| dc.contributor.advisor | Mai, Carsten Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Klüppel, André | |
| dc.date.accessioned | 2018-01-23T10:50:08Z | |
| dc.date.available | 2018-01-23T10:50:08Z | |
| dc.date.issued | 2018-01-23 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E32D-9 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6682 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6682 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit von kunstharz-modifiziertem Holz bei Verwendung in Meerwasserkontakt | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Investigations on the durability of resin-modified wood in marine contact | de |
| dc.contributor.referee | Mai, Carsten Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2017-12-20 | |
| dc.description.abstractger | Diese Arbeit untersucht die Dauerhaftigkeit von kondensationsharz-modifiziertem Holz bei
Verwendung in Kontakt mit Meerwasser. Dazu wurde zunächst überprüft, wie sich der
Trocknungs- und Aushärtungsprozess auf die Verteilung des Harzes im Holz auswirkt und ob
instrumentierte Brinellhärteprüfungen Hinweise auf die resultierende Harzverteilung liefern
können. Die Resistenz des harzmodifizierten Holzes gegen holzzerstörende Meerestiere
wurde getestet und ein Labortest zur Bestimmung der Witterungsbeständigkeit von Holz in
Meerwasserkontakt wurde entwickelt. Für die Versuche wurde Kiefernsplintholz (Pinus
sylvestris) mit methyliertem Melamin-Formaldehyd-Harz (MMF) oder mit einem Resol (PF)
behandelt.
Holzproben wurden mit einer wässrigen Harzlösung imprägniert und im Ofen getrocknet und
ausgehärtet. Für eine Nassaushärtung wurden die Proben zuerst in einem Bratschlauch
erwärmt, um das Harz auszuhärten, und dann getrocknet. Dadurch fand während der
anschließenden Trocknung kein Harztransport statt, so dass das Harz im modifizierten Holz
gleichmäßig verteilt war und sich überwiegend in den Zelllumen befand. Bei
Trockenaushärtung wurden die Proben unter trocknenden Bedingungen erwärmt, so dass
Aushärtung und Trocknung gleichzeitig abliefen. Dabei diffundierte ein Teil des gelösten
Harzes während der Trocknung vom Lumen in die Zellwand oder wanderte von der
Probenmitte an die Oberfläche.
Um Harzgehalt und Zellwandeindringung schnell und einfach zu bestimmen, wurden
Methoden zur Auswertung instrumentierter Härteprüfungen auf Brinellprüfungen an Holz
übertragen. Bei einer instrumentierten Härteprüfung werden Eindringtiefe und -kraft
kontinuierlich gemessen. Auf Grundlage dieser Daten konnte sowohl die Härte als auch ein
sog. Eindringmodul, ein Parameter für die Elastizität, bestimmt werden. Dazu war allerdings
eine materialabhängige Kalibrierung in Form einer empirischen Flächenfunktion notwendig,
die den Zusammenhang von Eindringtiefe und visuell bestimmter Kontaktfläche beschrieb. Die
Härte von harzbehandeltem Holz hing fast ausschließlich vom Harzgehalt (WPG) ab, während
der Eindringmodul maßgeblich von den Aushärtungsbedingungen beeinflusst wurde.
Offensichtlich wird die Härte hauptsächlich durch den Volumenanteil der Poren im Holz
bestimmt, während die Elastizität nur durch Einlagerung von Harz in die Zellwand sinkt.
Die Resistenz verschieden modifizierter Holzproben gegen die Schiffsbohrmuschel Teredo
navalis und gegen die Bohrassel Limnoria quadripunctata wurde in einem Feld- bzw. einem
Labortest untersucht. Modifizierungen, welche die Fraßtätigkeit (gemessen als
Kotwalzenproduktionsrate) von Bohrasseln in dem Labortest reduzierten, verzögerten auch
den Befall durch Schiffsbohrmuschellarven in dem Feldtest. Grundsätzlich wurde eine hohe
Resistenz durch einen hohen Harzgehalt und trockene Aushärtungsbedingungen erzielt. Der
Wirkmechanismus scheint daher auf der Einlagerung von Harz in die Zellwand zu beruhen.
Die Oberfläche von Holzbauteilen, die sich über dem Wasser befinden, wird durch
verschiedene Umwelteinflüsse abgebaut. Die Empfindlichkeit gegen diese sog. Bewitterung
kann anhand des Zugfestigkeitsverlustes von Mikrofurnieren während einer künstlichen
Bewitterung bestimmt werden. Durch Variation der Prüfbedingungen können Rückschlüsse auf den relativen Abbau der einzelnen Zellwandpolymere gezogen werden. Zugversuche an
delignifizierten Furnieren und an Furnieren, aus welchen die amorphen Polysaccharide durch
saure Hydrolyse entfernt wurden, zeigten, dass der Einfluss der Matrixpolymere, Lignin und
Hemicellulosen, am geringsten ist, wenn konditionierte (20 °C, 65% rel. LF) Furniere ohne freie
Einspannlänge getestet werden (Z-span-Trockenfestigkeit). Matrixpolymere beeinflussten die
Zugfestigkeit besonders dann, wenn mit einer definierten, freien Einspannlänge (F-span)
geprüft wurde: Delignifizierung verringerte dabei ausschließlich die Nassfestigkeit; Hydrolyse
hatte einen stärkeren Effekt auf die Trockenfestigkeit.
Eine wiederholte Befeuchtung der Mikrofurniere mit Meerwasser reduzierte die F-span-
Nassfestigkeit aber nicht die Z-span-Trockenfestigkeit. Bei der Trocknung der befeuchteten
Furniere im Trockenschrank bei 40 °C wurde die Matrix wahrscheinlich beschädigt, weil in den
Poren wachsende Salzkristalle von innen Druck ausübten. Künstliche Bewitterung mit
abwechselnder UV-Strahlung und demineralisiertem Wasserspray oder Meerwasserspray
verursachte mit beiden Wasserarten identische F-span-Nassfestigkeitsverluste. Der
Ligningehalt der mit Meerwasser bewitterten Furniere war allerdings höher. Das Meerwasser
scheint den Ligninabbau durch UV-Strahlung zu verlangsamen. Aufgrund dieser
Wechselwirkung wird zur Bestimmung der Witterungsbeständigkeit in Meerwasserkontakt eine
künstliche Bewitterung vorgeschlagen, die UV-Strahlung und Meerwasserbefeuchtung
kombiniert.
Kunstharz-modifizierungen können die Dauerhaftigkeit von Holz im Meerwasser deutlich
erhöhen. Ihre Wirksamkeit hängt allerdings stark von der Harzverteilung im Holz ab, die
wiederum maßgeblich von den Trocknungs- und Aushärtungsbedingungen mitbestimmt wird.
Diese müssen bei Entwicklung entsprechender Modifizierungsprozesse daher unbedingt
berücksichtigt werden. Die Prozessentwicklung muss außerdem unterstützt werden durch die
Entwicklung von Schnellmethoden sowohl zur Bestimmung der Harzverteilung als auch zur
Überprüfung der angestrebten Produkteigenschaften. | de |
| dc.description.abstracteng | This thesis investigates the durability of resin-modified wood in marine contact. For this
purpose, it examines the influence of process conditions on resin distribution in the modified
wood and it explores the possibility of determining resin distribution by means of instrumented
Brinell hardness testing. The resistance of resin-modified wood to marine wood borers was
investigated and a laboratory testing procedure was developed for determining the weathering
resistance of wood in marine contact. For the experiments, pine sapwood (Pinus sylvestris)
was modified with methylated melamine formaldehyde (MMF) or a resole (PF).
Specimens impregnated with an aqueous solution of the resin were dried and cured in an oven.
For wet curing, specimens were heated in plastic bags to cure the resin before drying.
Therefore, there was no resin transport during drying and the resin was evenly distributed
within the specimens and it resided mainly in the lumens. During dry curing, water could freely
evaporate so that curing and drying occurred simultaneously. In that process, still dissolved
resin diffused from the lumen into the cell wall or migrated from the specimen’s centre to its
surface.
Methods for the analysis of instrumented indentation tests were transfered to Brinell hardness
tests on wood for fast and convenient determination of resin content and cell wall penetration.
During instrumented hardness testing, depth of indentation and applied load are continuously
recorded. Both hardness and indentation modulus, a measure for elasticity, could be extracted
from the depth-sensing data. However, accurate results required a material-dependent
calibration based on an empirical area function that relates contact depth and the visually
determined contact area. Hardness of modified wood almost exclusively depended on resin
content, while indentation modulus was significantly affected by curing conditions. Obviously,
hardness is determined mainly by the volume fraction of pores, while elasticity is reduced by
resin deposited in the cell wall.
The resistance of differently modified wood to the shipworm Teredo navalis and the gribble
Limnoria quadripunctata was assessed in a field test and by means of a short-term laboratory
assay, respectively. Modifications that reduced feeding (measured as faecal pellet production
rate) of gribbles in the laboratory assay also inhibited the settlement of shipworm larvae in the
field test. Principally, high resin contents and dry curing conditions increased the resistance to
marine borers. Therefore, it was concluded that the mode of action involves the deposition of
resin in the cell wall.
The surface of the above-water portions of wooden structures is degraded by a combination
of environmental factors. This process is called weathering. The susceptibility to weathering
can be evaluated by measuring the loss of tensile strength of micro-veneers during artificial
weathering. Variation of test conditions allows to draw conclusions on the degradation of
different cell wall polymers. Tensile tests on microveneers, which were subjected to acid
hydrolysis or delignification, showed that the matrix polymers, lignin and hemicelluloses, had
only a minor influence on tensile strength when dry veneers (20 °C, 65% rel. humidity) were
tested at zero span. However, matrix polymers strongly affected finite span strength: Delignification reduced only wet strength; hydrolysis had a stronger effect on dry strength.Repeated wetting with seawater reduced f-strengthwet but not z-strengthdry. Repeated wetting
with seawater probably damaged the cell wall matrix, because salt crystals, which grew inside
the cell wall nanopores during drying in an oven at 40 °C, exerted stress on the adjacent
material. Artificial weathering including UV irradiation and spray of seawater or of
demineralized water decreased f-strengthwet irrespective of water type. However, the lignin
content was higher in the seawater-weathered veneers. Seawater seemed to inhibit
delignification resulting from photodegradation. Because seawater wetting and UV irradiation
interact, artificial weathering schedules for the determination of weathering resistance of wood
in sea contact should combine both degradation factors.
Resin-modifications can considerably increase the durability of wood in sea contact. However,
their efficiency crucially depends on resin distribution, which in turn is substantially influenced
by drying and curing conditions. Therefore, it is imperative that the development of respective
modification processes involves the drying and curing process. Also, the process development
must be supported by the development of rapid methods for both determining resin distribution
and assessing product characteristics. | de |
| dc.contributor.coReferee | Militz, Holger Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Holzmodifizierung | de |
| dc.subject.ger | Kunstharze | de |
| dc.subject.ger | Holzzerstörende Meerestiere | de |
| dc.subject.ger | Bewitterung | de |
| dc.subject.ger | Instrumentierte Härteprüfung | de |
| dc.subject.ger | Mikrofurniere | de |
| dc.subject.ger | Z-span-Zugversuch | de |
| dc.subject.eng | Wood modification | de |
| dc.subject.eng | Synthetic resins | de |
| dc.subject.eng | Marine borers | de |
| dc.subject.eng | Weathering | de |
| dc.subject.eng | Instrumented hardness testing | de |
| dc.subject.eng | Micro veneers | de |
| dc.subject.eng | Z-span tensile testing | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E32D-9-7 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 1011413817 | |