Modifikation von Holz und Holzwerkstoffen

Atmosphärendruck-Plasmen zur Modifizierung von Holz und Holzwerkstoffen

Einheimische Holzarten sind in vielen Bereichen sehr attraktiv, allerdings weisen die meisten auch material-technologische Nachteile auf, wie geringe Dimensionsstabilität bei Feuchte- und Temperaturwechseln, UV-Empfindlichkeit sowie eine geringe natürliche Dauerhaftigkeit. Insbesondere für den langzeitstabilen Einsatz im Außenbereich, wie z. B. als Terassenboden sind viele deutsche Hölzer im Gegensatz zu Tropenhölzern bisher nicht geeignet.

Die Weiterentwicklung von Holz und Holzwerkstoffen als Bau- und Konstruktionsmaterial sowie neue Produktionsverfahren sind permanente Ziele der Materialforschung. Als Naturwerkstoff ist Holz verschiedenen natürlichen Diffusions- und Alterungsprozessen ausgesetzt, die spätere Veredelungs- und Bearbeitungsschritte und damit Anwendungsmöglichkeiten beschränken. Hier setzen Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen an und ermöglichen langzeitstabile, fehlerfreie, sichere sowie effiziente Beschichtungs- und Behandlungsprozesse. Oberflächenbehandlungen mit Atmosphärendruck-Plasmaverfahren ermöglichen neue Einsatzfelder und erhöhen gleichzeitig die Qualität der Hölzer.

Effekte der Plasmabehandlung

  • Erhöhung und Einstellung der Oberflächenenergie
  • Erhöhung der Aufnahme von Modifikationsmitteln
  • Modifikation der Oberfläche durch Plasma-Polymerisation

Vorteile von Plasmabehandlungen bei Atmosphärendruck

  • Steigerung der Haftfestigkeit von Lacken und Farbaufträgen
  • Homogene Verteilung von flüssigen Beschichtungsmitteln auf Oberflächen
  • Verbesserte Penetration von Modifikationsmitteln im Holzkörper
  • Erhöhung der Witterungsbeständigkeit
  • Erzeugung funktionaler Schichten auf Holzoberflächen

Generelle Vorteile der Atmosphärendruck-Plasmatechnologie

  • Emissionsarm
  • Leicht skalierbar
  • Hohe Ökoeffizienz
  • Geringe Betriebskosten

Unser Angebot

  • Analytik, z. B. Kontaktwinkelmessungen, Adhäsionstests, künstliche Bewitterung
  • Machbarkeitsstudien zur Optimierung der Eigenschaften von Holzoberflächen mittels Plasmabehandlung
  • Hydrophilisierung und Hydrophobisierung mittels Plasma
  • Prozessoptimierung von Füge- und Imprägnierungs­prozessen nach individuellen Anforderungen
  • Entwicklung, Konstruktion und Umsetzung von Plasma-Behandlungsgeräten, -Versuchsanlagen und -System­komponenten
  • Experimentelle Beschichtungen von Holzoberflächen mittels Plasma-Schichtsynthese

Unsere Anwendungsfelder

Holz

Das Anschleifen der Holzoberflächen ist eine gebräuchliche Methode der Vorbehandlung für weitere Produktionsschritte. Geschliffene Holzoberflächen weisen eine erhöhte Benetzbarkeit im Vergleich zu ungeschliffenen oder gealterten Holzoberflächen auf. Untersuchungen zeigten, dass Plasmabehandlungen einen größeren Einfluss auf die oberflächenenergetischen Charakteristika haben als das Schleifen der Oberflächen. Eine Plasmabehandlung ersetzt damit bisher übliche Anschleifprozesse zur »Auffrischung« von Holzoberflächen für nachfolgende Beschichtungen.

Imprägnierung von Holzfurnieren

Viele heimische Holzarten mit geringer natürlicher Dauerhaftigkeit besitzen gleichzeitig eine schlechte Tränkbarkeit mit flüssigen Modifikations- bzw. Imprägnationsreagenzien. Voraussetzung für Veredelungs- und Langzeitschutzschichten ist jedoch die gleichmäßige und tiefreichende Verteilung der eingesetzten Reagenzien im Holzkörper. Eine beschleunigte Tränkbarkeit der untersuchten Holzfurniere kann mittels Plasmabehandlung erreicht werden, sodass eine weitaus homogenere Verteilung der Modifikationsreagenzien auf der Oberfläche stattfindet und die Feststoffaufnahme von eingesetzten Modifikationsreagenzien im Holzkörper um bis zu 60 Prozent erhöht werden kann.

Holzwerkstoffe

Bei den Span- und Faserplatten ist ein deutlicher Anstieg der Oberflächenenergie nach der Plasmabehandlung zu verzeichnen. Daraus resultiert u. a. das beschleunigte Eindringen von Wasser in plasmabehandelte Span- und Faserplatten. Ein beschleunigter Wasserentzug von z. B. PVAc-Klebstoff führt zu einer schnelleren Aushärtung und Festigkeitszunahme ver­klebter Bauteile. Das zeitnahe Aushärten von wasserbasierten Klebstoffen kann zu einer Senkung der Prozesszeiten und zu einer Erhöhung der Produktion führen.

Mobile Plasmaquellen

Durch bestimmte Anordnungen der dielektrisch behinderten Entladung kann das Behandlungsgut auch unabhängig von der Materialdicke plasmabehandelt werden. Mit derartigen Anordnungen wurden unter anderem Plasma-Handgeräte am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST entwickelt, die eine kleinflächige Behandlung von stark profilierten Oberflächen ermöglichen. Die Stromversorgung erfolgt hier über einen Akku, sodass größtmögliche Flexibilität und Mobilität gewährleistet sind. Dadurch ist es auch für Handwerker und Bastler möglich kleinere Flächen für nachfolgende Klebungen und Beschichtungen vorzubereiten.

Holz-Kunststoff-Komposite – WPC

Holz-Kunststoff-Komposite zeigen beim Verkleben oder Beschichten im Allgemeinen oft ungenügende Hafteigenschaften. Die schwach ausgeprägten Adhäsionseigenschaften sind auf die Kunststoffkomponenten des Materials zurück­zuführen, die die Oberflächeneigenschaften wesentlich bestimmen. Die Oberflächenenergie wird durch die Plasmabehandlung bei z. B. PP-basiertem WPC und bei PE-basiertem WPC signifikant erhöht. Die Steigerung der Oberflächen­energie hat eine Erhöhung der Haftfestigkeit zur Folge.

Experimentelle Plasmabeschichtung

Um die Beständigkeit von Holz zu erhöhen, wird üblicherweise  mittels Lackierung eine protektive Schicht aufgebracht. Ziel des Anwendungszentrums ist es, alternative Schutzschichten mittels Atmosphärendruck-Plasmen zu entwickeln, wie z. B. eine Beschichtung aus Metallpartikeln mit protektiven Eigenschaften, die im Plasma aufgeschmolzen bzw. aktiviert und auf Holzoberflächen aufgebracht werden kann. Eine weitere Methode ist die plasmagestützte Polymerisation, bei der ein Monomer im Plasma zu langkettigen Molekülen polymerisiert und auf der Holzoberfläche abgeschieden wird. Dadurch können u.a. hydrophobe Schichten erzeugt werden, die das Eindringen von Wasser in das Holz verhindern.