Enzymatische Holz-Oberflächen-Funktionalisierung zur Verbesserung der Verklebungsgüte

• Research unit: FOEN
• Project number: WHFF 2011.18

Key words (German)

Holz, Klebstoff, Verbundfestigkeit, Holzschicht

Short description (German)

Der vorliegende Bericht dokumentiert die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie „Enzymatische Holz-Oberflächen-Funktionalisierung zur Verbesserung der Verklebungsgüte“
Problemstellung / Ziele
Neben der Auswahl eines geeigneten Klebstoffs ist die Beschaffenheit der Fügeteiloberfläche von entscheidender Bedeutung für die erzielbaren Verbundfestigkeiten und vor allem für die Langzeitbeständigkeit der Holzverklebung. Holzinaktivierung ist ein Oberflächenphänomen, welches die äusseren Holzschichten betrifft und durch diverse Einflüsse wie Temperatur oder Verschmutzung hervorgerufen wird. Diese physikalische und chemische Veränderung der Holzoberflächeneigenschaften kann zur Folge haben, dass sich die Verklebungsgüte wegen des veränderten Benetzungs-, Fliess und Eindringverhalten des Klebstoffes verschlechtern kann.
Ziel der Machbarkeitsstudie war es, die Möglichkeit der Laccase-katalysierten Holz-Oberflächen-Funktionalisierung zur Verbesserung der Holz-Klebstoff-Interaktionen zu evaluieren.
Schlussfolgerungen
Die gewonnen Ergebnisse des Projektes erlauben folgende Schlussfolgerungen:
? Charakterisierung und Leistungstests der kommerziellen und selbsthergestellten Laccasen wurden in einem standardisierten Verfahren durchgeführt. Es konnte für die Holz-Oberflächen-Funktionalisierung ein geeignetes System bestimmt werden.
? Die Laccase-katalysierte Holzfunktionalisierung mit den phenolischen Aminen (Ankermoleküle) wurde mittels Streichen und Tauchen durchgeführt. Das Benetzungsverhalten der Holzoberfläche (Buche, Lärche) wurde bestimmt (Kontaktwinkelmessung und Tropfenform). Die funktionalisierten Proben (insbesondere Lärche) zeigten ein verbessertes Benetzungsverhalten gegenüber Wasser.
? Die Verklebungsgüte konnte weder bei Buche noch bei Lärche durch die Laccase-Behandlungen verbessert werden. Die Zugscherfestigkeiten und die Holzbruchanteile wurden durch die Laccase-katalysierte Holzfunktionalisierung sogar signifikant reduziert. Ein Grund für die schlechte Verklebungsgüte könnte sein, dass die Holzfunktionalisierung unzureichend war. Dagegen spricht allerdings, dass die Performance durch die Behandlung deutlich verringert wurde und dies auf eine physikalisch-chemische Veränderung der Holzoberfläche hindeutet.
? Die FTIR-ATR Analyse liess eine Modifizierung des Polymerlignins erkennen. Zudem wurden veränderte Interaktionen zwischen Klebstoff und Holzfügeteil beobachtet. Die Reaktion zu kovalenten Bindungen des Klebstoffes (Isocyanate) mit freien OH-Gruppen des Holzes war höchstwahrscheinlich durch die Funktionalisierung (Reduzierung freier Hydroxylgruppen) gestört (reduzierte Adhäsion). Inwieweit die funktionellen Aminogruppen der Ankermoleküle mit dem verwendeten Klebstoff reagiert haben und zu einem möglichen Kohäsionsversagen des Klebstoffes führten, konnte nicht abschliessend geklärt werden.
Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen funktionalisierter Holzoberfläche und Klebstoff sowie zwischen Benetzungsverhalten und Verklebungsgüte ist kein einfacher Kausalzusammenhang (Holz-Funktionalisierung → gesteigerte Holz-Klebstoff-Interaktionen) zu erkennen.
Die durchgeführte Machbarkeitsstudie weist auf die Möglichkeit der gezielten physikalisch-chemischen Veränderung der Holzoberfläche hin. Eine Fortsetzung der Arbeiten scheint daher sinnvoll. Im Hinblick auf eine verbesserte Verklebung könnten ggf. andere Ankermoleküle die Adhäsion zwischen Fügeteil und Klebstoff verbessern. Allerdings sollte in Voruntersuchungen die Reaktion des Moleküls mit dem Klebstoff genau analysiert werden, um einen möglichen negativen Einfluss auf den Klebstoff (verminderte Kohäsion) auszuschliessen. In grundlagenorientierten Arbeiten sollte die Methode der enzymatischen Kopplung funktioneller Moleküle zur Modifizierung des Holzes ausführlich untersucht und auf neue Einsatzgebiete/Anwendungen erweitert werden.

Publications / Results (German)

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• Schlussbericht - Empa, Dübendorf - Enzymatische Holz-Oberflächen-Funktionalisierung zur Verbesserung der Verklebungsgüte - April 2013 [PDF] 2'149 kB