Entwicklung von Nanoverbundwerkstoffen nach dem Vorbild der Natur

 

Die Entwicklungsstrategie unserer Geschäftspartner, basiert auf Modifikation und Optimierung der natürlichen und biologischen Konstruktionen der Natur. Es geht hier auch um die Optimierung und Übertragung des Wissens der Natur auf unsere Technologie. Um diese Prinzipien in modifizierter Form technisch umzusetzen, müssen uns die Erkenntnisse der Funktionsweise natürlicher Konstruktionen und Prinzipien bekannt sein (Nanobionik).

 

Es können technische Probleme gezielt und einfach mit minimierenden Materialien gelöst werden. Es geht darum

umweltfreundliche, ökologisch unbedenkliche und vergleichsweise kostengünstige Bindemittelsysteme und Verfahren zu entwickeln, die auf lange Sicht nachhaltig ausgelegt sind.

 

Zusätzlich wurde im Rahmen des Holzbaustoffprojektes eine neue Methode und ein Verfahren entwickelt, welches wir als Nano-Modifizierungsverfahren“ für Holz bezeichnen. Mit dieser Methode können die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Holzprodukte manipuliert und verbessert werden.

 

So wird die Brennbarkeit stark reduziert und/oder ganz verhindert. Durch anorganische Nanoinfiltration werden die Holzwerkstoffe völlig durch anorganische Nanohybrid - Teilchen so modifiziert, dass die Oberfläche von organischen Holzpartikeln völlig neue Eigenschaften erhält. Somit ergibt sich eine Stoffartänderung der Holzwerkstoffe.

 

Die Holzverbundwerkstoffe werden gegenüber Umweltwechselwirkungen beständiger. Mikroorganismen können nicht mehr in solchen modifizierten Holzverbundwerkstoffen wachsen. Das erneuern bzw. zeitintensives behandeln mit Schutzlacken von witterungsanfälligen Materialien entfällt.

 

Zu diesen Mikroorganismen zählen Pilze, Hefen, Algen und Flechten. Diese können organische Materialien abbauen und wirken in geologischen Zeiträumen an den Verwitterungsprozessen mit. Algen und Pilze bereiten zunehmend ästhetische Probleme an Holzwerkstoffen. Zum Schutz der Holzoberfläche kommen häufig Biozide zum Einsatz, die für einen gewissen Zeitraum eine Besiedlung verhindern. Nach kurzer Zeit besiedeln Mikro-Organismen (z.B. Algen, Pilze) erneut die Oberflächen der Holzwerkstoffe. Eine sichere Lösung sind hier unsere neuen Holzverbundwerkstoffe.

 

Herstellungsverfahren der Holzverbundstoffe

 

Die Herstellung von Nanoverbundwerkstoffen aus Holz, wurde durch das „Nano-Modifizierungsverfahren“ realisiert, welches durch unsere neue Methode in naher Zukunft umgesetzt werden kann. Durch ein weiteres neues Verfahren, das „Nano-Infiltrationsverfahren“, können wir Holz und Holzwerkstoffe verbessern und robuster machen.

 

Als Holzwerkstoff für die Trägerlage eignen sich plattenförmige Produkte, insbesondere hochdichte Faserplatten (HDF), mitteldichte Faserplatten (MDF), Spanplatten, Oriented Strand Board (OSB), Sperrholz und/oder Massivholz. Die Schutzschicht, die aus mindestens einer, vorzugsweise zwei Außenlagen besteht, ist so wirksam, dass die ohne weitere Maßnahmen nicht brandbeständige Trägerlage vor dem Entflammen geschützt ist.

 

Der mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehrschichtige plattenförmige Werkstoff kann in seinem Aufbau durch Zu- oder Einfügen weiterer Schichten ergänzt werden. Beispielsweise kann durch Zu- oder Einfügen von Furnierlagen bzw. Sperrholzschichten die Biegefestigkeit des plattenförmigen Werkstoffs gesteigert werden. Zufügen dekorativer Beschichtungen mindestens einer Außenlage ist möglich.

 

Durch Einlegen von Kaltkeramik, kann die Brandbeständigkeit, d.h. der Feuerwiderstand, oder die gesamte Eigenschaften der Platte verändert werden.

 

Alternativ oder ergänzend zum Einfügen weiterer Schichten können in einzelnen oder allen Lagen oder Schichten Zuschlagstoffe zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften des plattenförmigen Werkstoffs einzustellen. So können beispielsweise Brandhemmer, Schaumbildner (vorzugsweise solche die flammhemmend wirken), Fungizide und/oder Insektizide, aber auch Haftgrund zur besseren Haftung dekorativer Deckschichten wie Tapeten zugesetzt werden.

 

Die Dauer der Brandbeständigkeit, also die Zeit bis zum Entflammen des Werkstoffs, wie auch der Feuerwiderstand hängen unter anderem auch von den Schichtdicken der Außenlage ab. So werden mit einer Schichtdicke von wenigen mm eine hohe Brandbeständigkeit und Feuerwiderstand erreicht. Die Erhöhung der Schichtdicke verbessert diese Eigenschaften noch erheblich.

 

Durch die verhältnismäßig geringe Schichtdicke, die zum Erreichen der Brandbeständigkeit erforderlich ist, wird das Gewicht des plattenförmigen Werkstoffs insgesamt nur geringfügig gegenüber einer reinen Holzwerkstoffplatte erhöht.

 

Besonders positiv werden der Feuerwiderstand und damit die Brandbeständigkeit beeinflusst, wenn auch die Kante, also die Seitenflächen des plattenförmigen Werkstoffs gegen Feuer geschützt sind (Siehe Bild 1). Dies kann entweder durch angemessene konstruktive Verarbeitung geschehen, indem z.B. Kanten auf Stoß verarbeitet werden. Es können aber auch brandbeständige Kantenprofile eingesetzt werden.

 

Während der Herstellung des plattenförmigen Werkstoffs kann auch die Trägerlage der Seitenkanten brandbeständig gestaltet werden, z.B. durch Imprägnierung mit Brandschutzmitteln, Brand- oder Flammhemmern. Dadurch wird neben der Brandbeständigkeit auch die Wasserbeständigkeit der hergestellten Platte erhöht.

 

Das Herstellungsverfahren lässt sich – soweit der Holzwerkstoff ungepresst eingesetzt wird – im Rahmen der üblichen Herstellung von Holzwerkstoffplatten ohne aufwändige Zusatzmaßnahmen realisieren (siehe Bilder 1, 2, 3), wodurch eine preisgünstige und praktikable Herstellung der Platten gewährleistet ist. Wird eine gepresste Holzwerkstoffplatte mit einer oder zwei brandbeständigen Außenlagen beschichtet, so kann dieser Arbeitsgang mit an sich bekannten und üblichen Pressen erfolgen.

 

Nach einer besonderen Herstellungsform wird zunächst die erste Außenlage hergestellt, dann eine ein - oder mehrschichtige Holzwerkstofflage durch Streuvorrichtungen aufgetragen und schließlich darauf eine zweite Außenlage aus Kaltkeramik-Werkstoff hergestellt. Die so hergestellte Platte wird gegebenenfalls vorher verdichtet und in eine Presse überführt. Dort wird unter Anwendung von erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck über einige Minuten die Platte hergestellt.

 

Die Presstemperatur für übliche Produktionsbedingungen beträgt mindestens 130°C bis 180°C. Der Pressdruck hängt von der Wahl des Holzwerkstoffs und Beschichtung ab. Auch die Pressdauer kann je nach Holzwerkstoff und je nach gewähltem Verfahren sehr unterschiedlich sein.

 

Es ist wichtig, das bei der Herstellung der Holzverbund-Werkstoffe die Materialien beim Pressen gut komprimiert werden. Dadurch werden die Partikel mechanisch ineinander verhakt, was die Außenlage zusätzlich stabilisiert. Nachteilige Auswirkungen auf die Eigenschaften, wie z.B. Brandbeständigkeit bei Dämmstoffplatten im Bausektor, bei denen geringe Dichten gefordert sind werden vermieden.

 

Die Verwendung leichter und poröser Füllstoffe kann den Vorteil bieten, dass der Einschluss von Luft im Verbundwerkstoff die Isolations- und Dämmeigenschaften verbessert.

 

Eine zusätzliche Ausrüstung der Außenlage mit einer Versiegelung ist nicht mehr erforderlich, da durch die Brandbeständigkeit auch die Wasserbeständigkeit der hergestellten Holzplatten durch die Kaltkeramik gegeben ist. Dieses findet beispielsweise Verwendung bei Außenfassaden, im Bausektor oder bei Trennwänden im Schiffsbau.

 

Die Nanoverbundwerkstoffe als Holzplatten können gegenüber einer herkömmlichen Holzfaserplatte weiterhin den Vorteil bieten, dass sie bessere Schalldämmeigenschaften aufweisen, indem sie aufgrund der höheren Porosität der Oberfläche Raumschall in höherem Maße absorbiert.

 

Nachfolgend wird der Sachverhalt durch einige Beispiele näher erläutert:

 

Holzplatte aus Nadelholzspänen mit einer brandbeständigen Außenlage aus Kaltkeramik.

 

 

 

 

Bild 1 Nadelholzspäne wurde hier ungepresst, und im Rahmen der üblichen Herstellungsverfahren von Holzwerkstoffplatten, eingesetzt. Die brandbeständige Außenlage besteht aus Kaltkeramik.

Bei der Herstellung von Holzverbundwerkstoffen plastischer Konsistenz mit Nadelholzspänen bilden sich Luftporen, was zur Vergrößerung des Bindevolumens und damit zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit führt.

 

Die Holzwerkstoffplatte kann mit einer oder zwei brandbeständigen Außenlagen aus Kaltkeramik beschichtet werden. So kann dieser Arbeitsgang mit an sich bekannten Anlagen zum Streuen von partikelförmigen, gegebenenfalls mit Bindemittel versehenen Werkstoffen mit üblichen Pressen erfolgen.

 

 

 

 

Bild 2 Hier wurden die Nadelholzspäne ungepresst eingesetzt und mit den üblichen Herstellungsverfahren von Holzwerkstoffplatten ohne aufwändige Zusatzmaßnahmen realisiert, wodurch eine preisgünstige und praktikable Herstellung von Holzfaser-Dämmplatten gewährleistet ist.

 

 

Eine weitere Verkieselung der Nadelholzspäne verbessert mechanische Eigenschaften und kann auch dadurch die Brandbeständigkeit verstärken.

 

 

 

 

Bild 3 Hier wurden die Nadelholzspäne gepresst eingesetzt und mit dem nicht üblichen Herstellungsverfahren von Holzwerkstoffformkörpern realisiert, wodurch ein preisgünstiges und praktikables Herstellungsverfahren von verschiedenen Holzformkörpern gewährleistet ist.

 

Die Eigenschaften dieser Nanoverbundstoffe sind hauptsächlich vom Verdichtungsgrad und der eingesetzten Materialien abhängig. Mit gröberen Holzspänen werden höhere Festigkeiten erreicht. Die Rohdichten dieser Verbundstoffe können gezielt variiert werden. Bei einer Materialdichte zwischen 200 und 900 kg/m³ erreichen wir, Druckfestigkeiten zwischen 1 und 6 MPa und die Biegezugfestigkeiten entsprechend zwischen 0,5 und 2,5 MPa.

 

Die Untersuchungen zum Schwindverhalten zeigen, dass die gestampften Proben mit einem höheren Bindemittelverhältnis ein höheres Schwind- und Quellmaß haben, da mehr Wassermoleküle entweichen müssen. So erreichen die Schwindmaße des hergestellten Verbundstoffs während der Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit von 70 % auf 35 % Werte bis 0,25 mm/m. Die Schwindmaße der gestampften Proben sind mit 0,5 und 0,80 mm/m etwas höher. Hier ist auch ein höheres Schwindmaß der Verbundstoffe mit feineren Holzspänen im Vergleich zu Verbundstoffe mit gröberen Holzspänen zu beobachten.

 

Es ist uns gelungen geeignete anorganische, nanostrukturierte Bindemittel für die Herstellung von Holzverbundwerkstoffen ohne Holzvorbehandlung herauszuarbeiten. Dabei ist herauszustellen, das mit Sägespänen und anderen Restholzfraktionen, Holzverbundwerkstoffe hergestellt werden konnten. Erste Untersuchungen zur Variation der Holz-Partikelform wurden durchgeführt. Eine weitere Optimierung des untersuchten Bindemittelsystems unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist möglich und aussichtsreich.

 

Nanomodifizierung von Holzpartikeln

 

Die Holzrohstoffe wurden in einem anorganischen kolloidalem Nanohybridsol eingearbeitet. Die Nanohybridsole sind durch ein sehr feines und gleichmäßiges Verteilungsspektrum gekennzeichnet, so dass durch chemische Modifizierung der Nanopartikel, diese gut mit der Oberfläche von Holzpartikeln anhaften können.

 

 

 

 

Bild 5 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM) von gebundenem Sägeholzmehl mit Nanohybridsol. Das Bild zeigt den morphologischen Aufbau der Oberfläche von Sägeholzmehl.

 

Die Messung und Ergebnisse der Teilchengrößenverteilung, Konzentration und der Grad der Aggregation von Nanohybridsol ist auch in der folgenden Tabelle dargestellt.

 

 

 

 

 

 

Die Messung zeigt die Teilchengrößenverteilung, Konzentration und den Grad der Aggregation von Nanohybridsol.

 

Zusätzlich zu diesem Projekt wurden Anwendung bezogene Werkstoffe in Form von Multifunktionskeramiken mit nano- bis makroporösen Strukturen als innovative Lösungen für viele Industriebranchen entwickelt, die sich wegen der breiten Variationsmöglichkeiten der Materialeigenschaften für weitere Anwendungsbereiche einsetzen

lassen. Demzufolge lassen sich die hergestellten Nanoverbundwerkstoffe beispielsweise auch als Substrate für die

Funktionskeramiken, witterungs- und feuerresistente oder wärmeisolierende Leichtbauwerkstoffe verwenden.

 

Im Vordergrund stehen dabei neue Applikationen von kaltkeramischen Werkstoffen als technische Anwendungen für die Bereiche:

 

  • Industrieofen und Heißgasturbinen
  • Bauindustrie
  • Holzindustrie (Gartenmöbel, Carports, Zäune, Garagentore, Türen, Dachbalken e.t.c.)
  • Hochtemperatur-Isolierung
  • Automobilindustrie, Schalldämmstoffe
  • Umwelttechnik und Brandschutz - Auskleidungen
  • Maschinen, Werkzeugen – und Anlagenbau
  • Luftfahrt
  • Feuerfesttechnik und Brennkammerauskleidungen
  • Als Binder für hochtoxische anorganische Verbindungen und radioaktiven Materialien
  • Für hohe Thermoschockbeständigkeit
  • Für die Entwicklung von Prototypen und Gießformen einsetzbar

 

Natürlich sollten die gesuchten Materialien darüber hinaus möglichst ungiftig, gut verfügbar und preisgünstig sein. Alle

diese Anforderungen sind wichtig.

 

Zusammenfassung:

 

Durch die Entwicklung neuer Materialien wie ‘Kaltkeramik’ und neuer Prozesse wie ‘Sol-Gel’ wurden in den letzten Jahren spektakuläre Fortschritte auf technologischem Gebiet erzielt. Neue, mittels Polymerisationsreaktionen erzeugte Stoffe eröffnen neuartige Anwendungen und verändern Ansichten, die in der anorganischen Chemie seit langem als gesichert galten. Hochtemperaturtechniken sind nicht mehr notwendig, um Materialien herzustellen, die in ihren Strukturen und Eigenschaften der Keramik gleichen. Solche Substanzen können, ähnlich wie organische Polymere, bei Temperaturen unterhalb 100°C polymer kondensieren.

 

 

Unser Holz brennt nicht!

 

 

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Quelle: H2-Umwelttechnik GbR (www.h2coin.info)

 

*Änderungen Aufgrund technischer Weiterentwicklungen vorbehalten*