mini|hochkant=1.4|Verschiedenfarbige WPC-Dielen, teils mit schwach geriffelter Oberfläche mini|Holzfaser-Verbundwerkstoff mit holzähnlich strukturierter Oberfläche mini|Terrassenbelag aus WPC-Dielen
Als Wood-Plastic-Composites (WPC, für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (HKV), auch engl. für Holz(faser)-Polymer-Verbundwerkstoffe; auch Thermoplastischer Faserstoff (TPF), Holzkunststoff oder High-Tech-HolzMerkblatt Terrassendielen von TBHolz (KOHLWEY Handel & Dienst-Leistungen) in Zusammenarbeit mit Gesamtverband Deutscher Holzhandel e. V., Wiesbaden, www.holzhandel.de, abgerufen im Januar 2016) werden meist thermoplastisch verarbeitbare Verbundwerkstoffe bezeichnet, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holzfasern (Holzmehl), Kunststoffen und Additiven hergestellt werden.
Verarbeitet werden sie meist mit Verfahren der Kunststofftechnik (wie Extrusion, Spritzgießen, Rotationsguss), Presstechniken oder Thermoformverfahren.Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (Hrsg.): Studie „Wood-Plastic-Composites“ Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe. Band 28, Landwirtschaftsverlag Münster, 2006, ISBN 3-7843-3397-4.
Ähnlich wie bei Kunstharzpressholz werden Haptik und Eigenschaften von WPC-Produkten durch den hohen Kunstharzanteil bestimmt. WPC-Dielen empfinden meist die Oberfläche von natürlichem Holz nach, während bei Kunstharzpressholz die Maserung des verwendeten Holzfurniers sichtbar bleibt.
Definition und Klassifizierung Wood-Plastic-Composites sind naturfaserverstärkte Kunststoffe. International sowie je nach Zusammenhang wird der Begriff WPC oft etwas unterschiedlich gebraucht. WPC gehören innerhalb der Biowerkstoffe zu den Biokomposits.
Holz kann durch andere Pflanzenfasern (z. B. Kenaf, Jute oder Flachs) ersetzt werden, ohne die Materialeigenschaften erheblich zu verändern. Bamboo Plastic Composites (BPC) enthalten Bambusfasern. Oft werden diese Produkte ebenfalls unter dem Begriff WPC (Wood plastic composite) zusammengefasst.Alireza Ashori: Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive industries! Bioresource Technology 99 (11), 2008, , S. 4661–4667.Anatole A. Klyosov: Wood-plastic composites. John Wiley & Sons, 2007, ISBN 978-0-470-14891-4, S. 75.
Bestandteile Typischerweise bestehen WPC in Deutschland und Mitteleuropa aus einem Holzfaser- oder -mehlanteil von 50 % bis 90 % und einer Kunststoffmatrix aus Polypropylen (PP) oder weniger häufig aus Polyethylen (PE). Auf dem nordamerikanischen Markt dominieren WPC mit einem 50-prozentigen Polyethylen-Anteil. Mischungen mit anderen Kunststoffen und bio-basierten Kunststoffen sind technisch möglich, jedoch wenig verbreitet. Aufgrund der thermischen Empfindlichkeit des Holzes sind Verarbeitungstemperaturen nur von unter 200 °C möglich. Bei höheren Temperaturen kommt es zu thermischen Umwandlungen und Zersetzungen des Holzes.
Die Zugabe von Additiven optimiert spezielle Materialeigenschaften: Bindung zwischen Holz und Kunststoff, Fließfähigkeit, Brandschutz, Farbgestaltung und – besonders für Außenanwendungen – Witterungs- und UV-Schutz sowie Biozide zwecks Schädlingsbeständigkeit.
Eine neue Entwicklung auf diesem Sektor ist ein Gemisch aus Polyvinylchlorid (PVC) und Holzfasern zu je 50 %. WPC auf Basis thermoplastisch verarbeitbarer Duroplaste wie modifiziertes Melaminharz sind in der Entwicklung.
Eigenschaften LangzeitstudienNicole Stark, Laurent Matuana: Ultraviolet Weathering of Photostabilized Wood-Flour-Filled High-Density Polyethylene Composites. Michigan 2003. und Schadensfälle aus der Praxis haben gezeigt, dass WPC durch den UV-Anteil des Sonnenlichts, Feuchte- und Temperatureinwirkung sowie Pilzbefall geschädigt werden können.
Vorteile Vorteile des Werkstoffs gegenüber traditionellen Holzwerkstoffen wie Spanplatten oder Sperrholz sind die freie, 3-dimensionale Formbarkeit des Werkstoffs und die große Feuchteresistenz (siehe auch Dauerhaftigkeit und Gebrauchsklasse (Holzschutz)). Gegenüber Vollkunststoffen bieten WPC eine höhere Steifigkeit und einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Nachteile Gegenüber Schnittholz ist die Bruchfestigkeit vermindert. Dies wird häufig durch die Verwendung von Hohlprofilen mit etwas größerer Stärke (Dicke) ausgeglichen. Formstücke und Hohlprofile können zusätzlich mit verstärkenden Einlagen versehen werden.
Die Wasseraufnahme des unbeschichteten Werkstoffs sowie von Schnittflächen ist höher als bei massiven Kunststoffteilen oder Elementen mit Folien- oder Fließbeschichtung.
Umweltverträglichkeit
Die ökologische Bilanz von WPC-Terrassendielen wurde durch das Fraunhofer-Institut für Holzforschung und die Deutsche Bundesstiftung Umwelt untersucht. Insbesondere, wenn die Dielen lange genutzt werden und einen hohen Holzanteil sowie recycelte Grundstoffe (WPC oder Polyethylen) enthalten, ist die Ökobilanz von WPC besser als die von Tropenholz oder Kunststoff und gleichwertig mit einheimischen Nadelhölzern. Negative Auswirkung auf die Ökobilanz haben vor allem eine kurze Nutzungsdauer und ein hoher Kunststoffanteil."Terrassendielen aus WPC: Wie ökologisch ist dieser Werkstoff?", abgerufen am 21. Juli 2022
Richtlinien, Normung, Zertifizierung Zurzeit wird eine neue Norm für WPC in Europa ausgearbeitet. Die Norm mit der Bezeichnung: „EN 15534 Verbundwerkstoffe aus cellulosehaltigen Materialien und Thermoplasten (üblicherweise Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC) oder natürliche Faserverbundwerkstoffe (NFC) genannt)“ enthält mehrere Teile. Einige wurden bereits veröffentlicht:
DIN EN 15534-1:2014-04 Verbundwerkstoffe aus cellulosehaltigen Materialien und Thermoplasten (üblicherweise Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC) oder natürliche Faserverbundwerkstoffe (NFC) genannt) - Teil 1: Prüfverfahren zur Beschreibung von Formmassen und Erzeugnissen
DIN EN 15534-4:2014-04 Verbundwerkstoffe aus cellulosehaltigen Materialien und Thermoplasten (üblicherweise Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC) oder natürliche Faserverbundwerkstoffe (NFC) genannt) - Teil 4: Anforderungen an Profile und Platten für Bodenbeläge
DIN EN 15534-5:2014-04 Verbundwerkstoffe aus cellulosehaltigen Materialien und Thermoplasten (üblicherweise Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC) oder natürliche Faserverbundwerkstoffe (NFC) genannt) - Teil 5: Anforderungen an Profile und Platten für Wandbekleidungen
Weitere Teile befinden sich noch im Aufbau.
Terrassendielen Seit Ende 2007 gibt es unter dem Qualitätssiegel für Terrassendielen aus Holz-Polymer-Werkstoffen spezifizierte Qualitätskriterien für dieses Produkt. Das von der Qualitätsgemeinschaft Holzwerkstoffe e. V. (PDF; 547 kB) vergebene Qualitätszeichen berücksichtigt neben bestimmten Materialeigenschaften für Beständigkeit und Stabilität (Biegefestigkeit, Witterungsbeständigkeit, Formstabilität und Rutschfestigkeit) auch die Produktherkunft. Das Produkt ist für den Außenbereich vorgesehen. Für zertifizierte Produkte werden ausschließlich Holzfasern eingesetzt, die zu 100 % aus nachweislich FSC- oder PEFC-zertifizierter Forstwirtschaft stammen. Das eingearbeitete Polymer oder Polymergemisch darf keinen Recycling-Kunststoff enthalten.
Untersuchungen ergaben, dass geriffelte WPC-Terrassendielen in Längsrichtung weniger rutschfest sind als unstrukturierte Oberflächen. WPC-Dielen werden teils mit gebürsteten Oberflächen angeboten, die anfangs rutschfester waren als unbehandelte Oberflächen. Die Unterschiede glichen sich jedoch im Verlauf von 2 Jahren aus. Der Grund dafür liegt wohl in der Ansiedlung von Mikroorganismen, wie Schimmel- und Bläuepilzen, Grün- und Blaualgen.Katharina Plaschkies, Rico Emmler: Entwicklung von Prüfverfahren zur Charakterisierung der Algenbeständigkeit und Rutschfestigkeit von Terrassendielen und Gerüstbelägen aus Holz und WPC, enthalten in Tötigkeitsbericht 2012 (PDF-Datei), Institut für Holztechnologie Dresden gemeinnützige GmbH, April 2013. In: ihd-dresden.de
Herstellung WPC wird durch Verfahren verarbeitet, die in der Kunststoffproduktion gut eingeführt sind. Der weitaus größte Teil der WPC-Produktion erfolgt dabei mit Profilextrusion. Allerdings werden auch Spritzguss, Plattenpressen und Rotationsguss eingesetzt. In der Automobilindustrie werden Faservliesformteile eingesetzt.
Bei der Profilextrusion kann es ein Einstufen- oder Zweistufenprozess sein. Alle anderen Verfahren erfolgen zweistufig. Die erste Stufe des Zweistufenprozesses dient der Vermengung der Rohstoffe zu einem WPC-Grundstoff (oft als Granulat). In der zweiten Stufe wird die gewünschte Form erzeugt.
mini|hochkant=1.4|Anlage zur Extrusion von WPC-Dielen von Covema Profilextrusion Einstufige Verfahren Beim Einstufenprozess, auch Direktextrusion genannt, werden Holzpartikel und Kunststoffgranulat räumlich getrennt oder am gleichen Ort zur gleichen Zeit dem Extruder zugeführt. Der Kunststoff wird im Extruder vornehmlich durch Reibungswärme geschmolzen. Das Gemenge aus Holz und Kunststoff wird intensiv vermischt und durch das Werkzeug zu einem Profil extrudiert. Die Holzpartikel dürfen dabei eine Feuchtigkeitsobergrenze, die meist nicht über 8 % liegt, nicht überschreiten. Während des Extrusionsprozesses wird die Feuchtigkeit abgesaugt, so dass die WPC-Masse beim Verlassen des Werkzeugs Feuchtigkeiten von unter einem Prozent aufweist. Für Einstufenprozesse werden Planetwalzenextruder, konische, gegenläufige Doppelschneckenextruder eingesetzt, die die Aufgabe des intensiven Mischens und eines erforderlichen Druckaufbaus für das Extrudieren gleichzeitig erfüllen. Der wichtigste Einsatz nach der Menge sind Terrassendielen.
Zweistufige Verfahren Im zweistufigen Extrusionsprozess wird das Mischen, gegebenenfalls auch das Trocknen, sowie das Kompaktieren in einem Aggregat und das Extrudieren durch ein Werkzeug in einem anderen Aggregat durchgeführt. Beide können direkt gekoppelt oder räumlich und zeitlich getrennt sein.
Zum Mischen und Kompaktieren werden gleichlaufende, parallele Doppelschneckenextruder (Compounder), Heiz-Kühl-Mischer oder Pelletierpressen sowie Mahlverfahren eingesetzt. Die damit erzeugten WPC-Zwischenprodukte können als Rohstoff für die Profilextrusion, für den Spritzguss oder die Plattenpresstechnik eingesetzt werden. Für den Rotationsguss sind nur frei fließende, kunststoffbeschichtete Holzpartikel geeignet.
Compounder arbeiten kontinuierlich und erzeugen eine sehr homogene Mischung, können aber in der Regel nicht genügend Druck für eine Profilextrusion aufbauen. Der Druck verdichtet bereits die Holzmatrix. Die Verweilzeit im Compounder beträgt wenige Minuten. Die Mischung muss die Schmelztemperatur des Thermoplasten erreichen. Liegt diese Temperatur oberhalb von 160 °C, kann ein thermischer Abbau des Holzes beginnen. Compounder arbeiten kontinuierlich und es können geometrisch weitgehend einheitliche WPC-Pellets als Zwischenprodukt erzeugt werden. Üblich ist es auch, das WPC-Compound in der Schmelzephase in ein Extrusionsaggregat, wie einen Einschneckenextruder oder eine Schmelzepumpe, zu geben. Die erzeugten Pellets erlauben eine einfache und gleichmäßige Dosierung mit den üblichen Dosiereinrichtungen. Extrudierte Pellets haben Feuchtigkeiten unter 1 % und erleichtern die Weiterverarbeitung.
Heiz-Kühl-Mischer arbeiten diskontinuierlich. Im Heizmischer werden Holz- und Kunststoffpartikel gemischt und bis zum Schmelzpunkt des Thermoplasts aufgeheizt. Die Verweilzeiten im Heizmischer sind meist länger als im Compounder. Am Schmelzpunkt zieht der Thermoplast auf die Holzfasern auf und die WPC-Mischung wird in einen Kühlmischer überführt. Sie wird abgekühlt und grobe Agglomerate werden in kleinere Stücke aufgebrochen. Das WPC-Zwischenprodukt ist ein trockenes, nicht verdichtetes Granulat mit unregelmäßiger Kornform.