Montag, 6. Dezember 2021
22.10.2021 06:33
Holz

Faltbares Holz entwickelt

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Von: sda

Materialwissenschaftler haben ein Holz geschaffen, das sich falten und vielseitig formen lässt. Gleichzeitig weise das behandelte Holz eine Festigkeit wie Aluminium auf, berichten sie im Fachmagazin «Science».

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff. Einmal verbaut, wird der darin gebundene Kohlenstoff über lange Zeit gespeichert. Allerdings gibt es einen Haken: Holz lässt sich im Vergleich zu Metallen oder Kunststoffen nur schlecht verbiegen und formen, weshalb komplexe Formen schwerer anzufertigen sind.

Forschende unter der Leitung der US-Universität Maryland stellen nun ein Rezept vor, um diesen Nachteil wett zu machen. Das Verfahren eröffne neue Möglichkeiten für biegsames Holz als leichtes Strukturmaterial, das Gewichtseinsparungen und entsprechende Umweltvorteile für Fahrzeuge und Flugzeuge bieten könnte, schreiben die Autoren, zu denen auch Ingo Burgert von der ETH Zürich und der Empa gehört.

Holz-Bilayer werden im feuchten und flachen Zustand mit unterschiedlicher Faser-Orientierung (L, R, T) hergestellt und verkrümmen sich beim Trocknen. Mittels eines Materialmodells lässt sich die Verformung zuvor berechnen.
Philippe Grönquist / ETH

«Wasserschock-Prozess» als Schlüssel

Um das verformbare Holz herzustellen, lösten die Forschenden in einem ersten Schritt einen Teil des stabilisierenden Lignins, das die Zellen verholzt, durch eine chemische Behandlung heraus. Anschliessend liessen sie das Laubholz an der Luft trocknen, um es danach für drei Minuten wieder in Wasser zu tauchen und etwas aufquellen zu lassen.

Dieser letzte Schritt, den die Forschenden «Wasserschock-Prozess» nennen, führte dazu, dass sich das Holz quer zur Faserrichtung ohne zu brechen in zickzackförmige, gewellte, gerollte, spiral- und sternförmige Strukturen formen liess. Als Beispiel falteten die Forschenden das Holz zu einer Wabenstruktur.

Belastungstests am Material ergaben, dass das verformte Holz nach anschliessender Trocknung in Richtung der Fasern sechsmal fester war als das unbehandelte Holz und diesbezüglich mit leichten Materialien wie Aluminiumlegierungen mithalten konnte.

Schutz gegen Feuchtigkeit nötig

Was die Festigkeit des Holzes in Faserrichtung erhöhe und es quer zur Faser so verformbar mache, brauche weitere Untersuchungen auf der strukturellen Ebene der Zellwand, sagte Burgert, Professor für holzbasierte Materialien, der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. «Dabei spielt wahrscheinlich die veränderte Interaktion der Zellulosefibrillen im Zellwandverbund nach dem teilweisen Herauslösen des Lignins eine wichtige Rolle», vermutet er.

Der Ansatz sei aber durchaus skalierbar, um Laubholz auch ausserhalb eines Forschungslabors verformbar zu machen, sagte der Wissenschaftler. Er sieht allerdings noch Forschungsbedarf, insbesondere bezüglich des Verhaltens gegenüber Feuchtigkeit. Denn: «Das Holz muss vor Feuchtigkeit geschützt werden, um seine Eigenschaften zu behalten», so Burgert.

«Unser Ansatz erlaubt unterschiedliche Krümmungsradien und vielseitige Formen. Die Programmierung von Holz eröffnet damit neuartige architektonische Möglichkeiten für dieses regional verfügbare und nachwachsende Baumaterial», sagt der Erstautor der Studie, Philippe Grönquist. Die Forschenden haben ihre Methode zum Patent angemeldet.

Dass sich die Technik durchaus für gross dimensionierte Holzbauten eignet, zeigt beispielhaft der Urbach Turm. Es handelt sich dabei um den weltweit ersten Holzbau aus grossen sich selbst formenden Elementen. Der 14 Meter hohe, markante Turm wurde als Landmarke für die Landesgartenschau im Remstal bei Stuttgart im Mai 2019 in Zusammenarbeit mit Architekten und Ingenieuren der Universität Stuttgart und der Schweizer Holzbaufirma Blumer-Lehmann errichtet.

Der 14 Meter hohe Urbach Turm besteht aus zwölf Fichtenholz-Paneelen, die wiederum aus mehreren 5 Meter langen Bilayern aufgebaut sind.
CD/ITKE University of Stuttgart
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