Besserer Holz- und Flammschutz durch Nanopartikel
Äußerlich sieht man dem Holz seine Behandlung gar nicht an. „Es ist imprägniert, aber die typische Holzoberfläche bleibt erhalten“, sagt Thomas Hübert von der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und zeigt auf ein 5 mal 10 Zentimeter großes Kiefernholzstück. Die neue Imprägnierung ist kaum färbend. Das Geheimnis sind Nanopartikel aus Silizium- oder Titanverbindungen, die im Holz entstehen und dieses dauerhaft vor Pilzbefall schützen. Und mehr noch: Als Resultat der Zusammenarbeit von Forschergruppen aus der BAM und dem Burkhardt-Institut der Georg-August-Universität Göttingen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass auch der Brandschutz und die Härte des Holzes durch die Behandlung verbessert wird. „Bereits der Zusatz von etwa einem Masseprozent von Titandioxid reicht dafür aus“, sagt Muhammad Shabir Mahr, der an der BAM und der Uni Göttingen zu diesem Thema seine Doktorarbeit schreibt.
Das Projekt hatte auch das Ziel, zu schauen, ob es nicht zu den herkömmlichen Verfahren, die oft auf bedenkliche Substanzen setzen, umweltfreundlichere Alternativen gibt. In einem ersten Schritt wurde dafür ofengetrocknetes Kiefernsplintholz (Pinus sylvestris L.) ausgewählt. Splintholz stammt aus dem äußeren Stammbereich des Baumes. Dort werden Wasser und Nährstoffe transportiert. Aus diesem Grund ist dieses Holz auch besonders anfällig gegenüber Schädlingen. Die Holzproben wurden mit Silizium- und Titanalkoholat-Lösungen auf Ethanol- oder Isopropanol-Basis im Vakuum durchtränkt. Die Alkoholate werden hydrolisiert und es entstehen heterogene Stoffgemische, so genannte Suspensionen, die die Nanopartikel enthalten.
Zur Anwendung kam dabei der so genannte Sol-Gel-Prozess. Ein „Sol“ nennen Wissenschaftler eine Suspension von sehr kleinen festen Teilchen (mit einer Größe von einigen Nanometern) in einem flüssigen Medium. Der Sol-Gel-Prozess ist eine Synthesemethode bei der durch Hydrolyse und Kondensationsreaktion zunächst ein Sol und dann durch Vernetzung der Solpartikel ein festes Gel gebildet wird. „Diese Gele bedecken gleichmäßig in dünnen Schichten die Zellen des Holzes“, berichtet Shabir Mahr. „Wir finden sie hauptsächlich in den Zellhohlräumen, den Lumen. Sie sind aber auch in den Zellwänden nachweisbar.“
Die Einlagerung führe dazu, schreiben die Wissenschaftler in einem Artikel für das Fachblatt „International Biotdeterioration & Biodegradation“*, dass die Materialien einen deutlich messbaren Schutz gegen holzzerstörende Braunfäulepilze (Coniophora puteana und Poria placenta) aufweisen. Die Proben wurden dabei zunächst einem zehnwöchigen Laborversuch ausgesetzt. „Aber auch die Ergebnisse nach 16 Wochen deuten daraufhin, dass der Schutz dauerhaft ist“, sagt Thomas Hübert.
Die imprägnierten Proben zeigten eine verringerte Feuchtigkeitsaufnahme um bis zu 50 Prozent (im Vergleich zum nicht behandelten Holz), während sich die Biegefestigkeit um bis zu 40 Prozent erhöhte. Das Material zeigt auch eine bessere Beständigkeit gegenüber Feuer. „Im optimalen Fall“, sagt Shabir Mahr, „lag die flammenhemmende Wirkung bei bis zu 80 Prozent“. Die Kohlenmonoxid-Bildung wie auch die Rauchentwicklung könnten deutlich gesenkt werden.
Die Wissenschaftler sehen in ihrer Methode mit letztlich nicht-giftigen Stoffen, die keine toxischen Substanzen freisetzen, sowie in der einfachen Handhabung und den relativ niedrigen Kosten großes Potenzial. In einem nächsten Schritt streben sie einen Austausch der derzeit noch verwendeten Lösungsmittel wie Ethanol oder Isopropanol durch Wasser an.
Originalveröffentlichung
M. Shabir Mahr et al., „Decay protection of wood against brown-rot fungi by titanium alkoxide impregnations“, International Biodeterioration & Biodegradation, 77 (2013) 56-62
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