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Nanotechnologie im Dienste der Holzkonservierung

 

Holz ist ein natürlicher Baustoff, der von Mikroorganismen im Laufe der Jahre zersetzt wird. Ihn davor zu schützen ist wichtig, um Holz stärker im Bau einzusetzen. Wie die Nanotechnologie und Nanopartikel dabei helfen könnten, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in diesem Projekt untersucht.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

In der Holzschutzforschung haben sich Forscherinnen und Forscher in den vergangenen Jahren damit beschäftigt, umweltfreundliche Holzschutzmittel zu entwickeln. Dabei setzen sie auch auf Nanopartikel, denn aus früheren Studien wissen sie, dass Nanopartikel je nach Grösse gut die Holzstruktur durchdringen und je nach Oberflächeneigenschaften auch schützende Verbindungen mit dem Holz eingehen können. Die Ergebnisse der verschiedenen Studien lassen sich allerdings nur schwer miteinander vergleichen, da die unterschiedliche Grösse der Partikel nur eine der vielen Eigenschaften ist, die Auswirkungen auf die Holzimprägnierung haben. Die Forscherinnen und Forscher haben sich in diesem Projekt vorgenommen, systematisch das Potenzial zu untersuchen, das die Nanotechnologie für den Holzschutz bietet.

Hintergrund

Die Dauerhaftigkeit von Holz kann durch Holzschutzmittel verbessert werden, die den Abbau durch Mikroorganismen oder Insekten erschweren oder bestenfalls gänzlich verhindern. Die chemischen Substanzen in den Holzschutzmitteln werden über die Jahre teilweise wieder freigesetzt, was zum einen ein gewichtiges Risiko für die Umwelt darstellt und zum anderen die Schutzwirkung des Holzschutzmittels herabsetzt. Daher ist es ein Ziel der Forschung, gleichzeitig hocheffiziente und möglichst umweltverträgliche Holzschutzmittel zu entwickeln. Hierbei können Nanopartikel aufgrund ihrer spezifischen Oberflächeneigenschaften und Funktionalisierbarkeit eine bedeutende Rolle spielen. Bereits jetzt werden Holzschutzmittel wie das ″Micronized copper" eingesetzt, die eine grosse Bandbreite an Partikelgrössen und gewichtige Anteile Nanopartikel enthalten. Es besteht aber weiterhin noch grosser Forschungsbedarf bezüglich der Imprägnierung und Verteilungsmuster der Nanopartikel sowie hinsichtlich der Optimierung der Nanopartikel und Prozessparameter.

Ziel

Die Forscherinnen und Forscher wollten herausfinden, welche Eigenschaften neu entwickelte Nanopartikel für den Holzschutz haben. Dabei interessierte sie besonders, welche Schutzwirkung die Partikel für das Holz haben und welche Mechanismen dafür verantwortlich sind. Ein besonderes Augenmerk legten sie auch darauf zu untersuchen, ob mit dem Einsatz der Nanomaterialien Risiken für die Umwelt oder für die Gesundheit des Menschen verbunden sind.

Um diese Ziele zu erreichen arbeiteten in diesem Projekt Expertinnen und Experten aus verschiedenen Disziplinen eng zusammen. Sie steuerten Know-how aus der Partikelsynthese und -charakterisierung, der Holztechnologie, der Mikroskopie und der Nanotoxikologie bei.

Bedeutung/Anwendung

Die Ergebnisse dieses Projekts können dazu beitragen, Holzbehandlungen auf Basis der Nanotechnologie zu entwickeln, die sich auf den Markt bringen lassen. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen, bestehende Holzschutzmethoden zu verbessern und die Entwicklung neuer Anwendungen der Nanotechnologie im wirtschaftlich bedeutenden Gebäude- und Bausektor voranzutreiben.

Ergebnisse

Durch die Resultate des Forschungsprojekts verstehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Verhalten und die Verteilung von Nanopartikeln im Holz wesentlich besser. Sie wissen nun, wie sie mit Molekülen im Holz reagieren und können deren Schutzwirkung einschätzen. Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen mussten sie Methoden entwickeln, mit denen sie Einlagerungen von sehr geringen Mengen an Partikeln sehen konnten. Damit können sie die Imprägnierung von Holz mit Holzschutzmitteln besser verstehen, die auf metallischen Nanopartikeln basieren, wie etwa Kupfer. Mit den Ergebnissen des Projekts ist es zudem nun deutlich einfacher und genauer möglich zu bestimmen, wie viele Nanopartikel tatsächlich im Holz eingelagert werden. Auch die Grösse und Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel, die für den Holzschutz eingesetzt werden, kann jetzt genauer bestimmt und deshalb auch optimiert werden. Dies erleichtert den Forschern und der Wirtschaft in Zukunft die grundlegende Untersuchung und kommerzielle Umsetzung von Holzschutzmitteln, die Nanopartikeln enthalten. Durch die Untersuchungen konnte das Forschungsteam die Konzentration an Nanopartikeln bestimmen, die es mindestens braucht, um verschiedenen Laub- und Nadelholzarten wirkungsvoll zu schützen. Für einen ökonomisch und ökologisch sinnvollen Einsatz von Nanopartikeln ist es wichtig, diesen Schwellenwert zu kennen.

Ein weiteres Ergebnis dieses Forschungsprojekts war die Entwicklung einer einfachen und kostengünstigen Methode, um die Grössenverteilung sowie die Form von Nanopartikeln zu charakterisieren. Damit haben sie nun ein Werkzeug zur Hand mit dem sie Holzschutzmittel analysieren können, die Nanopartikel enthalten.

In dem Projekt wurden auch Informationen über die Art der Verbindung zwischen der Oberfläche der Nanopartikel und den Zellwänden im Holz gesammelt. Dafür entwickelten die Forscherinnen und Forscher eine neuartige Messmethode, die eventuell die heute gebräuchliche aber sehr zeitaufwändige ersetzen kann.

Originaltitel

Implications for the wood (preservation) industry

Projektleitung

  • Prof. Alke Fink, Adolphe Merkle Institut, Universität Freiburg Schweiz
  • Prof. Thomas Volkmer, Architektur, Holz und Bau, Berner Fachhochschule, Biel
  • Prof. Bernard Grobéty, Departement für Erdwissenschaften, Universität Freiburg Schweiz
  • Prof. Barbara Rothen-Rutishauser, Adolphe Merkle Institut, Universität Freiburg Schweiz

 

 

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 Kontakt

Prof. Alke Fink Adolphe Merkle Institut Universität Freiburg Chemin des Verdiers 4 1700 Fribourg +41 26 300 95 01 alke.fink@unifr.ch