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

Holz wird seit der Antike für die Herstellung von Möbeln, Häusern, Booten, dem Rumpf früher Flugzeuge und vielen anderen Gegenständen verwendet. Moderne Materialien wie Stahl, Beton und Kunststoff haben es ersetzt, weil sie viel stärker und härter sind. Aber heute wird die Leistung eines Materials auch nach seiner Umweltverträglichkeit beurteilt, und in dieser Hinsicht ist Holz der klare Sieger. Es steht also wieder im Mittelpunkt des Interesses, und die Wissenschaftler finden neue Wege, um seine Leistung zu verbessern. Dies ist der Fall bei Gruppe von Forschern an der Universität von Maryland mit dem es gelungen ist, ein Holz mit bemerkenswerten Eigenschaften zu erhalten, 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

Behandelt ist vielleicht nicht der passendste 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 Delignifizierungsbehandlung unterzogen und anschließend gepresst.

Die wichtigsten Materialien, aus denen Holz besteht, sind Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Aus ihnen entsteht die Holzzelle. Zellulose und Hemizellulosen bilden die Matrix, und Lignin imprägniert diese Matrix, die dem Holz seine Festigkeit, sein Gewicht und seine Farbe verleiht. Forscher der Universität von Maryland, denen es in der Vergangenheit auch gelungen ist, die transparentes HolzSie unterzogen das Holz einer teilweisen Delignifizierung mit Chemikalien und pressten es anschließend 24 Stunden lang, wobei das Holz dauerhaft auf 65 °C erhitzt wurde.

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

Es sei darauf hingewiesen, 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 des entfernten Lignins führt zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen, wobei das resultierende Holz eine viel geringere Leistung aufweist. All 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 härter

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 Projektilen beschossen, die normales Holz leicht durchschlugen, aber das verdichtete Holz nicht durchdrangen. Der Test ist zu sehen hier.

Bei der Verwendung im Bauwesen ist Holz Vorwürfe dass es, obwohl es entlang der Faser sehr stark ist, versagt, wenn eine Kraft senkrecht dazu ausgeübt wird. Im Falle von verdichtetem Holz ist die 10-fache Kraft erforderlich, um es zum Nachgeben zu bringen. Verdichtetes Holz ist genauso stark wie Stahl, aber 6-mal leichter. Die Forscher glauben, dass das neue Material bei der Herstellung von Autos und Flugzeugen, im Bauwesen und praktisch überall, wo Stahl verwendet wird, eingesetzt werden könnte.

Die Anwendung der Methode in industriellem Maßstab würde die Verwendung schnell wachsender Arten mit sehr geringer Festigkeit und Härte ermöglichen, um ein sehr widerstandsfähiges Material zu erhalten, das sowohl biologisch abbaubar ist als auch einen geringen Kohlenstoff-Fußabdruck aufweist. Dadurch würden Arten mit sehr guten Eigenschaften, aber sehr langsamem Wachstum geschützt. In Verbindung mit einer ständigen Wiederaufforstung und einem nachhaltigen Holzeinschlag wäre dies eine sehr gute Möglichkeit, Hochleistungsmaterialien zu verwenden, ohne die Umwelt und die Gesundheit der Bewohner des Planeten zu beeinträchtigen.

Trotz hoher Widerstandsfähigkeit ist Wasser immer noch eine Schwachstelle

Da es kein perfektes Material gibt und Superholz hat seine Schwäche, nämlich die Anfälligkeit für Wasser. Das neue Material verliert nicht die anerkannte Affinität des Holzes zu Wasser, und mit zunehmender Feuchtigkeit nehmen seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften ab. Verdichtetes Holz muss daher vor Wasser und Feuchtigkeit geschützt werden, um seine einzigartigen Eigenschaften zu nutzen. Eine Methode zum Schutz vor Wasser 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.

Die Affinität zu Wasser ist jedoch für die biologische Zersetzung von Holz nützlich. Derzeit 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 müssen wir das richtige Gleichgewicht zwischen Feuchtigkeitsbeständigkeit und Feuchtigkeitsaffinität finden.

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. Sie wird dieses Niveau mit Sicherheit erreichen, denn das 21. Jahrhundert scheint das Jahrhundert des Holzes zu sein. Das Aufkommen neuer und industrialisierter Produkte, die die Bauindustrie dazu veranlassen, Holz immer mehr zu verwenden, zeigt den Wunsch, Holz zu einem leistungsfähigeren Material zu machen. Und Superholz ist ein solches Material.

Um jedoch weiterhin in den Genuss von Holz und seinen besonderen Eigenschaften zu kommen, brauchen wir einen nachhaltigen Holzeinschlag, eine dauerhafte Aufforstung und Lösungen für die Verwendung von Arten, die als minderwertig gelten, aber viel schneller wachsen.