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Nanopartikel als Flammschutz

15.11.2013

Von außen kaum sichtbar, soll eine neuartige Imprägnierung durch Nanopartikel Holz vor Pilzbefall schützen. Positiver Nebeneffekt ist eine flammhemmende Wirkung bis zu 80 Prozent.

Äußerlich sieht man dem Holz seine Behandlung gar nicht an. „Es ist imprägniert, aber die typische Holz­oberfläche bleibt erhalten“, sagt Thomas Hübert von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zeigt auf ein fünf mal zehn 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. 

Mehr noch: Als Resultat der Zusammenarbeit von Forschergruppen aus der BAM und dem Burkhardt-Institut der Georg-August-Universität Göttingen konnten die Wissenschafter zeigen, dass auch der Brandschutz und die Härte des Holzes durch die Behandlung verbessert werden. „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 dem Thema seine Doktorarbeit schreibt. 

Umweltfreundliche Alternativen?

Das Projekt hatte auch das Ziel herauszufinden, ob es nicht zu den herkömmlichen Verfahren, die oft auf bedenkliche Substanzen setzen, umweltfreundlichere Alternativen gibt. 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 – es entstehen heterogene Stoffgemische, sogenannte Suspensionen, die die Nanopartikel enthalten.

Dauerhafter Schutz

Zur Anwendung kam dabei der sogenannte 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 Wissenschafter in einem Artikel für das Fachblatt „International Biodeterioration & Biodegradation“, dass die Materialien einen deutlich messbaren Schutz gegen holzzerstörende Braunfäulepilze (Coniophora puteana und Poria placenta) aufweisen. Die Proben wurden dabei zunächst einem zehnwöchigen Laborversuch ausgesetzt. „Aber auch die Ergebnisse nach 16 Wochen deuten darauf hin, dass der Schutz dauerhaft ist“, sagt Thomas Hübert. 

Nebeneffekt: flammhemmend

Die imprägnierten Proben zeigten eine verringerte Feuchtigkeitsaufnahme um bis zu 50 Prozent (im Vergleich zum nichtbehandelten 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 Kohlenmonoxidbildung wie auch die Rauchentwicklung könnten deutlich gesenkt werden. 

Die Wissenschafter sehen in ihrer Methode mit letztendlich nichtgiftigen 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. 

Autor/in:
Ulrike Rockland
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