Schaumstoff aus Holz?

Projekt 1742: Chemische Charakterisierung von Holz­ ­­klima­angepasster Baumarten

Holz ist als natürlicher Rohstoff in seiner Vielfalt ein maßgeblicher Bestandteil einer nachhaltigen Bioökonomie. Für eine umfassende Bewertung der unterschiedlichen Laub- und Nadelholzarten Baden-Württembergs in der gesamten Breite aller ihrer Verwendungsmöglichkeiten werden zukünftig die holzchemischen Bestandteile eine größere Bedeutung erfahren. Somit können beispielsweilse die im Holz enthaltenen Extraktstoffe zur Herstellung von z.B. Dämm- und Schaumstoffen oder Klebstoffen genutzt werden. Zudem können wertvolle Plattformchemikalien für die pharmazeutische und Lebensmittelindustrie gewonnen werden. 
 

Fragestellung

Wie sehen die chemischen Inhaltsstoffe und Holzbestandteile von klimaresistentem Holz in ihrer Zusammensetzung und ihrem Volumenanteil aus? Wie kann man die Bestimmung der Holzbestandteile, welche von vielen Faktoren wie Alter, Gewebetyp, Standort, Position, etc. innerhalb des Baumes abhängen, systematisieren?
 

Zielsetzungen

Ziel ist es, ein Probenahme- und Messprotokoll zur chemischen Holzcharakterisierung zu entwickeln, damit künftig eine Methode zur Verfügung steht, um eine zielgenaue und marktangepasste Erzeugung der Rohholzressource im Wald zu gewährleisten.
 

Vorgehensweise

Für die Entwicklung des Methodenprotokolls wurde als Nadelbaumart die Douglasie (Pseudotsuga menziesii) ausgewählt, der bereits jetzt eine gewisse forstwirtschaftliche Bedeutung zukommt. Als Vertreter der Laubbäume soll der Tulpenbaum (Liriodendron tulipifera) untersucht werden, der besonders auf Eschenstandorten als vielversprechend gilt. Beide Baumarten gelten als dem Klimawandel angepasst und gewinnen somit immer größere Bedeutung.

Neben den strukturgebenden Hauptbestandteilen von Holz, Cellulose und Lignin, sollen auch die Gehalte und die Zusammensetzung der Extraktstoffe bestimmt werden. Diese je nach Baumart 2-20 Prozent der Masse ausmachenden organischen Verbindungen im Holz können mit bereits bestehender Technik zur Herstellung von z.B. Dämm- und Schaumstoffen oder Klebstoffen genutzt werden. Zudem können wertvolle Plattformchemikalien für die pharmazeutische und Lebensmittelindustrie gewonnen werden. Durch die Verwertung von Ernteresten wie Rinde und Astholz und durch die Nutzung von weniger gefragten Holzqualitäten könnte sich so eine zusätzliche Möglichkeit zur Wertschöpfung ergeben.

    Was steckt im Holz? – Werkstattbericht zum Projekt

    Dr. Hannes Warlo

    Woher kommen die Holzproben?

    Um die Inhaltsstoffe von Holz chemisch zu charakterisieren, wurden Holzproben von Bäumen an drei Standorten in Baden-Württemberg genommen. Für die Holzproben wurde die Baumart Douglasie gewählt, da sie an ein zukünftig erwartetes Klima angepasst ist. Durch die Untersuchung mehrerer Standorte soll der Einfluss unterschiedlicher Umwelteinflüsse auf die Holzbestandteile untersucht werden. Es wurden Proben an 42-, 89- und 130-jährige Douglasien genommen, um einen möglichen Einfluss des Baumalters zu berücksichtigen. Die Proben wurden von Holz, Rinde und Ästen je in verschiedenen Höhen entnommen, was einen beträchtlichen Probenumfang von 140 ergibt.

    Wie gehen wir vor?

    Das Vorgehen ab der Fällung der Bäume im Wald lässt sich grob in fünf Schritte unterteilen, die in Abbildung 3 stark vereinfacht dargestellt sind:

    • Im Wald werden Stammscheiben von den gefällten Douglasien abgesägt und daraus Probenmaterial aus Kernholz, Splintholz, Rinde und Astholz gewonnen (1).
    • Das Probenmaterial wird getrocknet und anschließend zu einem Pulver gemahlen (2)
    • Jedes Pulver wird einer mehrstufigen Extraktion unterzogen, sodass nach Verdampfen des Lösungsmittels als Rückstand nur die Extraktstoffe verbleiben (3).
    • Die Extrakte werden für die Analyse im Gaschromatographen vorbereitet, indem Chemikalien hinzugefügt werden (4).
    • Dadurch können die Proben nach Injektion in den Gaschromatographen (5) in die gasförmige Phase übergehen. Hier werden die Proben in ihre Einzelbestandteile getrennt, welche von einem Detektor erfasst werden. Durch einen Abgleich mit vorhandenen Datenbanken können die Substanzen identifiziert und die Extraktstoffgehalte berechnet werden.

    Was sind unsere ersten Ergebnisse?

    Die Ergebnisse erster Analysen sind in Abbildung 4 dargestellt. Die linke Hälfte zeigt die Extraktgehalte differenziert nach Extraktionsmittel. Deutliche Unterschiede sind zwischen Kernholz und Splintholz erkennbar aber auch zwischen verschieden alten Bäumen. Ob hier eine Systematik dahintersteckt, wird sich durch die Analyse weiterer Proben zeigen. Andere noch offene Fragen betreffen die Verteilung der Extraktstoffe innerhalb eines Baumes und in weiteren Gewebetypen wie Rinde und Astholz.

    Im rechten Teil der Abbildung sind die Gehalte an Lignin, Cellulose und Hemicellulose dargestellt, wobei Xylose, Galactose, Arabinose und Mannose die Zucker der Hemicellulose sind. Im Gegensatz zu den Extraktstoffen sind hier die Einflüsse von Gewebetyp und Baumalter viel weniger deutlich ausgeprägt.

    Im nächsten Schritt werden die Analysen der bereits gewonnenen Douglasien-Proben fortgesetzt. Um das Methodenprotokoll an einer klimaangepassten Laubbaumart zu testen, sollen demnächst auch Tulpenbäume beprobt werden.

    Weitere Informationen

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