DE102010000065A1

DE102010000065A1 - Wärmeübertragungsmittel und Holzschutzverfahren zur Wärmebehandlung von Holzprodukten

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Publication number: DE102010000065A1
Application number: DE102010000065A
Authority: DE
Original assignee: Buchmann Rainer 60320
Current assignee: Buchmann Rainer 60320
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsmittel zur Wärmebehandlung von darin eingetauchten Holzprodukten bestehend aus Öl, Wachs und/oder Paraffin, wobei es als Additive mit einem Gewichtsanteil am Wärmebehandlungsmittel von 0,05% bis 5%, bevorzugt 0,1% bis 2,5% temperaturstabile Antioxidantien, Radikalfänger oder andere Lichtschutzadditive, einzeln oder in Kombination, enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein Holzschutzverfahren zur Wärmebehandlung von Holzprodukten in diesem Wärmeübertragungsmittel, wobei die Holzprodukte im Wärmebehandlungsmittel eine vorgegebene Dauer bei Temperaturen von 170°C bis 260°C getaucht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsmittel zur Wärmebehandlung von darin eingetauchten Holzprodukten bestehend aus Öl, Wachs und/oder Paraffin sowie ein Holzschutzverfahren zur Wärmebehandlung von Holzprodukten in diesem Wärmeübertragungsmittel.
Ein derartiges Holzbehandlungsverfahren ist aus der EP 1 002 630 B1 bekannt. In diesem Holzbehandlungsverfahren werden die zu behandelnden Holzprodukte in einem bevorzugt geschlossenen Behälter unter Ausschluss von Sauerstoff, also vollständig von dem darin aufgenommenen Wärmebehandlungsmittel umgeben. In der EP 1 002 630 B1 sind Öle, insbesondere Pflanzenöle als geeignetes Wärmebehandlungsmittel dargestellt. Durch die vollständige Umhüllung, die gute Wärmeleitfähigkeit und große Masse des Ölbades wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung der darin aufgenommenen Holzprodukte erreicht. Die Wärmebehandlung dauert dabei mehrere Stunden bei Temperatur des Ölbades von 180°C bis 260°C. Durch die Wärmebehandlung wird eine gute Pilzbeständigkeit und Dimensionsstabilität des Holzes erreicht. Vorteilhaft ist dabei, dass für die Umwelt bedenkliche biozide Mittel nicht erforderlich sind. Bei diesem bekannten Verfahren ist entscheidend, dass der Schutzeffekt nicht von einem vollständigen Durchtränken der Holzprodukte abhängig ist, sondern vielmehr auch bei schwer tränkbaren, lignozellulosehaltigen Materialien wie z. B. Fichte, Pappel oder Bambus, allein durch thermische Umwandlung über den gesamten Querschnitt homogen vergütet wird.
Dabei dient das Öl lediglich als Wärmeübertragungsmittel und schirmt das zu vergütende Material vor Sauerstoffeinwirkung ab. Austretende Gase aus der Holzstruktur verhindern das Eindringen des Öles während der thermischen Vergütung, so dass von der Oberfläche der Holzprodukte nur wenige mm tief (in der Regel maximal 2 bis 3 mm) mit Öl getränkt sind. Diese äußere Schicht kann nach der Holzschutzbehandlung abgehobelt werden, so dass ölfreie, vergütete Holzprodukte hergestellt werden können. Alternativ können leicht tränkbare Holzarten, wie z. B. Kiefernsplintholz, durch Abkühlen des Öls nach der thermischen Behandlung mit dem Öl imprägniert werden.
Besonders die Sonnenstrahlung führt bei Holzprodukten zu einer vom Verbraucher häufig unerwünschten Farbveränderung. Hervorgerufen wird diese Farbveränderung vorwiegend durch die Photodegradation des Lignins, wobei unter Mitwirkung freier Radikale eine Aufspaltung der farbgebenden Gruppen des Holzes erfolgt. Die mit diesem bekannten Holzbehandlungsverfahren bearbeiteten Holzprodukte zeichnen sich zwar durch eine hohe Dauerhaftigkeit aus, vergrauen jedoch durch UV-Lichteinfluss recht schnell.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Holzschutzverfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, welches zu einer möglichst hohen biologischen Schutzwirkung in Kombination mit einem wirkungsvollen Lichtschutz führt, jedoch nicht die Verwendung gesundheitlich oder aus Gründen des Umweltschutzes gefährlicher Stoffe erforderlich macht und vorteilhafte Eigenschaften des Holzes möglichst wenig verändert.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Wärmeübertragungsmittel gemäß Anspruch 1 bzw. einem Holzschutzverfahren gemäß Anspruch 7.
Wenn das Wärmeübertragungsmittel als Additive mit einem Gewichtsanteil am Wärmebehandlungsmittel von 0,05% bis 5%, bevorzugt 0,1% bis 2,5% temperaturstabile Antioxidantien enthält, werden die in dem Öl vorgehaltenen Additive während der Wärmebehandlung mit dem Öl, Wachs und/oder Paraffin an das Holzprodukt herangeführt und reduzieren dort zum einen die während der Hitzebehandlung gebildeten freien Radikale im Holz und binden zum anderen die durch Lichteinwirkung in der späteren Anwendung des Holzproduktes gebildeten freien Radikale, bevor diese überhaupt degradativ wirksam werden. Das derart erfindungsgemäß geschützte Holzprodukt weist somit bereits ohne eine nachträgliche Oberflächenbehandlung neben der erhöhten biologischen Dauerhaftigkeit auch eine verbesserte Farbstabilität bei Lichteinwirkung auf.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsmittel enthält somit neben dem als Hauptbestandteil dienenden Wärmeträger aus Öl, Wachs und/oder Paraffin die erwähnten Additive mit einem Gewichtsanteil von 0,05% bis 5%. Wird dieses Wärmeübertragungsmittel bei der Wärmebehandlung durch Eintauchen der Holzprodukte in dem Wärmebehandlungsmittel über eine vorgegebene Dauer bei Temperaturen von 170°C bis 260°C behandelt, wird eine erhöhte Resistenz gegenüber holzzerstörenden Pilzen und eine verbesserte Farbstabilität bei Lichteinwirkung erreicht.
Bevorzugte Additive sind phosphitische Stabilisatoren oder sekundäre bzw. primäre sterisch gehinderte phenolische Antioxidantien. Dabei sind insbesondere als Additiv sterisch gehinderte phenolische primäres Antioxidantien mit der Summenformel: C₃₅H₆₂O₃ (CAS Nr. 2082-79-3), C₃₄H₅₀O₈ (CAS Nr. 36443-68-2) und/oder C₇₃H₁₀₈O12 (CAS Nr. 6683-19-8) vorgesehen. Ferner kann ergänzend oder alternativ ein hydrolytisch stabiles phosphitisches sekundäres Antioxidans mit der Summenformel: C₄₂H₆₃O₃P (CAS Nr. 31570-04-4) verwendet werden.
Dadurch, dass das Öl ein Pflanzenöl, insbesondere Leinöl und/oder Rapsöl, ist, wird als Hauptbestandteil des Wärmeübertragungsmittels eine ökologisch völlig unbedenkliche Substanz verwendet, so dass das Holz nach seiner erheblich verlängerten Nutzungsdauer sogar im Hausbrand verbrannt werden darf. Als besonders vorteilhaft haben sich Leinöl oder Rapsöl herausgestellt, da diese Öle eine relativ hohe Verfügbarkeit aufweisen und einen 100%igen Sauerstoffabschluss ermöglichen, so dass neben der erhöhten Dauerhaftigkeit des Holzes, die Festigkeit des Holzes durch die Temperaturbehandlung nur minimal gemindert ist.
Alternativ sind erdölstämmige oder synthetische Paraffine und Wachse vorgesehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Holzschutzverfahren wird das Wärmeübertragungsmittel mit den eingetauchten Holzprodukten bis auf eine Maximaltemperatur von 180°C bis 240°C, besonders bevorzugt 200°C bis 220°C, über eine Dauer von mindestens ½ Stunde, bevorzugt 2 Stunden bis 12 Stunden, besonders bevorzugt 4 Stunden bis 6 Stunden, erhitzt. Durch die lange Erhitzungsdauer wird in Abhängigkeit der Dimensionierung der Holzprodukte auch im Kern dieser eine erwünschte Mindesttemperatur von ca. 170°C bis 200°C erreicht, um die für die gewünschte erhöhte Resistenz gegenüber holzzerstörenden Pilzen erforderliche thermische Umwandlung der lignozellulosehaltigen Substanz der Holzprodukte zu erreichen.
Vorteilhaft hat das Wärmeübertragungsmittel eine Mindesttemperatur von 80°C, bevorzugt von 120°C, besonders bevorzugt von 140°C bis maximale 160°C beim Erstkontakt mit den Holzprodukten. Damit ist gewährleistet, dass das Holzprodukt anfänglich möglichst rasch erwärmt wird, so dass gleich mit dem Erstkontakt des Wärmebehandlungsmittels mit den Holzprodukten eine Ausgasung des Holzes erfolgt, die ein Durchtränken der Holzprodukte verhindert. Besonders bevorzugt ist ein Vorhalten des vorgeheizten Wärmebehandlungsmittels in einem Bevorratungsbehälter, wobei das zu behandelnde Holz in einem Behandlungskessel eingelegt wird und dieser Kessel dann mit den auf beispielsweise 156°C vorgeheizten Wärmeübertragungsmittel geflutet wird. Dabei hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass trotz des Temperatursprungs an der Oberfläche der zu behandelnden Holzprodukte keine Rissbildung festzustellen ist.
Wenn das Wärmeübertragungsmittel nach Ablauf der vorgegebenen Dauer bevorzugt auf Temperaturen unter 120°C, besonders bevorzugt auf unter 100°C abgekühlt wird, kann eine zusätzliche Imprägnierung der behandelten Holzprodukte durch das im Wärmeübertragungsmittel enthaltene Öl, Wachs und/oder Paraffin erreicht werden. Bevorzugt läuft der Kühlungsprozess binnen 1 bis 12 Stunden, besonders bevorzugt 3 bis 6 Stunden ab. Alternativ wird das Wärmeübertragungsmittel unmittelbar nach Ablauf der vorgegebenen Behandlungsdauer in den Bevorratungsbehälter rückgepumpt, um eine schnellere Abkühlung der behandelten Holzprodukte unter Atmosphäre zu erreichen.
Wenn die Wärmebehandlung in einem geschlossenen Kessel unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgt, wobei ein geschlossener Bevorratungsbehälter dem Kessel zugeordnet ist und die jeweils benötigte Menge Wärmeübertragungsmittel vom Bevorratungsbehälter in den Kessel und nach Abschluss der Wärmebehandlung und ggf. Abkühlung wieder zurückgefördert wird, wird ein geschlossenen System bereitgestellt, bei dem das Wärmeübertragungsmittel in den erforderlichen Mengen lediglich vorn Bevorratungsbehälter in dem mit dem zu behandelnden Holz gefüllten Kessel und nach Abschluss der Wärmebehandlung wieder zurückgeführt wird. Somit kann das Holzschutzverfahren energetisch wirtschaftlich betrieben werden.
Wenn das Wärmeübertragungsmittel im Kessel zirkuliert und entsprechend der gewünschten Behandlungstemperatur beheizt oder gekühlt wird, kann das gewünschte Temperaturprofil für die Behandlung im Kessel sehr genau eingehalten werden, womit die Prozessparameter gut reproduzierbar sind. Zur Beheizung bzw. Kühlung dienen insbesondere in der Zirkulationsleitung vorgesehene Wärmetauscher, dessen Wärmeträgermedium über einen Heizkessel bzw. einen Wärmeträger-Luft oder -Wasserkühler geführt werden.
Praktisch erprobt wurde das erfindungsgemäße Verfahren bisher bei Kiefern-, Fichten-, Eschen-, Buchen- und Ulmenholz, wobei sich eine erhöhte Farbstabilität bei Lichteinwirkung gegenüber herkömmlich thermisch modifiziertem Holz sowie gleiche biologische Schutzwirkungen zeigten wie bei der bisher gebräuchlichen Kesseldruckimprägnierung mit schwermetallhaltigen Salzlösungen. Als Behandlungsdauer reichen einige Stunden. Praktisch erprobt und als ausreichend herausgefunden wurde eine Behandlungsdauer von 4 Stunden. Als besonders wirksam hat es sich herausgestellt, wenn das Öl, Wachs oder Paraffin eine Temperatur von mindestens 190°C besitzt. Für die Durchführung des Verfahrens kann ein nachwachsendes Produkt verwendet werden, wenn das Öl ein Pflanzenöl oder Wachs ist. Praktisch erprobt wurde Leinöl und Rapsöl, wobei sich vergleichbar gute Schutzwirkungen erzielen ließen. Auch erdölstämmige oder synthetische Paraffine und Wachse haben sich als geeignet erwiesen.
Nachfolgend werden Beispiele einer Öl-Hitze-Behandlung mit verschiedenen Additiven im Wärmeübertragungsmedium (Beispiele 2, 3 und 4) im Vergleich zu einer einfachen Öl-Hitze-Behandlung ohne Additive (Beispiel 1) dargestellt.
Beispiel 1 (Referenzbeispiel)

Wärmeübertragungsmedium: Rapsöl
Viskosität bei 100°C (DIN 51 562): 72,3 mm²/s;
Dichte bei 20°C (DIN 51 757): 0,92 kg/l
Additive: keine

Beispiel 2

Wärmeübertragungsmedium: Rapsöl (siehe Beispiel 1)
Additiv 1: 0,5% sterisch gehinderte phenolische primäre Antioxidantien; Summenformel: C35H62O3 (CAS Nr. 2082-79-3)
Additiv 2: 0,5% hydrolytisch stabile phosphitische sekundäre Antioxidantien; Summenformel: C42H63O3P (CAS Nr. 31570-04-4)

Beispiel 3

Wärmeübertragungsmedium: Rapsöl (siehe Beispiel 1)
Additiv 1: 2,0% sterisch gehinderte phenolische Antioxidantien; Summenformel: C34H50O8 (CAS Nr. 36443-68-2)
Additiv 2: 0,5% hydrolytisch stabile phosphitische sekundäre Antioxidantien; Summenformel: C42H63O3P (CAS Nr. 31570-04-4)

Beispiel 4

Wärmeübertragungsmedium: Rapsöl (siehe Beispiel 1)
Additiv 1: 2% sterisch gehinderte phenolische Antioxidantien; Summenformel: C73H108O12 (CAS Nr. 6683-19-8)
Additiv 2: 0,5% hydrolytisch stabile phosphitische sekundäre Antioxidantien; Summenformel: C42H63O3P (CAS Nr. 31570-04-4)

Verwendetes Holz:
Für die Untersuchungen zur Farbstabilisierung Öl-Hitze-behandelten Holzes wurde Fichten- (Picea abies Karst.) und Eschenholz (Fraxinus excelsior L.) in der Dimension 100 × 70 × 20 mm³ eingesetzt. Das zuvor technisch getrocknete Holz wurde nach Zuschnitt und spanender Oberflächenbearbeitung im Dickenhobel bis zum Erreichen des Ausgleichsgewichtes im Normklima (20°C/65% rel. Luftfeuchte) gelagert. Nach Erreichen der Gewichtskonstanz erfolgte der Öl-Hitzebehandlungsprozess unter Verwendung des jeweiligen Wärmeübertragungsmediums aus den Beispielen 1 bis 4.

Öl-Hitze-Behandlungsprozess:

Ziel-Öltemperatur 190°C

Ziel-Holzinnentemperatur 190°C

Behandlungsdauer bei Zieltemperatur: 4 h
Bestimmung der UV-Beständigkeit der Oberfläche
Für die Bestimmung der UV-Beständigkeit der Öl-Hitze-behandelten Prüfkörper wurden die Prüfkörperoberflächen einer UV-Belichtung im Labor unter Verwendung von 300 W OSRAM Ultra-Vitalux^® Lampen ausgesetzt. Diese Lampen erzeugen ein sonnenähnliches Strahlungsgemisch. Vor und nach 168 h. Bestrahlung wurden die CIE L*a*b*-Farbwerte der Holzprüfkörper mit einem Spektralphotometer der Firma BYK-Gardner (spectro-guide 45/0 gloss) aufgenommen.
Als Maß für die Farbveränderung wurde der Farbabstand ΔE nach folgender Gleichung 1 bestimmt: Gleichung 1. Berechnung des Gesamtfarbabstandes ΔE

ΔE* = [(ΔL*)^2 + (Δa*)^2 + (Δb*)^2]^(1/2) [] ΔL* = L*unbestrahlt – L*bestrahlt

Δa* = a*unbestrahlt – a*bestrahlt

Δb* = b*unbestrahlt – b*bestrahlt

Die Ergebnisse zeigen, dass durch Zugabe der Additive in das Wärmeübertragungsmedium ein signifikanter Lichtschutz derart Öl-Hitzebehandelter Holzproben erreicht wurde (Tab. 1). Tab. 1. Gesamtfarbabstand ΔE nach 168 h UV-Beanspruchung im Labor für unbehandelte und nach Beispiel 1 (OHT 1), 2 (OHT 2), 3 (OHT 3) bzw. Beispiel 4 (OHT 4) Öl-Hitze-behandelte Fichte und Esche

Material	Gesamtfarbabstand ΔE
Fichte unbehandelt	18,7
Fichte OHT 1	13,0
Fichte OHT 2	3,1
Fichte OHT 3	4,8
Fichte OHT 4	2,9
Esche unbehandelt	7,3
Esche OHT 1	14,4
Esche OHT 2	5,2
Esche OHT 3	6,0
Esche OHT 4	4,0

Zudem hat die Verwendung weiterer Antioxidantien als Additiv im Wärmeübertragungsmedium, z. B. Octyl-3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamate (Summenformel: C₂₅H₄₂O₃; CAS Nr. 125643-61-0) oder L-Threo-2,3,4,5,6-pentahydroxy-1-hexenoic acid-4-lactone (Summenformel: C₆H₈O₆; CAS Nr. 50-81-7), entweder einzeln oder in Kombination untereinander oder in Kombination mit hydrolytisch stabilen phosphitischen sekundären Antioxidantien [Tris(2,4-ditert-butylphenyl)-phosphite; Summenformel: C₄₂H₆₃O₃P (CAS Nr. 31570-04-4)] eine erhöhte Farbstabilität derart Öl-Hitze-geschützter Hölzer erbracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1002630 B1 [0002, 0002]

Claims

Wärmeübertragungsmittel zur Wärmebehandlung von darin eingetauchten Holzprodukten bestehend aus Öl, Wachs und/oder Paraffin, dadurch gekennzeichnet, dass es als Additive mit einem Gewichtsanteil am Wärmebehandlungsmittel von 0,05% bis 5%, bevorzugt 0,1% bis 2,5% temperaturstabile Antioxidantien enthält.
Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive phosphitische Stabilisatoren oder sekundäre bzw. primäre sterisch gehinderte phenolische Antioxidantien sind.
Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Additiv sterisch gehindertes phenolisches primäres Antioxidantien mit der Summenformel: C₃₅H₆₂O₃ (CAS Nr. 2082-79-3), C₃₄H₅₀O₈ (CAS Nr. 36443-68-2) und/oder C₇₃H₁₀₈O12 (CAS Nr. 6683-19-8) vorgesehen sind.
Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Additiv ein hydrolytisch stabiles phosphitisches sekundäres Antioxidans mit der Summenformel: C₄₂H₆₃O₃P (CAS Nr. 31570-04-4) ist.
Wärmeübertragungsmittel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl ein Pflanzenöl, insbesondere Leinöl und/oder Rapsöl, ist.
Wärmeübertragungsmittel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erdölstämmige oder synthetische Paraffine und Wachse vorgesehen sind.
Holzschutzverfahren zur Wärmebehandlung von Holzprodukten in einem Wärmeübertragungsmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Holzprodukte im Wärmebehandlungsmittel eine vorgegebene Dauer bei Temperaturen von 170°C bis 260°C getaucht werden.
Holzschutzverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel mit den eingetauchten Holzprodukten bis auf eine Maximaltemperatur von 180°C bis 240°C, besonders bevorzugt 200°C bis 220°C, über eine Dauer von mindestens ½ Stunde, bevorzugt 2 Stunden bis 12 Stunden, besonders bevorzugt 4 Stunden bis 6 Stunden, erhitzt wird.
Holzschutzverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel eine Mindesttemperatur von 80°C, bevorzugt von 120°C, besonders bevorzugt von 140°C bis maximale 160°C beim Erstkontakt mit den Holzprodukten hat.
Holzschutzverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel nach Ablauf der vorgegebenen Dauer bevorzugt auf Temperaturen unter 120°C, besonders bevorzugt auf unter 100°C abgekühlt wird.
Holzschutzverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungsprozess binnen 1 bis 12 Stunden, bevorzugt 3 bis 6 Stunden abläuft.
Holzschutzverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem geschlossenen Kessel unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgt, wobei ein geschlossener Bevorratungsbehälter dem Kessel zugeordnet ist und die jeweils benötigte Menge Wärmeübertragungsmittel vom Bevorratungsbehälter in den Kessel und nach Abschluss der Wärmebehandlung und ggf. Abkühlung wieder zurückgefördert wird.
Holzschutzverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel im Kessel zirkuliert und entsprechend der gewünschten Behandlungstemperatur beheizt oder gekühlt wird.