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

Abstract

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 (1.4 mm) 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 215 N/mm² in compression and tensile tests) and stiffness (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 strength 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/mm² which 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. With an industrial scale decking product within reach, the regulatory situation was then analyzed in order to access markets with high purchasing power. The applicable test standards often refer to wood products but not high density bamboo, thus a separate test program was developed based on a number of European and Chinese product standards and guidelines. The decking boards were then tested in four categories (bending, surface, weathering, biodegradation) and compared with commercially available products. Both, the untreated and treated decking boards met bending requirements and outperformed the commercial product when exposed to long-term loads. Weak points of the heat treatment were the low resistance to weathering and the only moderate hardness. Furthermore, the effect of the heat treatment on the biological durability against wood-destroying fungi was investigated with monocultures and in ground contact (fungal cellar). In addition to a high abiotic mass loss, soft rot fungi caused up to 20 % mass loss and 61 % stiffness loss in the control group. Heat treatment at 180 °C reduced the mass loss after ground contact to 5 %. The stiffness loss was still about 50 % independent of the treatment temperature. Depending on the test method, the heat treated scrimber showed a quality range from very durable to moderately durable and cannot be recommended for use class 3 and 4 (exterior). Basidiomycetes slightly degraded the heat treated bamboo scrimber and can thus be classified as very durable for use classes 1 and 2 (indoor). Permanent exposure to water or sunlight should be avoided as long as no UV resistant surface finishing was applied. Despite those imperfections, a marketable product was in sight so that economic aspects were considered. A detailed production cost model was worked out and recommendations for marketing and pricing were discussed. In the context of Chinese scrimber manufacturers and substitution products such as WPC, tropical wood or thermowood, the African bamboo scrimber cannot compete on the market because of cost advantages but must be promoted through branding and quality strategies. This work has shown that heat treated highland bamboo can be used to fabricate a scrimber construction product on an industrial scale, but not yet fully complies with current export standards. However, the remarkable value-added potential of industrial processing in Ethiopia gives reason to push the development forward and implement it with a suitable private sector partner.

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 EUR 100 Millionen. 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 (0.005 m³) 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 (1.4 mm) bestimmt obwohl letztere schlanker waren. Für die Verarbeitung zu Bambus Scrimber wurden anschließend die Fasermatten (scrims) auf Dichte (0.66 bis 0.75 g/cm³), Faseranteil (29.83 bis 38.32 %), Festigkeiten (zwischen 50 und 215 N/mm² im Druck- bzw. Zugversuch) und Steifigkeit (21 kN/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 (3 h, 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 7 N/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. Nachdem ein Terrassenprodukt im industriellen Maßstab in Reichweite war, wurde die regulatorische Situation analysiert, um Zugang zu Märkten mit hoher Kaufkraft zu erhalten. Die geltenden Prüfnormen beziehen sich oft auf Holzprodukte aber nicht auf hochverdichtete Bambuswerkstoffe, weshalb ein eigenes Testprogramm auf Basis einer Reihe von chinesischen und europäischen Produktnormen und Richtlinien entwickelt wurde. Die industriell gefertigten Platten wurden in vier Kategorien (Biegelasten, Oberfläche, Bewitterung, biologischer Abbau) getestet und mit kommerziellen Substitutionsprodukten verglichen. Die Biegeeigenschaften sowohl der unbehandelten und behandelten Terrassendielen erfüllten die Anforderungen und waren bei Langzeitbelastung dem kommerziellen Produkt überlegen. Schwachpunkte der Hitzebehandlung sind die geringe Witterungsbeständigkeit und moderate Härte der Scrimberdiele. Des Weiteren wurde der Effekt der Hitzebehandlung auf die biologische Dauerhaftigkeit gegen holzzerstörende Pilze im Erdkontakt (Pilzkeller) und mit Basidiomyceten untersucht. Neben auffallend hohem abiotischen Abbau verursachten insbesondere Moderfäulepilze bis zu 20 % Masseverlust und 61 % Steifigkeitsverlust in der Kontrollgruppe. Während der Masseverlust nach Erdkontakt durch die Hitzebehandlung (180 °C) auf unter 5 % reduziert werden konnte, betrug der Steifigkeitsverlust unabhängig von der Behandlungstemperatur etwa 50 %. Abhängig von der Prüfmethode wies der hitzebehandelte Scrimber eine Qualitätsspanne von sehr bis mäßig dauerhaft auf und kann nicht ohne Weiteres für die Verwendung in Gebrauchsklasse 3 und 4 (Außenbereich) empfohlen werden. Die Inkubation mit Basidiomyceten verursachte nur geringfügigen Abbau weshalb alle Varianten für Gebrauchsklasse 1 und 2 (Innenraum) als sehr dauerhaft einzuordnen waren. Die Verwendung an Wasser- oder Sonnenlicht exponierten Stellen sollte für einen längeren Zeitraum unbedingt vermieden werden. Insgesamt zeigt sich dennoch, dass nach entsprechender Entwicklung einer Oberflächenveredelung ein marktfähiges Produkt in Aussicht steht. Deshalb wurde zuletzt ein weitreichendes Fertigungskostenmodell (COGM) erstellt und Empfehlungen für die Preisfindung und Vermarktung gegeben. Im Umfeld von chinesischen Scrimberherstellern und Substitutionsprodukten wie WPC, Tropenholz oder Thermoholz besteht der afrikanische Bambus Scrimber stellenweise, allerdings zeigte sich der Wettbewerb auf Kostenbasis aussichtslos und muss über Markenbildung und Qualität geführt werden. Grundsätzlich hat die Arbeit gezeigt, dass aus thermisch modifiziertem Hochlandbambus ein Bauprodukt auch für den Export auf industriellem Maßstab erzeugt werden kann, dieser die geltenden Standards aber nicht in Gänze erfüllt. Das bemerkenswerte Wertschöpfungspotenzial der industriellen Verarbeitung in Äthiopien gibt jedoch Anlass die Entwicklung voranzutreiben und mit einem geeigneten privatwirtschaftlichen Partner umzusetzen.