houtmodificatie wil de zwakkere eigenschappen van hout verbeteren zodat dit natuurlijke bouwmateriaal opnieuw kan concurreren met de niet-natuurlijke materialen. Nieuwe technieken om hout te modificeren staan volop in de belangstelling van publiek en industrie. de onverminderde vraag naar hout en onze zorg voor het behoud van bossen en tropische wouden zijn hiervan de oorzaak. in Wood Modification. Chemical, Thermal and Other Processes legt callum a.s. hill uit welke technieken worden toegepast.

Hout op maat

Bôke Tjeerdsma

Hout was één van de eerste materialen die de mens aanwendde om te bouwen. In de loop van de geschiedenis ontdekte hij ook andere bouwmaterialen, waardoor het aandeel van hout in de bouw verminderde. Hout ondervond ‘concurrentie’ van achtereenvolgens steen, ijzer, staal, beton, aluminium, kunststof en de nu vaak toegepaste composietmaterialen. Die concurrentie bood echter een steeds beter inzicht in de sterke en zwakke punten van hout ten opzichte van die andere materialen. Houtmodificatie wil nu de zwakke eigenschappen van hout verbeteren en zo het natuurlijke materiaal een handje helpen om de concurrentieslag met niet-natuurlijke materialen beter aan te kunnen. De redenen waarom we hout gebruiken zijn in de loop der eeuwen vaak veranderd. Tegenwoordig lijken we hout vooral te kiezen omwille van zijn esthetische waarde. Het is dan ook een belangrijk gegeven dat houtmodificatie de esthetische waarde van hout als een materiaal met een warme en natuurlijke uitstraling niet aantast. Niet alleen qua uitzicht maar ook qua toepassing gedraagt dit nieuwe type materiaal zich als gewoon hout. Bij de verwerking tot producten kan gemodificeerd hout iets anders reageren, maar het blijft be- en verwerkbaar als gewoon hout. Hout wordt vaak ook gekozen omdat het een flexibel materiaal is dat met relatief eenvoudige middelen kan worden bewerkt – zoals zagen, schaven, profileren, schroeven, lijmen of afwerken met een coating. Modificatie bewaart die gunstige eigenschap en verbetert ze zelfs nog. De industriële verwerking van gemodificeerd hout tot (bouw)producten hoeft daarom niet ingrijpend te worden gewijzigd.

Een hardnekkige misvatting is dat houtgebruik zal bijdragen tot een verdere ontbossing

Een andere reden om hout te blijven gebruiken – die nu al veel aandacht geniet maar in de toekomst nog belangrijker zal worden – is dat hout een hernieuwbare grondstof is. Bij een goed beheer van bossen wordt op een zodanige manier gerooid en voldoende hersteltijd gegeven voor hergroei dat het natuurlijke ecosysteem in stand wordt gehouden. Hout wordt daarom ook wel een CO2-neutrale grondstof genoemd, die niet verder bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Na de campagne van Al Gore zijn we ons allemaal nog meer bewust waartoe die kan leiden. Een hardnekkige misvatting is dat houtgebruik altijd zal bijdragen tot een verdere ontbossing. Bij goed gereguleerd en duurzaam bosbeheer kan juist het tegenovergestelde het geval zijn. Door een belangrijke economische betekenis aan het bos toe te kennen stijgt de kans dat het lokaal in stand wordt gehouden tegen de overige invloeden die ontbossing in de hand werken, zoals de bevolkingsdruk en oprukkende landbouwgronden.

Houtmodificatie biedt ook mogelijkheden om relatief laagwaardige houtsoorten te upgraden voor hoogwaardige toepassingen. Snelgroeiende houtsoorten hebben over het algemeen minder hoogwaardige eigenschappen dan bijvoorbeeld de zware tropische hardhoutsoorten. Door de open anatomische structuur van vele van die snelgroeiende houtsoorten zijn ze bij uitstek geschikt om te worden behandeld in een modificatieproces. Vooral de impregneerbaarheid van een houtsoort bepaalt of hij succesvol kan worden gemodificeerd. Snelgroeiende houtsoorten zijn uitermate geschikt om zowel in teelttechnische als economische zin in houtplantages te worden geteeld. De combinatie van snelgroeiende maar laagwaardige houtsoorten uit plantages met de nieuwe technieken die houtmodificatie ons biedt om hout te upgraden, kan geweldige mogelijkheden bieden voor de toekomst. Zo zou men aan de groeiende vraag naar hout kunnen voldoen zonder de druk op de natuurlijke bossen te veel te laten oplopen.

Waaruit bestaat houtmodificatie eigenlijk? Hout is opgebouwd uit een heleboel afzonderlijke cellen. De celwand bestaat op zijn beurt uit een soort matrix van voornamelijk drie bestanddelen: cellulose, hemicellulose en lignine. Dit zijn grote (bio)polymeren die een zeer specifieke verdeling in de celwand vertonen en onderling diverse fysische en chemische verbindingen hebben. Een groot aantal van de eigenschappen van hout wordt bepaald door het gedrag van die grote moleculen. Zo zorgt het relatief hoge aandeel lignine in de celwand – hoger dan bij vele andere plantsoorten – voor de specifieke sterkte en duurzaamheid van het hout. Daarom kunnen bomen veel ouder en groter worden dan de andere planten. De eeuwenoude sequoia’s met een hoogte van meer dan honderd meter in Noord-Amerika zijn hiervan een mooi voorbeeld.

Hout reageert steeds op wisselende vochtcondities in zijn omgeving

Vele zwakke punten van hout hebben te maken met de permanente eigenschap van hout om water op te nemen en ook weer af te geven. Hout reageert steeds op wisselende vochtcondities in zijn omgeving. Het vochtgehalte van hout verandert omdat een deel van zijn moleculen water aantrekt uit de omgeving tot een evenwicht is bereikt. De waterminnende hydroxylgroepen in de biopolymeren zijn verantwoordelijk voor die blijvende aantrekking van water. Het hout zwelt omdat dit water tussen de moleculen gaat zitten waardoor de celwand ‘uitzet’. Bij drogen gebeurt juist het omgekeerde. Hout blijft dus krimpen en zwellen. In het jargon heet het dat hout niet dimensiestabiel is. Bij een langdurig hoog vochtgehalte kan er nog een ander probleem optreden: hout kan biologisch worden aangetast door schimmels. De modificatie bestaat er dan in dat de wateraantrekkende hydroxylgroepen worden vervangen door waterafstotende groepen. Op die manier wordt een aantal houteigenschappen gelijktijdig verbeterd: het gemodificeerde hout trekt door de behandeling veel minder water aan en is daardoor in alle omstandigheden droger, het zwelt en krimpt minder en schimmels hebben minder kans om het hout aan te tasten. De hydroxylgroepen in hout kunnen worden veranderd door een scala aan chemische reacties waarbij verethering (bijvoorbeeld met furanen, N-methylolderivaten of epoxiden) en verestering (bijvoorbeeld met anhydriden) het meest worden toegepast.

Bij gemodificeerd hout worden enkele belangrijke basiseigenschappen van het hout veranderd door een principiële wijziging van zijn chemische (molecuul)structuur. Dit kan gebeuren door ofwel chemische stoffen in het hout in te brengen en die vervolgens te laten reageren met de houtstructuur (chemische modificatie), of door hout te behandelen bij hoge temperaturen (thermische modificatie). In beide gevallen is het resultaat een materiaal met een andere chemische structuur. Die technieken zijn principieel anders dan de klassiekere behandelingen van hout, zoals houtverduurzaming, waarbij eveneens stoffen worden ingebracht die zich aan het hout fixeren, maar die toxisch zijn voor houtaantastende organismen. Gemodificeerd hout werkt niet op basis van toxiciteit. Het is een materiaal dat in hoge mate inert is voor biologische aantasting.

Oorspronkelijk werden die behandelingen van hout, zoals reeds aangetoond, ontwikkeld om de duurzaamheid (weerstand tegen houtaantastende schimmels) te verbeteren. Tegenwoordig zien we steeds meer dat ook voor tal van andere redenen modificatiemethoden worden ontworpen. Het verminderen van het krimp- en zwelgedrag van hout kan immers ook een verbetering van de verlijming en het duurzaam functioneren van de coating (verf) op lange termijn bewerkstelligen. Het spreekt voor zich dat de belasting op de lijmvoeg of de verflaag drastisch wordt verlaagd als het krimp- en zwelgedrag van het materiaal met de helft of meer wordt gereduceerd. Men kan het hout ook behandelen om esthetische redenen, zoals kleur en uitstraling. Hout verkleurt onder invloed van uv-licht omdat dit licht de ligninemoleculen van het hout wijzigt. Door de moleculen waaruit het hout is opgebouwd te modificeren kan de verkleuring worden beperkt. Ook verbetering van de hardheid, slijtvastheid of bijvoorbeeld akoestische eigenschappen kunnen een doel zijn.

Bij thermische modificatie wordt gebruikgemaakt van warmte om de chemische structuur van het hout te veranderen. Thermisch gemodificeerd hout heeft een licht- tot donkerbruine kleur. Door kleurverschillen in het vroeg- en het laathout heeft het hout vaak meer tekening dan onbehandeld hout. De duurzaamheid van thermisch gemodificeerd hout varieert van duurzaamheidsklasse 1 tot 3 afhankelijk van het toegepaste proces en de houtsoort. Duurzaamheidsklasse 1 wil zeggen dat hout onder de zwaarste condities, zoals in natte grond, minimaal vijfentwintig jaar meegaat. Een houtsoort in de laagste klasse (klasse 5) is binnen de vijf jaar volledig aangetast door schimmels. Als gevolg van een thermische behandeling kan het krimp- en zwelgedrag van het hout met veertig tot vijftig procent worden gereduceerd. Het nadeel is dat alle thermische modificatiemethoden een verlies van mechanische eigenschappen van het hout veroorzaken. Er kunnen sterkteverliezen optreden die het gevolg zijn van kleine hoeveelheden zuur die tijdens de behandeling in het hout ontstaan.

Er zijn reeds verschillende commerciële initiatieven om thermisch gemodificeerd hout op de markt te brengen. Alle produceren onder een eigen patent. Hoewel het basisprincipe van alle processen hetzelfde is, is er een verschil tussen de diverse thermische methodes in de uitvoering van de thermische behandeling. Globaal zitten de verschillen in de hoeveelheid aanwezig water tijdens de behandeling (een hydrothermische versus een droogthermische behandeling), het aantal stappen waarin het proces wordt uitgevoerd en het medium waarin de warmteoverdracht plaatsvindt. Een voorbeeld is het PLATO-proces. Dit bestaat uit drie onderscheidende stappen: hydrothermolyse, drogen en curen van het hout. Eenvoudiger gezegd: koken, drogen en bakken. Hierdoor kan een PLATO-behandeling van hout, in vergelijking met andere thermische modificaties, bij een lagere temperatuur worden uitgevoerd. Afhankelijk van de houtsoort varieert de temperatuur van 165°C tot 185°C. De meeste andere methodes bestaan uit een éénstapsbehandeling. Eenvoudig gesteld bestaat die uit droging van het hout gevolgd door een belasting bij hoge temperatuur, uitgevoerd in één behandelkamer. Hierbij zijn temperaturen tot 240°C gangbaar. De verschillen tussen de processen bestaan voornamelijk uit de manier waarop zuurstof wordt geweerd tijdens de hogetemperatuurbelasting. Het weren van zuurstof en het overbrengen van warmte kunnen worden gedaan door rookgassen, waterdamp, (plantaardige) olie, stikstof of onder vacuüm. Aanwezigheid van te veel zuurstof bij dergelijke temperaturen zou tot te sterke afbraak van het materiaal leiden.

Technisch is het mogelijk om voor iedere toepassing hout op maat te fabriceren

Bij chemische modificatie worden de beoogde verbeteringen van houteigenschappen bereikt door het hout met chemische stoffen te behandelen. Met specifieke chemicaliën kunnen meerdere houteigenschappen tegelijk worden verbeterd. Technisch is het mogelijk om voor iedere toepassing hout op maat te fabriceren. Vele van de bekende chemische modificatieprocessen richten zich op de hydrofobiciteit (of de eigenschap om water af te stoten) van het hout. De bekendste vorm van chemische modificatie is het acetyleren. Bij die behandeling wordt hout behandeld met azijnzuuranhydride. Die stof reageert met het hout en zorgt ervoor dat het evenwichtsvochtgehalte verlaagt, de duurzaamheid verhoogt, de uv-resistentie toeneemt en dat het hout dimensiestabiel wordt. Ook een behandeling van hout met furanen levert gemodificeerd hout op met een verbetering van die belangrijke eigenschappen. In tegenstelling tot acetyleren heeft die behandeling met furanen een donkerverkleuring van het hout als resultaat. Een bijkomend positief aspect van furanen is dat die gewonnen worden uit reststromen van biomassa. Het hele product is dan uit biomassa vervaardigd zodat er geen fossiele grondstoffen meer nodig zijn.

Ook bij chemisch gemodificeerd hout zien we recent een sterke ontwikkeling in de richting van industriële productie. Naast gefurfuryleerd hout (Kebony en Visor wood van de fa. Kebony, Noorwegen), DMDHEU (Belmadur van BASF, Duitsland) en geacetyleerd hout (AccoyaTM van Titanwood, Nederland) zijn er nog tal van andere methoden die inmiddels op de markt zijn of er binnenkort zullen verschijnen. Andere vormen van chemische modificatie zijn nog in de ontwikkelings- of laboratoriumfase en nog niet commercieel verkrijgbaar.

Industriële exploitatie van houtmodificatie staat nog in de kinderschoenen, terwijl vele van de mogelijke modificatieprincipes al geruime tijd bekend zijn. De reden waarom juist nu houtmodificatie volop in de belangstelling staat, heeft zowel een technologische als een economische achtergrond. Die alternatieve materialen zijn enerzijds bedoeld om een technische oplossing te bieden aan de (natuurlijke) onvolkomenheden van hout (zoals wateropname, houtaantasting en het krimp- en zwelgedrag). Anderzijds zijn ze ook bedoeld als alternatief voor de huidige gebruikte materialen en houtsoorten, zoals tropisch hardhout of verduurzaamd hout, die om uiteenlopende redenen onder druk staan. Een veel gehoord geluid uit de industrie is dat de kwaliteit van het aangeboden hout en de beschikbaarheid ervan sterk teruglopen. De discussie over duurzaam bosbeheer en de zuigende werking van snel opkomende industrieën in Azië (zoals in China) hebben hierop een grote invloed. Een belangrijke vraag voor de nabije toekomst is dan ook: wat zal de prijsontwikkeling en het aanbod van deze nieuwe houtmaterialen zijn ten opzichte van de bestaande materialen en houtsoorten?

Om te eindigen richt ik nog graag even de aandacht op een initiatief van de provincie Friesland in Nederland. Het is een mooi voorbeeld van de mogelijkheden van en het steeds toenemende vertrouwen in gemodificeerd hout. De provincie heeft namelijk besloten om over de nieuw aan te leggen snelweg A7 rond Sneek twee houten verkeersbruggen van geacetyleerd hout te bouwen, en wel voor de zwaarste verkeersklasse. Dit betekent dat op meerdere aspecten het uiterste wordt gevraagd van dit materiaal. Naast de hoge eisen wat betreft mechanische eigenschappen zal het uiterste worden gevergd van de constructieve aspecten met betrekking tot fabricage en functioneren, de weerstand tegen de zware invloeden in weer en wind en de geschiktheid van het materiaal voor verlijming en coating. Ook het onderhoud en het behoud van het esthetische uiterlijk van dit ontwerp over de jaren is van groot belang. De vereiste minimale levensduur van die houten verkeersbruggen bedraagt tachtig jaar. In het ontwerp van de bruggen werd gebruikgemaakt van dubbel gekromde liggers van gelamineerd hout met een zeer grote dimensie. Nergens ter wereld zijn ooit houten bruggen van dit kaliber gebouwd. En de inschatting van het team van experts was dan ook dat die gecompliceerde houten constructie alleen kon worden gebouwd met gemodificeerd hout.

Callum Hill, Wood Modification. Chemical, Thermal and Other Processes. (Wiley, 2006).

Bôke Tjeerdsma is als houttechnoloog verbonden aan SHR Hout Research, Wageningen.