Bestimmung von Terpenen mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie

Federführendes Institut HF Institut für Holzforschung

Erarbeitung der Grundlagen zur Entwicklung eines opto-sensorischen Messsystems zur produktionsnahen Bestimmung von flüchtigen Terpenen aus Holzprodukten

Holz ist ein beliebter und vielseitiger Baurohstoff, doch aus Holz und Holzprodukten treten zeitabhängig flüchtige Substanzen wie Terpene und Aldehyde aus. Weil bestehende Prüfverfahren langwierig sind, arbeiten wir an einer neuen Messmethode mittels Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR).

Hintergrund und Zielsetzung

Der verstärkte Einsatz von Holz als Baustoff bietet großes Potenzial zur Verbesserung der Klimabilanz im Bauwesen. Gleichzeitig führt eine verbesserte Dämmung und reduzierte Luftdurchlässigkeit in Gebäuden dazu, dass flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus Holzprodukten verstärkt in der Innenraumluft verbleiben können. Besonders Terpene, die in Nadelhölzern vorkommen, spielen dabei eine Rolle. Gemäß der derzeitigen Standardmethode zur Bestimmung von VOC (DIN EN 16516) dauert es 28 Tage, bis ein Messergebnis vorliegt. Eine Lagerung der hergestellten Produkte über einen derart langen Zeitraum ist wirtschaftlich nicht darstellbar.

Ziel ist es daher, eine effiziente Prozedur zu erarbeiten, die eine schnellere Qualitätskontrolle in der industriellen Produktion ermöglicht. Zum einen sollen Endprodukte schnell beurteilt werden können, zum anderen sollen bereits Rohstoffe (z. B. Schnittholz, Platten) und Zwischenprodukte (z. B. getrocknete oder beleimte Späne bzw. Strands) geprüft werden, um damit Rückschlüsse auf das Endprodukt ziehen zu können.

Zielgruppe

Industrie, Forschung

Vorgehensweise

In dem Forschungsvorhaben entwickeln wir eine produktionsnahe Methode basierend auf Nah-Infrarot-Spektroskopie und vergleichen deren Messwerte im Anschluss mit der standardisierten Kammermethode. Dabei wird untersucht, inwieweit eine zuverlässige Vorhersage von Terpenemissionen von Kiefernholz (Pinus sylvestris) möglich ist und welche Faktoren die Modellgüte beeinflussen. Besonderes Augenmerk liegt auf der Identifizierung der dominierenden Emittenten sowie auf der Frage, ob die Methode auch für heterogene Holzwerkstoffe geeignet ist.

Unsere Forschungsfragen

Lassen sich Terpenemissionen mithilfe von NIR-Spektroskopie vorhersagen?

Ergebnisse

Die Untersuchungen zeigten, dass die Nahinfrarot-Spektroskopie eine schnelle und zuverlässige Methode zur Vorhersage von Terpenemissionen aus Kiefernkernholz ist. Besonders für die dominierenden Stoffe α-Pinen und 3-Caren wurden robuste Modelle erstellt, die eine präzise Quantifizierung ermöglichen. Die Modellgüte wurde anhand des Bestimmtheitsmaßes (R²CV) überprüft, das für α-Pinen und 3-Caren jeweils bei 0,77 lag. Diese Werte bestätigten die Eignung der Methode für die emissionsanalytische Bewertung, insbesondere für die Modellierung einzelner Terpene. Die Analyse mittels Principal Component Analysis (PCA) identifizierte zudem klare spektrale Muster, die eine Differenzierung von Holzproben mit unterschiedlichen Emissionswerten ermöglichen.

Während sich die Methode für Vollholz als zuverlässig erwies, zeigte sich eine eingeschränkte Übertragbarkeit auf heterogene Holzwerkstoffe. Spektrale Variabilitäten und Transmissionseffekte erschwerten eine direkte Anwendung der Modelle, zudem war die Sensitivität der Methode bei niedrigen Konzentrationen begrenzt. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass die NIR-Spektroskopie eine vielversprechende Ergänzung zur Referenzmethode darstellt. Durch weitergehende Optimierungen, insbesondere im Bereich der Kalibrationsstrategien, könnte die Methode zukünftig auf ein breiteres Spektrum von Materialien und Substanzen ausgeweitet werden.