Oberflächeneigenschaften von Holz mittels Adhesion-Force AFM

Holz ist mit Abstand der bedeutendste nachwachsende Rohstoff. Aufgrund des exzellenten Verhältnisses von Festigkeit und Dichte wird Holz unter anderem im Bauwesen für tragen Konstruktionen, für Möbel oder für die Zellstoff- und Papierproduktion sehr geschätzt. Aktuelle Forschungsinitiativen lassen sich auch auf das große Interesse für den Einsatz von verholzten Rohstoffen für Bioraffinerie- und Bioenergie-Anwendungen zurückführen. Die hervorragenden Festigkeitseigenschaften basieren mitunter auf dem komplexen, zellularen und hierarchisch gestalteten Aufbau. Auf Zellwandebene ist im Besonderen die lokale Verteilung und Wechselwirkung der einzelnen Zellwandpolymere immer noch nicht vollständig geklärt. Die Untersuchung von Holzoberflächen ist besonders herausfordernd, da diese unter anderem als weich, porös, ungleichmäßig, selbstverschmutzend, vorwiegend hydrophil, hygroskopisch und anisotrop beschrieben werden und darüber hinaus noch erhebliche lokale Dichtevariationen aufweisen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten signifikante Unterschiede in der Adhäsion von Klebstoffen an unterschiedlichen Holz-Zellwandelementen auf und führten uns zu ersten Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften von Holz-Zellwandteilen mittels Adhäsions- Kraft Rasterkraftmikroskopie(AFM). Hierbei konnten deutliche Unterschiede der Adhäsionskräfte zwischen Sekundärzellwand S2 und innerer Lumenoberfläche der S3 festgestellt werden, die auf lokale Unterschiede in der Oberflächenpolarität zurückgeführt wurden. Basierend auf den Ergebnissen dieser Vorversuche wird mit dem vorliegenden Forschungsantrag eine systematische Untersuchung der Oberflächeneigenschaften auf nano Skala vorgeschlagen. Als Hauptmethode soll dabei AFM-basiertes Adhäsionskraft-Mapping Anwendung finden, eine Methode die im Bereich der Holz-Materialforschung bislang noch kaum etabliert ist. Als erster Schritt sollen dabei grundlegende Unterschiede der einzelnen Zellwandelementeuntersucht werden. Unterschiede inderPolarität der Zellwandkomponenten sollendabei mittelsgezielterBeeinflussungder Umgebungsfeuchtigkeit verstärkt werden. In einem weiteren Schritt sollen Unterschiede in der Oberflächenladungsdichte der Zellwandpolymere für die Kontrastgenerierung in Elektrolytlösungen herangezogen werden. Da sich die einzelnenZellwandkomponenten chemischgrundlegendvoneinander unterscheiden, wir von deutlichen resultierenden Unterschieden in den lokalen chemisch- physikalischen Eigenschaften ausgegangen. Wir gehen von der Hypothese aus, dass diese neue Perspektive auf die Holzoberfläche einen signifikanten Betrag zu einem besseren Verständnis für die Verteilung der Zellwandpolymere in der Zellwand leisten kann und zusätzlich zu einem besseren Verständnis für diverse Adhäsions-Phänomene (Holzwerkstoffe, Papier,) führen kann.

Holz ist der wichtigste nachwachsende Rohstoff für Materialanwendungen. Obwohl der Werkstoff schon seit Urzeiten verwendet wird, sind der ultrastrukturelle Aufbau und die zugehörigen Eigenschaften noch nicht auf allen Größenordnungen ausreichend aufgeklärt. In den letzten Jahrzehnten sind hochauflösender Charakterisierungsmöglichkeiten auf Basis von Rasterkraftmikroskopie zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Eigenschaften verfügbar geworden. Diese Methoden wurden für perfekt plane und homogene Oberflächen entwickelt und wurden bislang an Holz noch nicht eingesetzt. Ziel dieses Projektes war es, diese Methoden auf die komplexen Anforderungen des Werkstoffe Holz, der sich unter anderem durch hohe Inhomogenität, Porosität, Rauigkeit, Hygroskopizität und Richtungsabhängigkeit aller Eigenschaften auszeichnet, anzupassen, um damit neue Erkenntnisse über die Eigenschaften der strukturellen Bausteine des Holzes zu gewinnen. Diese Information ist besonders wichtig, um die Interaktion von Holz mit anderen natürlichen und synthetischen Polymeren zu verstehen, wie sie beispielsweise bei der Verklebung von Holzelementen, der Oberflächenbeschichtung mit Farben und Lacken oder in der Papierherstellung vorkommen. Bei der Rasterkraftmikroskopie wir eine Oberfläche mit einer Spitze mit einem Radius von nur wenigen Nanometern abgetastet, wodurch Strukturen abgebildet werden können, die mit konventioneller Lichtmikroskopie nicht zugänglich sind. Im vorliegenden Projekt wurde zusätzlich zur Abbildung der Oberflächentopographie auch die Wechselwirkung der Messspitze mit der Oberfläche erfasst. Durch die bekannten physikalischen Eigenschaften der Messspitze und der Messung der Adhäsionskraft zwischen Oberfläche der Probe und der Messspitze, kann auf die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche (z.B. lokale Polarität) rückgeschlossen werden. Da Holz mit der Umgebung Feuchtigkeit austauscht, war zunächst unklar, wie stark die Messbedingungen die Messergebnisse beeinflussen, bzw. welche Messparameter für diesen Werkstoff von besonderer Bedeutung sein würden. Im Zuge des Projektes konnten die wesentlichen Messparameter geklärt werden, sodass die Adhäsions-Kraft Rastermikroskopie Methode nun für den Bereich der Materialforschung von lignozellulosischem Material verfügbar ist. Darüber hinaus konnten bereits wesentliche Erkenntnisse der Oberflächeneigenschaften der Holzpolymere Zellulose, Hemizellulose und Lignin, sowie deren Alterungsverhalten an der Oberfläche bestimmt werden. Auch der Einfluss dieser Oberflächeneigenschaften auf die Klebewirkung von Klebstoffen an der Grenzfläche zu den Holzfasern konnte bereits ermittelt werden.