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Behandlung von Holzoberflächen mit Hilfe von Photoinitiatoren

 

Die Oberflächen von Massivholz oder Holzpartikeln wurde so modifiziert, dass neue Verbundwerkstoffe hergestellt werden konnten. Die Oberflächenmodifikation erfolgte mittels neuer Photoinitiatoren, die nach verschiedenen Verfahren an der Oberfläche fixiert wurden.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Es sollten zwei Strategien zur photochemischen Herstellung von Kompositmaterialien aus Zellulosekomponenten und organischen Polymeren entwickelt werden. In einem Verfahren wird zunächst die Zelluloseoberfläche so modifiziert, dass sie durch Licht aktiviert werden kann und durch eine chemische Reaktion ein grosses organisches Molekül – ein Polymer - auf der Oberfläche entsteht. Im zweiten Verfahren wird zunächst ein photoaktives Polymer erzeugt und dieses an der Holzoberfläche verankert.

Hintergrund

Um Massivholz und Holzpartikel zu beschichten oder mit anderen Materialien zu verkleben, ist eine erhöhte chemische Reaktivität der beteiligten Oberflächen nötig. In diesem Projekt entwickelten die Forschenden dafür neuartige Methoden. Dabei binden sie an die Oberflächen aus Lignocellulose, dem Strukturgerüst verholzter Pflanzen, neue funktionelle Gruppen, die die Oberflächen reaktiver machen und diesen neue Eigenschaften verleihen. Dafür setzten die Forschenden phosphorbasierte Photoinitiatoren ein, welche durch Lichtenergie in reaktive Zwischenprodukte (Radikale) verwandelt werden. Diese Radikale starten dann chemische Reaktionen, durch die Zellulose dauerhaft in ein polymeres Material eingebettet werden kann.

Ziel

Die Forschungsarbeiten in diesem Projekt konzentrierten sich auf Oberflächenbehandlungen von zwei verschiedenen holzbasierten Materialien: für Cellulose-Nanofasern (CNF) als faserartige, strukturelle Holzkomponenten und für Massivholzoberflächen im naturbelassenen Zustand. Die unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit sowie die verschiedenen Anwendungsgebiete der beiden Materialien ermöglichten es den Forschenden, verschiedene Modifizierungsstrategien zu verfolgen. Bei der Behandlung von CNF geht es darum, die Oberflächeneigenschaften besser aufeinander abzustimmen, um z. B. die Adhäsion (Aneinanderheften) zu verstärken oder um Holzpartikel in Polymermatrizen von Verbundwerkstoffen besser einzubetten. Die Behandlung von Massivholzoberflächen hatte hingegen zum Ziel, die Oberflächen beispielsweise wasserabweisend oder gegen Licht unempfindlich zu machen. Im Rahmen dieses Projekts wurden Beispiele erarbeitet, die zeigen dass diese Strategien erfolgreich angewendet werden können.

Bedeutung

Die Erkenntnisse aus dem Projekt könnten es ermöglichen, die Reaktivität oder Funktionalität von Holzoberflächen massgeschneidert zu verändern. Solche Oberflächenmodifikationen haben ein hohes Innovationspotential (z. B. durch Einbezug von Nanotechnologie) und sind besonders wichtig für hochwertige Holzanwendungen wie beschichtetes Holz im Aussenbereich, Holzwerkstoffe für den Holzbau, oder Holz-Kunststoff-Verbundmaterialien.

Anwendung

Bisher werden Ergebnisse aus diesem Projekt noch nicht direkt angewendet oder kommerziell verwertet.

Ergebnisse

Es wurden erfolgreich zwei Strategien zur photochemischen Herstellung von Kompositmaterialien aus Zellulosekomponenten und organischen Polymeren entwickelt. Im ersten Verfahren wird ein Photoinitiatormolekül durch eine chemische Reaktion kovalent an die Zelluloseoberfläche gebunden. Nach Belichtung in Gegenwart von polymerisierbaren Monomeren wächst ein organisches Polymer auf die Holzoberfläche auf. Dieser zweistufige Prozess kann vereinfacht so beschrieben werden: (i) Z + PI*  Z-PI*; (ii) (Z-PI*) + n M  (Z-PI-(M)n), mit: Z = Zellulose, PI* = aktiver Photoinitiator, PI = Initiatormolekül nach Beleuchtung, M = polymerisierbares Monomer und n = Anzahl der Monomermoleküle, die nach der Reaktion im Polymer (M)n enthalten sind. Alternativ kann man zunächst ein photoaktives Polymer PI*-(M)n herstellen und dieses unter Lichteinwirkung an die Zellulose binden, so dass ebenfalls (Z-PI-(M)n) entsteht. Mit beiden Methoden wurden sehr gute Resultate erzielt und Gewichtszunahmen der Zellulose um bis zu 400% erreicht. Mit diesen Ergebnissen können nun gezielt weitere Kompositmaterialien hergestellt und untersucht werden.

Originaltitel

Wood surface functionalisation using photoinitiators

Projektleitung

  • Prof. Hansjörg Grützmacher, Laboratorium für Anorganische Chemie, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
  • Martin Arnold, Angewandte Holzforschung, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf
  • Dr. Tanja Zimmermann, Angewandte Holzforschung, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Prof. Hansjörg Grützmacher Laboratorium für Anorganische Chemie D-CHAB
ETH Zürich
Vladimir-Prelog-Weg 1 8093 Zürich +41 44 632 28 55 hansjoerg.gruetzmacher@inorg.chem.ethz.ch