3. Emissionen aus Holz und Holzwerkstoffen

3.1 Emission von Formaldehyd

3.2 Formaldehydemission im Saunabau 

3.3 Emission von Isocyanaten 

3.4 Emission von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC)

3.5 Geruchsemissionen

3.6 Zusammenfassung

Die Emissionen an flüchtigen Inhaltsstoffen nehmen in der ersten Zeit rasch und mit zunehmenden Alter etwas weniger rasch ab und pendeln sich dann auf einem relativ konstanten Niveau ein. Sowohl die Höhe der Emissionen zu Beginn als auch der Grad der Abnahme der Emissionen ist vor allem von der verwendeten Holzart (Jensen et al. 2001) und ggf. von den eingesetzten Kleb- und Beschichtungsstoffen, aber auch stark von der Lüftungs- und Einbausituation abhängig. Ein hoher Luftwechsel begünstigt die Stärke der Abnahme. Verdeckte Materialien oder solche mit hoher Schichtdicke verursachen länger andauernde, persistente Emissionen, die zum Teil über mehrere Jahre erhöhte Raumluftkonzentrationen bewirken können.

Die möglichen Emissionen von Holz und Holzwerkstoffen werden allgemein auch auf www.wecobis.de/Baustoffinformation/Bauprodukte aus Holz beschrieben. Im Folgenden wird differenziert auf häufig verwendete Materialien mit und aus Holz eingegangen.

3.1 Emission von Formaldehyd

Die Emission von Formaldehyd aus Rohholz ist vernachlässigbar gering, größenordnungsmäßig liegt sie zwischen 0,002 (Eiche) und 0,009 ppm (Kiefer). Weitaus mehr Formaldehyd emittiert aus den in Holzwerkstoffen verwendeten Leimen (Schäfer und Roffael 2000).

Die am häufigsten verwendeten Bindemittel bei der Produktion von Holzwerkstoffen (z.B. Spanplatten) für Einrichtungsgegenstände und Bauplatten sind auf Grund ihres niedrigen Preises nach wie vor formaldehydbasierte Leime. In den letzten Jahren kamen Melaminharz-gebundene Leime als Alternativen für Holzwerkstoffe auf den Markt, die so wenig Formaldehyd abspalten, dass die damit verleimten Produkte in ihrer Emission mit Rohholz vergleichbar sind. Auf Grund von Wirtschaftlichkeitsüberlegungen werden diese allerdings noch nicht eingesetzt. Seit längerer Zeit werden für Holzprodukte auch Polyurethan-Kleber verwendet, bei deren Verwendung überhaupt kein Formaldehyd freigesetzt wird, die jedoch preislich teurer, bei der Verarbeitung nicht weniger toxikologisch relevant und bei der Herstellung nicht umweltfreundlicher sind.

Eine der Schwierigkeiten beim Einsatz von Formaldehyd enthaltenden Leimen ist vor allem, dass die Formaldehyd-Emissionen nicht wie bei den meisten anderen Substanzen kontinuierlich abnehmen. Die Formaldehydabgabe stellt sich stattdessen in einem Ausgleichszustand ein, durch welchen über Jahre eine annähernd konstante, nur äußerst langsam abnehmende Emission vorliegt. Vor allem in älteren aus Spanplatten hergestellten Fertigteilhäusern (Errichtung vor 1985) werden daher auch nach Jahrzehnten erhöhte Konzentrationen festgestellt (Tappler et al. 1996) und entgegen der gängigen Meinung, sind die Emissionen daher nicht „irgendwann einfach vorbei“. Auch Holzwerkstoffe, bei denen nach dem Bekanntwerden der Belastungen in den frühen Achtziger-Jahren des vorigen Jahrhunderts als Alternative formaldehydbasierter Harnstoff (UF)-Leim eingesetzt wurde, geben auch heute noch kontinuierlich Formaldehyd an die Raumluft ab, wenn auch in wesentlich geringerem Ausmaß. Die Intensität dieser Langzeitemission wird von Temperatur und Luftfeuchte im Raum beeinflusst.

Die Raumluftkonzentration an Formaldehyd ist generell seit Jahren rückläufig (Salthammer 2000). Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass der Median der Raumluftkonzentration an Formaldehyd in neu ausgestatteten Wohnungen bei ausreichender Belüftung üblicherweise bei Werten unter 0,05 mg/m³ liegt. In einer aktuellen Studie wurden 240 Räume in 120 Wohnungen ca. 3 Monate nach Bezug untersucht. Nur in 3 von diesen 240 untersuchten Räumen wurde der Richtwert von 0,1 mg/m³ überschritten (Median 0,034 mg). Nach 15 Monaten lagen alle Werte unter dem Richtwert mit einem Median von 0,026 mg/m³ (Tappler et al. 2014).

Tabelle: Anzahl der Richtwertüberschreitungen der Formaldehyd-Konzentrationen in Objekten mit Wohnraumlüftungsanlage sowie in Objekten mit ausschließlicher Fensterlüftung, Ersttermin (M1) und Folgetermin (M2), nach Tappler et al. 2014

Holzwerkstoffe werden für Innenräume zugelassen, wenn sie unter Normbedingungen der EN 717-1 (diese entsprechen einer Belegung von 1 m² Oberfläche pro m³ Raumvolumen und einer Luftwechselzahl von 1 h-1) eine Ausgleichskonzentration von nicht mehr als 0,1 ppm in der Prüfkammer aufweisen (E1-Platten). Derart hohe Luftwechselzahlen treten allerdings in der Praxis praktisch niemals auf – der Grundluftwechsel (Luftwechsel ohne Nutzereinfluss) in Räumen mit modernen, dichten Fenstern liegt in der Regel bei weniger als 0,05 h-1 . Bei gelochten oder geschlitzten Span- und MDF-Platten (Akustikplatten oder Lochung für Regalböden) erhöht sich die Formaldehydemission gegenüber unbearbeiteten Plattenwerkstoffen deutlich. In Wohnräumen wird bei Durchführung einer Raumluftmessung nach DIN EN ISO 16000-2 bzw. DIN ISO 16000-3 die Formaldehydkonzentration konventionsgemäß nach mindestens 8 Stunden Wartezeit bei geschlossenen Fenstern gemessen. Damit sollen die Nachtstunden, während derer kein Lüften zumutbar ist, simuliert werden.

Gegenläufig zur immer stärkeren Abdichtung von Räumen ohne Bereitstellung einer adäquaten Belüftung ist eine Tendenz zu geringeren Emissionen von Holzwerkstoffen durch den technischen Fortschritt in der Produktion zu beobachten. Der oben genannte Grenzwert für E1 Platten wird daher meistens deutlich unterschritten. Auch darf nicht vernachlässigt werden, dass es in dem Zeitraum nach dem Einbau bzw. der Verarbeitung von Platten zu einer weiteren signifikanten Abnahme der Emissionen kommt. Zusätzlich ist zu bedenken (dies erscheint ein nicht unwichtiger Faktor zu sein), dass in Wohnräumen und Büros für den Möbelbau in der Regel keine Rohspanplatten, sondern Melamin-beschichtete Produkte eingesetzt werden, die an den Außenflächen keine Formaldehydemissionen aufweisen.

In Ausnahmefällen kann in der Praxis dennoch der Fall eintreten, dass nach dem Einbau durchschnittlich emittierender geprüfter Holzwerkstoffe der Richtwert für Innenräume von 0,1 mg/m³ Formaldehyd überschritten wird. Dieser scheinbare Widerspruch ergibt sich aus den angewendeten Norm-Prüfbedingungen der EN 717-1. Erhöhte Konzentrationen findet man in der Praxis nahezu ausschließlich in Räumen ohne ausreichender Belüftung und am häufigsten bei zusätzlich höherer Beladung der Räume (> 1 m² Oberfläche Holzwerkstoffe pro m³ Raumvolumen) und Verwendung von Produkten mit stärker emittierenden Oberflächen (bspw. Lochungen, Schnittkanten etc.). Die Lüftungssituation und die Einbausituation sind daher von großer Bedeutung für die sich einstellende Formaldehyd-Konzentration der Raumluft.

Bei Holzwerkstoffen (Span-, Faser-, Sperrholzplatte, OSB, usw.) werden in Abhängigkeit des Einsatzzwecks, d.h. als tragender oder nicht tragender Bauteil im Trocken- oder im Feuchtbereich, unterschiedliche Leimsysteme eingesetzt. Die Feuchtebeständigkeit der Klebeverbindung unterliegt bei tragenden Holzbauteilen wie Brettschichtholz oder Brettsperrholz höheren Anforderungen. Für die Herstellung dieser Holzprodukte dürfen nur zugelassene Klebstoffe eingesetzt werden.

Folgende Übersicht zeigt den Formaldehyd-Emissionsgrad der bei Holzwerkstoffen eingesetzten Leimarten:

mUF … melaminverstärkter UF-Leim

Vertiefte Informationen zu Formaldehydharzen als Bindemittel in Holzwerkstoffen siehe auch „Formaldehyd – Eigenschaften, Verwendung, Regelung, Sanierung / Holzwerkstoffe als Quelle für Formaldehyd im Innenraum“.

Aufgrund der Erfahrungen und der Probleme, die formaldehydbasierte Leime in den vergangenen Jahrzehnten gemäß dem Dogma „hoher freier Formaldehydgehalt bedeutet hohe Reaktivität des Leimes und schnellere Aushärtezeiten“ verursacht haben, wurden in den letzten zwei Jahrzehnten in vielen Ländern Regulative erarbeitet, die dazu führten, dass Emissionen aus formaldehydbasierten Leimen reduziert werden konnten. Diese Errungenschaften stehen in direkter Beziehung zur Reduktion des freien Formaldehydgehaltes im Rohleim durch geschickte Variation des Molverhältnisses zwischen eingesetztem Formaldehyd und dem Amin (Harnstoff, Melamin). Heute weisen nur noch wenige Leimtypen aus technischen Gründen einen freien Formaldehydgehalt von über 0,1 Gew.% auf, jener Grenze, bei der der Hersteller Formaldehyd seit der Neueinstufung 2016 in einem Sicherheitsdatenblatt angeben muss und die auch die Einstufung des Leimes nach CLP zur Folge hat.

Die wichtigsten Regulative seit Einführung des E1 Richtwertes für Holzwerkstoffe in den 80er Jahren sind die E ½ (0,05 ppm) Kriterien, die oftmals von ökologischen Labels gefordert werden, die CARB II Kriterien, die seit 2017 in der gesamten USA gültig sind, nicht mehr nur in Kalifornien (0.09 ppm für Spanplatten, 0,11 ppm für MDF Platten), und auch die japanische F**** (F-Four Star Norm) mit 0,3 mg/l im Desiccatortest.

Im Kommen sind auch sogenannte ULEF Leime (Ultra-Low Emitting Formaldehyde, ca 0,05 ppm). Spezielle, bisher nicht am Markt befindliche formaldehydbasierte Leime weisen Emissionen auf, die im Bereich der Emissionen von Rohholz liegen, also bei 0,01 ppm und darunter. Der hierbei eingesetzte Scavenger ist dabei in der Lage, sogar holzeigene Formaldehydemissionen zu senken.

Schlussendlich ist auch erwähnenswert, dass es Bestrebungen gibt, gänzlich formaldehydfreie Leime und Harze (NAF-No Added Formaldehyde) zu erzeugen, jedoch haben diese Lösungen bislang einen deutlichen technologischen Nachteil und hinken in ihrer Performance (besonders im Wasser-Quelltest) den klassischen Leimen weit hinterher. In einigen Bereichen ist der Einsatz im Moment überhaupt nicht möglich.

3.2 Formaldehydemission im Saunabau

Der Einfluss hoher Temperatur auf die Formaldehydemission von Holz und Holzwerkstoffen wird beim Saunabau zu einem entscheidenden Kriterium für die Wahl des Baustoffs. Abgesehen von der forcierten Zersetzung nahezu aller Leime (auch Weißleim!) mit Ausnahme von PU-basierten Leimen ist hier auch die Neubildung von Formaldehyd aus Rohholz ab einer Temperatur von etwa 60°C zu nennen.

Folgende Übersicht zeigt das Emissonspotential bei Erhitzen über 60°C – ohne Berücksichtigung der Oberflächenbeschichtung (Tappler et al. 2010).

3.3 Emission von Isocyanaten

Polyurethan (PU)-basierte Kleber werden bei Plattenwerkstoffen, die als „formaldehydfrei“ bezeichnet werden, eingesetzt. Eine Abgabe von Formaldehyd aus derartigen Leimen ist – im Unterschied zu anderen Leimen – auch bei höheren Temperaturen nicht gegeben, wodurch sich PU-Leimen verklebte Platten für den Saunabau eignen. Untersuchungen zeigten, dass solche Platten mit bei Erhitzen sogar weniger Formaldehyd abgeben als Rohholz, da Zersetzungsprodukte aus dem Platteninneren auf Grund der gasdichten Leimschicht nicht an die Oberfläche gelangen können (Tappler et al. 2010).

Es stellt sich jedoch die Frage nach Emissionen anderer flüchtiger Substanzen. Die in der Produktion gesundheitlich relevanten Isocyanate (Monomere von Polyurethan) sind derartig reaktiv, dass sie nach der Verarbeitung als Emission nicht mehr analytisch nachweisbar sind, dies wurde durch zahlreiche Messungen bestätigt (Tappler 2018). Eine Exposition der Nutzer gegenüber erhöhten Konzentrationen an Isocyanaten bei Verwendung Polyurethan (PU)-basierter Kleber, wie dies mitunter befürchtet wird, ist daher nicht gegeben.

Die gesundheitliche Problematik von Isocyanaten liegt demnach im Bereich der industriellen Herstellung der Holzwerkstoffe. Obwohl monomere Isocyanate geringen Dampfdruck aufweisen, gelangen sie als Aerosole in die Atemluft. Man ist daher in der Vergangenheit bereits dazu übergegangen, polymere Isocyanate (z.B. pMDI) einzusetzen, bei denen dieser Effekt weitaus geringer ausfällt.

3.4 Emission von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC)

Intensität und Art der von Holzwerkstoffen emittierten Substanzen hängen von der eingesetzten Holzart ab. So emittieren Nadelhölzer vor allem Terpenkohlenwasserstoffe wie Alpha- und Beta-Pinen oder 3-Caren in höheren Konzentrationen und weitere geruchsintensive Terpene bzw. Terpenoide sowie Aldehyde in geringeren Konzentrationen (Wilke et al. 2012). Bei der Verarbeitung von Span- bzw. OSB-Platten entstehen durch zusätzliche Abbaureaktionen aufgrund der Verarbeitungsbedingungen (z.B.: Hitze) verstärkt geruchsintensive Aldehyde wie bspw. Hexanal. Nahezu alle Holzarten, hier verstärkt Laubholzarten, emittieren organische Säuren wie Essig- und Ameisensäure. Der Gehalt dieser VOC unterscheidet sich abhängig vom untersuchten Material bzw. bei Holzprodukten abhängig von der verarbeiteten Holzart und den Herstellbedingungen (Risholm-Sundman et al. 1998, Jensen et al. 2001). Zusätzlich unterscheiden sich die Emissionen von Proben unterschiedlicher Herkunft der Bäume stark, weiters ist auch die ursprüngliche Lage im Stamm (Splint- oder Kernholz) entscheidend für die sich einstellenden Emissionen (Wilke et al. 2012). Die Art des Leimes spielt bei der Emission von Terpenen praktisch keine Rolle.

Nadelholz gibt zumeist auf Grund seines hohen Extraktgehaltes höhere Mengen an Terpenkohlenwasserstoffen an die Innenraumluft ab, sodass Richtwerte für Innenräume besonders in der ersten Zeit der Nutzung nicht selten überschritten werden (RW I für bicyclische Terpene (Leitsubstanz Alpha-Pinen) = 0,2 mg/m³, RW II = 2 mg/m³). Besonders Kiefer und Zirbe emittieren verstärkt Terpene.

Bei OSB-Platten, die in der Regel aus Nadelholz gefertigt sind (abhängig von der Produktionsstätte und dem regionalen Holzangebot), können bei hohem Kieferanteil durch eine verstärkte Abgabe an Aldehyden in die Raumluft erhöhte Geruchsintensitäten auftreten. Es kommt in solchen Fällen auch zu deutlichen Überschreitungen gesundheitsbezogener Richtwerte (Schünemann und Thumulla 2004). Optisch völlig gleiche Platten des selben Herstellers können sich hinsichtlich ihrer Emission an Terpenen und Aldehyden stark unterscheiden (Wilke et al. 2012).

Laubholzarten wie Buche und Eiche enthalten zwar keine Terpene und kaum Aldehyde, es werden jedoch verstärkt organische Säuren, unter anderem Essigsäure und Ameisensäure emittiert (Risholm-Sundman et al. 1998). Diese Stoffe tragen zur Gesamtbelastung der Raumluft mit flüchtigen Stoffen bei und erhöhen das Risiko für gesundheitliche Beschwerden. Eichenholz und bestimmte exotische Holzarten können zusätzlich (meist unerwünschte) Geruchsstoffe an die Raumluft abgeben – beispielsweise verursachen Gerbstoffe .den typischen „Eichengeruch“.

Ähnlich wie bei Formaldehyd ist auch bei Terpenen, Aldehyden und weiteren Holzinhaltsstoffen die Lüftungssituation von entscheidender Bedeutung für die sich einstellende Konzentration in der Raumluft der betroffenen Räume. Bei ausreichendem Luftwechsel und Verwendung von abgelagertem, gut getrocknetem Holz nehmen die anfänglich oft hohen Konzentrationen an emittierten Stoffen sowie auch die Geruchsintensität in der Regel relativ rasch ab. Längerfristig erhöhte Raumluftkonzentrationen an VOC findet man in der Praxis fast nur bei Brettsperrholzplatten mit höheren Schichtdicken, in denen Kiefernholz (meist als Mittellage) eingesetzt wurde. Auch in Räumen mit großen Flächen an Eichenholz lassen sich mitunter über Jahre Gerüche in hoher Intensität nachweisen (Tappler 2018).

Tabelle: Anzahl der Richtwertüberschreitungen (bzw. Überschreitung von Auffälligkeitswerten) von bicyclischen Terpenen (Leitsubstanz Alpha-Pinen) in Objekten mit Wohnraumlüftungsanlage sowie in Objekten mit ausschließlicher Fensterlüftung, Erst- (M1) und Folgetermin (M2) nach Tappler et al. 2014 

Die Holzforschung Austria beschäftigte sich im Zuge eines international aufgestellten Projekts mit dem Emissionsverlauf in realen Wohngebäuden in Holzrahmen- und Massivholzbauweise. Dabei wurde in allen untersuchten Objekten nach Anfangs erhöhten VOC- Emissionen nach dem Einbringen von Böden und Möbeln eine rasche Abnahme der Emissionslevel über die ersten Monate des Bezugs beobachtet. Acht Monate nach dem Bezug erfüllten die untersuchten Räume die TVOC- Richtwerte für hygienisch noch unbedenkliche Innenraumluft (< 1000 µg/m³). Die Summe der detektierten Terpenemissionen unterschritt in 12 der 13 untersuchten Objekten bereits ab dem Einzug den Richtwert II für bicyclische Terpene von 2 mg/m³ und fiel ebenfalls innerhalb der ersten 8 Monate stark ab. Die medizinische Betrachtung der Gesundheit und des Wohlbefindens der Bewohner im untersuchten Zeitraum zeigte sowohl zu Beginn bei erhöhten Emissionen als auch über den gesamten Prüfzeitraum von mehreren Monaten keine negative Beeinflussung der Bewohner (Fürhapper 2017).

Folgende Übersicht zeigt die hauptsächlichen Emissionen an flüchtigen Substanzen der einzelnen am Bau eingesetzten Holzarten ohne Berücksichtigung von Oberflächenbeschichtungen und Leimen (zum Teil nach Risholm-Sundman et al. 1998; Wilke et al. 2001).

3.5 Geruchsemissionen

Geruch erzeugende Bestandteile des Holzes, wie z.B. Terpene, sind Teil der so genannten Extraktstoffe. Sie kommen nur in vergleichsweise geringen Mengen im Holz vor, sind vorwiegend organischen Ursprungs und chemisch gesehen äußerst unterschiedlich, ihnen allen liegt jedoch ein gemeinsamer chemischer Baustein, das Isopren, zugrunde. Die Variation der Terpene liegt einerseits in der Anzahl der Isopreneinheiten 2, 3, 4 etc. und andererseits in der Art der funktionelle Gruppen (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde etc.), woraus sich eine Vielzahl an Einzelverbindungen ergibt. Die harzig riechenden Duftstoffe aus Fichte, Kiefer und Lärche oder auch der aromatische Zederngeruch werden von vielen Menschen als angenehm empfunden. Unangenehm riecht hingegen nasskernige Tanne, da die Bakterienflora einen säuerlichen Geruch erzeugt. Ähnlich unangenehm kann – durch die vorhandene Gerbsäure – auch frisches Eichenholz riechen. Auch Holzarten wie Ulme oder Nuss verbreiten unangenehme Gerüche, allerdings nur im nassen Zustand. Ledergeruch geht von Teak aus, Okumé kann nach Essigsäure riechen, feuchtes Birkenholz riecht mitunter „muffig“ (Wimmer 2010).

3.6 Zusammenfassung

Zusammenfassend ist festzustellen, dass Holz und Holzprodukte, die unbestritten als „ökologisch“ eingeschätzt werden, auf Grund von holzeigenen Emissionen an flüchtigen Verbindungen (VOC und Formaldehyd) zu Überschreitung von Richtwerten sowie zu unerwünschten Geruchsbelastungen führen können und darüber hinaus mitunter auch die Gesundheit von Menschen in Innenräumen beeinträchtigen können. Das Auftreten überhöhter Emissionen ist stark von der Materialauswahl und der Verbauungssituation abhängig. Bei der Auswahl der Holzwerkstoffe sollte man daher das Augenmerk auf die Zusammensetzung (enthaltene Holzarten, Leimsystem) und die geplante Einsatzmenge richten. Bei sachgerechtem Einbau (dies bedeutet situative Vermeidung bestimmter Holzarten und ausreichende hygienische Lüftung) ist bei Einbau von Holz und Holzprodukten ein gesundheitliches Risiko nicht zu erwarten (Salthammer & Marutzki 2013).

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