Das Fraunhofer WKI hat einen Klebstoff auf Polyurethanharz-Basis entwickelt, mit dem man zementgebundene Spanplatten in kurzer Zeit stirnseitig zu Endlosplatten zusammenfügen kann. Das Besondere: Die Klebewirkung der speziellen Harzrezeptur lässt sich an- und ausschalten. „Bonding-on-Demand“ – sozusagen.
„Die Schaltung des Klebstoffes erfolgt temperaturgesteuert und basiert auf einem reversiblen Vernetzungsmechanismus“, erläutert Dr. Steven Eschig, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut (kurz: Fraunhofer WKI). Der Kunstharz -Kleber entfaltet seine volle Klebewirkung erst, nachdem er auf etwa 80 °C erhitzt wurde. Duch die Erwärmung wird er sozusagen „eingeschaltet“. Umgekehrt lässt sich die Klebebindung wieder trennen, wenn man das speziell aufbereitete Polyurethanharz auf eine Temperatur über 120 °C erwärmt. Dadurch wird gewissermaßen der Ausschalter getätigt.
Temperaturgesteuerte Klebstoffvernetzung
Durch das Erwärmen werden chemische Verbindungen zwischen den Polymerketten im Kleber aktiviert. Bei 80 °C sind alle Polymerketten vernetzt. Die Spanplatten sind dannn fest miteinander verklebt. Diese feste Vernetzung bleibt auch nach Abkühlung des Klebstoffs dauerhaft erhalten. Erst ab einer Temperatur von über 120 °C kommt es zur Auflösung der Vernetzungen. Dann lassen sich die Spanplatten schadfrei voneinander trennen und anderweitig wiederverwenden. Doch auch den Klebstoff kann man erneut nutzen. Dafür muss er zunächst abkühlen und anschließend erneut auf bis zu 80 °C erhitzt werden.
Die Tatsache, dass die Klebewirkung reversibel ist, ermöglicht neue Nutzungen für zementgebundene Spanplatten. Man könnte aus ihnen zum Beispiel größere (verklebte) Bauteile für die Fertighausindustrie erstellen, die sich zu einem späteren Zeitpunkt einfach wieder zurückbauen und recyceln lassen. Das würde die Idee der Kreislaufwirtschaft im Bauwesen voranbringen.
Nach Aussagen des Fraunhofer WKI erhöht der schaltbare Klebstoff zudem die Flexibilität beim Kleben. „Ein wesentlicher Vorteil unserer Klebstoffe ist, dass die Applikation und die Fügung zeitlich unabhängig voneinander durchgeführt werden kann“, erklärt Dr. Eschig. Man kann den Klebstoff also bereits auf die Stirnseiten der Platten auftragen, diese dann aber erst später zusammenfügen. „Im Vergleich dazu haben gängige Klebstoffe so genannte Topfzeiten, das heißt, sie können nur in einem kurzen Zeitraum zur Fügung genutzt werden“, ergänzt der Projektleiter.
Was sind zementgebundene Spanplatten?
Herkömmliche Spanplatten enthalten Kunstharze als Bindemittel . Es gibt mittlerweile aber auch zementgebundene Varianten. Diese Produkte haben einserseits den Vorteil, dass sie – anders als viele Kunstharze – kein Formaldehyd oder andere kritische VOCs ausgasen. Holzschutzmittel sind überflüssig. Außerdem überzeugen sie durch ein gutes Brandverhalten sowie eine hohe Feuchte- und Pilzresistenz. Aufgrund ihrer hohen Rohdichte bieten die Platten zudem gute Schalldämmeigenschaften.
Aufgrund der vielseitigen Materialeigenschaften ergeben sich auch vielseitige Anwendungsmöglichkeiten. So werden zementgebundene Spanplatten zum Beispiel als Brandschutzplatten eingesetzt. Zudem eignen sie sich als austeifendes sowie schalldämmendes Beplankungsmaterial für Innenwände – auch im Feucht- und Nassbereich. Als aussteifender Werkstoff für Außenwände in Holzrahmenbauweise machen die Holzzementplatten ebenso eine gute Figur wie als Dachschalung – beispielsweise für Metall-Stehfalzdächer . Und selbst als Trockenestrich im Fußbodenbereich sind sie eine Option.
Praxisnahe Laboruntersuchungen
Der schaltbare Klebstoff wurde im Rahmen des Projekts „Bonding-on-Demand-Klebstoffe zur Verklebung von zementgebundenen Holzwerkstoffplatten für den Holztafelbau“ entwickelt (Abschlussbericht hier ).
Das Fraunhofer WKI und seine Industriepartner haben im Labor unter praxisnahen Bedingungen nachgewiesen, dass sich die zementgebundenen Holzwerkstoffe mithilfe der schaltbaren Klebstoffe zu Endlosplatten zusammenfügen lassen. Bei diesen Klebstoffen handelt es sich um furfurylierte Polyurethanharze – also um Harze, in die man Furfurylamin chemisch integriert hat. Außerdem haben die Forschenden die Klebstoffe mit einem Bismaleimid abgemischt. Diese Substanzen werden als Vernetzer für hitzebeständige Harze eingesetzt.
Die Klebstoffe wurden im Labor auf die Spanplatten appliziert und heiß gefügt. Nach der Aushärtung der Bauteile nahmen die Forschenden die Scherprüfung der Klebfugen nach DIN EN 14080 Anhang D vor. Ergebnis: Die Mindestanforderung einer Scherfestigkeit von 6 Newton pro Quadratmillimeter erfüllten alle getesteten Klebervarianten. Je nach genauer Zusammensetzung der Harze zeigten sich aber auch noch deutliche Unterschiede in Sachen Scherfestigkeit.
In den Laborversuchen zeigte sich außerdem, dass die Klebstoff-Fugen an der Bruchstelle teilweise stark mit Zementstaub bedeckt waren, was die Klebewirkung negativ beeinflusst haben könnte. Daher entschied sich das Fraunhofer WKI, die Holzwerkstoffplatten zur Verbesserung der Verklebung mit einem Primer zu grundieren.
Wie funktioniert die „Schaltung?“
Die Erwärmung des Klebstoffs funktioniert ähnlich wie ein Induktionsherd. Voraussetzung dafür sind magnetische Partikel, die dem Klebstoffharz beigemischt wurden. Man spricht auch von so genannten ferromagnetischen Suszeptoren. Darunter versteht man ganz allgemein Materialien, die elektromagnetische Energie aufnehmen und in Hitze umwandeln können.
Für die Klebstoffe wurden verschiedene Suszeptoren wie Eisenpulver, Edelstahlpulver, gemahlene Stahlwolle und „MagSilica“ untersucht. Als besonders geeignet erwiesen sich gemahlene Stahlwolle und die magnetischen Partikel der Marke MagSilica. Das sind preiswerte Silica-Partikel, kombiniert mit magnetischen Nanopartikeln.
Die Suszeptoren im Klebstoff werden durch das Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfelds innerhalb von Sekunden erwärmt und geben die thermische Energie dann an den umliegenden Klebstoff ab. Mithilfe einer Thermografiekamera hat das Fraunhofer WKI genauer untersucht, wie schnell sich die Proben auf 120 °C erwärmen lassen. Bei einem Magnetfeld mit einer Stromstärke von 30 Ampere und einer Frequenz von 530 Kilohertz konnte der Klebstoff mit 10 Massenprozent MagSilica in 14 Sekunden auf 120 °C erwärmt werden.
