxiden Doppeloxide bilden die im llmenit-, Perowskit- und Spinell-Typ kristallisieren können. BEISPIELE: [0027] Ilmenit-Typ MeTi03 (Me=Fe,Mg,Mn,Co,Ni) Perowskit-Typ MeTi03 (Me=Ca,Sr,Ba) Spinell-Typ Me2Ti04 (Me=Mg,Zn,Mn,Co) [0028] Das Neutralisationsmittel welches prinzipiell aus der Form Mex(OH)y besteht -wobei Me bevorzugt aus der Reihe der Metalle Fe,Mg,Mn,Co,Ni,Ca,Sr,Ba,Cr stammt- kann auch über zusätzlich angelegten Druck in die Holzstruktur gepresst werden. Dies kann beispielsweise in einem Druckimprägnierungsapparat durchgeführt werden.

[0029] Ein anderer Weg die Titansäure innerhalb der Holzstruktur in Ti02 überzuführen kann 3/5

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT507 414B1 2010-05-15 durch Erhitzen der Titansäure erfolgen. [0030] Dieses Erhitzen kann durch Erwärmen des gesamten Holzstückes z.B. in einem Kessel, Becken oder Reaktor erfolgen. Dies kann auch unter Inertgasatmosphäre geschehen. Auch das Arbeiten unter Unterdrück ist möglich um überschüssiges Lösungsmittel ökonomisch abzuziehen. [0031] Als besondere Ausführung der Erfindung ist jedoch das gezielte Erhitzen der wässrigen Titansäurelösung innerhalb der Holzstruktur mittels Mikrowellenstrahlung zu nennen. Hierbei wird durch Kopplung der Mikrowellen mit den Wassermolekülen bevorzugt das Lösungsmittel erhitzt und verdampft. Die Τί02 Partikeln fallen am Ort der Verdampfung aus und werden nicht bzw. in nur geringem Ausmaß durch chromatographische Effekte an die Oberfläche des Holzbauteils transportiert. [0032] Der Vorteil der Mikrowellenmethode ist einerseits eine schonende, gezielte Ausfällung der Ti02 Partikeln; da gezielt das Lösungsmittel und nicht gleichzeitig das gesamte Holzvolumen erhitzt werden muss. Das Holz erwärmt sich anschließend indirekt - über die Wärmeübertragung aus den erhitzten Wassermolekülen. Andererseits hat die Mikrowellenmethode Einfluss auf die Verteilung der entstehenden Ti02 Partikel in der Holzstruktur. Sie führt aufgrund einer gewissen Unterdrückung von chromatographischen Effekten zu einer gleichmäßigen Verteilung der anorganischen Ti02 Partikel überdas gesamte Holzvolumen. [0033] Ob die Ausfällung des Ti02 durch alkalische Neutralisation, durch gleichmäßiges Erhitzen des gesamten getränkten Holzbauteils oder durch gezieltes Erhitzen der Titansäurelösung im Bauteil mittels Mikrowellenbehandlung erfolgt, hängt sowohl von der Art des behandelten Holzes als auch von der Art der Verwendung des Holzbauteils ab. So wird es bei mechanisch unbelasteten Bauteilen ausreichen eine Oberflächenschutzschicht zu erreichen. Dies kann durch einfaches Erhitzen des getränkten Holzbauteils erfolgen. [0034] Bei mechanisch belasteten Bauteilen - z.B. Terassenböden - wird eine möglichst durchgängige T1O2 Verteilung über das gesamte Holzvolumen erreicht werden müssen. Dies kann über Neutralisation oder Mikrowellenbehandlung erfolgen. Auch kombinierte Verfahren aus Neutralisation und Erhitzen bzw. Mikrowellenbehandlung sind denkbar und möglich. Im einzelnen Fall muss jedoch neben der technischen Betrachtung auch eine wirtschaftliche Betrachtung durchgezogen werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur Imprägnierung von Holz zur Erreichung eines langlebigen Holzschutzes der das behandelte Holz gleichzeitig vor biologischem Angriff und UV Strahlung schützt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweistufigen Verfahren zuerst in einem Lösungsmittel A gelöste Titansäure in eine poröse organische Substanz, vorzugsweise in Holz eingebracht wird und in einem zweiten Schritt innerhalb der porösen Struktur in inertes Ti02 umgewandelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel A Wasser ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass das Lösungsmittel A eine Mineralsäure insbesondere Salzsäure beinhaltet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung des Ti02 aus der Titansäure in einem zweiten Schritt durch Infiltration des Holzes mit einem Lösungsmittel B erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel B eine wässrige alkalische Lösung der Form Mex(OH)y ist, wobei Me aus der Reihe Fe, Mg, Mn, Co, Ni, Ca, Sr, Ba, Cr stammt. 4/5