Holz-Brandschutzbeschichtung von der Natur inspiriert: Vorbild Kanarische Kiefer

Die neuen Flammschutzbeschichtungen sind inspiriert von der kanarischen Kiefernrinde, deren mehrschichtige Struktur sie vor Waldbränden schützt. Quelle: Fraunhofer WKI, Foto: Arne Schirp / Fraunhofer WKI

Die Architektur und Chemie der Kanarischen Kiefernrinde schützen die Bäume wirksam vor Waldbränden. Nach dem Vorbild der Natur haben Forschende am Fraunhofer WKI gemeinsam mit Partnern eine Holzbeschichtung für Holzbauteile im Innen- und Außenbereich entwickelt. Die feuerhemmenden Beschichtungen unter Verwendung von funktionalisierter mikrofibrillierter Zellulose (MFC) sind witterungsbeständig und erweitern den Einsatz von Holz für den Gebäudebau. Den Forschenden ist es gelungen, einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von dauerhaften, flammgeschützten Bauprodukten auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln.

Der Baustoff Holz hat in Europa in jüngster Zeit eine Renaissance erlebt. Für mittlere und hohe Gebäude, wie sie für städtische Gebiete typisch sind, wird Holz jedoch noch wenig verwendet. Ein Grund dafür ist die mangelnde Brandsicherheit von Holz. Obwohl neue Konstruktionsmethoden und Brandschutzkonzepte in den letzten Jahren die Einsatzmöglichkeiten von Holz erweitert haben, stehen Architekten und Ingenieure immer noch vor Herausforderungen. Durch feuerhemmende Behandlungen kann das Brandverhalten von Holz- und Holzwerkstoffen deutlich verbessert werden.

Forschende des Fraunhofer WKI haben gemeinsam mit VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Norsk Treteknisk Institutt und Teknos Oy R&D feuerhemmende Beschichtungen für Innen- und Außenanwendungen auf Basis funktionalisierter MFC entwickelt. Diese sind in der Außenanwendung witterungsbeständig und in der Innenanwendung vorteilhaft für das Raumklima. Als Ausgangsmaterial für ihre Neuentwicklung verwendeten die Projektpartner den Naturstoff Zellulose in Form kleinster Fasern, den Mikrofibrillen.

„Für die Innenanwendung haben wir eine mehrschichtige Makrostruktur ähnlich der kanarischen Kiefernrinde konstruiert. Die MFC-basierte Mehrschichtstruktur ermöglicht eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit. Das ist positiv für die Luftqualität in Innenräumen. Für Außenanwendungen haben wir phosphorylierte MFC sowohl als Additiv in Holzlacken verwendet als auch direkt beim Polymerisationsprozess chemisch an das Bindemittel angebunden. Die Anbindung kann dem Auslaugen von Flammschutzmitteln bei Außenanwendungen entgegenwirken“, sagt Dr. Claudia Schirp, Projektleiterin am Fraunhofer WKI.

Den Forschenden ist es gelungen, MFC mit Phosphorverbindungen zu funktionalisieren. Der Feststoffgehalt der MFC konnte auf bis zu 25 Prozent erhöht werden. Eine Kombination von funktionalisierter mit unmodifizierter MFC verbesserte die Haftung auf dem Substrat Holz. Auch die Brandschutzeigenschaften konnten im Vergleich zum unbeschichteten Referenzholz verbessert werden. Das beschichtete Holz zeigte in Entflammbarkeitstests Selbstverlöschung und verzögerte Entzündung. Die besten Ergebnisse wurden in Kombination mit anorganischen Platten im Mehrschichtaufbau erzielt.

Für Außenbeschichtungen wurde die MFC im Bindemittel eingesetzt. Die Forschenden hatten Erfolg mit einem Ansatz über die Mini-Emulsionspolymerisationstechnik und konnten auf diese Weise eine sehr hohe Menge von 15 Prozent modifizierte MFC in das Bindemittel einbringen. Bei der Formulierung wurden MFC und modifizierte MFC sowohl als Additiv als auch mit chemischer Bindung an das Bindemittelpolymer eingesetzt und Lacke hergestellt.

Zum Vergleich und zur Verbesserung der Flammschutzleistung wurde eine konventionelle Intumeszenzmischung in ausgewählten Rezepturen ergänzt. Eine Einsatzmenge von 15 Prozent MFC im Bindemittel verringerte die Wärmefreisetzungsrate deutlich. Die Flammschutzleistung war auch nach einer dreimonatigen künstlichen Bewitterung unverändert nachweisbar. Die natürliche Bewitterung wird derzeit noch weitergeführt, da auch nach 17 Monaten noch kein Versagen in Form von Rissbildung aufgetreten ist.

Die im Projekt entwickelten Brandschutzbeschichtungen bieten der Bauindustrie die Möglichkeit, Holz in größerem Umfang auch für mittlere und hohe Gebäude einzusetzen. Der Holzbau bietet an sich schon Vorteile für das Raumklima. Mit einer raumklimatisch günstigen Brandschutzbeschichtung wird der Holzbau noch attraktiver. Um das Einsatzspektrum von Holz im Bauwesen weiter zu erhöhen, werden die Forschenden am Fraunhofer WKI weiter an umweltfreundlichen biogenen Flammschutzmitteln für Holzbeschichtungen arbeiten.

Förderung

Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Projektträger Jülich (PTJ).

Quelle: Fraunhofer WKI, Fotos: Arne Schirp / Fraunhofer WKI, Fraunhofer WKI