Holz: Wichtige Eigenschaften für Bau und Design

Holz ist nach Stein der zweitbeliebteste Werkstoff im Bauwesen, Möbelbau, Fußbodenbelägen und vielen anderen Anwendungen. Obwohl Stein im Hochbau noch dominiert, hat Holz in jüngster Zeit einen enormen Aufschwung erlebt. Hier sind weitere faszinierende Fakten über Holz und seine vielfältigen mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Farbe, Glanz, Textur, Makrostruktur, Geruch, Feuchte, Schwinden, innere Spannungen, Quellen, Rissbildung, Verzug, Dichte sowie Schall-, Elektro- und Wärmeleitfähigkeit gehören zu den grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Holz. Das Erscheinungsbild wird durch Farbe, Glanz, Textur und Makrostruktur bestimmt.

Verschiedene Holzarten weisen unterschiedliche Farben auf – von Weiß (Espe, Fichte) bis Schwarz (Ebenholz). Die Farbe entsteht durch Gerbstoffe, Harze und Pigmente in den Zellhöhlen. In diesem Artikel werden alle Holzeigenschaften behandelt: physikalische, chemische, mechanische Eigenschaften usw.

Eigenschaften von Holz

Die folgenden Hauptmerkmale kennzeichnen Holz:

• Mechanische Eigenschaften
• Thermische Eigenschaften
• Elektrische Eigenschaften
• Akustische Eigenschaften
• Sensorische Merkmale
• Dichte und spezifisches Gewicht
• Degradation (Abbau)
• Hygroskopizität
• Schwinden und Quellen

Sensorische Merkmale

Farbe, Glanz, Geruch, Geschmack, Textur, Maserung, Struktur, Gewicht und Härte sind sensorische Eigenschaften. Diese makroskopischen Merkmale helfen bei der Identifizierung und Beschreibung von Holz. Es gibt Hölzer in vielen Farben, wobei die meisten Weiß- und Brauntöne aufweisen. Weitere Farben sind Gelb, Grün, Rot und fast reines Weiß. Auf einem einzelnen Holzstück können durch Farbunterschiede zwischen Kernholz, Splintholz, Frühholz, Spätholz, Holzstrahlen und Harzkanälen Variationen sichtbar sein. Bleichen, Färben oder langfristige Umwelteinwirkung können die natürliche Farbe verändern. Beispiele für farblich auffällige Hölzer sind Robinie, Gleditschie und einige Tropenhölzer.

Einige Arten wie Fichte, Esche, Linde und Pappel besitzen einen natürlichen Glanz, der auf Radialflächen besonders deutlich hervortritt. Durch flüchtige Inhaltsstoffe entstehen Geruch und Geschmack. Sie sind manchmal nützliche Unterscheidungsmerkmale, wenn auch schwer zu beschreiben. „Textur“ bezeichnet das gleichmäßige Erscheinungsbild einer Holzoberfläche (meist Querschnitt). „Maserung“ wird oft synonym für Textur verwendet (grob, fein, gleichmäßig) oder beschreibt die Richtung der Holzelemente (gerade, spiralig, wellig). Manchmal ersetzt „Maserung“ den Begriff „Struktur“, wie beim „Silberglanz“ der Eiche. „Struktur“ (figure) bezeichnet natürliche Muster auf Holzoberflächen (meist radial oder tangential).

Gewicht und Härte werden sensorisch diagnostisch erfasst: Gewicht durch Anheben, Härte durch Daumennageldruck. In den Tropen gibt es extrem leichte und schwere Hölzer – von 80 kg/m³ (Balsa) bis 1.300 kg/m³ (Guajakholz). In gemäßigten Klimazonen liegen die Rohdichten lufttrocken typischerweise zwischen 300 und 900 kg/m³.

Dichte und spezifisches Gewicht

Das spezifische Gewicht ist das Verhältnis der Masse von Holz zu der von Wasser, die Dichte die Masse pro Volumeneinheit. Da 1 cm³ Wasser 1 g wiegt, betragen sowohl die durchschnittliche Dichte als auch das spezifische Gewicht von Douglasienholz im metrischen System 0,45 g/cm³. (1 g/cm³ entspricht ca. 62,4 lbs/ft³.) Da Holz hygroskopisch ist, beeinflusst der Feuchtegehalt Gewicht und Volumen stark, was die Dichtebestimmung schwieriger macht als bei anderen Materialien. Gewicht und Volumen werden bei definierten Feuchtewerten ermittelt, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Als Standard gelten ofentrockenes Gewicht (nahezu 0 % Feuchte) und entweder ofentrockenes oder „grünes“ Volumen („grün“ = Feuchte über Fasersättigungspunkt, ca. 30 %). Andere Darstellungen (lufttrockenes Gewicht/Volumen oder grünes Gewicht/Volumen) sind weniger präzise, haben aber praktische Anwendungen, z. B. beim Holztransport.

Hygroskopizität

Holz kann Wasser bei Kontakt als Flüssigkeit oder als Dampf aus der Luft aufnehmen. Wasser ist die bedeutendste Flüssigkeit/Gas, die Holz aufnehmen kann. Aufgrund seiner hygroskopischen Natur enthält Holz immer Feuchte – ob im lebenden Baum oder als Werkstoff. (Wasser und Feuchte werden hier synonym verwendet.) Feuchte beeinflusst alle Holzeigenschaften, wobei nur die in den Zellwänden gebundene Feuchte relevant ist; Feuchte in Zellhöhlen erhöht lediglich das Gewicht.

Schwinden und Quellen

Ändert sich der Feuchtegehalt unter dem Fasersättigungspunkt, treten Dimensionsänderungen auf. Schwinden und Quellen werden durch Feuchteverlust bzw. -gewinn verursacht. Diese Änderungen sind anisotrop – sie unterscheiden sich in axialer, radialer und tangentialer Richtung. Durchschnittliche Schwindwerte betragen ca. 0,4 % (axial), 4 % (radial) und 8 % (tangential). Der Volumenschwund liegt bei ca. 12 %, mit großen artspezifischen Unterschieden. Werte beziehen sich auf Grünholzmaße und den Übergang vom grünen in den ofentrockenen Zustand. Die Zellwandstruktur ist Hauptursache für das unterschiedliche Schwinden/Quellen in verschiedenen Wachstumsrichtungen.

Die Orientierung der Mikrofibrillen in den Schichten der sekundären Zellwand erklärt die Unterschiede zwischen axialer und den beiden lateralen (radialer, tangentialer) Richtungen, nicht jedoch die Diskrepanzen zwischen radialer und tangentialer Richtung.

Degradation (Abbau)

Bakterien, Pilze, Insekten, Meeresbohrer sowie umweltbedingte, mechanische, chemische und thermische Faktoren tragen zur Zerstörung von Holz bei. Aussehen, Struktur oder chemische Zusammensetzung können sich verändern – bei lebenden Bäumen, Rundholz oder Produkten. Die Bandbreite reicht von leichter Verfärbung bis zu irreversiblen Veränderungen, die Holz wertlos machen. Wie Möbel und Holzartefakte in altägyptischen Pharaonengräbern beweisen, kann Holz hunderte bis tausende Jahre überdauern. Holz zerfällt nur unter Einwirkung äußerer Faktoren.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen (Festigkeits-)Eigenschaften zeigen die Fähigkeit von Holz, äußeren Kräften zu widerstehen, die Größe und Form verändern könnten. Widerstand hängt von Art und Anwendung der Kräfte sowie von Dichte und Feuchtegehalt ab. In axialer Richtung (parallel zur Faser) unterscheiden sich die Festigkeitseigenschaften deutlich von denen quer zur Faser (transversal).

Zu den mechanischen Kennwerten gehören Zug- und Druckfestigkeit (axial und transversal), Scherfestigkeit, Spaltfestigkeit, Härte, statische Biegung und Schlagfestigkeit (Kerbiegeschlagzähigkeit). Normprüfungen ermitteln Spannungen pro belasteter Fläche (Elastizitätsgrenze, Höchstlast) sowie weitere Kenngrößen: Zähigkeit, Biegemodul, Elastizitätsmodul (Steifigkeitsmaß). Geprüft werden meist kleine, klare Proben mit 2 × 2 cm oder 2 × 2 Zoll Querschnitt.

Thermische Eigenschaften

Obwohl Holz sich bei Temperaturschwankungen ausdehnt und zusammenzieht, sind Schwinden und Quellen durch Feuchteänderungen weitaus bedeutendere Dimensionsänderungen. Temperaturbedingte Längenänderungen sind meist vernachlässigbar. Oberflächenrisse treten nur unter 0 °C auf; Frostrisse in lebenden Bäumen entstehen durch ungleichmäßige Kontraktion äußerer und innerer Schichten.

Im Vergleich zu Metallen, Marmor, Glas und Beton hat Holz eine geringe Wärmeleitfähigkeit (hohe Wärmedämmfähigkeit). Leichte, trockene Hölzer dämmen besser, da die Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung am höchsten ist und mit Dichte und Feuchte zunimmt.

Elektrische Eigenschaften

Ofentrockenes Holz ist ein elektrischer Isolator. Mit steigendem Feuchtegehalt steigt die elektrische Leitfähigkeit – wassergesättigtes Holz verhält sich mehr wie Wasser. Bemerkenswert ist der drastische Abfall des elektrischen Widerstands, wenn der Feuchtegehalt von 0 auf den Fasersättigungspunkt steigt: Der Widerstand sinkt um den Faktor > 1 Milliarde, von der Fasersättigung bis zum Maximalfeuchtegehalt nur um ca. Faktor 50. Art und Dichte beeinflussen den Widerstand kaum; artspezifische Unterschiede liegen in der Chemie der Inhaltsstoffe. Der axiale Widerstand beträgt etwa die Hälfte des transversalem.

Auch die dielektrischen Eigenschaften (schlechte Leitfähigkeit) sind wichtig. Dielektrizitätszahl und Verlustfaktor spielen eine praktische Rolle bei Feuchtemessgeräten (Kapazitäts- und Hochfrequenz-Leistungsverlust-Typ), bei der theoretischen Trocknung mit elektrischem Strom und beim Leimen mit Hochfrequenzstrom. Unter mechanischer Spannung zeigt Holz den piezoelektrischen Effekt (elektrische Polarisation – entgegengesetzte Ladungen an gegenüberliegenden Seiten). Umgekehrt verformt sich Holz mechanisch (Größenänderung) in einem elektrischen Feld.

Akustische Eigenschaften

Holz kann Schall erzeugen (durch direkten Anschlag) und Schallwellen verstärken oder ablenken. Diese Faktoren machen es zu einem besonderen Material für Musikinstrumente und andere akustische Anwendungen. Größe, Dichte, Feuchtegehalt und Elastizitätsmodul beeinflussen die Schwingungsfrequenz und damit den Tonhöhe. Höhere Dichte und Elastizität, geringerer Feuchtegehalt und kleinere Abmessungen erzeugen höhere Töne.

Das war dieser Artikel, in dem die Eigenschaften von Holz aufgelistet und erklärt wurden. Ich hoffe, Sie haben viel daraus gewonnen. Wenn ja, teilen Sie ihn gerne. Danke fürs Lesen – bis zum nächsten Mal!