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Materialforschung

So wird Hölzernes hart und scharf

Zwei Beispiele für Anwendungen des gehärteten Holzes. (Bilder: BO CHEN)

Erstaunlich scharfe Messer oder robuste Nägel – aus Holz: Das eher weiche Naturmaterial lässt sich durch ein unkompliziertes Behandlungsverfahren in einen Werkstoff mit erweitertem Anwendungspotenzial verwandeln, berichten Forscher. Die Härte des Ausgangsmaterials wird durch die Methode um das 23-Fache erhöht und so könnte das behandelte Holz eine umweltfreundliche Alternative zu Metall, Kunststoff und Keramik bei der Herstellung von Produkten darstellen.

Was Stamm und Ast Stabilität verleiht, ist einer der ältesten Werkstoffe des Menschen. Auch die beachtliche Härte mancher Holzarten spielt dabei eine wichtige Rolle. Dennoch reicht sie bekanntlich für viele Anwendungen nicht aus und so kommen stattdessen Metalle, Kunststoffe und Keramikmaterialien zum Einsatz. Die Herstellung dieser Werkstoffe ist allerdings oft aufwändig: Sie müssen etwa unter hohen Temperaturen hergestellt werden und weisen auch durch weitere Aspekte eine eher schlechte Öko-Bilanz auf. „Wenn man sich die harten Materialien ansieht, die wir im täglichen Leben verwenden, sieht man, dass viele von ihnen aufwändig hergestellt werden müssen, weil die natürlichen Materialien nicht unbedingt unseren Bedürfnissen entsprechen“, sagt Teng Li von der University of Maryland in College Park.

Er und seine Kollegen haben sich deshalb nun der Entwicklung von Verfahren gewidmet, um Holz besser nutzbar zu machen. Es gibt zwar schon lange Methoden, um es zu härten. So werden etwa für die Aufbereitung des Materials für die Herstellung von Möbeln oder Baumaterialien Hölzer durch Dampf und Druck bearbeitet, um für verbesserte Merkmale zu sorgen. Doch die Steigerung der Härte lässt nach wie vor zu wünschen übrig, sagen die Forscher. „Unser derzeitiger Gebrauch von Holz schöpft sein Potenzial kaum aus“, ist Li überzeugt.

Mit wenig Aufwand hart gemacht

Wie er und seine Kollegen erklären, steckt das harte Potenzial des Holzes in dem Bestandteil Zellulose. Es besteht zu 40 bis 50 Prozent aus diesem Biomolekül, das in den pflanzlichen Zellwänden des Naturstoffes steckt und seine Skelettstruktur bildet. Der Rest der Substanz wird neben Hemizellulose aus dem Biopolymer Lignin gebildet, das als eine Art Bindemittel fungiert. Das neue Härtungs-Verfahren von Li und seinen Kollegen basiert auf der Entfernung dieses Bestandteils, ohne dass das Zelluloseskelett zerstört wird, sowie der anschließenden Komprimierung des Gefüges.

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Im ersten Schritt wird Holz dazu bei 100 Grad Celsius in einem Bad aus vergleichsweise harmlosen chemischen Substanzen gekocht. Diese Brühe kann anschließend auch erneut wiederverwendet werden, betonen die Forscher. Die Substanzen ziehen dabei in das Material ein und lösen das Lignin aus dem Verband. Dabei kommt es zunächst zu einem überraschend wirkenden Effekt: Das Ausgangsmaterial wird weich. „Im ersten Schritt der Delignifizierung wird das Holz flexibel und geradezu etwas schwammig. Im zweiten Schritt führen wir dann allerdings eine Heißpressung durch, indem wir Druck und Hitze auf das chemisch behandelte Holz ausüben. So wird es verdichtet und die wässrigen Lösungen werden entfernt“, erklärt Li. Anschließend wird das gehärtete Holz mit Ölen behandelt, um es für den Gebrauch im Kontakt mit Feuchtigkeit zu optimieren – denn Zellulose neigt dazu, Wasser zu absorbieren. Danach kann das gehärtete Holz dann in die jeweils gewünschte Form geschnitzt oder geschliffen werden.

Mikroskopische Untersuchungen des entstandenen Materials zeigten, dass das Verfahren dem Holz vielversprechende Mikrostrukturen verpasst hat: „Die Festigkeit eines Materials hängt stark von der Größe und Dichte von Defekten wie Hohlräumen, Kanälen oder Vertiefungen ab“, erklärt Li. „Der zweistufige Prozess, mit dem wir das natürliche Holz bearbeiten, reduziert oder entfernt die Defekte im natürlichen Holz erheblich, sodass die ursprünglichen Kanälchen für den Transport von Wasser oder anderen Stoffen im Baum fast verschwunden sind.“

Scharfe Holzmesser und rostfreie Nägel

Wie sich dies in den Merkmalen des Materials widerspiegelt, verdeutlichten dann Tests: Aus den Ergebnissen der Forscher geht hervor, dass die Methode Holz 23-mal härter machen kann. Zur Demonstration des Potenzials stellten die Forscher Tafelmesser mit geschliffenen Klingen aus gepresstem Holz her. Ihre Schärfe kann offenbar sogar die von handelsüblichen Messern übertreffen. „Das Messer schneidet mühelos durch ein Steak“, so Li. Danach kann das gehärtete Holzmesser gewaschen und wiederverwendet werden, was es zu einer vielversprechenden Alternative zu Stahl-, Keramik- und Einweg-Plastikmessern macht, sagen die Forscher. „Auch diese Messer können viele Male verwendet werden, wenn man sie nachschleift und regelmäßig pflegt“, sagt Li.

Zudem verdeutlichte das Team, dass das Material zur Herstellung von Holznägeln verwendet werden kann, deren Stabilität sich mit der von herkömmlichen Stahlnägel messen kann: Die Wissenschaftler hämmerten mit den Holznägeln problemlos drei Bretter zusammen, ohne dass die hölzernen Gebilde Schaden nahmen. Dabei besitzen sie im Gegensatz zu den metallenen Nägeln einen möglicherweise interessanten Vorteil, heben die Forscher hervor: Holznägel rosten nicht.

„Die bemerkenswerten Eigenschaften des mit unserem Verfahren gehärteten Holzes, kombiniert mit seinen Vorteilen wie Nachhaltigkeit und niedrigen Kosten, machen es zu einer möglichen Alternative für Stahl und Kunststoffe in einem breiten Spektrum von Anwendungen“, resümieren die Wissenschaftler. Li und seine Kollegen wollen das Verfahren nun verfeinern und weitere Anwendungsmöglichkeiten ausloten. Demnach könnte das gehärtete Holzmaterial beispielsweise auch für die Herstellung von Bodenbelägen verwendet werden, die besonders widerstandsfähig gegen Kratzer und Abnutzung sind.

Quelle: Cell Press, Fachartikel: Matter, doi: 10.1016/j.matt.2021.09.020

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