The aim of this PhD project was to transfer the remarkable mechanical properties of compression wood to technical applications. Compression wood can be strongly deformed because of its high cellulose microfibril angle and allows permanent plastic deformation without significant damage. These special features of compression wood make this material particularly suitable for the three-dimensional processing of veneers. By applying advanced technologies high deformation levels were achieved. / Das Anliegen dieses Promotionsprojektes bestand in der Überführung der beachtenswerten mechanischen Eigenschaften von Druckholz in eine technische Anwendung. Druckholz kann aufgrund seines großen Cellulose-Mikrofibrillenwinkels stark verformt werden und erlaubt eine permanente plastische Verformung ohne signifikante Materialschädigung. Insbesondere diese Eigenschaften lassen Furniere aus Druckholz für eine dreidimensionale Verarbeitung geeignet erscheinen und führen unter Verwendung neuartiger Verformungstechnologien zu hohen Verformungsgraden.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden zwei Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Furniere entwickelt. Nach Verfahren 1 erfolgt die Herstellung von Furnier durch Messern von thermisch modifizierten Blöcken, wobei der Hauptanteil der Untersuchungen an längs gemesserten Furnieren durchgeführt wurde. Ein Industrieversuch belegt die Machbarkeit der Herstellung thermisch modifizierter Furniere aus modifizierten Blöcken durch quer messern, also nach dem üblichen Verfahren zur Herstellung dekorativer Furniere. Nach Verfahren 2 erfolgt die Herstellung von thermisch modifizierten Furnieren durch thermische Modifizierung handelsüblicher dünner Messerfurniere (d=0,5...0,6 mm). Parameter für eine thermische Modifikation sind im Wesentlichen die Dauer der Behandlung sowie die Temperatur. Die Temperatur wurde im Bereich zwischen 170°C und 210°C variiert, die Dauer der Hochtemperaturbehandlung zwischen 2 h und 4 h. Als Holzarten wurden Rotbuche, Ahorn, Birke, Pappel und Esche untersucht. Die hergestellten Furniere wurden hinsichtlich verschiedener mechanischer Eigenschaften, farblicher Eigenschaften sowie verarbeitungstechnischer Eigenschaften untersucht und bewertet.

Wood is a natural and renewable resource and, moreover, a most decorative and beautiful material. Most valuable logs are used for veneer production for optimum exploitation and utilization. Attractive wood veneers adorn any surface and is primarily used for furniture, yacht and automotive interior works. However, such application of wood veneer is limited to rather simply shaped carrier components due to the veneer’s mechanical restrictions. Previously, several approaches have been discussed to flexibilize wood allowing a greater deformation, but none approach has been entirely satisfactory. On that score, another veneer modification process has been suggested comprising a furfuryl alcohol impregnation to plasticize the wood veneer realizing enhanced veneer flexibility and mouldability (Pfriem and Buchelt 2011b). In the presence of a suitable initiator and promoted by elevated temperatures, furfuryl alcohol forms a very hard, insoluble polymer inside the wood cell walls. If polymerization is initiated as the impregnated veneer is moulded, the polymer is assumed to fix the gained shape. This thesis summarizes experimental work investigating the effect of furfuryl alcohol modification on maple veneer plasticization, shape fixation, and shape stability and the impact of various process parameters on material characteristics. Veneer samples impregnated with furfuryl alcohol exhibited an increased cell wall swelling, were notably softer than dry reference veneer, and showed an enhanced mouldability comparable to water impregnated veneer samples. Each characteristic is indicative for an increased plasticization. DSC studies were carried out to assess the influence of various initiator contents and ethanol dilutions of the impregnation liquid on the curing reactions and the retained polymer yield. Thereby, high initiator contents promoted a more rapid curing at lower temperatures with higher polymer yields, whereas higher dilution shifted the curing towards higher temperatures and possibly retard the curing resulting in lower polymer yields. The furfuryl alcohol polymer retaining inside the cell walls was proved to fix the achieved shape of veneer providing moreover enhanced shape stability at elevated temperatures and increasing moisture compared to unmodified reference veneer samples. According to these findings, furfuryl alcohol modification can be used for wood veneer plasticization and improved mouldability, shape fixation, and stabilization. However, material properties vary notably with changing process parameters. / Holz ist nicht nur eine natürlicher und nachwachsender Rohstoff, sondern vielmehr auch ein sehr dekoratives und schönes Material. Die wertvollsten Baumstämme werden daher häufig zur Furnierproduktion genutzt, um diese raren Stämme bestmöglich auszunutzen und zu verwerten. Besonders schöne Furniere schmücken jegliche Oberfläche und werden vorallem in der Möbelindustrie, sowie beim Yacht- und Autoinnenausbau verwendet. Jedoch ist die Anwendung aufgrund mechanischer Restriktionen auf eher einfach geformte Oberflächen und Trägerteile begrenzt. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, um den Einsatzbereich von Furnieren durch eine erhöhte Flexibilität und Verformbarkeit auszuweiten, jedoch ist keiner dieser Prozesse in allen Aspekten zufriedenstellend. Aus diesem Grund wurde von Pfriem und Buchelt (2011b) eine neue Methode vorgeschlagen. Hierbei sollen Furniere mit Furfurylalkohol imprägniert werden, um einerseits die Furniere zu plastifizieren und eine erhöhte Flexibilität und Umformbarkeit zu ermöglichen. Andererseits härtet Furfurylalkohol in Gegenwart eines geeigneten Initiators und durch erhöhte Temperaturen begünstigt aus und bildet in den Zellwänden ein hartes, weitestgehend unlösliches Polymer aus. Hierbei wird angestrebt, die Polymerisation zu initiieren, wenn das imprägnierte Furnier bereits umgeformt ist, so dass das entstehende Polymer das Furnier im umgeformten Zustand fixiert. Die vorliegende Dissertation fasst die erzielten Ergebnisse von Experimenten zusammen, die durchgeführt wurden, um die plastifizierende Wirkung von Furfurylalkohol auf Ahornfurniere sowie die formfixierende und stabilisierende Eigenschaft des ausgehärteten Polymers zu untersuchen und den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter auf erzielte Materialeigenschaften zu bestimmen. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch die Imprägnierung mit Furfurylalkohol ein Quellen der Zellwände verursacht wird und dass die getränkten Proben deutlich weicher sind als die Referenzproben und eine erhöhte Umformung aufwiesen. Diese erzielten Änderungen weisen auf eine deutliche Plastifizierung der Holzsubstanz hin. DSC-Analysen von Furnieren, die mit unterschiedlich zusammengesetzten Imprägnierflüssigkeiten auf Basis von Furfurylalkohol imprägniert wurden, belegen den Einfluss unterschiedlicher Initiatoranteile und Verdünnungen mit Ethanol auf die Polymerisation. Während höhere Anteile an Initiator eine rasche Reaktion bei niedrigeren Temperaturen und einen hohen Beladungsgrad hervorrufen, bewirken starke Verdünnungen des Furfurylalkohols mit Ethanol eine Verzögerung der Polymerisation und eine Verschiebung dieser zu höheren Temperaturen bei gleichzeitigen vergleichsweise geringen Beladungsgraden. Mit weiteren Versuchen konnte bestätigt werden, dass das Polymer des Furfurylalkohols in den Zellwänden die erzielte Umformung der Furniere fixiert und auch bei höheren Temperaturen und Luftfeuchten eine erhöhte Formstabilität bewirkt. Die Versuche haben gezeigt, dass Furfurylalkohol zur Plastifizierung und verbesserten Umformbarkeit von Furnieren sowie zu deren Formfixierung und Formstabilisierung genutzt werden kann, allerdings variieren die Materialeigenschaften mit unterschiedlichen Prozessparametern insbesondere mit unterschiedlichen Initiatoranteilen in der Imprägnierflüssigkeit.