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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hirnholzelements sowie ein Hirnholzelement.
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Als Hirnholz werden quer zur Hauptfaserrichtung eines Baumstamms gesägte oder anderweitige abgetrennte Hölzer bezeichnet. Hirnholz weist somit einen vertikalen Faserverlauf auf, so dass der Querschnitt eines Baumstamms als Nutzfläche für die weiterführende Verwendung des Hirnholzes dient.
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Gegenüber Hölzern mit einer längs zur Hauptfaserrichtung verlaufenden Nutzoberfläche, die auch als Längshölzer bezeichnet werden, bieten Hirnhölzer verschiedene Vorteile. Zum einen weisen sie eine sehr hohe Härte und damit verbundene eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckbelastungen auf. Zum anderen erfüllen Hirnhölzer dekorative Funktionen, was insbesondere durch die Sichtbarkeit der Jahresringe begründet ist.
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Jedoch weisen Hirnhölzer in unbearbeiteter Form einige relevante Nachteile auf, welche auf Grundlage des bekannten Standes der Technik noch nicht überwunden werden konnten. Die Nachteile treten dabei insbesondere im Rahmen der Hirnholztrocknung auf, da das Holz in tangentialer Richtung stärker als in radialer Richtung schwindet. Folglich treten verstärkt Materialspannungen auf. Da das in der Nähe der Markröhre gebildete juvenile Holz weitlumig ist und über eine geringere Dichte als das übrige Holz verfügt, neigen insbesondere vollständige Hirnholzscheiben während des Trocknungsprozesses zu einem unerwünschten Reißen. Zudem besteht ein weiteres Problem darin, dass im Vergleich zu Längshölzern ein einfacheres Eindringen von Feuchtigkeit möglich ist. Dies ist auf die zwangsläufig stattfindende Durchtrennung der Kapillaren des Holzes zurückzuführen und bedingt einen erhöhten Aufwand für die Versiegelung des Holzes.
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Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, lediglich Hirnhölzer mit geringem Durchmesser zu verwenden, um insbesondere die Probleme bezüglich der auftretenden Risse zu reduzieren. Andere Ansätze sehen die Verwendung kleinflächiger Hirnholz-Abschnitte vor, welche zur Ausbildung eines Parkettbodens zusammengefügt werden. Soll ein vollständiger Hirnholz-Querschnitt bereitgestellt werden, so ist es bekannt, den Querschnitt spannungsmindernd einzuschneiden und anschließend zusammenzusetzen.
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In der Druckschrift
DE 24 21 446 C3 wird zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile zudem ein Verfahren zur Dimensionsstabilisierung von Holz, und dabei insbesondere von Hirnholz, dargelegt. Dabei findet eine Tränkung des Holzes in Polyalkylenglykol statt, woraufhin in das so behandelte Holz ein dampfförmiges Isocyanat eingebracht wird. Dieses diffundiert in die Holzzellwände und bildet mit dem dort enthaltenen Polyalkylenglykol ein wasserunlösliches Reaktionsprodukt. Nachteilig ist insbesondere die erhebliche gesundheitliche Bedenklichkeit, da Isozyanate die Zellmembranen menschlicher Zellen schädigen. Auch die Ausbildung von Rissen im Rahmen der Trocknung, welche die Verwendung einteiliger Hirnholzelemente mit großem Durchmesser unmöglich machen, vermag die beschriebene Lösung nicht zu verhindern.
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Unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Hirnholzelements bereitzustellen, welches kostengünstig durchführbar ist, das Reißen von Hirnholzelementen unterbindet und gleichzeitig die optischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften der hergestellten Hirnholzelemente nicht negativ beeinflusst. Daneben ist es die Aufgabe der Erfindung, ein mit diesem Verfahren hergestelltes Hirnholzelement bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hirnholzelements wird mittels einer Wässerungseinrichtung, einer Abtrenneinrichtung, einem Reaktionsbehältnis, einer Reaktionsflüssigkeit sowie einer Trockenkammer durchgeführt.
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Die Wässerungseinrichtung dient der Wässerung eines Baumstamms nach dessen Einschlag. Vorzugsweise liegt die Wässerungseinrichtung als ein Wassertank oder Wasserbehältnis vor, so dass der dort eingelagerte Baumstamm zuverlässig naß gehalten werden kann.
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Alternativ kann die Wässerungseinrichtung als eine Beregnungsanlage vorliegen, welche eine simultane Bewässerung einer Mehrzahl von Baumstämmen erzielen kann. Eine derartige Beregnungsanlage setzt sich üblicherweise aus mehreren Sprinklern zum Versprühen des Wassers zusammen.
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Die Wässerung verhindert ein Austrocknen und somit die Entstehung von Trocken- oder Schwindrissen in dem Baumstamm vor dem Einschnitt. Ferner verhindert die Wässerung das Eindringen von Außenluft sowie von Schädlingen.
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Die Abtrenneinrichtung wird zur Abtrennung eines Hirnholzausgangselements von dem Baumstamm verwendet. Die Abtrennung wird hierbei senkrecht zur Hauptfaserrichtung des Baumstamms durchgeführt, so dass das erhaltene Hirnholzausgangselement eine dem Baumstammabschnitt entsprechende Querschnittsfläche aufweist.
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Als Hirnholzausgangselement wird dementsprechend eine Hirnholzscheibe bezeichnet, welche zu Bearbeitungszwecken weitere erfindungsgemäße Verfahrensschritte zu durchlaufen hat. Die nach Abschluss des gesamten Verfahrens erhaltene Hirnholzscheibe wird als Hirnholzelement bezeichnet.
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Als Abtrenneinrichtung liegt vorzugsweise eine Säge vor, wobei aus dem Stand der Technik bekannte Arten von Sägen wie beispielsweise Kreissägen oder Bandsägen einsetzbar sind.
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Das Reaktionsbehältnis ist druckdicht ausgebildet und dient der Aufnahme einer Reaktionsflüssigkeit sowie des Hirnholzausgangselements zu dessen Beaufschlagung mit unterschiedlichen Drücken. Dabei wird die Beaufschlagung von Überdruck ebenso wie die Beaufschlagung von Normaldruck oder Unterdruck ermöglicht.
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Die Reaktionsflüssigkeit wird in den Reaktionsbehälter eingefüllt, so dass das Hirnholzausgangselement nach der Einbringung in den Reaktionsbehälter mit der Reaktionsflüssigkeit getränkt werden kann. Vorzugsweise findet als Reaktionsflüssigkeit ein hydrophiles Polymer Anwendung.
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In die Trockenkammer wird das Hirnholzausgangselement nach Entnahme aus dem Reaktionsbehälter eingebracht. Mittels der Trockenkammer werden Möglichkeiten zur Temperatur- und Unterdruckbeaufschlagung, alternativ der Kondensationstrocknung bereitgestellt. Nach erfolgter Entnahme aus der Trockenkammer liegt die Hirnholzscheibe im Ergebnis als weiterverarbeitungsfähiges Hirnholzelement vor.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hirnholzelements weist die nachstehenden Verfahrensschritte auf:
- a) Wässerung des Baumstamms mittels der Wässerungsvorrichtung,
- b) Abtrennung eines Hirnholzausgangselements von dem Baumstamm mittels der Abtrenneinrichtung,
- c) Einlegen des Hirnholzausgangselements in das mit der Reaktionsflüssigkeit gefüllte Reaktionsbehältnis,
- d) Beaufschlagung des Reaktionsbehältnisses mit einem Unterdruck und Durchführung einer Unterdruckphase,
- e) Beaufschlagung des Reaktionsbehältnisses mit einem Überdruck und Durchführung einer Überdruckphase,
- f) Beaufschlagung des Reaktionsbehältnisses mit einem Normaldruck und Durchführung einer Ruhephase,
- g) Entnahme des Hirnholzausgangselements aus dem Reaktionsbehältnis,
- h) Einlegen des Hirnholzausgangselements in die Trockenkammer unter formstabiler Festlegung,
- i) Beaufschlagung der Trockenkammer mit einer Trocknungsatmosphäre und Durchführung einer Trocknungsphase,
- j) Entnahme des weiterverarbeitungsfähigen Hirnholzelements aus der Trockenkammer.
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Im Verfahrensschritt a) erfolgt die Wässerung des Baumstamms mittels der Wässerungseinrichtung. In der Wässerungsphase nimmt der Baumstamm Wasser vorzugsweise bis zur maximalen Sättigung auf.
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Von dem Baumstamm wird im anschließenden Verfahrensschritt b) ein Hirnholzausgangselement abgetrennt. Dies geschieht mittels der Abtrenneinrichtung; vorzugsweise durch Sägen.
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Zur Durchführung des Verfahrensschrittes c) wird das erhaltene Hirnholzausgangselement in das mit der Reaktionsflüssigkeit gefüllte Reaktionsbehältnis eingelegt.
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Anschließend wird das Hirnholzausgangselement innerhalb des Reaktionsbehältnisses gemäß Verfahrensschritt d) mit Unterdruck beaufschlagt und die Unterdruckphase durchgeführt. In der Unterdruckphase findet die Beaufschlagung vorzugsweise für ca. 48 Stunden statt. Als Unterdruck im Sinne der Unterdruckphase wird ein Absolutdruck von 300 bis 900 mbar, vorzugsweise von 500 bis 700 mbar verstanden. Während der Unterdruckphase wird in den Zellwänden eingelagerte Luft und eingelagerter Sauerstoff abgeführt, so dass die Diffusion und somit der Austausch mit der Tränkflüssigkeit gefördert wird.
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Zur Einleitung der nachfolgenden Überdruckphase erfolgt die Beaufschlagung mit Überdruck in Verfahrensschritt e). Hierbei findet die Beaufschlagung vorzugsweise für ca. 72 Stunden statt, wobei als Überdruck im Sinne der Überdruckphase ein Absolutdruck von 1 bis 2,5 bar zur Anwendung kommt. Durch den Überdruck dringt die Reaktionsflüssigkeit unter Überwindung der Zellwände in das Hinholzausgangselement ein und lagert sich dort in die Ligninstruktur/Zellulosestruktur ein.
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Im Verfahrensschritt f) findet eine Beaufschlagung mit Normaldruck zur Durchführung einer Ruhephase statt. In der Ruhephase kann eine ungestörte Vernetzung der eingedrungenen Reaktionsflüssigkeit erfolgen. Die genaue Zeitdauer der Ruhephase variiert dabei je nach Anwendungsfall und ist entsprechend der äußeren Parameter zu wählen. Neben der Durchführung einer einzelnen, durchgängigen Ruhephase ist auch die Durchführung einer Mehrzahl separater, unterbrochener Ruhephasen erfindungsgemäß möglich.
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Nach der Entnahme des Hirnholzausgangselements aus dem Reaktionsbehältnis in Verfahrensschritt g) wird das Hirnholzausgangselement gemäß Verfahrensschritt h) in die Trockenkammer eingelegt. In der Trockenkammer wird das Hirnholzausgangselement formstabil festgelegt. Als formstabiles Festlegen wird verstanden, dass das Hirnholzelement so in eine Aufnahmevorrichtung eingelegt und dort festgehalten oder festgeklemmt wird, dass sich das Hirnholzelement nicht verziehen kann.
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Im Verfahrensschritt i) erfolgt eine Beaufschlagung der Trocknungskammer mit einer Trocknungsatmosphäre. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Unterdruckbeaufschlagung der Trockenkammer. Als Unterdruck wird hierbei ein Druckbereich von 300 bis 900 mbar, vorzugsweise von 500 bis 700 mbar Absolutdruck verstanden. Ferner wird eine vorzugsweise Wärmebeaufschlagung durchgeführt. Unter diesen Druck- und Temperaturbedingungen wird die Trocknungsphase durchgeführt, bei welcher Wasser und wässrige Anteile der Reaktionsflüssigkeit aus dem Hirnholzausgangselement herausgetrocknet werden. Vorzugsweise erfolgt eine Trocknung bis auf 8% Holzfeuchte. Alternativ kann die Trocknungsatmosphäre durch Kondensationstrocknung bereitgestellt werden.
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Zum Abschluss wird im Verfahrensschritt j) das weiterverarbeitungsfähige Hirnholzelement aus der Trockenkammer entnommen.
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Als von dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst wird es auch angesehen, sofern über die genannten Unterdruck-, Überdruck-, und Ruhephasen hinaus weitere deratigen Phasen zwischengeschoben sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehrere Ruhephasen appliziert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hirnholzelements weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
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Ein erster Vorteil besteht darin, dass Risse entlang des Hirnholzelements vermieden werden. Die Entstehung von Rissen betrifft insbesondere vollständige Scheiben aus Hirnholz und basiert auf den vorliegenden Oberflächenspannungen sowie auf der Tatsache, dass Holz im Allgemeinen in tangentialer Richtung stärker schwindet als in radialer Richtung. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann dieses Problem überwunden werden. Es können neue Anwendungsmöglichkeiten für Hirnholzelemente erschlossen werden.
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Der zweite Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die optischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Hirnholzelements nicht negativ beeinflusst werden. Dies ist insbesondere dadurch zu begründen, dass die unter Einflussnahme der Reaktionsflüssigkeit durchgeführte Modifizierung keine negativen Effekte für die Holzeigenschaften mit sich bringt.
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Die aus dem vertikalen Faserverlauf resultierenden Eigenschaften bilden einen weiteren, dritten Vorteil. Dazu zählen insbesondere eine hohe Druckfestigkeit und Härte sowie die daraus folgende hohe Belastbarkeit der Hirnholzelemente, welche diese für eine Verwendung als Bodenbelag oder zu anderen Zwecken im Innenausbau prädestinieren. Zudem weisen die Hirnholzelemente eine erhöhte Abriebfestigkeit auf, so dass sie auch in öffentlichen Bereichen problemlos einsetzbar sind.
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Als vierter Vorteil ist zu nennen, dass die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hirnhölzer deutlich geringere Quell- und Schwindmaße als die bislang bekannten Lösungen aufweisen. Das bedeutet, dass die für die spätere Verwendung erwünschte Dimensionsstabilität bei einem Hirnholzelement unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens sowohl bei Einwirkung von Feuchtigkeit als auch bei Einwirkung von Trockenheit gegeben ist.
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Ein fünfter Vorteil ist, dass mit Hilfe des genannten Verfahrens eine gleichmäßige und schonende Trocknung des Hirnholzelements erzielt wird. Dies wird insbesondere durch die Wahl der temperatur-, druck-, und zeitabhängigen Parameter der Trockung sowie durch die Beschaffenheit der eingesetzten Reaktionsflüssigkeit erreicht. Im Ergebnis wird somit eine reproduzierbare, zerstörungsfreie Trockung erzielt.
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Ein weiterer Vorteil besteht in den positven Eigenschaften für die Weiterverarbeitung, insbesondere durch geringe Faserausrissneigung und erhöhte Bruchstabilität der flächigen Hirnholzelemente.
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Letztlich ergeben sich zudem Vorteile bezüglich der dekorativen Eigenschaften, da die Hirnholzelemente als vollständige, einteilige Hirnholzscheiben auch in größeren Dimensionen wie 50 Zentimeter Durchmesser und mehr ohne Einschnitte oder dergleichen vorliegen. Dekorativ vorteilhaft ist es zudem, das bei den erfindungsgemäßen Hirnholzelementen die Jahresringe vollständig sichtbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die Reaktionsflüssigkeit als niedrigmolekulares, hydrophiles und nichttoxisches Polymer vor. Daraus ergeben sich insbesondere Vorteile bezüglich einer verbesserten Imprägnierwirkung des Holzes. Das eingebrachte Polymer verdrängt das im Holz vorhandene Wasser und vernetzt sich in der Zellstruktur des Holzes, so dass eine erhöhte Stabilität erreicht wird. Zugleich verhindert die Vernetzung ein Emittieren des Polymers. Da das genutzte Polymer nicht toxisch ist, wird eine gefahrlose Verwendung für sämtliche Anwendungsbereiche gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung umfasst zudem ein Hirnholzelement, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Hirnholzelement ist eine vorzugsweise vollständige, einteilige Hirnholzscheibe und weist eine vorzugsweise dem Baumstammquerschnitt entsprechende Querschnittsfläche auf.
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Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Das Ausgangsmaterial für die Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Hirnholzelements ist hierbei der Baumstamm einer Eiche. Dieser wird zunächst in einen Wassertank eingelegt und bis zum Beginn des nachfolgenden Verfahrensschrittes dort aufbewahrt.
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Anschließend wird mittels einer Blockbandsäge ein als vollständige Hirnholzscheibe vorliegendes Hirnholzausgangselement von dem Baumstamm abgetrennt. Die Abtrennung erfolgt dabei senkrecht zur Hauptfaserrichtung des Baumstamms.
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Daraufhin wir das Hirnholzausgangselement innerhalb eines Reaktionsbehältnisses in eine Reaktionsflüssigkeit eingelegt. Als Reaktionsflüssigkeit findet hierbei ein niedrigmolekulares, hyrophiles und nichttoxisches Polymer Verwendung.
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Nun wird das im Reaktionskessel befindliche Hirnholzausgangselement für eine Zeitdauer von 48 Stunden zur Durchführung der Unterdruckphase mit einem Absolutdruck von 600 mbar beaufschlagt. Im Rahmen der Unterdruckphase wird insbesondere der in den Zellwänden vorliegende Sauerstoff abgeführt, so dass eine verbesserte Einwirkung der Reaktionsflüssigkeit erzielt wird.
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In der darauf folgenden Überdruckphase wird das Hirnholzausgangselement für eine Dauer von 72 Stunden einem Absolutdruck von 1,5 bar ausgesetzt.
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Um eine optimale Vernetzung der Reaktionsflüssigkeit mit der Zellstruktur des Hirnholzausgangselements zu gewährleisten, wird in der Folge unter Beaufschlagung von Normaldruck von circa 1 bar eine Ruhephase durchgeführt.
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Nach der Entnahme des Hirnholzausgangselements aus dem Reaktionsbehältnis wird dieses in eine Trockenkammer eingelegt. Dabei wird das Hirnholzausgangselement in der Trockenkammer derart befestigt, dass ein Verziehen ausgeschlossen ist. Im anschließenden Verfahrensschritt wird das Hirnholzausgangselement in der Trockenkammer bei einem vorherrschenden Absolutdruck von 600 mbar und unter Wärmebeaufschlagung getrocknet.
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Abschließend wird das Hirnholzelement aus der Trockenkammer entnommen und kann einer weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Herstellung eines Boden- oder Stufenbelags, zugeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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