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Span- und Faserplatten - die modernen Holzwerkstoffe


Stahl, Beton, Glas, Aluminium und Kunststoffe sind charakteristische Werkstoffe der Moderne, demonstrativ verwendet an bedeutenden Bauwerken, unauffälliger aber auch sonst allgegenwärtig. Mit Holz als Naturstoff assoziiert man hingegen rasch altstädtisches Fachwerk oder antiquarisches Mobiliar. Hat dieses Material, das der Menschheit seit Beginn jeglicher Kultur in vielfältiger Form – vom Brennstoff bis zur Stradivari – nützlich war, in der Informationsgesellschaft ausgedient?

Betrachten wir beispielsweise das Umfeld des zeittypischen Instruments schlechthin, das eines Computers: Der Monitor steht auf einem Tisch, und damit häufig auf einer Platte aus Holzfasern. Die Möbel im Raum sind aus furnierten Holzplatten gefertigt, ebenso oft Tür und Fensterrahmen. Die Decke ist vielleicht mit Holzpaneelen wohnlich verkleidet, der Boden parkettiert. Das Papier des Computerhandbuchs und das für den Drucker sowie die Tapeten an den Wänden bestehen aus Zellstoffen, die aus Holz gewonnen wurden. Selbst der Tapetenkleister entstand aus Cellulose, ist also letztlich ein Holzprodukt.

Allerdings fertigt man die meisten der genannten Dinge nicht aus massivem Holz, sondern aus furnierten, folierten oder anderweitig beschichteten Holzwerkstoffen, also Materialien wie Sperrhölzern sowie Span- und Faserplatten. Kritiker bezeichneten sie zwar gleich nach ihrer Erfindung abfällig als künstlich zusammengefügte Holzmassen; und die Ansicht, nur gewachsenes Holz sei echt und damit wertvoll, die industriellen Werkstoffe hingegen minderwertig, ist auch heute noch verbreitet. In Wirklichkeit aber sind beide nur Spielarten eines Materials und ergänzen sich in zahlreichen Anwendungen.


Viele Vorzüge – problematische Anisotropie

Holz hat relativ geringes Gewicht; die Rohdichte variiert von Balsa zu Pockholz zwischen 0,1 und 1,2 Gramm pro Kubikzentimeter. Es ist dabei in Faserrichtung sehr fest. So hält einheimisches Nadelholz einem Zug von 80 bis 120 Newton pro Quadratmillimeter stand, eine Stahlprobe gleichen Gewichts lediglich 45 bis 85. Zudem läßt sich Holz mit relativ einfachen Mitteln bearbeiten und verbinden, seine Oberfläche vielfältig veredeln. Die Industrie kann bei der Entwicklung rationeller Techniken auf jahrhundertealte handwerkliche Erfahrungen und neueste Erkenntnisse unablässiger Forschung aufbauen. Aus Holz gefertigte Objekte sind einfach zu reparieren und nach Gebrauch zu entsorgen. Die verschiedenen Holzarten weisen Eigenheiten auf, die man bei unterschiedlichen Anwendungen gezielt nutzen kann. Sie haben durchweg sehr gutes Wärmedämmvermögen.

Des weiteren ist dieses Material weltweit vorhanden und steht – bei nachhaltiger Forstwirtschaft – auch künftig in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Allein in Deutschland wachsen pro Jahr 60 Millionen Kubikmeter nutzbares Holz nach, wovon derzeit etwa zwei Drittel eingeschlagen werden (pro Kopf also ein halber Kubikmeter). Hinzu kommt die gleiche Menge an importiertem Holz, vornehmlich in Form von Zellstoffen und Papieren.

Der Naturstoff hat freilich auch Nachteile: Er ist brennbar und kann von Mikroorganismen oder Insekten zerstört werden. Vor allem aber sind seine Eigenschaften entlang der drei Hauptachsen verschieden: Parallel zur Holzfaser, zum Holzstrahl und zur Zuwachszone unterscheiden sich Parameter wie Festigkeit, Quellvermögen und Wärmeleitfähigkeit. Besonders ausgeprägt ist die Anisotropie der Biegesteifigkeit; die Elastizitätsmodule der Hauptachsen stehen im Verhältnis 100 : 10 : 6.

Beim Trocknen schrumpft waldfrisches Holz unterschiedlich (in Faserrichtung kaum, aber radial um bis zu sechs und tangential gar um bis zu zehn Prozent), so daß daraus geschnittene Bretter sich verwerfen (Bild 1 links). Hinzu kommen Inhomogenitäten durch Jahresringe, Astansätze und andere naturbedingte Faktoren. Großflächige Tafeln lassen sich deshalb nur begrenzt herstellen; sie erfordern sorgfältiges Verleimen schmaler Bretter Kern an Kern und Splint an Splint (Bild 1 rechts).


Sinnvolle Entsorgung, optimale Verwertung

Selbst ein gut gewachsener Stamm läßt sich deshalb nur zu etwa 50 bis 70 Prozent beispielsweise zu Brettern, Balken oder Leisten verarbeiten. Es bleiben Verschnittreste sowie Säge- und Hobelspäne. Berücksichtigt man Wuchs- und Holzfehler sowie die beim Durchforsten des Waldes anfallenden Schwachhölzer, reduziert sich der für Sägeholzprodukte nutzbare Anteil an der nachwachsenden Holzmasse auf 30 Prozent. Gewerblich verarbeitetes Massivholz wird des weiteren durch Zurichten, Sägen, Drechseln, Bohren, Fräsen, Hobeln, Schleifen und andere Prozesse mitunter noch erheblich reduziert.

Allein in Deutschland fallen deshalb jährlich rund zwölf Millionen Tonnen solcher Reste und Abfälle an. Hinzu kommen etwa acht Millionen Tonnen gebrauchtes Holz.

Diese Menge wird teilweise energetisch genutzt, also verbrannt. Die meisten Holzbetriebe decken ihren Bedarf an Prozeß- und Heizwärme mit Produktionsabfällen, was ökologisch sinnvoll ist, weil man dadurch fossile Brennstoffe einspart. Freigesetzt wird dabei nur so viel Kohlendioxid, wie die Biomasse zuvor der Atmosphäre entzogen und gebunden hat (Bild 2). Doch lassen sich Rest- und Gebrauchthölzer auch stofflich verwerten, insbesondere für Papierfasern und Zellstoffe sowie für Span- und Faserplatten.

Anfang der vierziger Jahre war die Spanplatte bereits produktionsreif, doch erst der Mangel an Holz in der Nachkriegszeit förderte die Nachfrage – der Bedarf an Bauplatten und Möbeln konnte nur durch optimales Verwerten aller vorhandenen Ressourcen gedeckt werden. Nach wie vor ist Deutschland der weltweit größte Spanplattenproduzent mit derzeit etwa 9,5 Millionen Kubikmetern pro Jahr. Hinzu kommen etwa 1,5 Millionen Kubikmeter Faserplatten. Auch der angeschlossene Maschinenbau, die Klebstoffindustrie und die Möbelfertigung profitierten von dieser Entwicklung und erlangten Spitzenpositionen im globalen Wettbewerb.

Holzwerkstoffe fertigt man durch Zerlegen des Naturmaterials und Wiederzusammenfügen mit Bindemitteln: Aus Leisten und Stäben entstehen Tischlerplatten, aus dünnen Blättern wird Furniersperrholz, Späne und Fasern ergeben entsprechend benannte Platten. Im weiteren Sinne können auch das Leimholz und das Brettschichtholz diesen Werkstoffen zugerechnet werden.

Zumeist sind es also flächige Produkte, die etwa zu Kastenmöbeln oder Decken- und Wandelementen weiterverarbeitet werden. Es gibt aber auch geformte Faserwerkstoffe auf Holzbasis etwa als Innenverkleidung von Kraftfahrzeugen. Selbst klassische Bauteile wie Balken und T-Träger, zum Teil mit großen Spannweiten etwa für Hallendächer oder Brückenkonstruktionen werden aus dem Naturstoff gefertigt (Bild 4).

Durch Variation des Holzteils, des Bindemittels, der Materialstruktur und der Oberflächenbeschichtung ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe mit einstellbaren und dauerhaften Eigenschaften. Dafür gebe ich im folgenden einige Beispiele, möchte aber zunächst auf einen anfangs problematischen Umstand eingehen.


Gebanntes Risiko Formaldehyd

Span- und Faserplatten werden aus dem entsprechenden Holzmaterial nach Zugabe eines Bindemittels unter Druck und Wärme hergestellt. Es dominieren organische Klebstoffe, doch gibt es auch Plattenprodukte mit mineralischen Bindemitteln wie Gips, Magnesit oder Zement (Bild 3).

Seit Aufnahme der industriellen Produktion verwendet man bei Spanplatten für den Möbel- und Innenausbau Bindemittel auf der Basis von Harnstoff und Formaldehyd (UF-Harze). Der nachträglichen Abgabe von Formaldehyd in die Innenraumluft wurde zunächst keine Bedeutung beigemessen. Das änderte sich, als diese Platten immer häufiger verwendet und Gebäude gleichzeitig zum Wärmeschutz immer stärker abgedichtet wurden. In den siebziger Jahren gab es einige spektakuläre Beanstandungen, denn das in höherer Konzentration stechend riechende Gas wirkt stark ätzend auf Haut und Schleimhäute; konzentrierte Dämpfe können Lungenödem, Erbrechen, Kollaps und Magenperforation verursachen.

Seit 1980 ist die zulässige Ausdünstung von Bauspanplatten, seit 1986 die von allen Holzwerkstoffen und der daraus gefertigten Produkte gesetzlich beschränkt: Als unbedenklichen Grenzwert empfahl eine Expertenkommission des vormaligen Bundesgesundheitsamtes einen Teil Formaldehydgas pro zehn Millionen Teile Luft.

Die Holzindustrie nutzt deshalb zum einen neue Bindemittel mit reduziertem Anteil dieses Stoffes und zum anderen verbesserte Herstellverfahren. Platten, die den genannten Mindestanforderungen genügen, werden als zur Emissionsklasse E1 gehörig ausgezeichnet. Solche, die noch um mindestens die Hälfte weiter verringerte Emissionswerte haben, dürfen das Umweltzeichen "Blauer Engel" tragen.

Einige Hersteller bieten zudem mit dem formaldehydfreien Klebstoff PMDI verleimte Produkte an, deren Abgabe des gefährlichen Gases nur der von naturgewachsenem Holz entspricht. Emissionen von anderen Schadstoffen wie monomerem MDI treten auch unter ungünstigen Bedingungen nicht auf, wie vom Umweltbundesamt veranlaßte umfangreiche Untersuchungen ergeben haben. Auch diese Platten dürfen darum den "Blauen Engel" tragen.


Möbelbau

Noch vor gut 100 Jahren standen dem Tischler nur das Brett und das Furnier als Werkstoffe zur Verfügung. Die Herstellung voluminöser Möbelstücke aus Massivholz ist aber wegen dessen Anisotropie, die ja auch noch von Brett zu Brett variiert, recht aufwendig und bedarf großer Erfahrung sowie handwerklichen Geschicks.

Um rationeller fertigen wie auch größere Flächen gleichmäßig und rißfrei herstellen zu können, erfand man deshalb die Tischlerplatte. Sie besteht aus einer Mittellage aus Stäben oder Stäbchen, auf die beidseitig ein Furnier geleimt ist. Die gewachsene Struktur des Holzes wird so allerdings bewahrt; Festigkeiten und Bearbeitungsmöglichkeiten bleiben richtungsabhängig.

Erst die Span- und die Faserplatte erweisen sich als in der Plattenebene weitgehend isotrop, und ihre Deckschichten sind geschlossen. Mechanisches Bearbeiten wie Sägen, Bohren, Fräsen und Schleifen, das Veredeln der Oberfläche durch Beizen, Grundieren und Lackieren sowie das Beschichten mit Folien oder Furnieren lassen sich nun mit modernen Maschinen ausführen und sogar automatisieren.

Besonders bearbeitungsfreundlich ist die mitteldichte Faserplatte (Bild 3). Sie hat eine dichte und feine Struktur – runde Kanten und dekorative Ornamente sind somit möglich – sowie eine homogene und geschlossene Oberfläche, die sich sehr gut lackieren und folieren läßt. Solche Platten verwendet man deshalb vor allem für die Front von Möbeln, während Spanplatten beim Korpus dominieren. Ohne diese beiden Holzwerkstoffe wären die kostengünstige Fertigung und die Produktvielfalt in der Möbelindustrie nicht möglich gewesen.

Auch der Funktionalität waren sie förderlich, wie Labor- und Küchenmöbel zeigen. Diese werden vornehmlich aus Spanplatten hergestellt, die mit melaminharz-imprägnierten Dekorpapieren und Schichtstoffplatten, den sogenannten Laminaten, versehen sind.

Die Imprägniermittel sind Kondensationsprodukte des Melamins, einer stickstofforganischen aromatischen Verbindung, und Formaldehyd. Sie erhärten bei Temperaturen ab 100 Grad Celsius zu farblosen und äußerst stabilen Kunstharzen, die kaum mehr Formaldehyd ausgasen. Man nutzt sie bevorzugt als Tränkharze für Papierbeschichtungen, die mit beliebigen Mustern bedruckt oder auch erhaben strukturiert werden können.

Die Oberflächen sind zudem mechanisch, thermisch und chemisch äußerst beständig. Während Holz sich bei Temperaturen ab 200 Grad Celsius zu zersetzen beginnt, verträgt die Beschichtung einer Küchenarbeitsplatte mehr als 300 Grad Celsius, so daß man einen heißen Topf darauf abstellen kann. Auch aggressive Säuren und Laugen können ihr kaum etwas anhaben. All diese günstigen Eigenschaften zugleich weist kein anderes Material auf.


Bau und Innenausbau

Holzwerkstoffe werden seit mehr als vierzig Jahren als Baustoffe, zur Schall- und Wärmedämmung sowie für dekorative Decken- und Wandbekleidungen verwendet. Spanplatten haben in der Regel ein gutes Stehvermögen und eine gute Wärmedämmung, solche mit poröser Struktur absorbieren zudem Schall; leichte Röhrenspanplatten werden in Türen und Wandelementen eingesetzt. Leichte Faser- und Mineralwolleplatten sind als Dämmstoffe geeignet.

Ein relativ neues Produkt ist das oriented structural board (Bild 3). Es wird aus flächigen, langen Spänen – den sogenannten strands – hergestellt, die gerichtet in Lagen angeordnet sind. Dadurch ist die Platte bei geringem Gewicht besonders biegefest, etwa dem Sperrholz vergleichbar. In Nordamerika nutzt man diesen Typ häufig als bekleidendes, aussteifendes und tragendes Element. In Europa gibt es inzwischen vier Werke, die solche Platten für das Bauwesen und andere Anwendungen fertigen (siehe auch den folgenden Beitrag).

Außen an Gebäuden, im Dachbereich sowie in Küchen und Badezimmern sind Span- und Faserplatten öfter Nässe ausgesetzt als im Wohnbereich. Dafür sind spezielle Werkstoffe mit hoher Feuchtebeständigkeit erforderlich, unter anderem solche, deren organische Bindemittel selbst kochendes Wasser aushalten. Für tragende Bauteile gibt es auch mit Fungiziden behandelte Platten; sie werden aber in Mitteleuropa immer seltener verwendet, seit Feuchtigkeit vermeidende Konstruktionen den chemischen Holzschutz erübrigen. In tropischen und subtropischen Gebieten hingegen kommt man damit allein gegen Schlagregen, Schimmelpilze und Termiten nicht an; dort braucht man deshalb Platten mit mineralischen Bindemitteln, insbesondere Zement.

Schließlich eignen sich furnierte Holzwerkstoffe auch als Fußbodenbeläge für Innenräume. Holzparkett aus massiven Stäbchen muß nach dem Verlegen noch versiegelt werden; Fertigparkett aus industriell bereits oberflächenbehandelten Elementen bedarf hingegen keiner weiteren Bearbeitung und ist sogleich begehbar. Als Trägermaterialien der mehrschichtigen Produkte werden zumeist Spanplatten verwendet.

Seit einigen Jahren kommen zudem Laminatfußböden auf. Das sind dünne Span- oder Faserplatten mit melaminharz-imprägnierten Dekorpapieren oder dekorativen Schichtstoffplatten auf der Oberseite. Die Elemente werden schwimmend verlegt, also nicht fest mit dem Boden verklebt, und über Nut und Feder mit einem Klebstoff verbunden. Ordnungsgemäß verlegt, halten sie Jahre und Jahrzehnte, denn die Beschichtungen sind sehr verschleißfest.

Laminate lassen sich durch feuchtes Wischen leicht reinigen, und ihre glatten Flächen bieten Mikroorganismen und Tieren wie den Allergien auslösenden Hausstaubmilben keine Lebensräume. Solche Fußböden haben sich in gewerblichen Bereichen mit hohen hygienischen Anforderungen – insbesondere für Herstellung, Verarbeitung, Lagerung und Verkauf von Lebensmitteln oder Pharmazeutika – bewährt; sie eignen sich demgemäß auch für andere sensible Bereiche wie Arztpraxen und Kindergärten oder in der Privatwohnung für Küchen und Kinderzimmer.

Ökologische Vorteile

Moderne Werkstoffe und die Verfahren zu ihrer Herstellung sollen soweit möglich gesundheitsunbedenklich und umweltverträglich sein. Der Aufwand an Energie, Material und chemischen Hilfsmitteln in der Fertigung wie der für Entsorgung oder Recycling muß sich demgemäß in Grenzen halten, die der Gesetzgeber vorschreibt oder wissenschaftliche Untersuchungen empfehlen.

Holz ist in Holzwerkstoffen mit organischen Bindemitteln stets der dominierende Bestandteil. Der Anteil macht bei Span- und Faserplatten zwischen 90 und 95 Prozent der Gesamtmasse aus. Der relativ hohe Energieaufwand bei der Herstellung und der Zusatz synthetischer Bindemittel und Beschichtungsstoffe werden dadurch kompensiert, daß man als Rohstoffe geringwertige Schwachhölzer und Produktionsreste aus der Sägeindustrie verwendet; auch unbehandelte Althölzer wie gebrauchte Paletten und Packmittel lassen sich dafür nutzen. Holzwerkstoffe sind zudem, sofern sie keine Schutzmittel enthalten, zugelassene Brennstoffe für gewerbliche Feuerungsanlagen; damit kann die Holzwerkstoffindustrie ihren Bedarf an Prozeß- und Heizenergie überwiegend aus eigenen Produktionsresten und anderen Holzabfällen decken und so die Grundsätze einer Kreislaufwirtschaft erfüllen.

Mittlerweile ist auch eine stoffliche Verwertung solcher Produktionsabfälle, gebrauchter Span- und Faserplatten sowie damit hergestellter Möbel und Bauteile möglich, die mit UF-Harzen verleimt sind, weil sich diese unter Einwirkung von Wasser und Wärme wieder lösen. Das ist bei etwa 90 Prozent aller Holzwerkstoffe der Fall. Die Platten werden grob vorgebrochen und dann nach einem in unserem Institut entwickelten Verfahren in Späne beziehungsweise Fasern und Beschichtungsstoffe zerlegt. Zwei Werke wenden das Verfahren inzwischen großtechnisch an; in diesem Jahr rechnet man dort mit etwa 100000 Tonnen Recyclingmaterial.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1997, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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