Verfahrensentwicklung sowie Untersuchungen zu Dämpf- und Röstprozessen an ausgewählte Bambussortimenten Vietnams
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war die systematische Untersuchung der Auswirkung einer thermischen Modifikation auf die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der vietnamesischen Bambusse Dendrocalamus asper und Dendrocalamus barbatus in Abhängigkeit von den Erntezeitpunkten, den Halmabschnitten und den Modifikationsbedingungen. Infolge seines hohen Stärkegehaltes ist Bambus anfällig gegenüber Pilzen und Insekten. Ziel der Modifikation ist eine Erhöhung der Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilität. Es zeigte sich, dass der Erntezeitpunkt bei ausgereiften Halmen im Wesentlichen eine Rolle für den Stärke- und Zuckergehalt, den Asche- sowie Extraktstoffgehalt spielt und den Einfluss der Regenzeit widerspiegelt. In Abhängigkeit von der Halmhöhe ändert sich der Anteil an Parenchym- und Sklerenchymgewebe (Fasern) und damit vor allem der Cellulose-und Hemicellulosenanteil. Durch die thermische Modifikation unter Stickstoff werden alle Komponenten des Bambus (unterschiedlich stark) verändert. Die geringsten Änderungen sind für die anorganischen Komponenten zu beobachten, welche auch kaum einen Einfluss auf die Änderung der physikalischen Eigenschaften ausüben. Die Extraktstoffgehalte, die eine Momentaufnahme der Biosynthese des Materials darstellen, nehmen in sauerstoffarmen Atmosphären mit steigender Temperatur tendenziell ab. Hier kommt es bis 160 °C zur Abgabe flüchtiger Bestandteile sowie zum Abbau von Zuckern. Vernetzungsreaktionen sorgen bei 160 °C für Stabilität, so dass nur wenige Verbindungen auftreten. Bei 180 °C kommt es zum Aufbrechen von Ligninstrukturen, die dann zu kleineren Bausteinen zersetzt werden. Die Cellulose wird bis 180 °C nur geringfügig abgebaut. Die stärksten Veränderungen treten bei den Hemicellulosen auf. Der Abbau des thermisch instabilen Xylans führt bereits bei 130 °C zu merklichen Masseverlusten. Bei 180 °C ist ein Masseverlust von bis zu bis zu 70 % zu beobachten. Gleichzeitig nimmt der Gehalt an Klason-Lignin um den entsprechenden Betrag zu. Dies hat starke Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften. Die beobachtete drastische Verringerung der Bruchschlagarbeit kann gut mit dem Masseverlust der Hemicellulose korreliert werden. Durch die Veränderungen an Hemicellulosen und Lignin kommt es zu einer Versprödung des Materials, was auch anhand von REM-Aufnahmen bestätigt werden konnte. Ferner haben der Abbau der Hemicellulose sowie Kondensationsreaktionen am Lignin Einfluss auf die Farbe des modifizierten Bambus, die mit steigender Temperatur in ein dunkles Braun übergeht und homogener wird. Durch die Reduktion der OH-Gruppen der Hemicellulosen und Cellulose sinkt die Ausgleichsfeuchte, was eine Erhöhung der Dimensionsstabilität verursacht. Bei diesen Untersuchungen wurden Parallelen zum bisher untersuchten Verhalten von Laubhölzern bei thermischer Modifikation gefunden. Die thermische Modifikation bei 180 °C führt zu einer starken bis kompletten Reduktion der Zucker und einem teilweisen Abbau der Stärke. So zeigen die bei diesen Temperaturen behandelten Proben auch eine höhere Resistenz gegenüber Pilzen. Generell hat die Modifikationsatmosphäre einen entscheidenden Einfluss auf die ablaufenden Prozesse. Wasserdampf katalysiert den Abbau der Polysaccharide. An Luft hingegen laufen vermehrt oxidative Prozesse ab, so dass es zu völlig anderen chemischen Veränderungen kommt als in sauerstoffarmen Atmosphären. Diese Unterschiede spiegeln sich auch in den Änderungen der physikalischen Eigenschaften wieder. Die Untersuchungen zeigen, dass sowohl die Dimensionsstabilität als auch die Dauerhaftigkeit des Bambus durch eine thermische Modifikation deutlich verbessert werden kann. Allerdings sind hierfür Temperaturen notwendig, die zu einem hohen Verlust an Festigkeit führen. So ist noch weiterer Forschungsbedarf vorhanden, um den Verlust an Festigkeit des modifizierten Bambus zu steuern. Aufgrund der großen Probenanzahl und der aufwendigen chemischen Analytik konnten nicht alle modifizierten Proben vollständig charakterisiert werden. Hier sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Aussagen zur Abhängigkeit der Änderungen von Halmhöhe und Erntezeitpunkt zu vervollständigen. Bei den Arbeiten zeigte sich auch, dass die einzelnen Halme z. T. sehr unterschiedliche Daten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und damit auch der physikalischen Eigenschaften liefern, was am Alter der Halme liegen kann. Für eine statistische Sicherheit ist die Charakterisierung von mehreren Halmen, die (unter ausgewählten Bedingungen) identisch modifiziert wurden, notwendig. Die Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit, konnten innerhalb der Projektphase nur über einen Zeitraum von einem Jahr laufen, was vor allem im Bereich der Freilandversuche zunächst nur Tendenzen aufzeigen kann. Auch hier ist eine Weiterführung der Experimente erforderlich.
Publications
- “The Effects of Thermal Modification on the Properties of two Vietnamese Bamboo Species; Part I: Effects on Physical Properties” BioResources 7(4) (2012) 5355-5366
Cong Trung Nguyen, André Wagenführ, Le Xuan Phuong, Vu Huy Dai, Martina Bremer, Steffen Fischer
(See online at https://doi.org/10.15376/biores.7.4.5355-5366) - „Change of the Properties of Vietnamese bamboo species by thermal modification“, Proceedings of the 9th World Bamboo Congress, April 2012 Antwerpen, Belgien
Martina Bremer, Nguyen Trung Cong, Steffen Fischer, André Wagenführ, Le Xuan Phuong, Vu Huy Dai
- “The Effects of Thermal Modification on the Properties of two Vietnamese Bamboo Species; Part I: Effects on Chemical Properties” BioResources 8(1) (2013) 981-993
Martina Bremer, S. Fischer, T. C. Nguyen, A. Wagenführ, L. X. Phuong, V. H. Dai
(See online at https://doi.org/10.15376/biores.8.1.981-993)
