Ziel der Entwicklung

Logo: Hybridmaterial aus Acrylglas und modifiziertem Holzsubstrat: die einzelnen Substrate (a) werden mit einer Schraubzwinge und ein wenig Lösemittel zusammengeprasst (b). Nach Entfernen der Zwinge wird ein robustes Hybridmaterial erhalten (c).
Hybridmaterial aus Acrylglas und modifiziertem Holzsubstrat: die einzelnen Substrate (a) werden mit einer Schraubzwinge und ein wenig Lösemittel zusammengeprasst (b). Nach Entfernen der Zwinge wird ein robustes Hybridmaterial erhalten (c).

Holz und Holzwerkstoffe sind als nachhaltige Werkstoffe attraktiv, stoßen aber bei Hybridbauteilen mit Kunststoffen an eine zentrale Grenze: Die dauerhafte Verbindung zwischen Holzoberfläche und Kunststoff ist aufgrund stark unterschiedlicher Oberflächenenergie, Rauigkeit und chemischer Funktionalität schwierig. In der Praxis werden deshalb häufig konventionelle Klebstoffsysteme eingesetzt (z. B. isocyanat- bzw. formaldehydbasierte Systeme oder Weißleime), die aus Nachhaltigkeitssicht und wegen VOC-Emissionen sowie teils begrenzter Feuchtebeständigkeit nachteilig sind. Ziel der Entwicklung war daher, eine neue, materialseitige Haftvermittlung zu schaffen, die die Grenzfläche Holz–Kunststoff gezielt aktiviert, um robuste Holz-Kunststoff-Hybridverbunde zu ermöglichen und den Einsatz konventioneller Klebstoffe deutlich zu reduzieren bzw. perspektivisch zu ersetzen. Gleichzeitig sollte die Lösung so ausgelegt werden, dass sie ressourcenschonend, skalierbar und prinzipiell auf praxisrelevante Holzsubstrate (inkl. Holzwerkstoffe) übertragbar ist.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurde eine chemische Oberflächenaktivierung für Holz und Holzwerkstoffe entwickelt, die die Haftung zu thermoplastischen Kunststoffen deutlich verbessert und damit Holz-Kunststoff-Hybridverbunde ohne klassische Klebstoffschicht ermöglicht bzw. deren Einsatz reduziert. Kern des Ansatzes ist eine zweistufige, direkt auf der Holzoberfläche durchführbare Vorbehandlung, die eine haftaktive Funktionsschicht erzeugt. Darauf aufbauend wird in einem oberflächennahen Reaktionsschritt eine sehr dünne, fest gebundene Polymerfunktionalisierung erzeugt, die die Benetzbarkeit und Grenzflächenwechselwirkungen zum Kunststoff gezielt einstellt. Die erfolgreiche Umsetzung wurde über geeignete Oberflächenanalytik (u. a. FTIR, Kontaktwinkel, REM/EDX) nachgewiesen und auf praxisrelevante Holzsubstrate übertragen.
Ein wesentlicher Entwicklungsschritt war die Skalierung hin zu anwendungsnäheren Formaten und ressourcenschonender Prozessführung: Die Initiator-/Vorbehandlung wurde als einfacher Zwei-Schritt-Prozess etabliert und die eigentliche Oberflächenreaktion in einer Variante im Dünnfilm durchgeführt. Dadurch konnten große Substratflächen bis 100 cm² (inkl. MDF) mit nur wenigen Millilitern Reaktionslösung behandelt werden; zugleich entfiel bei den wässrigen Systemen das Entgasen, und organische Lösemittel für die Reaktion konnten reduziert werden. Das Verfahren ist damit prinzipiell flächig übertragbar und hinsichtlich Chemikalien- und Kostenverbrauch deutlich günstiger als andere Ansätze.
Der Nutzen wurde schließlich an Demonstratoren belegt: Holz-PMMA-Hybridmaterialien wurden hergestellt und mechanisch geprüft (Stempelabriss/Zugscherprüfung angelehnt an DIN EN 205 bzw. DIN EN 1465). Die erzielten Haftwerte lagen in einer ähnlichen Größenordnung wie Vergleichsverklebungen; in Teilfällen zeigte sich zudem ein Versagen im Kunststoff, was auf eine hohe Grenzflächenhaftung schließen lässt. Zusätzlich wurden erste Beständigkeits-/Alterungstests (thermisch, Wechselklima) durchgeführt, ohne dass im Rahmen der eingesetzten Analytik klare Abbaueffekte erkennbar waren.
Vorteile des Vorgehens sind: Holz-Kunststoff-Haftung durch materialseitige Grenzflächenaktivierung, geringer oder kein Klebstoffeinsatz, skalierbarer Flächenprozess (Dünnfilm, geringe Volumina) sowie ausreichende Beständigkeit der Funktionalisierung unter den geprüften Bedingungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppen sind Unternehmen, die Holz- und Holzwerkstoffe mit Kunststoffen zu hybriden Bauteilen kombinieren oder entsprechende Prozesse/Materialien liefern: Hersteller von Holz- und Holzwerkstoffen sowie die Möbelindustrie (z. B. Verbundkomponenten, Bodenbeläge), Anwender im Leichtbau (Automobilbranche, Bauwesen) sowie Hersteller/Anbieter von Bindemitteln und Klebstoffsystemen bzw. Alternativen zu konventionellen Klebstoffen. International ist das Thema grundsätzlich anschlussfähig, da Leichtbau-, Bau- und Möbelmärkte global organisiert sind und Anforderungen an VOC-Reduzierung/Rohstoffschonung in vielen Regionen ähnliche Richtung haben (v. a. Europa).
Anwender profitieren insbesondere durch eine verbesserte und potenziell klebstoffreduzierte Verbindung von Holz(werkstoffen) mit gängigen Kunststoffen zur Herstellung von Holz-Kunststoff-Hybridmaterialien, was Nachhaltigkeits- und Emissionsziele unterstützen kann. Konkrete Einsatzrichtungen sind u. a. Leichtbauanwendungen (z. B. Automobil-Innenverkleidungen) sowie Produkte in Holzwerkstoff-/Möbelumfeldern (z. B. Recycling-freundlichere „Bodenbeläge durch on-demand“-Enthaftung als Perspektive).
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in Anwenderunternehmen ist über anwendungsorientierte Nachfolgeprojekte, Industriekooperationen sowie Öffentlichkeitsarbeit (Veröffentlichungen/Fachvorträge, Kolloquien) vorgesehen; zudem können die Ergebnisse als Beratungsleistungen bzw. im Rahmen von Industrieforschung angeboten und vertieft werden. Seitens bestehender Kooperationspartner und potenzieller neuer Industriepartner wird laut Schlussbericht reges Interesse an Produkt- und Verfahrensentwicklungen zur Nutzung alternativer Systeme zur Verklebung naturfaserbasierter Oberflächen gesehen; relevante Branchen werden dort explizit benannt (u. a. Holz/Holzwerkstoffe, Möbelindustrie, Leichtbau, Bindemittel/Klebstoffe).