Ziel der Entwicklung
Aufgrund einer zunehmend kritischeren Bewertung konventioneller, auch im Holz- und Holzwerkstoffbereich eingesetzter FSM im Hinblick auf deren ökologische und toxikologische Eigenschaften, deren dadurch verstärkte Reglementierung (USA: USEPA, PBT, EU: REACH), sowie vor dem Hintergrund einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Materialentwicklung und -Nutzung wird aktuell verstärkt nach Möglichkeiten gesucht, umweltfreundliche Flammschutzlösungen auf Basis nachwachsender Roh- und Reststoffe zu entwickeln und konventionelle FSM durch diese zu substituieren. Im Rahmen des Vorhabens wurden Holz- beziehungsweise Rindenextraktstoffe isoliert und hinsichtlich ihrer Eignung als umweltfreundliche FSM für Holz und holzbasierte Materialien (LignoFSM) untersucht. Im Fokus standen polyphenolische Inhaltsstoffe (hydrolisierbare und kondensierte Tannine, Flavonoide, etc.). Dabei wurden die folgenden Ziele verfolgt: 1) Entwicklung/Optimerung von Verfahren zur umweltfreundlichen und schonenden Isolierung/Gewinnung polyphenolischer Holz- und Rindeninhaltsstoffe; 2) Ermittlung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der erhaltenen Extrakte, Fraktionen beziehungsweise Einzelverbindungen; 3) Untersuchung der Wechselwirkung dieser potenziellen LignoFSM mit den zu schützenden Substraten im Hinblick auf deren Materialverträglichkeit und flammhemmender Wirkung. Dabei sollten die technischen/ funktionalen Materialeigenschaften durch Zusatz von LignoFSM nicht beeinträchtigt werden.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Vorhabens wurden grundlegende Untersuchungen zur Isolierung, Struktur und thermochemischen Eigenschaften polyphenolischer Holzinhaltstoffe durchgeführt. Die flammhemmende Wirkung inkl. Wirkmechanismen von Extrakten/LignoFSM, deren Verarbeitungseigenschaften und Applikationsmöglichkeiten sowie die diese Eigenschaften beeinflussenden Faktoren (z.B. chemische Struktur, Wechselwirkungen mit Substraten) wurden ermittelt sowie ihre Anwendung als flammhemmende Komponente in Imprägnierlösungen und Beschichtungen für lignocellulose Materialien/ Holz untersucht. Folgende Ergebnisse konnten erzielt werden: 1) Adaptation/Optimierung von Extraktionsverfahren zur schonenden und effizienten Isolierung polyphenolischer Holz- und Rindenextraktstoffe; 2) Erkenntnisse zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der Extrakte, zu deren Wirkung und Wirkmechanismen hinsichtlich Flammschutz; 3) Entwicklung flammhemmender Imprägnierlösungen und Beschichtungsformulierungen mit definierten Anteilen an Extrakt/LignoFSM; 4) Entwicklung von mit LignoFSM ausgestatteten Lignocellulose-basierten basierten Materialien (z.B. Furnieren) mit gegenüber konventionellen FSM teils verbesserten Brandeigenschaften. LignoFSM bewirken aufgrund ihrer flammhemmenden Funktionalitäten bzw. Wirkstoffe eine signifikante Verbesserung des Brandverhaltens imprägnierter Holzoberflächen und Furniere. Sie stellen somit umweltfreundliche und leistungsfähige, weitestgehend biobasierte Systeme/ Precursoren zur Flammhemmung Lignocellulose-basierter Materialien dar und können insbesondere als wirkungsvolle Flammschutz-imprägnierungen eingesetzt werden. Hinsichtlich der strukturchemischen Charakterisierung der Extrakte und deren Anwendungspotenzial besteht weiterhin hoher Forschungsbedarf.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Projektergebnisse ermöglichen es der mittelständischen Industrie, ihr Portfolio durch die Gewinnung und Modifikation von LignoFSM, die Formulierung von mit LignoFSM modifizierten, flammgehemmten Beschichtungssystemen/ Imprägnierungen und deren Applikation zu erweitern. Weiterhin sind Produktentwicklungen im Imprägnier-/ Tränkmittelbereich (zum Beispiel flammgehemmte Papiere) und im Klebstoffbereich denkbar. Eine Reihe der in nachfolgenden Entwicklungsarbeiten angestrebten Applikationen sind typische Betätigungsfelder der mittelständischen Produzenten und Anwender. Adressiert sind Formulierer und Verarbeiter von Beschichtungssystemen mit Anwendungen auf unterschiedlichen, insbesondere thermisch sensiblen Trägermaterialien, zum Beispiel auf Lignocellulose-/ Cellulose-Basis. Entwicklungsarbeiten zur Formulierung LignoFSM-modifizierter Holzbehandlungsmittel (zum Beispiel Grundierungen, Imprägnierungen) sind auf Basis der gewonnenen Projektergebnisse vielversprechend. Insbesondere Kooperationsprojekte mit Industriepartnern erscheinen zum jetzigen Zeitpunkt sehr erfolgversprechend. In Verbindung mit den beschriebenen Applikationsmöglichkeiten liefern die Projektergebnisse die Grundlage für weitere Entwicklungen: 1) Neuartige biobasierte FSM: Isolierung/Gewinnung/Modifikation polyphenolischer Holz-/ Pflanzeninhaltsstoffe zur flammhemmenden Ausrüstung verschiedener Materialien; 2) Flammgehemmte Beschichtungen/Holzbehandlungsmitteln: Entwicklung einer Bandbreite mit LignoFSM formulierten wässrigen Systemen; 3) Flammgehemmte Dispersionsklebstoffe: Entwicklung flammgehemmter Klebstoffe; 4) Funktionalisierte Holzwerkstoffe: Entwicklung von mit neuartigen LignoFSM behandelten Partikel- und Faserwerkstoffen, Dämmstoffen, etc.; 5) Funktionalisierte Möbel- und Fassadenelemente: Entwicklung flammhemmend beschichteter/ behandelter Möbel, Innenausbau- und Fassadenelemente. In Verbindung mit den beschriebenen Applikationsmöglichkeiten liefern die Projektergebnisse die Grundlage für einen breit gefächerten Know-how-Transfer seitens des Antragstellers. Mit den erwarteten Vorhabensergebnissen beabsichtigt das IHD darüber hinaus einen weiteren Ausbau seiner wissenschaftlich-technischen Basis in den Bereichen der Funktionalisierung von Holz, Holzwerkstoffen und Beschichtungssystemen für den Brandschutz mit flamminhibierenden Agentien und Entwicklung von „Engineered Wood Products“. Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden in Fachzeitschriften, Publikationen, Fachvorträgen und Fachmessen einem breiten Publikum vorgestellt.