Holz- und Flammschutz durch Nanopartikel  aus Silizium- oder Titanverbindungen

(17.6.2013) 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.

Holz-Titandioxid Nanokomposit; Foto: BAM-Arbeitskreis Nanotechnologie 

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 umweltfreundlichere Alter­nativen zu den herkömmlichen Verfahren gibt, die oft auf bedenkliche Substanzen setzen. 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 10-wöchigen Laborversuch ausgesetzt. „Aber auch die Ergebnisse nach 16 Wochen deu­ten darauf hin, 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.