Das Holz- Paradoxon

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Ein Velohelm und ein Wandelement aus delignifiziertem Holz: Die Designerin Meri

Ein Velohelm und ein Wandelement aus delignifiziertem Holz: Die Designerin Meri Zirkelbach hat sich in ihrer Masterarbeit mit konkreten Produktideen beschäftigt. Empa / ETH Zürich

Es lässt sich beliebig verformen und ist dreimal stärker als natürliches Holz: Das Holzmaterial, das Marion Frey, Tobias Keplinger und Ingo Burgert an der Empa und der ETH entwickeln, hat das Potenzial zum Hightech-Werkstoff. Dabei entfernen die Forschenden genau jenen Teil aus dem Holz, der ihm in der Natur seine Stabilität verleiht: das Lignin.

Holz ist einer der ältesten Werkstoffe der Welt. Holz ist leicht, hat hervorragende mechanische Eigenschaften, wächst nach - und bindet dabei erst noch CO2. Insbesondere die letzten beiden Eigenschaften werfen vor dem Hintergrund der aktuellen Klima-diskussion die Frage auf, wie Holz noch mehr und besser genutzt werden kann. Seit Jahren geht die Forschungsgruppe von Ingo Burgert an der Empa und der ETH Zürich dieser Frage nach. Ihr Ziel: die natürlichen Eigenschaften von Holz verbessern und mit neuen Funktionen ausstatten, um dadurch das Anwendungsspektrum von Holz zu erweitern.

Gemeinsam mit Tanja Zimmermann, der heutigen Leiterin des Empa-Departements «Functional Materials», hat Ingo Burgert in der Unit «Vision Wood» im Experimentalgebäude NEST bereits für verblüffende Holzobjekte gesorgt: Türgriffe aus antimikrobiellem Holz, mineralisiertes Holz für verbesserten Flammwiderstand oder eine Pinnwand aus magnetisiertem Holz sind einige Beispiele. Während man für die ersten beiden Beispiele nach rund drei Jahren Praxistest in der Studentenwohnung «Vision Wood» ein positives Fazit ziehen kann, gibt es beim Letztgenannten noch Luft nach oben. Die jüngsten Forschungsarbeiten der Gruppe «Wood Materials Science» der ETH Zürich und der Empa eröffnen dazu nun neue Möglichkeiten: «Wir haben einen Weg gefunden, wie wir die mechanischen Eigenschaften von Holz deutlich verbessern und gleichzeitig das Holz noch einfacher mit neuen Eigenschaften ausstatten können», sagt Burgert.

Durch die Entfernung des Lignins verliert das Holz seine Farbe. Nach dem Verdichten ist es dreimal stärker als das Ursprungsmaterial. Bild: Empa / ETH Zürich

Der Weg führt über eine Delignifizierung und Verdichtung des Holzes. Chemisch besteht Holz im Wesentlichen aus drei Bestandteilen: Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Das Lignin sorgt dafür, dass die langen Zellulosefibrillen stabilisiert werden und nicht knicken. «Mit Hilfe von Säure lösen wir genau dieses Lignin aus dem Holz und entfernen damit den natürlichen Klebstoff», erklärt Marion Frey, die in Burgerts Team zurzeit promoviert. Resultat: Das Holz - oder vielmehr die verbleibende, weisse Zellulose - lässt sich im nassen Zustand einfach in jede X-beliebige Form bringen. Zwischen den Zellen, wo einst Lignin für Stabilität gesorgt hat, verteilt sich dann Wasser, löst die Zellverbindungen auf und sorgt für Verformbarkeit. Trocknet man das delignifizierte Holz, verhaken sich die Zellen ineinander, und dies führt zu wiederum stabilen Verbindungen. Durch Pressen wird das Material zusätzlich verdichtet, so dass die Forschenden letztlich ein Material in ihren Händen halten, das rund dreimal steifer und zugfester war als naturbelassenes Fichtenholz. Eine wasserabweisende Beschichtung kann ausserdem dafür sorgen, dass das Holzinnere nicht mehr feucht werden kann, und damit die gewünschte Form behält.

Die Entfernung des Lignins aus dem Holz hat neben der Verformbarkeit einen weiteren Effekt: Es führt zu einer höheren Porosität. «Das ist ein grosser Vorteil für die Funktionalisierung von Holz. Weil zwischen den Zellen und in den Zellwänden mehr Raum zur Verfügung steht, ist es einfacher, weitere Stoffe in die Holzstruktur einzubringen, die dem modifizierten Holz neue Eigenschaften verleihen», sagt Tobias Keplinger. Zur Magnetisierung von Holz wird beispielsweise Eisenoxid eingebracht. In ihren Experimenten konnten die Forschenden nun zeigen, dass sich das Holz ohne Lignin deutlich besser magnetisieren lässt als natürliches Holz, wie es bislang in der NEST-Unit «Vision Wood» zum Einsatz kam.

Anwendungsmöglichkeiten für ihr neues Material sehen die Forschenden in der Automobil-, der Aviatikund in der Möbelindustrie. Im Rahmen einer Masterarbeit hat die Designerin Meri Zirkelbach bereits erste Produktideen umgesetzt. Entstanden sind etwa ein Velohelm, die Innenverkleidung einer Autotür und der Seitenspiegel eines Fahrzeugs.