Industrialized bamboo in East Africa: Resource, production process and market entrance of a novel scrimber composite

英语. The presented work offers a research contribution to the promotion of the bamboo processing industry in East Africa. The trade deficit in wood products is growing steadily in the region and in the case of Ethiopia exceeded EUR 100 million. A structural analysis of the bamboo processing sector showed that there are promising prospects to develop an exportable building product based on bamboo scrimber. For this purpose, the native African highland bamboo was investigated morphologically, anatomically and mechanically, an industrial production process was developed and the technical product suitability for export as decking boards was tested. The raw material investigations showed that the merchantable volume of the single culm is rather small (0.005 m3) and the upper two thirds of the culm are better suited for processing due to its comparably constant inner and outer taper. The characteristic fiber density gradients were also found in highland bamboo and the anatomy of its vascular bundles and fiber cells were described. The fiber length (1.4mm) in node and internode was found equal,though the latter were slenderer. For processing into bamboo scrimber, the scrim strands were then examined and density (0.66 to 0.75 g/cm3), fiber content (29.83 to 38.32%), strength (between 50 and 215N/mm2 in compression and tensile tests) and modulus of elasticity (21 kN/mm2) were determined. As a presumed weak point in the composite material, it was found that nodes halve the bending and tensile strength, while compressive strength was not affected. Silica content was relatively low (<1.5%) regardless of location, altitude and age and was successfully reduced by simply washing the raw scrims. In contrast to other woody species highland bamboo was found well suited for processing to scrimber. A fabrication process was configured based on existing technologies and the production parameters were determined. A pre-selection of pressing temperature (130 °C), heat treatment of the scrim strands (3 h, 160 to 180 °C), adhesive (8 –12%, sprayed phenol resin) and additive (2% wax) was found to be promising. The wide variation of the results from the laboratory panels however made it necessary to investigate the effect of raw material variants and adhesive distribution. The influence of the height sections in the bamboo culm on internal bond and thickness swelling was negligible but the properties could be steered via layered adhesive concentrations. However, nearly all properties followed a strong correlation with specimen density and strongly overlapped other factors which made densification the most important influencing one. Industrially upscaled experiments have revealed additional challenges for the implementation phase: The specific pressure in the multi-daylight hot press must not exceed 7 N/mm2which is why the input moisture of the fiber must be kept below 5%. Conversely, industrial heat treatment and adhesive application must adopt this target, i.e. at least 180°C and not more than 10% resin. In addition to the temperature in the treatment chamber, the packing density of the fiber bundle mats was of particular importance...

德语. Die vorliegende Arbeit bietet einen Forschungsbeitrag zur Förderung der bambusverarbeitenden Industrie in Ostafrika. Das äthiopische Handelsbilanzdefizit im Bereich der Holzprodukte wächst stetig und lag zuletzt über EUR100Millionen. Eine Strukturanalyse des bambusverarbeitenden Sektors zeigte, dass es aussichtsreich ist ein exportfähiges Bauprodukt auf Basis von Bambus Scrimber zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde der afrikanische Hochlandbambus morphologisch, anatomisch und mechanisch untersucht, stufenweise ein industrieller Produktionsprozess entwickelt und die technische Produkttauglichkeit für den Export als Terrassendiele geprüft. Die Rohstoffuntersuchungen ergaben, dass das Gesamtvolumen des Halmes vergleichsweise gering ist (0.005m3)und die oberen zwei Drittel aufgrund der inneren und äußeren Form am besten für die Verarbeitung geeignet sind. Die charakteristischen exponentiellen Faserdichteverteilungen in der Halmwand wurden auch im Hochlandbambus gefunden und Anatomie der Gefäßbündel und seiner Faserzellen wurden beschrieben. So wurden Faserzellen in Nodium und Internodium mit gleicher Länge (1.4mm) bestimmt obwohl letztere schlanker waren. Für die Verarbeitung zu Bambus Scrimber wurden anschließend die Fasermatten (scrims) auf Dichte (0.66 bis 0.75g/cm3), Faseranteil (29.83 bis38.32%), Festigkeiten (zwischen 50 und 215N/mm2 im Druck-bzw. Zugversuch)und Steifigkeit (21kN/mm2) hin untersucht. Als mutmaßlichen Schwachpunkt im späteren Verbundwerkstoff zeigte sich, dass Nodien die Biege-und Zugfestigkeit halbieren während Druckfestigkeit nicht beeinträchtigt wurde. Der Silikatgehalt war gering (<1.5%) unabhängig von Standort, Höhenabschnitt und Alter und wurde durch einfaches Waschen des Rohstoffs weiter reduziert. Im Gegensatz zu anderen verholzten Bambusarten eignet sich äthiopischer Hochlandbambus sehr gut für die Verarbeitung zu Scrimber. Auf Basis existierender Technologien wurde deshalb ein Verarbeitungsprozess konfiguriert und die Produktionsparameter ermittelt. Als aussichtsreich wurden dabei die Presstemperatur (130°C), Hitzebehandlung der Fasermatten (3h,160–180°C), Klebstoff (8–12%, gesprühtes Phenolharz) und Additiv (2%Wachs) bestimmt. Die starke Streuung der Ergebnisse aus den Laborplatten machte es notwendig die Auswirkung von Rohstoffvarianten und Klebstoffverteilung zu untersuchen. Obwohl der Einfluss der Höhenabschnitte im Bambushalm auf Querzugfestigkeit und Dickenquellung zu vernachlässigen war, konnten die Eigenschaften über abgestufte Klebstoffkonzentrationen kontrolliert werden. Die Verdichtung der Platte zeigt sich aber mithin als wichtigster Einflussfaktor und überlagerte alle anderen Variablen. Versuche im Industriemaßstab haben zusätzliche Herausforderungen aufgezeigt: Der spezifische Druck in der Etagenheißpresse darf 7N/mm2 nicht übersteigen, weshalb die Eingangsfeuchte der Faser unter 5% liegen sollte (Dampfdruck). Im Umkehrschluss mussten deshalb die Ergebnisse der industriellen Hitzebehandlung und der Klebstoffauftrag kontrolliert werden. Im Industrieversuch stellte sich heraus, dass neben der Behandlungstemperatur in der Kammer vor allem die Packdichte der Fasermatten von Bedeutung ist...

中国人. 本研究可为促进东非竹加工产业发展作出研究贡献。木材产品的贸易赤字在东非地区正在稳步增长，其中，在埃塞俄比亚的贸易赤字已超过一亿欧元。通过对竹加工行业的结构分析表明，开发基于重组竹材料的可出口建材具有广阔的前景。本研究对非洲高原竹（African highland bamboo）的微观形态，解剖特性，及物理力学性能进行了分析，开发了一种工业化生产过程，并对其作为铺板（decking boards）出口产品的适用性进行了分析。通过对原料的研究表明，单根竹秆的商品材积较小，仅为0.005 m³，而竹秆上部三分之二处的竹子由于其内外锥度比较稳定，较适于加工。并对非洲高原竹的纤维密度梯度特征及其维管束和纤维细胞的解剖结构进行了分析描述。研究表明，非洲高原竹的竹节与节间纤维长度基本一致，约为1.4 mm，但后者的纤维更细长。并将非洲高原竹加工成重组竹，该重组竹的密度为0.66-0.75g/cm³，纤维含量为29.83 -38.32 %，压缩强度与拉伸强度为50 -215 N/mm²，刚度为21 kN/mm²。竹节作为复合材料的一个假定弱点，可使重组竹的弯曲强度和拉伸强度减半，而对材料的抗压强度影响较小。非洲高原竹的二氧化硅含量相对较低（小于1.5%），且不受地理位置、海拔与竹龄的影响，通过水洗疏解后的竹束，可成功降低竹束的二氧化硅含量。研究表明，与其他木质资源相比，非洲高原竹非常适用于重组竹加工。本研究在现有的重组竹加工工艺基础上，对加工工艺进行了设计，并确定了生产工艺参数。研究表明，较优的重组竹制备工艺如下：预热压温度为130 °C，竹束经160 -180 °C热处理3小时，喷涂8 -12 %的酚醛树脂胶黏剂及2 % 的蜡。然而，由于实验室制备的板材存在较大的结果偏差，因此有必要对原材料变化和胶黏剂分布的影响进行研究。竹秆的高度部分对重组竹的内结合强度和厚度尺寸膨胀率的影响可忽略不计，但重组竹的性能可通过分层胶黏剂的浓度来控制。然而，几乎重组竹的所有的性能都与试样的密度有很强的相关性，并且与其它影响因素有很强的重叠，这使竹材的致密化成为了影响重组竹性能最重要的影响因素。此外，工业上规模化放大实验揭示了具体实施阶段的挑战：多日光热压机的比压不能超过7 N/mm²，这就是纤维含水率必须保持在5 %以下的原因。相反，工业化热处理和胶黏剂的应用要求热压温度至少为180 °C，树脂含量不超过10%。除了处理室的温度，纤维束簇的包装密度也显得尤为重要...