Die Bedeutung von Lignin für die Festigkeit von Holz

Genetische und umweltbedingte Variabilität beeinflussen den Vorgang der Holzbildung. Die sich daraus ergebende Zellform und chemische Zusammensetzung bestimmen die Holzeigenschaften und somit die vom Endverbraucher gewünschte Holzqualität. Das Lignin, eine der polymeren Hauptkomponenten des Holzes, beeinflußt wichtige Holzeigenschaften wesentlich. Gemeinhin wird angenommen, daß die Inkrustierung von Lignin dem Zellulose- Netzwerk Steifigkeit verleiht. Allerdings besteht noch immer ein Mangel an experimentell abgesicherten Studien betreffend die Rolle des Lignins für die mechanischen Eigenschaften von Holz. Züchtungsprogramme im Umfeld der Papier- und Zellstoffindustrie zielen oft auf eine Verringerung des Ligningehalts. Ein Bedarf nach gut abgesicherten Forschungsergebnissen ist daher gegeben. Aus diesem Grund werden sich die im vorliegenden Antrag beschriebenen Untersuchungen darauf konzentrieren, die Funktion des Lignins für die Festigkeit und Elastizität von Holz zu bestimmen. Besonderes Augenmerk soll auf das unterschiedliche Verhalten von Holz in lebenden Bäumen im Vergleich zu trockenem Holz gelegt werden.

Im Bestreben, weithin akzeptiertes Lehrbuchwissen betreffend die Bedeutung des Holzbestandteils Lignin für die Festigkeit von Holz zu hinterfragen, wurden Versuche unter Zug-, Druck-, und Schubbelastung durchgeführt. Allgemein wird angenommen, dass Lignin dem Holz Druckfestigkeit verleiht, weshalb ein Schwerpunkt des Projekts auf diese Eigenschaft gelegt wurde. In der Holzwissenschaft wird der Aufbau der Zellwand oft mit Stahlbeton verglichen, wobei die Zellulosefasern dem Stahl entsprechen, und Zuglasten tragen, wogegen das Matrixpolymer Lignin dem Beton gleichgesetzt wird, und somit Drucklasten tragen soll. Im Projekt stellte sich heraus, dass hinsichtlich der Bedeutung des Lignins für die mechanischen Eigenschaften von Holz strikt zwischen sich entwickelnden Zellen und fertig ausdifferenzierten Zellen unterschieden werden muss. Die Einlagerung von Lignin in das bereits vorhandene Netzwerk von Zellulose und Hemizellulose schließt die Entwicklung der Zellwand ab. Durch einen Vergleich des Elastizitätsmoduls und der Härte von sich entwickelnden und bereist ausdifferenzierten Zellwänden konnte gezeigt werden, dass ein zunehmender Ligningehalt sehr wohl die Steifigkeit und die Festigkeit der Zellwand verbessert. Zum Vergleich wurde auch der Einfluss eines variablen Ligningehalts auf die axiale Druckfestigkeit von voll entwickeltem Holz geprüft. Eine Analyse des Versagensmechanismus der Zellwand unter Druck mittels Versagenskriterien für faserverstärkte Verbundwerkstoffe zeigte, dass Faserabweichungen in der Umgebung von Holzstrahlen für das Druckversagen kritisch sind, wogegen die Zellwandstruktur, und insbesondere der Ligningehalt keinen signifikanten Einfluss ausüben. Aus diesem Grund erscheint es auch nicht notwendig, Variabilität des Ligningehalts als Qualitätsparameter bei der Beurteilung von Holz für tragende Zwecke zu berücksichtigen. Neben der Beschäftigung mit der Druckfestigkeit von Holz wurde ein beträchtlicher Teil der Projektarbeit der Untersuchung des Schubverhaltens von Massivholz und dessen Abhängigkeit von struktureller Variabilität gewidmet. Zu diesem Zweck wurde auch eine neue Methode zur Schubprüfung entwickelt. Modellrechnungen zeigten, dass mikrostrukturelle Variabilität, z.B. des Ligningehalts, das Schubverhalten signifikant beeinflusst. Dieser Effekt ist klar erkennbar, wenn Holz mit hoher Ligninvariabilität, z.B. Normalholz und Druckholz untersucht wird, jedoch vernachlässigbar gering in industriell verwendetem Holz.