Werkstoffe: Holz stärker als Metall

Ingenieure an der University of Maryland haben einen Prozess entwickelt, mit dem sich Holz um mehr als das Zehnfache belastbarer und bruchzäher machen lässt. So entsteht ein natürlicher Werkstoff, der, was das betrifft, mit vielen Titanlegierungen mithalten kann.

„Das neue Verfahren zur Holzbehandlung macht das Holz um das Zwölffache stärker und das Zehnfache bruchzäher als natürliches Holz“, sagt Liangbing Hu, der Leiter der Forschergruppe. „Ein entsprechender Werkstoff könnte sich zum Wettbewerber von Stahl- oder Titanlegierungen entwickeln. Er kann sich auch mit Karbonfasern messen, ist dabei aber ungleich günstiger.“

„Es ist gleichermaßen belastbar und zäh, eine Kombination, die für gewöhnlich in der Natur nicht vorkommt“, sagt Teng Li, der zusammen mit Hu das Team leitet. Die Wissenschaftler maßen die mechanischen Eigenschaften des Holzes. „Es ist so belastbar wie Stahl, aber sechsmal leichter. Es braucht im Vergleich zu natürlichem Holz zehnmal mehr Energie, um es zu brechen. Es lässt sich am Beginn des Prozesses sogar biegen und formen.“

Den ersten Schritt im Prozess bildet das Entfernen des Lignins aus dem Holz, des Stoffes, der es steif macht und braun erscheinen lässt. Dann wird das Holz unter Wärmeeinwirkung (rund 65 Grad) komprimiert. Das führt zu einer sehr dichten Packung der Zellulosefasern. Fehlstellen wie Löcher oder Knoten werden zerkleinert.  

Die so dicht gepressten Holzfasern bilden starke Wasserstoffbindungen, vergleichbar einer Menschenmenge, in der sich niemand rühren kann, sich aber alle an den Händen halten. Der Druck schrumpft das Holz auf ein Fünftel des Ausgangsmaßes.

Die Entwickler testeten das neue Material und unbehandeltes Holz, indem sie es mit Projektilen beschossen. Die Geschosse bahnten sich geradewegs durch das natürliche Holz, während sie im behandelten Holz stecken blieben. Weichere Hölzer wie Kiefer oder Balsa, die schnell wachsen und umweltfreundlicher sind, könnten langsamer wachsende Hölzer mit größerer Dichte wie Teak im Möbel- oder Hausbau ersetzen, so Hu. Das behandelte Holz lasse sich sogar im Auto- oder Flugzeugbau einsetzen, für Anwendungen also, in denen üblicherweise Stahl verwendet werde.

Orlando J. Rojas, Professor an der Aalto Universität in Finnland, merkt an: “Was am meisten heraussticht, ist, dass es eine limitierende Konzentration von Lignin für die maximale mechanische Leistung des verdichteten Holzes gibt. Wird zu wenig oder zu viel entfernt, schwächt dies die Festigkeit im Vergleich zu einer gemäßigten oder partiellen Entfernung. Das zeigt das heikle Gleichgewicht zwischen der Wasserstoffbindung und den Hafteigenschaften, die ein solches polyphenolisches Gemisch gewährleistet.“

Bild oben: Liangbing Hu (links) mit einem Block des mit dem neuen Verfahren behandelten Holzes, fester als Titan und zäher als Stahl. Teng Li (rechts) mit einem Block desselben, aber nicht behandelten Holzes. Image Credit: University of Maryland.

Originalartikel: https://www.nature.com/articles/nature25476