Treatment of solid wood with silanes, polydimethylsiloxanes and silica sols

Abstract

Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wurde Holz mit verschiedenen, kommerziell erhältlichen Kieselsolen behandelt, die unterschiedliche pH-Werte und Oberflächenmodifikationen aufwiesen. Basische Kieselsole vermochten nicht in das Holz einzudringen, da ihr pH-Wert während des Eindringens absinkt und es zur Ausfällung des Kieselsols im Holz kommt. Neutrale und saure Kieselsole hingegen konnten problemlos in das Holz eingebracht werden. Eines der sauren Kieselsole, welches mittels Aluminumoxychlorid kationisch modifiziert war, reduzierte die Wasseraufnahme und den pilzlichen Abbau durch die Braunfäule Coniophora puteana (Kiefer) und die Weißfäule Trametes versicolor (Buche). Im Bläuetest zeigte sich ein verminderter Befall durch Aureobasidium pullulans, allerdings kein kompletter Schutz gegen diesen Pilz. Auch die kleinsten verfügbaren Partikelgrößen für Kieselsole ergaben keinerlei Zunahme des Zellwandvolumens (chemische Quellung, Bulking), was darauf hinweist, dass eine Eindringung in die Zellwand nicht stattfand. Es erscheint daher nicht möglich, Kieselsole in die Zellwand einzubringen und die Dimensionsstabilität des Holzes zu verbessern. Da Kieselsol lediglich in die Lumen der Holzzellen eingebracht werden kann, kann die Behandlung nicht als wirkliche Holzmodifizierung angesehen werden. Wegen der vielversprechenden Ergebnisse in den Wasseraufnahmeversuchen und den Pilztests wurde mit dem kationischen Kieselsol behandeltes Holz thermogravimetrisch und in einem Brandtest untersucht. Im thermogravimetrischen Test zeigte sich eine leicht verminderte Pyrolysetemperatur (eine übliche Wirkung von Feuerschutzmitteln), die Holzkohlemenge war jedoch nicht erhöht. Dies zeigt, dass die Menge an brennbaren Gasen, die während der Pyrolyse freiwerden, durch das Kieselsol nicht vermindert wurde. Auch zeigte die resultierende Holzkohle gleiche Oxidationseigenschaften wie die Holzkohle der Kontrollen. Im Brandtest wurden die Branddauer, die Brandgeschwindigkeit und der Gewichtsverlust vermindert. Das Nachglühen der Holzkohle wurde komplett unterbunden. Alle diese Effekte waren jedoch relativ klein verglichen mit den Effekten eines kommerziell erhältlichen Feuerschutzsalzes, welches ebenfalls als Referenzbehandlung getestet wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurden acetoxyfunktionelles Silan und verschiedene Polydimethylsiloxane (PDMS) mit Acetanhydrid kombiniert, um Holz zu acetylieren. Die PDMS hatten die folgenden Funktionalitäten: Amino, Acetoxy, Hydroxy und nicht-funktionell. Die beste Hydrophobierung des acetylierten Holzes wurde durch die Kombination mit acetoxyfunktionellem PDMS erreicht, welches anschließend in verschiedenen Konzentrationen getestet wurde. Eine Konzentration von 1% in Acetanhydrid zeigte bereits eine maximale Hydrophobierung, welches darauf schließen lässt, dass die inneren Oberflächen des Holzes mit dem PDMS belegt und hydrophobiert wurden. Die Pilzresistenz des behandelten Holzes wurde durch die Kombination mit dem PDMS nicht beeinflusst. Bei Wasserlagerung zeigte sich eine leichte Überquellung des Holzes, welches mit der Kombination von Acetanhydrid und PDMS acetyliert worden war. Untersuchungen der Biegefestigkeit und Bruchschlagarbeit ergaben jedoch keinen Einfluss. Im dritten Teil der Arbeit wurden wasserbasierte Emulsionen von funktionellen PDMS zur Imprägnierung von Holz eingesetzt. Es wurde untersucht, ob Resistenz gegen pilzlichen Abbau und Hydrophobierung wie auch erhöhte Dimensionsstabilität mit dieser Behandlung erreicht werden kann. Die α-ω-gebundenen Funktionalitäten der PDMS waren: Amino, Carboxy, Epoxy und Carbobetain. Die stärkste Hydrophobierung wurde mit dem carbobetain-funktionellen PDMS erreicht, allerdings ergab diese Behandlung keine verbesserte Pilzresistenz gegenüber einem Abbau durch Coniophora puteana und Trametes versicolor. In dieser Hinsicht die beste Wirkung zeigte die Behandlung mit carboxy-funktionellem PDMS. Dieses Material verminderte jedoch die Wasseraufnahmerate nur ungenügend und wurde außerdem stark ausgewaschen. Daher wurden in der Folge amino-funktionelles und carboxy-funktionelles PDMS kombiniert, um durch eine Salzbildung der beiden Funktionalitäten eine verbesserte Fixierung des carboxy-funktionellen Siloxans zu erreichen. Die Kombination zeigte bei einem Überschuss an amino-funktionellem PDMS eine gute Fixierung, jedoch ansonsten keine Synergieeffekte. Die Dimensionsstabilität des Holzes wurde durch die Behandlungen nur sehr geringfügig verbessert. Hierfür müsste eine gute Eindringung der Chemikalien in die Zellwand erfolgen und ein dauerhaftes Bulking erzielt werden. Die Eindringung der Chemikalien in die Zellwand war jedoch in allen Fällen nur gering.