Transparentes Holz & CO2-neutrale Innovationen: Die Zukunft nachhaltiger Materialien

Vielseitig, CO2-neutral, erneuerbar. Nein, das ist nicht der Marketing-Slogan für ein spezielles neues Material, das gerade entwickelt wurde, sondern drei der Schlüsseleigenschaften eines sehr vertrauten Materials – Holz – einem Material, das uns bis heute mit seiner Anpassungsfähigkeit überrascht und weiterhin an der Spitze der Materialentwicklung steht. In diesem Artikel tauche ich in einige dieser spannenden Entwicklungen ein – von transparentem Holz bis hin zu karbonisierten Holzverbundwerkstoffen.

Zunächst eine kurze Auffrischung zu Holz. Holz ist ein natürlicher Verbundwerkstoff aus Zellulosefasern, die in eine Lignin-Matrix eingebettet sind. Zellulose wirkt als lange Stäbe entlang der Stammlänge und verleiht Holz seine Zugfestigkeit, während die Lignin-Matrix dem Holz seine Druckfestigkeit verleiht.

Dieser Artikel konzentriert sich auf drei Beispiele, die Holzeigenschaften verbessern und seine Verwendungsmöglichkeiten erweitern: verdichtetes Holz, transparentes Holz und Nano-Beschichtung für Holz. Wir werden auch Holz als Quelle von hochwertigem Kohlenstoff mit vorteilhafter Struktur untersuchen.

Verdichtetes Holz

Holz ist ein weit verbreitetes strukturelles Material aufgrund seines hohen spezifischen Moduls, hoher Festigkeit, niedriger Kosten und erneuerbarer Natur. Die breitere Verwendung wird heute jedoch durch die hohe Varianz seiner Eigenschaften behindert. Dies ist auf die breite Palette von Wachstumsbedingungen zurückzuführen, denen ein Baum unterliegen kann (z. B. Bodentyp, Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen), was zu Unterschieden in der Struktur und Variationen in Faserneigung, Jahresringbreite und Asthäufigkeit führt.

Um diese natürlichen Variationen zu überwinden, haben Wissenschaftler und Ingenieure Holzwerkstoffe entwickelt, darunter Brettsperrholz (BSP) und Brettschichtholz (BSH). Diese haben die Holzeigenschaften 크게 verbessert und sind zu umweltverträglichen Alternativen zu Stahl und Beton geworden. Aktuelle Holzwerkstoffe erfordern jedoch große Mengen an Klebstoffen und metallischen Verbindungsmitteln, was ihre Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit verringert, insbesondere wenn bestimmte Klebstoffe verwendet werden, da diese giftige Gase ausstoßen (z. B. Formaldehyd und flüchtige organische Verbindungen).

Daher hat sich die Forschung auf eine Vielzahl von Alternativen konzentriert, insbesondere auf verdichtetes Holz. Hierbei wird die Dichte des Holzes erhöht:

• Volumenverdichtung: Über das gesamte Volumen des Holzes
• Oberflächenverdichtung: Nur auf der oberflächlichen Schicht des Holzes
• Infiltrationsverdichtung: Über das gesamte Volumen durch Imprägnierung der Hohlräume mit geschmolzenen Metallen/Schwefel oder Polymeren

Diese erhöhte Dichte führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften (Tabelle 1) und erweitert die Holzarten, die verwendet werden können, da niedrigdichte Holzarten nun in tragfähige strukturelle Materialien verarbeitet werden können. Alle drei Methoden sind vielversprechend.

Art	Längszugfestigkeit [MPa]
	Unverdichtet	Verdichtet (80 %)
Eiche (Quercus)	115,3	584,3
Pappel (Populus)	55,6	431,5
Westliche Rotzeder (Thuja plicata)	46,5	550,1
Östliche Weymouthskiefer (Pinus strobus)	70,2	536,9
Linde (Tilia)	52,0	587,0

Tabelle 1: Längszugfestigkeit von Holz vor und nach Verdichtung.

Ein limitierender Faktor für die Volumenverdichtung sind die Zellwände des Holzes (Lignin), die die Verdichtung behindern und keinen signifikanten Gesamtbeitrag zu den Eigenschaften des verdichteten Holzes leisten. Gleichzeitig gibt es laufende Forschung zur Zersetzung von Holz bis auf die Nanometerskala und zur Verwendung des delignifizierten Nanozellulose-Materials, das hervorragende Materialeigenschaften aufweist. Die Forschung hatte jedoch Schwierigkeiten, dies mittels 3D- oder 4D-Druck zu skalieren/zu assemblieren.

Eine partielle Lösung ist der Wechsel von einem Bottom-up- zu einem Top-down-Ansatz durch vollständige Delignifizierung und Verdichtung von Holz. Effektiv fügt dies dem Verdichtungsprozess einen vorbereitenden Schritt hinzu und hilft, einen neuartigen Zellulose-Massenwerkstoff mit verbesserten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu verdichtetem Holz zu bilden (Elastizitätsmodul ≈ 40 GPa und Zugfestigkeit ≈ 270 MPa). Er kann auch leicht in komplexe Formen gebracht werden, was Anwendungen weit über strukturelle Anwendungen hinaus eröffnet und vielleicht eine neue Art von faserverstärkten Biokompositen ankündigt.

Transparentes Holz

Wie Sie vielleicht bemerkt haben, ist das Holz in Abbildung 2 nahezu durchscheinend. Tatsächlich ist transparentes Holz derzeit ein Untersuchungsgebiet, und der erste Schritt im Prozess ist die Delignifizierung. Dies wird gefolgt von Infiltration mit einem Polymer mit passendem Brechungsindex, wodurch ein nahezu transparentes Holz entsteht – mit einiger Reststreuung aufgrund weniger Lücken, die durch Polymer-Schrumpfung während der Polymerisation entstehen. Da die Polymer-Infiltration eine Form der Verdichtung ist, führt dies zu starkem und transparentem Holz. Die Polymer-Infiltration reduziert auch die anisotrope Natur von Holz um bis zu einem Faktor von fünf. Dies ist auf die schwache Querrichtung des Holzes zurückzuführen, die durch das Polymer verbessert wird, wodurch das Biegen der Zellwände, der dominierende Versagensmechanismus in dieser Richtung, unterdrückt wird.

Abgesehen davon, dass es ein faszinierendes Material ist, hat es eine Vielzahl potenzieller Anwendungen, darunter transparente Dächer, Fenster und Solarzellenabdeckungen. Transparente Dächer, Abschnitte und Fenster können Glas mit ihren überlegenen mechanischen Eigenschaften und thermischer Isolierung ersetzen. Der hohe Haze-Wert (Maß für Lichtstreuung) von transparentem Holz bedeutet auch, dass es ein weicheres, diffuseres Licht als herkömmliches Glas bietet. Diese Lichtstreuung macht es auch zu einer sehr effektiven Solarzellenabdeckung, da sie den Lichtweg in der Solarzelle verlängert und mehr Zeit zur Energieextraktion lässt, was zu höherer Effizienz führt.

Nano-Beschichtung für Holz

Hier betrachten wir Fälle, die über die Veränderung von Holzeigenschaften hinausgehen, bei denen eine Beschichtung mit Nanomaterialien helfen kann, einige der Schwächen von Holz zu überwinden und seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Diese Schwächen umfassen Entflammbarkeit, Photodegradation und Wasseraufnahme.

Nano-Beschichtung von Holz kann auf zwei Arten erfolgen: Nanopartikel werden der Beschichtung zugesetzt, um deren Eigenschaften vor der Anwendung zu verbessern, oder Nanopartikel werden direkt auf das Holz abgeschieden.

Die zweite Methode wurde verwendet, um die Entflammbarkeit von Holz durch Abscheidung von TiO2/ZnO-Partikeln zu reduzieren. Diese werden zunächst in einer Lösung mit Ethanol gemischt, und dann wird das lösungsbedeckte Holz in einem Autoklaven versiegelt. Dies führt zur Bildung von Nanopartikeln mit Größen von 80–200 nm auf der Oberfläche, was die Zeit bis zur Zündung vervierfacht.

Photodegradation ist der Prozess, bei dem absorbierte UV-Strahlung zu Photooxidation führt, was zu Oberflächenverfärbung und schwerer Reduktion der mechanischen Eigenschaften führt. Hier erzeugt das Abscheiden einer ZnO-Schicht eine Nanopartikelschicht, die UV-bedingte Alterung und das Wachstum von Pilz- und Mikrobenagenten reduziert. Diese Resistenz gegen UV-Alterung ist darauf zurückzuführen, dass ZnO UV-Strahlung bevorzugt absorbiert und das darunterliegende Holz schützt. Wenn es um die Verbesserung mechanischer Eigenschaften geht, wird Nanosilica verwendet. Nanosilica-Partikel besitzen hohe Härte und thermische Eigenschaften. Sie können reagieren, wenn Sol-Gel-Reaktionen mit Polymeren verwendet werden, um vernetzte Netzwerkstrukturen zu bilden, die auf Hölzer aufgebracht werden können.

Karbonisierte Holzverbundwerkstoffe/Keramiken

Diese Anwendung nutzt vermutlich das älteste synthetische Material: Holzkohle. Holzkohle ist karbonisiertes Zellmaterial, das unter Pyrolyse entsteht. Sie wurde bei der Erstellung von Höhlenzeichnungen verwendet. Heutzutage verwenden wir Holzkohle noch für verschiedene Anwendungen, einschließlich Bio-Templates für fortschrittliche Keramiken und Verbundwerkstoffe sowie Grillen. Die Karbonisierung von Holz umfasst einen zweistufigen Prozess.

• Schritt 1 ist die Zersetzung eines bio-organischen Materials (oft Holz, aber auch Naturfasern und Papier) in eine Kohlenstoffvorlage.
• Schritt 2 ist die Umwandlung der Kohlenstoffvorlage entweder durch Transformation oder Substitution in keramische oder Verbundwerkstoffstrukturen.

Beide Methoden erfordern Infiltration der Kohlenstoffvorlage durch ein gewähltes Material, da dies von Natur aus ein poröses Medium ist. Das Material sollte sich entweder in gasförmigem, flüssigem oder nanopartikulärem Zustand befinden.

Transformation beinhaltet das Mischen der Kohlenstoffvorlage mit Si oder Ti in verschiedenen Formen, einschließlich Gas, Schmelze oder Sol-Gel. Substitution ist der Prozess, bei dem ein Keramikoxid als Sol-Gel oder Nanopartikel auf die Vorlage abgeschieden und dann gesintert wird.

Beide Wege können entweder poröse oder dichte Materialien mit einer mikrozellulären Morphologie erzeugen, die auf der des ursprünglichen Holzes basiert. Diese Verarbeitungsform eröffnet eine Vielzahl von Designoptionen, da die Geometrie des Verbundwerkstoffs nun leicht durch Formen der Holzvorlage in die erforderliche Form verändert werden kann – ein weitaus einfacherer Prozess als das Formen oder Bearbeiten des Endprodukts. Es gibt auch die Option, die Morphologie der Materialien durch die Wahl des Holzes für die Vorlage anzupassen. Beispielsweise gibt Nadelholz eine unimodale Porenverteilung, während bestimmte Laubhölzer eine multimodale Porenverteilung ergeben.

Diese karbonisierten Holzverbundwerkstoffe haben den Massenmarkt noch nicht erreicht, werden aber für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht gezogen, wo ihre hohe Porosität (Filter, Wärmetauscher und Katalysatorträgerstrukturen) und ihre Formbarkeit (Keramikrohre und verschleißfeste Materialien) für viele Anwendungen vorteilhaft sein könnten.

Kohlenstofffasern aus Holz

Kohlenstofffasern (CF) haben ein hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das, gekoppelt mit verstärkten Kunststoffen, sie zu extrem effektiven Leichtbauverbundwerkstoffen macht. Aufgrund ihrer relativ hohen Kosten sind sie jedoch hauptsächlich auf High-End-Anwendungen beschränkt, wie Windturbinenblätter, Formel-1-Autos und Luft- und Raumfahrtteile. Sie haben noch keinen breiten Einsatz in Automobilanwendungen, im Energiesektor und im Bauwesen gefunden, wo ihre Anwendung zu signifikanten Verbesserungen der Energieeffizienz und Reduktionen der CO2-Emissionen führen könnte. Beispielsweise kann eine 10 %ige Gewichtsreduktion bei einem Auto die Kraftstoffeffizienz um etwa 7 % verbessern.

Die hohen Kosten von CF resultieren daraus, dass sie vorwiegend (über 96 %) aus fossilem Polyacrylnitril (PAN) hergestellt werden, einem relativ teuren Material. Es wird über Lösungs-Spinnen, eine Reihe thermischer Behandlungen (200–350 °C) und Karbonisierung (> 1000 °C) in Kohlenstofffasern umgewandelt. Um dieses Preisproblem zu überwinden, hat die Forschung nach kostengünstigen Vorläufermaterialien gesucht, vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu vermeiden.

Zwei Materialien haben sich als vielversprechende Kandidaten herauskristallisiert: Lignin und Zellulose.

Lignin wird wegen seines hohen Kohlenstoffgehalts verwendet, der einen hohen Ausbeute an CF nach der Umwandlung ermöglicht. Zellulose wird wegen ihrer vorteilhaften molekularen Struktur verwendet, die die Fähigkeit verleiht, CF mit äquivalenten mechanischen Eigenschaften zu PAN-CF zu erzeugen. Beide Materialien leiden jedoch unter Problemen: Lignins strukturelle Heterogenität bedeutet, dass das produzierte CF minderwertige mechanische Eigenschaften hat, und Zelluloses niedriger Kohlenstoffgehalt bedeutet, dass sie eine niedrige Umwandlungsausbeute hat (10–30 %).

Wie man sieht, ist der Nachteil des einen der Vorteil des anderen. Daher kombinierten Forscher beide Materialien in 70:30-Mischungen aus Nadelholz-Kraftlignin und Kraft-Zellstoff (Zellulose), die über Trockenstrahl-Nassspinnen zu Filamenten und dann über Oxidation und Karbonisierung (1000 °C) zu CF umgewandelt wurden.

Eigenschaften	Vorläufermaterialien
	Standard- und intermediäres PAN	Zellulose	Lignin	70:30 Lignin-Zellulose-Mischung
Zugmodul (GPa)	200–400	> 500	30–60	76–77
Zugfestigkeit (MPa)	4000–6000	> 2500	400–550	1070–1170
Ausbeute (Gew.-%)	40–55	10–30	40–55	38–40

Tabelle 2: Eigenschaften von CF aus verschiedenen Vorläufermaterialien.

Aus Tabelle 2 sehen wir, dass diese Mischung die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Lignin verbessert und die Ausbeute im Vergleich zu Zellulose steigert. Ihre mechanischen Eigenschaften und Ausbeute bleiben jedoch niedriger als die von PAN-basierten CF. Dies ist keine große Hürde, da die angestrebten Anwendungen in Energie, Bau und Automobil keine Zugfestigkeit von > 3 GPa erfordern, die PAN-basierte CF bietet. Daher könnte die Mischung diese Anforderungen angemessen erfüllen.
Es gibt noch einige Probleme, bevor dies in die Massenfertigung eintritt, wie dynamische Spannung während der Herstellung und der Wechsel von Batch- zu kontinuierlicher Fertigung. Wir sind noch Jahre von kommerzieller Produktion entfernt. Dennoch könnte der Schlüssel zum Massenmarkt für Kohlenstofffasern Holz sein.

Fazit

Hoffentlich hat dieser Artikel gezeigt, dass Holz noch ungenutztes Potenzial als strukturelles/funktionales Material und als Basis für die Verarbeitung zu neuartigen Materialien hat. Dieser Artikel deckt nur einen Teil der aktuellen Fortschritte in diesem Bereich ab, und jedes dieser Themen verdient seinen eigenen Artikel, einschließlich Hybrid-Holzmaterialien oder Nanofüller für Holz. Um das ungenutzte Potenzial von Holz weiter zu betonen: Es gibt aktive Forschung der Universität Kyoto, einen Holz-Satelliten ins All zu schicken. Dies ist erst der Anfang beim Versuch, das volle Potenzial von Holz auszuschöpfen.