Was ist verdichtetes Holz, dessen Festigkeit mit der von Stahl, Titanlegierungen und Kohlefasern vergleichbar ist?

Holz wird seit dem Altertum zur Herstellung von Möbeln, Häusern, Booten, den Rümpfen der ersten Flugzeuge und vielen anderen Gegenständen verwendet. Moderne Materialien wie Stahl, Beton oder Kunststoff haben es ersetzt, weil sie in Bezug auf Festigkeit und Härte viel besser waren. Doch heute wird die Leistung eines Materials auch nach seiner Umweltverträglichkeit beurteilt, und Holz ist der klare Sieger. Es steht also wieder im Mittelpunkt des Interesses, und die Wissenschaftler entdecken neue Wege, um seine Leistung zu verbessern. Dies ist der Fall Gruppe von Forschern der Universität von Maryland das ein Holz mit bemerkenswerten Eigenschaften hervorgebracht hat, das 12-mal stärker und 10-mal härter ist als vor der Behandlung, vergleichbar mit Stahl, Titanlegierungen oder Kohlefasern.

Entfernen eines Teils des Lignins und Pressen des erhitzten Holzes

Behandeln ist vielleicht nicht der treffendste Begriff, denn das Holz wird nicht mit einem anderen Stoff behandelt, sondern nur auf eine bestimmte Weise bearbeitet. Anders als Accoya oder Kebonybei denen das Holz mit verschiedenen Harzen behandelt wurde, um seine Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu erhöhen, Superholz - wurde einer teilweisen Delignifizierung unterzogen und anschließend gepresst.

Die wichtigsten Materialien, aus denen Holz besteht, sind Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Sie bilden die Holzzelle. Zellulose und Hemizellulosen bilden die Matrix, und Lignin imprägniert die Matrix, was dem Holz Steifigkeit, Gewicht und Farbe verleiht. Forscher der Universität von Maryland, die in der Vergangenheit auch transparentes HolzSie unterzogen das Holz einer teilweisen Delignifizierung mit Chemikalien und pressten es anschließend 24 Stunden lang, wobei das Holz permanent auf 65 °C erhitzt wurde.

Durch die teilweise Entfernung des Lignins wurde das Holz leichter und schwammiger. Durch den anschließenden Druck brachen die Zellwände zusammen, wodurch sich die Zellulosefasern verdichteten und neue, sehr starke Wasserstoffbrückenbindungen bildeten. Durch das Pressen wurden auch Fehler wie Hohlräume, verdrehte Fasern oder Äste beseitigt, und die Eigenschaften des Holzes wurden vereinheitlicht.

Es ist anzumerken, dass es den Forschern gelungen ist, den Grenzwert für die Delignifizierung zu finden, der zu einer bemerkenswerten Leistung des gewonnenen Materials führt. Ein höherer oder niedrigerer Prozentsatz an entferntem Lignin führt zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen, wobei das resultierende Holz viel schlechtere Leistungen aufweist. Dies ist auf die Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen, die sich bilden, wenn der Prozentsatz des in der Holzstruktur verbleibenden Lignins optimal ist.

Ein Holz mit neuen Eigenschaften, viel stärker und widerstandsfähiger

Das so entstandene Holz ist fünfmal dünner als ursprünglich, aber zwölfmal stärker und zehnmal härter. Aus diesem Material wurden Nägel hergestellt und in das Holz gehämmert, indem es leicht durch 3 Platten oder Messer, die dicke Rindfleischstücke schneiden, geführt wurde. Das Material wurde auch mit kugelförmigen Geschossen beschossen, die problemlos durch normales Holz gingen, aber das verdichtete Holz nicht durchdrangen. Der Test ist zu sehen hier.

Bei der Verwendung im Bauwesen ist Holz kritisiert dass es, obwohl es entlang der Faser sehr stark ist, nachgibt, wenn eine Kraft senkrecht zur Faser aufgebracht wird. Bei verdichtetem Holz ist die 10-fache Kraft erforderlich, um es zum Versagen zu bringen. Verdichtetes Holz ist genauso stark wie Stahl, aber 6-mal leichter. Die Forscher glauben, dass das neue Material für den Bau von Autos und Flugzeugen sowie im Bauwesen eingesetzt werden könnte - im Grunde überall, wo Stahl verwendet wird.

Die industrielle Anwendung der Methode würde die Verwendung schnell wachsender Arten mit sehr geringer Stärke und Härte ermöglichen, um ein sehr starkes Material herzustellen, das sowohl biologisch abbaubar ist als auch einen geringen Kohlenstoff-Fußabdruck hat. Dies würde sehr hochwertige, aber sehr langsam wachsende Arten schützen. In Verbindung mit einer ständigen Wiederaufforstung und einer nachhaltigen Ernte wäre dies eine sehr gute Möglichkeit, Hochleistungsmaterialien zu verwenden, ohne die Umwelt und die Gesundheit der Bewohner des Planeten zu schädigen.

Trotz hoher Widerstandsfähigkeit bleibt Wasser eine Schwachstelle

Da es kein perfektes Material gibt und Superholz hat eine Schwäche, nämlich seine Anfälligkeit für Wasser. Das neue Material verliert nicht die anerkannte Affinität des Holzes zu Wasser, und mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt nehmen seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften ab. Verdichtetes Holz muss daher vor Wasser und Feuchtigkeit geschützt werden, um seine besonderen Eigenschaften zu nutzen. Eine Methode, Wasser fernzuhalten, ist die Beschichtung oder Teilimprägnierung mit Ölen. Diese Methode stammt aus der Vergangenheit, als man Boote mit Öl oder Teer, der durch Erhitzen von Holz bei hohen Temperaturen gewonnen wird. 

Aber die Affinität zu Wasser ist für den biologischen Abbau von Holz nützlich. Gegenwärtig wird gefordert, zunehmend biologisch abbaubare Produkte zu verwenden, die die Umwelt langfristig nicht schädigen. Holz ist ein solches Material, aber es braucht Wasser, um sich abzubauen. Deshalb muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Feuchtigkeitsbeständigkeit und Feuchtigkeitsaffinität gefunden werden.

Im 21. Jahrhundert scheint es um Holz zu gehen

Obwohl das erste verdichtete Holz bereits vor mehr als fünf Jahren hergestellt wurde, haben die Forschungsergebnisse noch nicht das industrielle Niveau erreicht. Aber das ist ein Prozess, der Zeit und Investitionen erfordert, und die Forschergruppe hat bereits einige Kontakte geknüpft. Es wird sicherlich so weit kommen, denn das 21. Jahrhundert scheint das Jahrhundert des Holzes zu sein. Das Aufkommen neuer und neuartiger industrieller Produkte, die zunehmend in der Bauindustrie eingesetzt werden, zeigt den Wunsch, Holz zu einem möglichst leistungsstarken Werkstoff zu machen. Und Superwood ist ein solcher Werkstoff.

Um jedoch weiterhin in den Genuss von Holz und seinen besonderen Qualitäten zu kommen, brauchen wir eine nachhaltige Waldbewirtschaftung, eine dauerhafte Aufforstung und Lösungen für die Verwendung von Arten, die als minderwertig gelten, aber viel schneller nachwachsen.