Thomas Hübert, Forscher an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin, zeigt ein fünf mal zehn Zentimeter großes Kiefernholzstück herum. Äußerlich sieht man ihm seine Behandlung nicht an. Es wurde mit einem umweltfreundlichen Verfahren bearbeitet, bei dem kleinste Nanopartikel aus Silizium- oder Titanoxid in Zellhohlräume und Zellwände von Holzfasern eingebracht werden und diese vor Verwitterung schützen.
Die neue Imprägnierung ist kaum färbend. Die Einlagerung führe dazu, so der Forscher, dass die behandelten Hölzer einen deutlich messbaren Schutz gegen holzzerstörende Braunfäulepilze aufweisen.
In Zusammenarbeit mit dem Burkhardt-Institut der Georg-August-Universität Göttingen konnte der Wissenschaftler zeigen, dass neben dem Verwitterungsschutz auch der Brandschutz sowie 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 zu diesem Thema seine Doktorarbeit schreibt. "Wir wollten mit dem Projekt zeigen, dass es Alternativen zu den bisherigen meist sehr giftigen Holzschutz-Lösungen gibt", sagt der BAM-Forscher, der sich auf die Eigenschaften und Anwendung von glasigen und keramischen Materialien spezialisiert hat.
Die Forscher haben für ihre Laborversuche ofengetrocknetes Kiefernsplintholz gewählt, das aus dem äußeren Stammbereich des Baumes stammt. "Dort werden Wasser und Nährstoffe transportiert. Aus diesem Grund ist dieses Holz auch besonders anfällig gegenüber Schädlingen", erläutert Hübert.
Die Holzproben wurden mit Silizium- und Titanalkoholat-Lösungen auf Ethanol- oder Isopropanol-Basis im Vakuum durchtränkt. Dabei werden die Alkoholate hydrolisiert und es entstehen heterogene Stoffgemische, so genannte Suspensionen, die die Nanopartikel enthalten. Bei diesem sogenannten Sol-Gel-Prozess wird mittels Hydrolyse und anschließender Kondensationsreaktion ein Sol gebildet, dass anschließend durch Vernetzung der Solpartikel zu einem festen Gel wird. "Diese Gele bedecken gleichmäßig in dünnen Schichten die Zellen des Holzes", beschreibt Shabir Mahr den Vorgang. "Wir finden sie hauptsächlich in den Zellhohlräumen, den Lumen. Sie sind aber auch in den Zellwänden nachweisbar."
Durch die Vernetzung werden die verwendeten Nanopartikel gleichzeitig so fest gebunden, dass sie selbst durch Abrieb am Holz nicht mehr in die Umwelt gelangen können und deren Verwendung dadurch unproblematisch werde, sagte BAM-Forscher Hübert gegenüber EnBauSa.de.
Nanomaterialien sind in den vergangenen Jahren zunehmend in die Kritik geraten, weil sie so klein sind, dass sie über die Luft verbreitet und über die Atemwege aufgenommen werden können. Solange die Nanopartikel aber fest in Materialien eingebunden sind und nicht freigesetzt werden, ist auch nach Ansicht des Umweltbundesamtes eine Gefährdung von Mensch und Umwelt kaum zu erwarten.
Um die schützende Wirkung ihrer Nanobeschichtung zu erproben, haben die Forscher ihre Holzproben zunächst einem zehnwöchigen Laborversuch ausgesetzt. "Die Ergebnisse nach 16 Wochen deuten daraufhin, dass der imprägnierende Schutz dauerhaft ist", sagt Thomas Hübert. Die Proben zeigten eine verringerte Feuchtigkeitsaufnahme um bis zu 50 Prozent (im Vergleich zu nicht behandeltem Holz), während die Biegefestigkeit um bis zu 40 Prozent zunahm.
Das Material zeigte auch eine bessere Beständigkeit gegenüber Feuer. Shabir Mahr: "Im optimalen Fall lag die flammenhemmende Wirkung bei bis zu 80 Prozent." Daher könnte mit der Beschichtung auch die Kohlenmonoxid-Bildung sowie die Rauchentwicklung deutlich gesenkt werden.
Bis das Verfahren jedoch in der Praxis eingesetzt werden kann, muss es noch weiter optimiert werden. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher versuchen, die derzeit verwendeten Lösemittel wie Ethanol oder Isopropanol durch Wasser zu ersetzen. Gleichzeitig wollen sie prüfen, ob das Behandlungsverfahren in gängigen Anlagen zur Druckimprägnierung eingesetzt werden könnte. "Damit könnte es relativ leicht in die Praxis übernommen werden", sagt der BAM-Wissenschaftler. Die größte Hürde jedoch sei das Zulassungsverfahren für neue Holzbehandlungsverfahren, weiß Hübert aus Erfahrung: "Das kann Jahre dauern."
Das sieht auch Hans-Joachim Rüpke so, Sachverständiger für Holzschutz aus Hannover. Bei der vom BAM entwickelten Nanobeschichtung handele es sich um reine Grundlagenforschung, so seine Einschätzung. Bis solche Ideen in der Praxis genutzt werden könnten, seien noch viele Fragen zu klären. "So wird das Holz durch die Einlagerungen der Partikel um bis zu 25 bis 50 Prozent schwerer", schätzt der Holzschutzexperte. Gleichzeitig würden die statischen Eigenschaften verändert. "Das muss alles noch erforscht werden und das dauert", sagt Rüpke.
Er weist noch auf ein weiteres Problem hin: Durch die Einlagerungen werde das Holz härter und ließe sich dadurch schwerer bearbeiten. Werkzeuge würden schneller stumpf und schneller verschleißen. Der Forscher Thomas Hübert, der sich der Vorbehalte gegen sein Verfahren bewusst ist, lässt sich dennoch nicht entmutigen: Gemeinsam mit Holzschutzmittelanbietern – die sehr an umweltfreundlicheren Methoden interessiert sind – und Forscherkollegen hofft er für diese Herausforderungen geeignete Lösungen zu finden. von Hans Schürmann