Untersuchungen zur Optimierung der Verklebung von Holz mit 1K PUR Klebstoffen im Bereich niedriger Holzfeuchten

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: WHFF 2006.02

Schlüsselwörter (Deutsch)

Holzbau, Verklebung, Holzfeuchtigkeit, Bruchscherspannung

Schlüsselwörter (Englisch)

Wood, adhesive system, press time, additional water

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Einkomponenten-Polyurethanklebstoffe werden seit den 90iger Jahren des letzten Jahrhunderts immer weiter verbreitet in der Holzindustrie genutzt. Die Gründe sind vielfältig und reichen von der einfachen Verarbeitung über geringe Auftragsmengen bis zur guten Verklebbarkeit feuchten Holzes. 1K PUR Klebstoffe sind lösemittelfrei. Die vorliegende Arbeit steht in einer Reihe von Untersuchungen, die am IfB der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit verschiedenen Firmen – hier Purbond und Geistlich Ligamenta – durchgeführt wurden und werden. Heute wird im Ingenieurholzbau und im Elementbau technisch getrocknetes Holz verwendet. Die Fertigungshallen sind im Normalfall beheizt. Dies kann vor allem im Winter zu tiefen Holzfeuchten an der Oberfläche und Fehlverklebungen führen, da die 1K PUR Systeme vor allem mit dem Wasser aus den Fügeteilen vernetzen. Die Verklebung von Holz im tiefen Holzfeuchtebereich u≤8% haben Beaud (2005) und Kägi (2005) untersucht und dabei bei einzelnen Klebstoffen gute Festigkeiten (u≥4%) gefunden.
Es wurden je ein Purbond- und ein Geistlich-Klebstoff mit einem NCO-Gehalt von 12.5-14.5% geprüft. Der Geistlich Klebstoff war gefüllt (China Clay) und mit Fasern verstärkt. Die Klebstoffe waren auf verschiedenen Stufen beschleunigt in einem Bereich von vier bis neunzig Minuten offener Zeit. Die Proben wurden in zehn verschiedenen Klimaten von zehn bis dreissig Grad Celsius und zwanzig bis neunzig Prozent relativer Luftfeuchte verklebt und gelagert. Es resultierten fünf Holzfeuchten von u=6.5% bis u=19%. Weitere untersuchte Faktoren waren die Presszeit, die Zugabe von Wasser und eine variierte Lagerfolge. Die Untersuchungen umfassen etwas weniger als zweihundert Behandlungen. Die quasistatischen Prüfungen wurden in Anlehnung an die EN 302.1:2004 durchgeführt. Hauptzielgrösse war die Bruchscherspannung und im geringeren Mass die Verzerrungen. Die Fugen wurden zusätzlich optisch  und im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Als Probenmaterial wurde Buche (Fagus Sylvatica L.) und im geringeren Mass Fichte (Picea Abies (L.) Karst) verwendet. Die Versuche erfolgten in zwei Reihen. Die Versuchsplanung für die zweite Versuchsreihe erfolgte nach einem statistischen Optimierungsverfahren. Die erreichten Werte für die Bruchscherspannung waren oberhalb einer Holzfeuchte von u=13% stabil mit leicht fallender Tendenz bei steigender Holzfeuchte. Beide Systeme kamen auf der nächst kleineren Holzfeuchte u=8% in einen Grenzbereich und reagierten mit  grossen Varianzen, sinkenden Mittelwerten und Totalausfällen (langsame Systeme). Bei entsprechenden Faktorstufenkombinationen wurden jedoch auch
bessere Werte – bis 18N/mm2 Mittelwert für die Bruchscherspannung - als bei höheren Holzfeuchten gefunden. Günstig haben sich vor allem eine erhöhte Temperatur (Purbond) und die Zugabe von Wasser (Geistlich) ausgewirkt. Eine trockene Lagerfolge hat sich bei beiden Klebstoffen positiv ausgewirkt, eine feuchte vor allem bei den Geistlich Systemen stark negativ. Die Geistlich Klebstoffe hatten die dickeren Fugen, eine stärkere Tendenz zur Blasenbildung und die grösseren Verzerrungen als die Purbond Klebstoffe. Im tiefen Feuchtebereich wird die genaue Beobachtung und Einhaltung der Prozessparameter unverzichtbar.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The employment of one component polyurethane adhesives (1C PUR) in the wood industry is increasing since the early nineteennineties. The reasons are manifold and range from an easy application and small quantities per area to a good bonding capability of wood with elevated moisture content. 1C PUR adhesives are solvent free. 
The present investigation is part of a succession of past and current investigations carried out by the Group of Wood Physics, Institute of Building Materials at the Federal Institute of Technology Zurich in cooperation with different enterprises – in this case Purbond and Geistlich Ligamenta. Today it is mostly kiln dried timber that is used for engineered or timber frame constructions. Manufacturing facilities are generally heated. Specifically during winter this can lead to a low superficial moisture content in the wood and cause adhesive failure because of the 1C PUR’s need of moisture to complete crosslinking. Beaud (2005) and Kägi (2005) investigated the bonding of wood with reduced moisture content (ω≤8%) and found good or even increasing shear strength (ω≥4%) for some adhesives.
Two adhesives - one Purbond and one Geistlich 1C PUR with an NCO content of 12.5 to 14.5%. – were tested. The Geistlich adhesive was reinforced with fibres and contained a filler (china clay). The adhesive systems were accelerated on different levels in a range from four to ninety minutes open time. The samples were bonded and stored in ten climates – 10 to 30°C and 20 to 90%rh - resulting in 5 levels of moisture content in the wood. Further factors were press time, additional water and varied storage. The investigations comprised a little less than two hundred treatments. 
The experiments were carried out in allusion to the EN 302.1:2004. The main target value was the shear strength and to a smaller degree the deformation. The bondlines were also scrutinized with optical and electron microscopes. The material used for the samples was beech (Fagus Sylvatica L.) and to a lesser extent spruce (Picea Abies (L.) Karst). The tests were divided in two parts, of which one was planned with an optimized design of experiments.
The shear stresses at fracture for moisture contents ω≥13% were stable with a decreasing tendency for increasing moisture. On the next smaller level of ω=8% both systems met their limits and reacted with great variances, smaller mean values of shear stress or even complete failure (slow systems). Some combinations of factor levels produced though higher fracture resistance – up to a mean of 18N/mm2 - than samples bonded with higher moisture content. Elevated temperature (Purbond) and additional water (Geistlich) proved especially favourable. Dry storage was positive for both systems, damp storage specifically negative for the Geistlich adhesives. The Geistlich adhesives showed wider bondlines, a stronger tendency towards bubbles and greater deformation compared with the Purbond systems. Process parameters have to be defined and observed closely when bonding wood of low moisture content with 1C PUR adhesives.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht - Untersuchung zum Verhalten von Einkomponenten- Polyurethanklebstoffen im niederen Holzfeuchtebereich - 7.03.2008 [PDF] 7'602 kB