Befestigungselement, Beschichtung, Beschichtungsverfahren und Verfahren zum Verbinden von Werkstücken

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungselement, die Verwendung einer Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, der zum Eintreiben des Befestigungselements in ein Werkstück vorgesehen ist, ein Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, und ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Werkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements.

Befestigungselement beispielsweise in Form von Nägeln, Schrauben, Schraubnägeln, die auch als Serails bezeichnet werden, Klammern und dergleichen sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt.

Um dem Problem des Lösens von Befestigungselementen durch Arbeiten des Untergrundes, insbesondere Holz bei Feuchtewechseln, entgegenzutreten, wurden in der Vergangenheit Beschichtungen für Nägel, profilierte Nägel, Nagelschrauben bzw. Schrauben entwickelt, welche die Ausziehwerte dieser Befestigungselemente erhöhen und damit die Haltbarkeit einer mit solchen Befestigungselementen erstellten Verbindung verbessern.

Die DE 2201 496 A1 offenbart beispielsweise ein Befestigungselement aus Metall mit einem harten, glatten Überzug, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Befestigungselements und eine Beschichtung, die insbesondere zum Beschichten von Nägeln vorgesehen ist. Die Beschichtung besteht aus einer Kombination von zwei thermoplastischen Harzen, von denen eines, ein Car- boxylgruppen enthaltendes Ethylenco- bzw. terpolymer sowie ein Kolophonium ähnliches Harz umfasst. Das Ethylenco- bzw. terpolymer wird in heißen, flüchtigen, wässrigen Alkalien dispergiert und mit einem in organischen Lösemitteln gelösten Kolophonium versetzt und emulgiert. Das Befestigungselement wird durch Eintauchen in die Emulsion beschichtet. Die feuchte Beschichtung wird zur Härtung getrocknet, wobei Wasser und Lösemittel aus der Emulsionsbeschichtung entfernt werden. Die mit einer solchen Beschichtung versehenen Befestigungselemente sollen gegenüber unbeschichteten Befestigungselementen erhöhte Ausziehwerte zeigen.

Weiterhin ist aus der DE 40 28 133 C1 ein beschichtetes metallisches Befestigungselement in Form eines Nagels bekannt, welches für den Einsatz im Holzbau mit einer thermoplastischen, überwiegend aliphatischen Polyurethanbeschichtung im Wesentlichen vollständig beschichtet ist. Weiterhin ist offenbart, dass das metallische Befestigungselement eine Zinkschicht sowie eine Chromatumwandlungsschicht zur Steigerung der Korrosionsresistenz aufweisen kann. Mit Hilfe der thermoplastischen Polyurethanbeschichtung sollen auch hier die Ausziehwerte gegenüber unbeschichteten Nägeln verbessert werden.

Die DE 694 22 797 T2 offenbart ein Befestigungselement, beispielsweise in Form einer Klammer oder eines Nagels, das mit einer Beschichtung bedeckt ist, wobei die Beschichtung einhundertprozentig aus Feststoffen besteht. Bei den Feststoffen handelt es sich um Pulver aus thermoplastischem oder duroplastischem Material, wie beispielsweise einem Polyesterharz, einem Epoxidharz, Polyethylen oder Nylon. Polyesterharzbeschichtungen werden in Gegenwart von Beschleunigern, Flusssteuerungsmitteln, Dispersionsmitteln und oberflächenaktiven Mittel angewendet. Epoxidharzbeschichtungen enthalten aromatische Amine, Pigment, Kalziumkarbonat, Kalziumsulfat und Bisphenol A. Die Beschichtung erzeugt eine aufgeraute Oberfläche am Befestigungselement, durch welche die Haltekraft des Befestigungselements gesteigert werden, nachdem es in die Oberfläche eines Werkstücks eingetrieben wurde.

EP 2 540 781 B1 beschreibt ein metallisches Befestigungselement mit einer Beschichtung, bei der Füllkörper in ein Bindemittel eingebettet sind. Bei den Füllkörpern kann es sich um sphärische, hemisphärische, bevorzugt aber faserige Füllstoffe handeln. Als Bindemittel können im Prinzip sämtliche polymere Bindemittel eingesetzt werden, die sich zur Beschichtung von Befestigungselementen eignen. Dies sind insbesondere solche, die eine gute Adhäsion zur Metalloberfläche aufweisen. Neben dem polymeren Bindemittel kann die Beschichtungszusammensetzung ein organisches Lösemittel enthalten. Anstelle eines Lösemittels können auch polymere Verbindungen eines Reaktivsystems, wie z.B. 1-K oder 2-K Polyurethanvorstufen oder auch andere Mischungen, welche Polymerisationsreaktionen durchführen, eingesetzt werden. Die Erhöhung des Ausziehwertes wird auf die Füllkörper zurückgeführt. Dem polymeren Bindemittel wird nur die Aufgabe zugeschrieben, die Füllkörper an das Befestigungselement zu binden.

Die vorgenannten Lösungen sind nicht in jeder Hinsicht befriedigend.

Aus Sicht des Umweltschutzes sind Systeme, die organische Lösemittel enthalten, die zur Härtung der Beschichtung ausgetrieben werden müssen, als kritisch anzusehen, weil die organischen Lösemittel in die Umwelt gelangen können. Eine vollständige Absaugung und Rückgewinnung insbesondere leichtflüchtiger organischer Lösemittel wie Aceton, Ethylacetat usw., wie in EP 2 540 781 B1 aufgelistet, ist sehr energie- und kostenaufwendig. Harte Beschichtungen, wie sie in DE 2201 496 A1 beschrieben sind, neigen gerne zur Sprödigkeit. Ein Abplatzen wird nur dann verhindert, wenn die Anbindung an die Metalloberfläche hoch ist.

Eine aufgeraute Oberfläche wird als nachteilig angesehen, weil sie einerseits beim Eintreiben des Befestigungselements gegenüber einer glatten Oberfläche mehr Energie benötigt, andererseits das Werkstück, in die das Befestigungselement eingetrieben wird, in seiner Struktur stärker schädigt.

Die oben genannten Bindemittel für die Beschichtungen sind, bis auf Kolophonium, aus fossilen Ressourcen synthetisch hergestellte Bindemittel, die bei ihrer Produktion einen hohen Kohlendioxidausstoß verursachen. Sie sind zudem biologisch nicht abbaubar und entsprechen damit nicht mehr den Erfordernissen möglichst hoher Umweltverträglichkeit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives Befestigungselement, eine alternative Verwendung einer Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, ein alternatives Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements und ein alternatives Verfahren zum Verbinden zumindest zweierWerkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Befestigungselement, das zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, mit einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung beschichtet ist, bevorzugt ohne den Einsatz zusätzlicher Hilfsmittel in Form von Beschleunigern, Flusssteuerungsmitteln, Dispersionsmitteln, oberflächenaktiven Mitteln oder dergleichen. Die Erfinder haben erkannt, dass polymere Beschichtungen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der das Befestigungselement in ein Werkstück eingetrieben wird, durch die entstehende Reibung thermisch dahingehend aktiviert werden, dass sie insbesondere zu Holz eine hohe Klebkraft entfalten. Entsprechend werden Befestigungselement und Werkstück zusätzlich verklebt, wodurch die Ausziehwerte deutlich verbessert werden. Dank des Einsatzes einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung sind die Herstellung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes ebenso wie die Entsorgung, nach Entfernung der ferritischen Anteile, zum Beispiel im Rahmen einer industriellen Kompostierung umweltfreundlich.

Das Befestigungselement ist vorteilhaft ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer.

Bevorzugt ist die Beschichtung derart gewählt, dass sie den charakteristischen Ausziehwert beim Auszug aus Nadelholz im Vergleich zum unbeschichteten Befestigungselement um mindestens 10% erhöht.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Polymer ein bio-basierter Polyester.

Die Beschichtung weist vorteilhaft Polymilchsäure/Polylactid (PLA) und/ oder Polyhydroxyalkanoat (PHA) und/oder Polyhydroxybutyrat (PHB) und/oder Po- lyhydroxybutyrat-co-Valerat (PHBV) und/oder Polyhydroxysuccinat (PBS) und/oder thermoplastische Stärke auf oder besteht aus einem dieser Materialien oder aus einem Gemisch dieser Materialien. So kann es sich bei der Beschichtung um ein Gemisch aus einem Polylactid und thermoplastische Stärke, um ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxyalkanoate (PHA), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxybutyrat (PHB), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polybutylensuccinat (PBS), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxybutyrat co-Valeriat (PHBV), ein Gemisch von mindestens zwei Biopolymeren aus der Gruppe der bio-basierten und biologisch abbaubaren Polyester PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS mit oder ohne thermoplastischer Stärke oderein Gemisch aus mindestens drei Biopolymeren aus der Gruppe der bio-basierten und biologisch abbaubaren Polyester PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS mit oder ohne thermoplastischer Stärke handeln, um nur einige Beispiele zu nennen.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Befestigungselement im unbeschichteten Zustand Unebenheiten in Form von Gewindegängen und/oder Rillen und/oder Kerben und/oder aufgeprägten Erhöhungen und/oder Vertiefungen auf, wobei die Beschichtung diese Unebenheiten volumenbezogen zumindest zum Großteil, insbesondere vollständig verfällt.

Ferner schlägt die Erfindung vor, eine Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, der zum Eintreiben des Befestigungselements in ein Werkstück vorgesehen ist, zu verwenden, wobei es sich bei der Beschichtung um eine bio-basierte und biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt.

Das Befestigungselement ist bevorzugt ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer.

Die Beschichtung kann die zuvor bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften bzw. Zusammensetzungen aufweisen.

Zudem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements, bevorzugt in Form eines Nagels, einer Schraube, eines Schraubnagels oder einer Klammer, zumindest in einem Bereich des Befestigungselements, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, wobei es sich bei der Beschichtung um eine bio-basierte, thermoplastische und insbesondere biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt, welche die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften bzw. Zusammensetzungen aufweisen kann.

Die Polymere werden bevorzugt lösemittelfrei in Pulverform zur Beschichtung eingesetzt, wobei die Pulverpartikel insbesondere eine Körnung kleiner 500 pm und besonders bevorzugt eine Körnung kleiner 250 pm aufweisen.

Das Befestigungselement wird vorteilhaft bis an oder über den Schmelzpunkt des zur Beschichtung einzusetzenden Polymerpulvers erhitzt und anschließend so lange zumindest teilweise in das Polymerpulver getaucht, bis eine Schicht aus Pulverkörnchen an der Oberfläche des Befestigungselements anhaftet, die durch anschließende thermische Behandlung geglättet wird, insbesondere derart, dass mit bloßem Auge keine Körnung mehr zu erkennen ist. Auf diese Weise werden Oberflächenrauheiten vermieden, welche die zum Eintreiben des Befestigungselementes in ein Werkstück erforderliche Energie erhöhen.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Werkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Befestigungselement mittels eines Setzgerätes mit einer Mindestgeschwindigkeit von 20 m/s in die Werkstücke eingetrieben wird, um die Oberfläche der Beschichtung thermisch zu aktivieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist Figur 1 eine Vorderansicht eines Befestigungselementes im unbeschichteten Zustand und

Figur 2 eine Vorderansicht des in Figur 1 gezeigten Befestigungselementes im erfindungsgemäß beschichteten Zustand, wobei die Beschichtung durchsichtig dargestellt ist.

Die Figuren zeigen ein Befestigungselement 1 , das aus Metall hergestellt ist. Bei dem Befestigungselement 1 handelt es sich um einen Schraubnagel, der vorliegend einen Kopfabschnitt 2, einen sich an den Kopfabschnitt 2 anschließenden glatten Schaftabschnitt 3, einen sich an den glatten Schaftabschnitt 3 anschließenden Gewindeabschnitt 4 und eine am freien Ende des Gewindeabschnitts 4 angeordnete Spitze 5 aufweist, wobei der Gewindeabschnitt 4 und die Spitze 5 mit einer erfindungsgemäßen bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung 6 aus vorliegend PLA beschichtet sind, welche die gewindeartigen Vertiefungen des Gewindeabschnitts 4 vollständig ausfüllt.

Alternativ kann der Schraubnagel abweichend ausgeführt sein. Ebenso kann es sich bei dem Befestigungselement 1 auch um einen Nagel, eine Schraube, eine Klammer oder dergleichen handeln.

Zum Beschichten des Befestigungselementes 1 mit der Beschichtung 6 wird, um Polymerpulver an zumindest Teilen der Oberfläche des Befestigungselements 1 aufzusintern, die Temperatur des Befestigungselements bis nahe an oder über den Schmelzpunkt der Beschichtungszusammensetzung erhöht. Der Schmelzpunkt für PLA liegt je nach Type bei 145 - 180 °C. Die Temperaturerhöhung des Befestigungselements erfolgt durch Aufheizen, z.B. in einem Ofen, durch Heißluft, durch elektromagnetische Strahlung, wie z.B. Infrarotstrahlung, UV-Strahlung oder durch elektromagnetische Induktion. Das aufgeheizte Befestigungselement 1 wird so lange entweder in ein unbewegtes oder ein fluidisiertes Pulverbett (Wirbelbett) gehalten, bis an der Oberfläche Pulverpartikel anhaften. Anschließend wird das pulverbeschichtete Befestigungselement mit einem der oben genannten Heizverfahren nachgetempert, wobei die noch raue, pulverige Oberfläche zu einem glatten Überzug umgewandelt wird.

Alternativ zur Beschichtung in einem unbewegten Pulverbett oder einem Wirbelbett kann das Befestigungselement 1 auch elektrostatisch mit dem Pulver beschichtet werden. Auf die elektrostatische Beschichtung folgt eine thermische Nachbehandlung zu einer glatten Oberfläche unter Einsatz eines der oben genannten Heizverfahren.

In allen drei Fällen, also unbewegtes Pulverbett, Wirbelbett und elektrostatisches Beschichten, können den Polymerpulvern in geringen Mengen kleiner 5 Gewichtsprozent Pigmente beigefügt werden, die bei der thermischen Nachbehandlung und beim Glätten der Oberfläche in den Polymerfilm eingebunden werden und für eine Farbgebung sorgen.

Ziel ist es, eine möglichst glatte und ebene Beschichtung zu erreichen. Im Idealfall werden z.B. bei Schraubnägeln und Schrauben die Gewindegänge vollständig mit Polymer gefüllt und die Gewindekanten mit einer dünnen Polymerschicht überzogen, wie es in Figur 2 gezeigt ist, so dass das Gewinde nicht mehr zu erkennen ist und der Schraubnagel oder die Schraube im Gewindebereich einem glattschaftigen Nagel gleicht.

Die Polymerpulver haben eine Körnung kleiner 1500 pm, bevorzugt eine Körnung kleiner 500 pm und besonders bevorzugt eine Körnung kleiner 250 pm. Je kleiner die Körnung, desto homogener die Beschichtung. Statt einer Beschichtung mittels aufgesinterter und thermisch nachbehandelter thermoplatischer Polymerpulver können die Polymere auch als Lösungen oder in Form von Emulsionen und/oder Dispersionen auf die Befestigungselemente aufgetragen werden. Die Lösungsmittel werden aus der Beschichtung herausgetrocknet und es verbleibt eine der Pulverbeschichtung gleichwertige Beschichtung, welche die Auszugfestigkeit erhöht. Beschichtungen von Befestigungselementen zur Erhöhung der Auszugfestigkeit aus biobasierten und biologisch abbaubaren Polymeren, die nicht durch Aufsintern auf die Befestigungselemente 1 aufgebracht werden, sind deshalb ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die Beschichtung 4 dient zur Erhöhung der Auszugsfestigkeit des Befestigungselementes 1 in einem Zustand, in dem dieses in ein Werkstück eingetrieben ist. Die Erhöhung der Auszugsfestigkeit wird durch ein durch Reibung verursachtes thermisches Aktivieren der Beschichtung 4 während des Eintreibvorganges bewirkt, wodurch das Befestigungselement 1 zusätzlich mit dem Werkstück verklebt wird.

Das Befestigungselement 1 wird mit solchen Setzmitteln, z.B. Druckluft-, Gasoder Elektronagler appliziert, die eine ausreichend hohe Geschwindigkeit beim Setzen erzielen, die genügend Reibungswärme erzeugt, um die Oberfläche der Beschichtung anzuschmelzen oder zumindest zu erweichen. Als ausreichend hohe Geschwindigkeiten gelten Geschwindigkeiten oberhalb von 20 m/s. Bei diesen Geschwindigkeiten erreicht die Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Befestigungselements und der Matrix, z.B. Nadelholz, Temperaturen von größer 120 °C. Oberflächentemperaturen von 200 °C können mit Eintreibgeschwindigkeiten ab 25 m/s erreicht werden. Die hohe Klebkraft der Beschichtung nach dem Eintreiben des Befestigungselementes 1 in zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken zeigt sich in dem Faktum, dass beim Schertest von zwei mit PLA thermisch verklebten hölzernen Werkstücken der Bruch im Holz und nicht im Polymer stattfindet. Die freigelegte Oberfläche der Klebschicht ist mit Holzfasern bedeckt. Bei einer thermischen “Verklebung“ mit einem Polyolefin erfolgt der Bruch entlang der Verbindungsschicht zwischen einem der Werkstücke und der Klebefuge, wobei die Oberfläche keine Holzfasern enthält.

Bei Auszugsversuchen, bei denen Befestigungselemente 1 entlang ihrer Eintreibrichtung aus dem Matrixmaterial, z.B. Fichtenholz, herausgezogen wurden, wurde unerwarteter Weise eine Steigerung der charakteristischen Ausziehwerte nach DIN EN 14358:2016-11 von bis zu 80% bei Schraubnägeln (Tab. 2) und bis zu 154% bei Nägeln (Tabelle 4) im Vergleich zu dem jeweiligen unbeschichteten Befestigungselement 1 festgestellt.

Nägel und Schraubnägel (Serails) mit Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm wurden über die Länge des Gewindegangs mit Lösemittel haltigem DiamondCoating (DC) beschichtet, einer Füllkörper enthaltenden Beschichtung gemäß EP 2 540781 B1 von Raimund Beck Nageltechnik GmbH, Mauerkirchen, Österreich. Weitere Nägel und Serails wurden mit Polymerpulvern beschichtet. Dazu wurden die Nägel bzw. Serails in einem Ofen auf 240 °C aufgeheizt und in ein Wirbelbett, das jeweils das spezifische Polymerpulver enthält, getaucht. In Abhängigkeit von der Eintauchtiefe sintert das jeweilige Polymerpulver auf der Oberfläche an und bedeckt diese. Anschließend wurden die Nägel bzw. Serails im Ofen nachgetempert, bis die Oberfläche des thermoplastischen Pulvers einen gleichmäßigen homogenen und glatten Überzug gebildet hat. Die Polymerpulver sind:

• Polypropylen (PP) -Pulver Rowalit 690, Rowak AG, Klettgau-Griessen, Korngröße kleiner 500 pm

• Polystyrol (PS) -Pulver TS 120, Jackon AG, Wismar, Korngrößenverteilung 80 - 120 pm, Molekulargewicht (Mw) 240.000,

• Polymilcsäure (PLA) - Pulver, Coathylene GL2561 , Axalta Polymer Powders Switzerland Sari, Bulle, Schweiz, Korngröße kleiner 315 pm, im Durchschnitt 210 - 270 pm, Schmelzpunkt 165 - 180 °C.

• Polymilcsäure (PLA) - Pulver, NaturePlast PLHT 202, NaturePlast SAS, Ifs, Frankreich, gemahlen mit einer Wirbelstrommühle bei 12.000 U/rnin, Korngröße im Durchschnitt 288 pm, Schmelzpunkt 170 - 180 °C.

• Polyhydroxyalkanoat (PHA) - Pulver, NaturePlast PHI 003, NaturePlast SAS, Ifs, Frankreich, Schmelzpunkt 170 - 176 °C., Korngröße D50 17 pm, D90 45,61 pm.

• Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvaleriate) (PHBV) - Pulver, Nature- Matte 31 , MicroPowders, Inc., Tarrytown NY 10591 , USA, Schmelzpunkt 170 - 180 °C, Korngröße D50 7,5 - 10,5 pm.

Tab. 1 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm ² nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Schraubnägeln (Serails) mit einem Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 57 mm. Tabelle 1 Tabelle 2 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm ² nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Schraubnägeln (Serails) mit einem Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm sowie einer unbeschichteten Vollgewindeschraube Spax mit einem Durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 60 mm.

Tabelle 2

Tabelle 3 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm ² nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Nägeln mit folgenden Kennzahlen: Drahtdurchmesser 3,1 mm, Nagellänge 88 mm, gl.= glatt, rg.= Ringschaft, Bl.= blank, DC= DiamondCoating, GL=Coathylene GL2561 , schr.=Schraubenschaft, Fvz.=Feuer verzinkt.

Tabelle 3 Tabelle 4 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm ² nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Nägeln mit folgenden Kennzahlen: Drahtdurchmesser 2,5 mm, Nagellänge 45 mm bis 75 mm, rg.= Ringschaft, Bl.= blank, GL=Coathylene GL2561 , V4A=Edelstahl 1.4401.

Tabelle 4

Tabelle 5 zeigt die mittels eines Hochgeschwindigkeitspyrometers Metis H318, Sensortherm GmbH, an der Nageloberfläche gemessenen Maximaltempera- turen beim Einschießen. Im Versuchsaufbau wird in horizontaler Richtung 15 mm unter der Oberfläche ein 8 mm durchmessendes Loch an der Stelle durch ein Fichtenkantholz gebohrt, durch die später senkrecht der Nagel eingetrieben wird. Der Messstrahl des Pyrometers wird in das Loch ausgerichtet. Beim Passieren des Nagels durch das Loch wird die Oberflächentemperatur des Nagels gemessen. Es wurden Stahlnägel mit 4,6 mm Durchmesser, deren Kopf abgeschnitten wurde und Längen von ca. 80 mm aufwiesen, mit 6 bar Luftdruck (ca. 35 m/s) eingeschossen. Eine Nagelserie wurde mit schwarzem Polyolefinpulver (Polyethylen hoher Dichte, HDPE), eine weitere mit PLA (98,5 Gewichtsprozent) Coathylene GL2561 plus Schwarzpigment (1 ,5 Gewichtsprozent) beschichtet. Jeweils 6 Nägel beider beschichteter Nägel sowie eine unbeschichtete Referenz wurden eingeschossen und gemessen. Die Temperaturmessung des Pyrometers beginnt erst oberhalb von 119,9 °C, so dass niedrigere Temperaturen nicht erfasst werden. Die Temperaturkurven der beschichteten Nägel zeigen einen steilen Anstieg bis zu einer Maximaltemperatur und danach ein langsames Abflachen der Temperatur. Die Referenzmessungen an den unbeschichteten Stahlnägeln erreichten bei 6 Messungen nur dreimal Werte höher als 120 °C.

Tabelle 5

Aus Tabelle 1 ist zu ersehen, dass das Beschichtungsmaterial erheblichen Einfluss auf die Ausziehfestigkeit bzw. auf den charakteristischen Ausziehwert hat. Eine Beschichtung mit Polyolefin (Polypropylen) reduziert den charakteristischen Ausziehwert im Vergleich zu unbeschichteten Serails mit einem Außengewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 57 mm von 11 ,24 N/mm ² auf 8,04 N/mm ² , was einer Reduktion von ca. 28,5% entspricht. Eine Beschichtung mit Polystyrol erhöht den charakteristischen Ausziehwert geringfügig um ca. 7,3%, eine Beschichtung mit Polymilchsäure (PLA PLHT 202) hingegen deutlich um ca. 37,4%. Dieser Wert liegt auch um ca. 11 ,5% höher als die bislang in der Praxis eingesetzte Beschichtung (DiamondCoating).

Tabelle 2 zeigt den Vergleich von unbeschichteten und beschichteten Serails mit einem Gewinde-Außendurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm sowie einer unbeschichteten Schraube (Spax) mit einem Gewinde-Außen- durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 60 mm. Die charakteristische Auszugfestigkeit der Schraube liegt mit 14,49 N/mm ² im Vergleich zur unbeschichteten Serail (11 ,24 N/mm ² ) um ca. 29% höher. Eine Beschichtung mit PLA-Pulver (Coathylene GL 2561) bewirkt eine Steigerung der charakteristischen Ausziehfestigkeit gegenüber der unbeschichteten Serail um ca. 80% und übertrifft damit deutlich den Wert der Schraube sowie den der Beschichtung mit DiamondCoating (ca. 7%). Auch eine mit PHA-Pulver (NaturePlast PHI 003) beschichtete Serail übertrifft mit einer Auszugfestigkeit von 15,89 N/mm ² die (Spax) Schraube um knapp 10% und liegt um ca. 41 % über dem unbeschichteten Referenzwert.

Tabelle 3 zeigt charakteristische Ausziehwerte für unbeschichtete und beschichtete Nägel mit einem Durchmesser von 3,1 mm und einer Länge von 88 mm. Die Nägel sind entweder glattschaftig oder besitzen einen Ring- oder Schraubenschaft. Statt einer blanken Oberfläche können sie auch feuerverzinkt sein. Alle Beschichtungen, sowohl mit DiamondCoating als auch mit PLA- Pulver Coathylenen GL 2561 weisen charakteristische Ausziehwerte auf, die etwa doppelt so hoch liegen wie der Wert für unbeschichtete Nägel. Die charakteristischen Ausziehwerte von DiamondCoating und PLA unterscheiden sich nicht signifikant.

Tabelle 4 zeigt unbeschichtete und beschichtete Nägel mit einem Drahtdurchmesser von 2,5 mm und Nagellängen von 45 mm (25/45) bis 75 mm (25/75). Die Beschichtungen mit Coathylene GL 2561 erhöhen die charakteristischen Ausziehwerte um 24% bis 45%. Diese Aussagen gelten sowohl für Nägel aus Stahl als auch für Nägel aus rostfreiem Stahl (25/52 rg. V4A). Weiterhin ist aus Tabelle 4 zu ersehen, dass mit zunehmender Nagellänge die Standardabweichung (sdv) bei unbeschichteten Nägeln von 5,3% (25/45) auf 2,4% (25/75) abnimmt. Anders ausgedrückt, je kürzer die Nägel, umso größer die Streuung des charakteristischen Ausziehwertes bei unbeschichteten Nägeln. Bei mit PLA beschichteten Nägeln liegen die Streuungen über alle Längenbereiche zwischen 2,2 und 2,9.

Tabelle 5 zeigt, dass die Beschichtung mit einem Thermoplasten (HDPE, PLA) zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur auf ca. 200 °C beim Einschießen führt. In beiden Fällen wird der Schmelzpunkt (HDPE 135 °C, PLA 145 - 180 °C) überschritten. Betrachtet man die unpolaren Polyolefine Polyethylen und Polypropylen in ihrer Affinität zur polaren Holzmatrix als gleichwertig, so ist klar erkennbar, dass die Erhöhung der Auszugfestigkeit kein rein physikalischersondern ein physikalisch-chemischer Effekt ist, der von der Auswahl des Polymers abhängig ist.

Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Befestigungselementes 1 nur als Beispiel dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Vielmehr sind Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.