Natürliches Holz und Metall sind seit Jahrtausenden unverzichtbare Baumaterialien für die Menschheit. Die synthetischen Polymere, die wir Kunststoffe nennen, sind eine relativ neue Erfindung, die im 20. Jahrhundert einen regelrechten Boom erlebte.
Sowohl Metalle als auch Kunststoffe besitzen Eigenschaften, die sie für industrielle und gewerbliche Anwendungen prädestinieren. Metalle sind fest, formstabil und im Allgemeinen beständig gegen Luft, Wasser, Hitze und dauerhafte Belastung. Allerdings benötigen sie mehr Ressourcen (und sind daher teurer) für ihre Herstellung und Weiterverarbeitung. Kunststoffe bieten einige der Funktionen von Metallen, benötigen dabei aber weniger Masse und sind sehr kostengünstig in der Herstellung. Ihre Eigenschaften lassen sich für nahezu jeden Anwendungsbereich anpassen. Billige Industriekunststoffe eignen sich jedoch schlecht als Baumaterialien: Haushaltsgeräte aus Kunststoff sind unpraktisch, und niemand möchte in einem Haus aus Kunststoff leben. Zudem werden sie häufig aus fossilen Brennstoffen gewonnen.
In manchen Anwendungsbereichen kann Naturholz mit Metallen und Kunststoffen konkurrieren. Die meisten Einfamilienhäuser sind in Holzrahmenbauweise errichtet. Das Problem ist jedoch, dass Naturholz zu weich und zu anfällig für Wasserschäden ist, um Kunststoff und Metall in den meisten Fällen zu ersetzen. Eine kürzlich in der Fachzeitschrift „Matter“ veröffentlichte Studie untersucht die Entwicklung eines gehärteten Holzwerkstoffs, der diese Einschränkungen überwindet. Diese Forschung mündete in der Entwicklung von Holzmessern und -nägeln. Wie gut ist das Holzmesser und werden Sie es demnächst verwenden?
Die Faserstruktur von Holz besteht zu etwa 50 % aus Cellulose, einem natürlichen Polymer mit theoretisch guten Festigkeitseigenschaften. Die restliche Hälfte der Holzstruktur besteht hauptsächlich aus Lignin und Hemicellulose. Während Cellulose lange, zähe Fasern bildet, die dem Holz seine natürliche Festigkeit verleihen, besitzt Hemicellulose nur eine geringe Kohärenz und trägt daher nichts zur Festigkeit des Holzes bei. Lignin füllt die Zwischenräume zwischen den Cellulosefasern und erfüllt wichtige Funktionen für lebendes Holz. Für das menschliche Ziel, Holz zu verdichten und seine Cellulosefasern fester miteinander zu verbinden, wird Lignin jedoch zum Hindernis.
In dieser Studie wurde Naturholz in vier Schritten zu gehärtetem Holz (HW) verarbeitet. Zunächst wurde das Holz in Natriumhydroxid und Natriumsulfat gekocht, um einen Teil der Hemicellulose und des Lignins zu entfernen. Nach dieser chemischen Behandlung wurde das Holz durch mehrstündiges Pressen bei Raumtemperatur verdichtet. Dadurch wurden die natürlichen Hohlräume und Poren im Holz reduziert und die chemische Bindung zwischen benachbarten Cellulosefasern verstärkt. Anschließend wurde das Holz zur Verdichtung weitere Stunden bei 105 °C (221 °F) unter Druck gesetzt und danach getrocknet. Abschließend wurde das Holz 48 Stunden lang in Mineralöl getaucht, um das fertige Produkt wasserfest zu machen.
Eine mechanische Eigenschaft eines Konstruktionswerkstoffs ist die Eindruckhärte. Sie ist ein Maß für seine Fähigkeit, Verformungen unter Krafteinwirkung zu widerstehen. Diamant ist härter als Stahl, härter als Gold, härter als Holz und härter als Verpackungsschaum. Neben vielen anderen technischen Prüfverfahren zur Härtebestimmung, wie beispielsweise der Mohs-Härteprüfung in der Gemmologie, ist auch die Brinellhärteprüfung eine davon. Das Prinzip ist einfach: Eine harte Metallkugel wird mit einer bestimmten Kraft in die Prüfoberfläche gedrückt. Gemessen wird der Durchmesser des von der Kugel erzeugten kreisförmigen Eindrucks. Der Brinellhärtewert wird mithilfe einer mathematischen Formel berechnet; vereinfacht gesagt gilt: Je größer der Eindruck, desto weicher das Material. In diesem Test ist HW 23-mal härter als natürliches Holz.
Die meisten unbehandelten Hölzer nehmen Wasser auf. Dadurch kann das Holz aufquellen und schließlich seine strukturellen Eigenschaften zerstören. Die Autoren verwendeten ein zweitägiges Mineralbad, um die Wasserbeständigkeit des Holzes zu erhöhen und es hydrophober („wasserabweisend“) zu machen. Der Hydrophobie-Test besteht darin, einen Wassertropfen auf eine Oberfläche zu geben. Je hydrophober die Oberfläche, desto kugelförmiger werden die Wassertropfen. Eine hydrophile („wasserliebende“) Oberfläche hingegen verteilt die Tropfen flach (und nimmt Wasser dadurch leichter auf). Daher erhöht das Mineralbad nicht nur die Hydrophobie des Holzes deutlich, sondern verhindert auch dessen Feuchtigkeitsaufnahme.
In einigen technischen Tests schnitten HW-Messer etwas besser ab als Metallmesser. Die Autoren behaupten, dass das HW-Messer etwa dreimal so scharf ist wie ein handelsübliches Messer. Allerdings gibt es bei diesem interessanten Ergebnis eine Einschränkung. Die Forscher vergleichen Tafelmesser, die man auch als Buttermesser bezeichnen könnte. Diese sind nicht für besondere Schärfe ausgelegt. Die Autoren zeigen ein Video, in dem ihr Messer ein Steak schneidet, aber ein durchschnittlich kräftiger Erwachsener könnte dasselbe Steak wahrscheinlich auch mit der stumpfen Seite einer Metallgabel schneiden, und ein Steakmesser wäre deutlich besser geeignet.
Und die Nägel? Ein einzelner Hartmetallnagel lässt sich offenbar leicht in drei übereinander gestapelte Bretter einschlagen, wenn auch nicht so detailliert, da es im Vergleich zu Eisennägeln relativ einfach ist. Holzdübel können die Bretter dann zusammenhalten und der Kraft widerstehen, die sie auseinanderreißen würde, und sind dabei etwa genauso robust wie Eisendübel. In den Tests brachen jedoch in beiden Fällen die Bretter, bevor die Nägel versagten, sodass die Stärke der Nägel nicht zum Tragen kam.
Sind Hartholznägel in anderer Hinsicht besser? Holznägel sind zwar leichter, aber das Gewicht der Konstruktion hängt nicht primär von der Masse der Nägel ab, die sie zusammenhalten. Holznägel rosten nicht. Allerdings sind sie nicht wasserdicht und biologisch abbaubar.
Es besteht kein Zweifel, dass der Autor ein Verfahren entwickelt hat, um Holz widerstandsfähiger als natürliches Holz zu machen. Die Eignung des Verfahrens für konkrete Anwendungen bedarf jedoch weiterer Untersuchungen. Kann es so kostengünstig und ressourcenschonend wie Kunststoff sein? Kann es mit stabileren, attraktiveren und unendlich oft wiederverwendbaren Metallobjekten konkurrieren? Die Forschung wirft interessante Fragen auf. Die weitere Entwicklung (und letztendlich der Markt) werden die Antworten liefern.
Veröffentlichungsdatum: 13. April 2022
