Funktionalisiertes Holz für intelligente Filtertechnologien

Obwohl Holz für konstruktive Anwendungen im Bau- aber auch im Möbelbereich vielseitig geschätzt wird, wird Massivholz oft als geringwertiges Massenprodukt angesehen. Diese Einschätzung lässt sich darauf zurückführen, dass Holz derzeit noch nicht mit hochentwickelten Werkstoffen oder Nanotechnologie in Verbindung gebracht wird. Da es von der Natur produziert wird, sind bottom-up Ansätze (vom Monomer zum Werkstoff), die ein gezieltes Werkstoffdesign erlauben, nicht anwendbar. Hierbei wird vielfach übersehen, dass Holz bereits über ein ausgeklügeltes, hierarchisches Materialdesign verfügt, dessen spezifische Eigenschaften bereits die Lösung für typische up-scaling Probleme beinhaltet. Im Gegensatz zu synthetischen bottom-up Werkstoffen fehlen für Holz derzeit noch die Funktionalisierungstechnologien, um auch dieses Material attraktiver für moderne Anwendungen zu machen. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es daher einfache und vielseitige Funktionalisierungsverfahren für Holz zu entwickeln, die ein völlig neues Anwendungsprofil für Holz-basierte Materialien ermöglicht. Unter Ausnutzung seiner Porosität und Anisotropie soll Holz als Gerüst für das Design von funktionalisierten Werkstoffen dienen. Dafür sollen Holzzellen bzw. die Zellwandstruktur verschiedener Holzarten mit Hilfe von Polymeren modifiziert werden. Synthetische Polymere werden dabei direkt an den Zellwand-Polymeren, mittels in-situ generierten Radikalen von zuvor angebrachten Initiatoren, an-polymerisiert. Dadurch wird eine kovalente Anbindung an die Holzzellstruktur sichergestellt. Durch die entsprechende Auswahl der Monomere erwarten wir, neue Holzeigenschaften zu generieren bzw. diese gezielt auf eine gewünschte Funktion anpassen zu können. Das Basisprinzip für das vorgesehene modulare Modifikationsverfahren konnten wir bereits entwickeln und am Beispiel einer Modifikation mit Polystyrol testen. Der Ansatz funktionelle Polymere direkt an Holz aufzupolymerisieren wäre der erste seiner Art und darüber hinaus eine innovative und grundsätzliche Strategie Holz mit gezielten einstellbaren Eigenschaften zu versehen. Um die Position, Verteilung und schlussendlich die Funktion der eingebrachten Polymere steuern zu können, ist eine umfassende Kenntnis und ein entsprechendes Verständnis sowohl für das verwendete Ausgangsmaterial als auch für das modifizierte Material notwendig. Dafür ist die Verwendung entsprechend fortschrittlicher Charakterisierungstechniken erforderlich. Chemical Force Microscopy (CFM) wird hierbei als entscheidende Charakterisierungstechnik erachtet, da dadurch sowohl die funktionellen Gruppen der Oberflächen des Ausgangs- als auch des modifizierten Werkstoffes direkt zugänglich gemacht werden. CFM ist eine äußerst vielseitige Rasterkraftmikroskop-basierte Methode, mit deren Hilfe man eine Vielzahl funktioneller Gruppen in flüssigen oder gasförmigen Medien mit entsprechend hoher Ortsauflösung untersuchen kann, um auch kleinste Zellwandstrukturen zu erreichen. Als potentielles Anwendungsgebiet dieser funktionalisierten Holzstrukturen werden Membrane für die Abwasserreinigung und Öl-Wasser Abscheider gesehen, da wir speziell in diesem Anwendungsfeld große Vorteile von Holz im Vergleich zu anderen Materialien sehen. Holz ist von Natur aus für den Transport von Flüssigkeiten über längere Strecken optimiert, gleichzeitig weist es hohe mechanische Stabilität auf. Holz steht daher für einen hochporösen Werkstoff mit exzellenten mechanischen Eigenschaften auch im nassen Zustand. Dies ermöglicht beträchtliche Durchsätze und Anwendungen in großem Maßstab. Darüber hinaus versteht sich Holz als erneuerbarer und leicht verfügbarer Rohstoff, der eine zeitgemäße Alternative zu petrochemisch basierten Produkten darstellt.

Holzmaterialien werden häufig mit den Adjektiven ästhetisch, natürlich und robust beschrieben. Das Eigenschaftsprofil dieses Materials konnte in den letzten Jahrzehnten deutlich weiterentwickelt werden und mittlerweile kann Holz aufgrund neuer Modifizierungsmöglichkeiten beispielsweise transparent oder auch magnetisch sein. In diesem internationalen Forschungsprojekt wurde versucht, poröse Holzstrukturen chemisch so zu modifizieren, dass diese für die Abwasseraufbereitung bzw. Öl-Wasser-Trennung eingesetzt werden können. Die Rolle des natürlichen und biobasierten Rohstoffes Holz ist es dabei, dem gewünschten Filter mechanische Stabilität, eine wasserleitfähige Architektur und zugleich die Aufnahme der Verunreinigung zu bieten. Um die dafür benötigten neuen Funktionalisierungsansätze verifizieren in weiterer Folge optimieren zu können, sind neue Visualisierungs- und Analysemethoden erforderlich. Daher wurde in diesem Teil des Projektes die hochauflösende Methode der Chemischen Kraftmikroskopie, eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie (AFM), untersucht, um die chemischen Veränderungen innerhalb der Holzzellwand lokalisieren und besser verstehen zu können. Diese Einblicke sollen das fundamentale Verständnis von Holz selbst und der angewandten chemischen Modifizierungsmethoden verbessern, sodass Holz in weiteren Hochtechnologie Anwendungen eingesetzt werden kann. Die Versuche wurden neben chemisch modifizierten Holzsubstraten auch an holzähnlichen Modelloberflächen und nativem Holz angewandt. Zu Beginn des Projektes wurden intensiv faserförmige Modelloberflächen analysiert, die sich aus verschiedenen Holzpolymeren zusammengesetzt wurden, um die Methode der Chemischen Kraftmikroskopie für diesen Einsatzbereich zu verifizieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass diese Fasern bei bestimmten Zusammensetzungen einen Eigenschaftsgradienten innerhalb ihrer Querschnitte aufweisen. Diese Informationen können bislang mit keiner anderen Mikroskopie Methode mit dieser hohen örtlichen Auflösung visualisiert werden. Nach erfolgreicher Verifizierung der Methode wurden sowohl natürliche als auch chemisch modifizierte Holzgerüste charakterisiert. Analog zum erwarteten Eigenschaftsprofil der eingebrachten Modifikation, das in einem Fall gezielt abhängig von der Umgebungstemperatur gewählt war, wurden die Messungen sowohl in variierten Temperaturbedingungen als auch in Lösungen mit variablem pH-Wert durchgeführt. Die Analyse der Adhäsionskräfte zwischen der AFM-Messpitze und der Oberfläche als primäres Messignal lieferte Aufschlüsse über die lokale Verteilung funktioneller Gruppen und konnte auch die neu verliehene Funktion nachweisen. Zusätzlich wurde eine neue Methode eingesetzt, die Rasterkraftmikroskopie und Infrarot Spektroskopie vereint, um simultan spektroskopische und mechanische Signale im Nanometer-Bereich zu eruieren. Auch hier konnten die chemische Oberflächenbeschaffenheit von feinsten nativen und modifizierten Holz-Ultrastrukturen bestimmt werden. Die angewandten Methoden zeichnen sich einerseits durch ihr hohes örtliches Auslösungsvermögen aus und andererseits durch die Möglichkeit, die Umgebungsbedingungen so zu ändern, dass gezielt Oberflächeneigenschaften getestet werden können. Die Ergebnisse zeigen großes Potential, um die chemische Kraftmikroskopie für die Analyse von komplexen und heterogenen Materialien wie Holz heranzuziehen.