Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
N\u00e4gel aus Holz oder Holzwerkstoffen, die sich ohne Vorbohren direkt in eine Holz- oder Holzwerkstoffmatrix einschie\u00dfen lassen, sind eine umweltrelevante Neuentwicklung der letzten Jahre. Die N\u00e4gel und ihre Wechselwirkung mit dem Matrixmaterial sind jedoch sowohl wissenschaftlich als auch anwendungstechnisch wenig untersucht. Ziel des Projektes ist es, das System Holz-\/Holzwerkstoffnagel in Verbindung mit Massivholz und\/oder Holzwerkstoffen besser zu verstehen und durch eine g\u00fcnstige Werkstoffauswahl die Umweltfreundlichkeit der N\u00e4gel zu verbessern.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der Projektlaufzeit wurde ein druckluftbetriebenes Einschussger\u00e4t mit durchsichtigem Schusskanal gebaut, durch den die Nagelbewegung mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt werden kann. Zur Temperaturmessung im Grenzschichtbereich von Nagel zur Holzmatrix wurde mittels eines Hochgeschwindigkeitspyrometers durch ein Bohrloch die Oberfl\u00e4chentemperatur des durch ein Kantholz und das Bohrloch geschossenen Nagels bestimmt. Der Einfluss von Einschussgeschwindigkeit, Nagell\u00e4nge und -dicke, der Holzfeuchtigkeit und -dichte, dem Messort im Kantholz, der Nagelspitzengeometrie und der Oberfl\u00e4chen Rauigkeit (glatt und Gewinde) auf die Oberfl\u00e4chentemperatur sowie der Zusammenhang zwischen Oberfl\u00e4chentemperatur und Nagelauszugfestigkeit wurden umf\u00e4nglich untersucht. Des Weiteren wurden der Einfluss von Frost-Tauwechseln und dynamische Festigkeiten bestimmt. Der Grenzbereich zwischen aufgeschnittenem Nagel und Matrix wurde mikroskopisch und chemisch untersucht. F\u00fcr chemische Analysen wurden die Holzn\u00e4gel nach dem Einschuss freigelegt und anhaftende Sp\u00e4ne abgeschabt. Die abgeschabten Sp\u00e4ne sowie Referenzmaterialien aus Fichtenholz, Buchenholz und dem Nagelholzwerkstoff wurden gemahlen, extrahiert und magnetresonanzspektroskopisch, infrarotspektroskopisch (FTIR), Raman spektroskopisch sowie chromatografisch (HPLC und SEC) analysiert. Vollholzn\u00e4gel wurden sowohl mit biobasiertem Polyfurfurylalkohol (PFA) getr\u00e4nkt und geh\u00e4rtet als auch aus furfuryliertem Holz hergestellt und gepr\u00fcft. Buchenfurniere wurden mit Phenol-Formaldehyd (PF), reinem PFA sowie mit additiviertem PFA zu Platten sowie mit Folien aus Polylaktid (PLA) gepresst. Letztere wurden in einem Automated Bond Evaluation System (ABES) auf Scherfestigkeit der Leimfuge getestet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Nageleintreibgeschwindigkeiten lagen zwischen 4,4 m\/s und 52,8 m\/s. Die Oberfl\u00e4chentemperaturen beim Einschie\u00dfen > 20 m\/s lagen zwischen 168 \u00b0C und 216 \u00b0C, im Mittel bei 201 \u00b0C. Die aufgewandte Reibleistung wurde mit 69,4 kW beim Einschie\u00dfen und im quasistatischen Eintrieb mit 4,69 W bestimmt (Faktor 14.800). Bis auf die Holzfeuchte des Matrixmaterials und die Wegstrecke konnte kein signifikanter Zusammenhang zwischen den Einschussbedingungen und der Oberfl\u00e4chentemperatur festgestellt werden. Durch Gewinderiffelung der N\u00e4gel wurde eine erh\u00f6hte Oberfl\u00e4chentemperatur gemessen und die Auszugfestigkeit um knapp 100% gesteigert. Das bedeutet, dass der Einschussvorgang ein sehr robustes System ist, das auch schon bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten funktioniert, wodurch Energie eingespart werden kann. Es konnte keine Korrelation zwischen Oberfl\u00e4chentemperatur und Nagelauszugfestigkeit gefunden werden. Beim Nagelauszug nach Frost-Tauwechsel zeigen sich glatte Lignoloc und solche mit Gewinde gegen\u00fcber blanken Stahln\u00e4gel im Vorteil, nicht jedoch gegen\u00fcber Rillenn\u00e4geln. Untersuchungen von Verklebungen von Buchenfurnieren mit biobasierter thermoplastischer PLA-Folie zeigen so hohe Festigkeiten der Klebefuge, dass der Scherbruch im Holz und nicht in der Klebefuge auftritt. Die mit PFA impr\u00e4gnierten N\u00e4gel verspr\u00f6deten und kollabierten h\u00e4ufig beim Einschuss. Die Verleimung von Buchenfurnieren mit additiviertem PFA zeigt im Vergleich zu PF-Harzen gleichwertige bis h\u00f6here Festigkeitseigenschaften, sodass Holzwerkstoffe mit knapp 100 % biobasierten Inhaltsstoffen erzeugt werden k\u00f6nnen, die nicht mehr nach Phenolharz riechen. Die von den N\u00e4geln abgeschabten Fichtenholzsp\u00e4ne haben ein Gewicht von ca. 0,02 bis 0,05 g\/Nagel. Die FTIR-Spektren von Lignoloc (Buchenholz\/Phenolharz) und Buchenholz sind sich deutlich \u00e4hnlicher als die zu Phenolharz. Die Spektren von Abschabungen in Abst\u00e4nden von 0,1 mm zeigen einen kontinuierlichen \u00dcbergang von Fichtenholz zum Holzwerkstoffnagel, jeweils im Vergleich zu Blindwerten, wobei es f\u00fcr Fichte zwei unterschiedliche Blindwerte gibt. Vergleichbare \u00dcberg\u00e4nge findet man ebenfalls in der HPLC mit Graduentenelution von extrahierten Feinsp\u00e4nen sowie in der Molmassenverteilung bei der SEC. Die im \u201eklassischen\u201c Holzschwei\u00dfen nachweisbaren Verbindungen aus thermisch umgewandelten Kohlenhydraten und Ligninen konnten nicht gefunden werden. Es konnten jedoch Ver\u00e4nderungen an den Guyjacyl Seitengruppen des Lignins nachgewiesen werden und Lignin Ver\u00e4nderungen mit Raman-Spektroskopie und UMSP nachgewiesen werden. Mikroskopisch und computertomographisch (CT) wurden N\u00e4gel und angrenzende Verdichtungsbereiche charakterisiert. Erst-malig konnten mittels CT verdichtete, f\u00e4cherf\u00f6rmige Tracheidenketten identifiziert werden.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit dem neuartigen Messaufbau, durch ein seitliches Loch mittels Hochgeschwindigkeitspyrometer die Oberfl\u00e4chenver\u00e4nderung eines Nagels beim Einschie\u00dfen zu beobachten, wurden die Einfl\u00fcsse von Nagelgeschwindigkeit, -l\u00e4nge, -dicke, Messort, Materialart und Holzfeuchte auf die Oberfl\u00e4chentemperatur erstmalig analysiert. Beim Einschuss von Holzn\u00e4geln mit Druckluftnaglern in Holz werden Geschwindigkeiten von 28 bis 52 m\/s erreicht. Die beim Einschuss durch Reibung erzeugte Oberfl\u00e4chentemperatur von 201 \u00b1 15 \u00b0C f\u00fchrt zu einer Ver\u00e4nderung des Lignins in der Grenzschicht zwischen Nagel und Matrix, die mit den bekannten Analysemethoden, wie sie f\u00fcr das Holzschwei\u00dfen bekannt sind, nicht, jedoch mit SEC, GC-MS, UMSP und Raman Spektroskopie nachgewiesen werden konnten. Parameter des Nagelein-schusses wie Geschwindigkeit, Holzfeuchte, Dichte der Matrix oder Messort (nahe oder entfernt der Mat-rixoberfl\u00e4che) haben keinen signifikanten Einfluss auf Oberfl\u00e4chentemperatur und die Auszugfestigkeit. Mit dem Aufbringen einer Gewindestruktur auf einen Lignoloc Holznagel konnte die Auszugfestigkeit hingegen nahezu verdoppelt werden. Mit der Kombination von PFA und einem Additiv (1 bzw. 5%) konnte ein Bindemittel entwickelt werden, das mindestens die gleichen Festigkeits- und Quelleigenschaften aufweist wie traditionelles PF aber zu 95% bis 99% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Die Gewinnung kleinster Faserproben in 0,1 Millimeterabst\u00e4nden von der Nageloberfl\u00e4che und die daran anschlie\u00dfende chemische Analytik kann erfolgreich eingesetzt werden. Mit der Entwicklung additivierter PFA-Verleimung besteht nun die M\u00f6glichkeit, Hochleistungsn\u00e4gel aus fast 100% biobasierten Rohstoffen herzustellen und damit den CO2-Fussabdruck im Vergleich zum Phenolharz gebundenen Nagel deutlich zu reduzieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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