Analyse der Veränderung der Porenstruktur durch thermische Modifikationsprozesse und der damit verbundenen Stofftransportvorgänge unter Berücksichtigung flüchtiger oder gelöster organischer Verbindungen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Folgeprojektes „Analyse der Veränderung der Porenstruktur durch thermische Modifikationsprozesse und der damit verbundenen Stofftransportvorgänge unter Berücksichtigung flüchtiger oder gelöster organischer Verbindungen“ erfolgten zahlreiche experimentelle Untersuchungen zur Porenstruktur und kapillaren Wasserleitung an drei anatomisch unterschiedlich aufgebauten Holzarten (Fichte, Ahorn, Esche) und deren Änderung infolge einer thermischen Modifikation. Die Untersuchungen zur Porenstrukur erfolgten dabei auf verschiedenen Skalenebenen mithilfe der Gaspyknometrie, Quecksilberporosimetrie, Druckplattenmethode sowie Differential Scanning Calorimetrie (DSC), wobei die jeweilige Messmethode zunächst auf den Werkstoff Holz übertragen und angepasst werden musste. Parallel durchgeführte Untersuchungen zur kapillaren Wasserbewegung im Holz unter der Anwendung von Aufsaug-, Verdunstungs- und Wasserleitungsversuchen komplettierten das notwendige Prüfprogramm. Darüber hinaus wurde die Ramanspektroskopie eingesetzt um Veränderungen in der Ultrastruktur von Hölzern infolge der thermischen Modifikation und zur Aufklärung von Transportvorgängen im Porensystem der modifizierten Hölzer und nativen Referenzen zu untersuchen. Hier konnten aufgrund von starken Störeinflüssen keine befriedigenden Erkenntnisse erzielt werden. Anhand viskosimetrischer Untersuchungen an Zellstoffen aus den thermisch modifizierten Proben wurde festgestellt, dass unabhängig von der Holzart der mittlere Polymerisationsgrad der Cellulose infolge der thermischen Modifikation deutlich abnimmt. Im Ergebnis konnte nachwiesen werden, dass infolge einer thermischen Modifikation zum Teil bedeutsame Veränderungen der Porenstruktur und als unmittelbare Folge daraus Änderungen im kapillaren Wassertransport resultieren. Bei allen untersuchten Holzarten nahm infolge der thermischen Behandlung generell die Reindichte ab, was mit dem vorrangigen Abbau der thermisch instabilsten und zugleich schwersten Komponente der drei Hauptbestandteile des Holzes, den Hemicellulosen, begründet werden kann. Im Gegensatz zu den verwendeten Laubhölzern verringerte sich die Porosität bei Fichte im Zuge der thermischen Modifikation. Die Ergebnisse aus den Messungen mithilfe der Quecksilberporosimetrie zeigten ebenfalls bei Fichte eine größere Änderung des strukturellen Aufbaus, im Vergleich zum Ahorn und zur Esche. Infolge der thermischen Modifikation konnten mithilfe der Druckplattenmethode darüber hinaus bedeutende Veränderungen hinsichtlich der Porengrößenverteilung festgestellt werden. Insbesondere bei den Laubhölzern erhöhte sich der Anteil an Durchmessern, die den Gefäßen zuzuordnen sind. Dies wurde mit einem größeren Gefäßanteil über den gesamten Querschnitt der Proben diskutiert, der sich infolge der Zellwandschrumpfung im Bereich der Fasertracheiden und Libriformfasern einstellt. Als Konsequenz daraus kann eine verbesserte Wasserleitfähigkeit der thermisch modifizierten Laubhölzer abgeleitet werden. Mithilfe der DSC-Analysen konnte bei allen drei untersuchten Holzarten zunächst eine gewisse Mikroporosität der nativen Holzzellwand und weiterhin eine Verringerung dieser infolge einer thermischen Behandlung nachgewiesen werden. Letzteres Phänomen lässt sich vermutlich mit dem Verfließen des Lignins erklären, welches die Mikroporen, die durch den vorrangigen Abbau von Hemicellulosen entstanden sind, wieder ausfüllt. Zusätzlich spielt hier neben der verminderten Quellfähigkeit des thermisch modifizierten Holzes auch die Zellwandschrumpfung wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Anteils an Mikroporen. Ferner konnte mithilfe der DSC-Messungen eine deutliche Verringerung der Fasersättigungspunkte infolge der thermischen Modifikation festgestellt werden. Die erzielten Ergebnisse aus den Untersuchungen zur kapillaren Wasserbewegung konnten die Erkenntnisse aus den Porenstrukturanalysen zum Teil bestätigen. Im thermisch modifizierten Zustand wiesen alle geprüften Holzarten ein verbessertes Trocknungsverhalten sowie eine verbesserte Wasserleitfähigkeit auf, was offensichtlich mit der veränderten Struktur des Holzes nach der thermischen Modifikation begründet werden kann. Im Unterschied zu Ahorn und Esche konnte bei Fichte eine deutliche Erhöhung des Wasseraufnahmekoeffizienten infolge einer thermischen Modifikation ermittelt werden. Dies konnte mit der beträchtlichen Bildung von Interzellularräumen und der Degradierung der Tüpfelmembranen bergründet und mit den Untersuchungen zur Porenstruktur nachgewiesen werden. Sowohl die strukturelle als auch die kapillare Eigenschaftsänderung infolge der thermischen Modifikation erfolgte unter Anwendung einer Behandlungstemperatur von 200 °C und bei einer Behandlungszeit von 4 h. Durch die Anwendung einer Stickstoffatmosphäre kann dies als eine relativ milde Behandlungsstufe bezeichnet werden. Die für thermisch modifizierte Fichte, im Vergleich zur nativen Fichte, bestimmte geringere Porosität bedeutet nicht, dass generell eine Verringerung der Porosität infolge einer thermischen Behandlung eintreten muss. So sind sämtliche aus den Versuchen ermittelte Materialkenngrößen der thermisch modifizierten Hölzer nicht grundsätzlich auf Thermoholz generell übertragbar, sondern zeigen lediglich eine Tendenz, welche Eigenschaftsveränderungen bei einer thermischen Modifikation von Holz unter Stickstoffatmosphäre eintreten können. Aufgrund der Vielzahl an Thermoholzprodukten, welche unter den unterschiedlichsten Prozessparametern modifiziert wurden, besteht zurzeit noch erheblicher Forschungsbedarf zur Charakterisierung dieser einzelnen Sortimente. Die Druckplattenmethode stellt eine sehr gute Möglichkeit dar realistische Porendurchmesser zu erfassen. Gleichzeitig ist diese Methode aber sehr zeitintensiv, da stets ein Gleichgewicht abgewartet werden muss, um die Einzelmessungen durchzuführen. Nach den jeweiligen Messungen, bei denen die Massenänderung registriert wird, muss der Druckplattenextraktor neu eingerichtet werden, wobei die Proben erneut einen zusätzlichen Feuchteeintrag erfahren. Aus diesem Grund verlängert sich die Zeitspanne zur Gleichgewichtseinstellung. Durch die Anwendung von Filterpapier als Kontaktmittel konnte dieser Feuchteeintrag deutlich minimiert werden. Für eine erhebliche Verringerung der gesamten Messzeit besteht die Möglichkeit ab einer definierten Druckstufe, bei der sich ein Start-Gleichgewicht einstellt, das während den folgenden Druckstufen entzogene Wasser der Proben jeweils aufzufangen und volumenmäßig zu bestimmen. Entsprechend der Druckstufenauswahl kann aus dieser gesamten Messkette eine Porengrößenverteilung erstellt werden. Der Vorteil besteht darin, dass die Drucktöpfe während der Gesamtmesszeit nicht geöffnet werden müssen und die Proben keinen zusätzlichen Feuchteeintrag erfahren, was den Zeitaufwand deutlich minimiert. Der Nachteil besteht im höheren apparativen Aufwand, da ein Drucktopf stets für das gleiche Probenmaterial mit denselben Abmessungen zur Verfügung stehen muss. Für vergleichende Untersuchungen bzw. zur Charakterisierung unterschiedlicher Materialien müssen somit eine Vielzahl an Druckplattenextraktoren Verwendung finden. Hier könnten allerdings die Abmessungen der einzelnen Drucktöpfe deutlich verringert werden, was zu einer Reduzierung des apparativen Aufwandes führt. Bei der Thermoporosimetrie wurden zur Auswertung der Porengrößenverteilungen und Fasersättigungspunkte verschiedene Methoden angewendet. Bei der Bestimmung der Porengrößenverteilung wurde die Berücksichtigung der sensiblen Wärme infolge der Trägheit des Messsystems diskutiert und zur Bestimmung der Fasersättigungspunkte wurde die Beachtung der spezifischen Schmelzwärme erörtert. Überhaupt existieren zurzeit zum Stand des Wissens für beide Problemstellungen kaum Lösungsansätze, woraus sich noch ein erheblicher Forschungsbedarf zur Anwendung dieser Messmethode zur Untersuchung der Mikroporenstruktur ergibt.
Publications
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