Geschäumte Werkstoffe aus Laubholzfasern und Sulfitzellstoff (FaguPor)

Motivation und Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung innovativer Materialien aus geschäumter Laubholzzellulose als Beitrag zur Klimaschutz-, Ressourcen-, Nachhaltigkeits-, Bioökonomie- und Biodiversitätsstrategie der deutschen Bundesregierung. In diesen Strategien werden neben der aktuellen Energiewende vor allem die zukünftige Rohstoffwende als eine der größten Herausforderungen beschrieben, um kommenden Generationen eine lebenswerte Umwelt und ein nachhaltiges Wachstum zu sichern.

Deutschland weist kaum Vorkommen fossiler und mineralischer Rohstoffe auf, ist jedoch eine der weltweit führenden Wirtschaften bei der effizienten und nachhaltigen Bereitstellung nachwachsender Rohstoffe. Daher bietet dieser Bereich große Potenziale, um die vorhandene wissenschaftliche und industrielle Exzellenz für die Entwicklung neuer Produkte und Dienstleistungen auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu nutzen. Dabei gilt es, die vorhandene Innovations- und Investitionskraft auch für den erforderlichen Wandel des Wirtschaftssystems in Richtung Nachhaltigkeit zu entwickeln und dabei die internationale Vorreiterrolle Deutschlands als Wettbewerbsvorteil zu nutzen.

Durch die seit Jahrhunderten schonende (und zertifiziert nachhaltige) Bewirtschaftung der Wälder Deutschlands liegen die Zuwächse und Vorräte auf einem global führendem Niveau (z.B. in Bayern mit 396 m³/ha Nr. 1 in Europa und Nr. 3 weltweit [BWI III, FAO-FRA Report 2015]). Der bereits wirksame Klimawandel in Deutschland hat einen deutlichen Umbau der vorhandenen Wälder in Richtung klimatoleranterer Baumarten und Mischwäldern eingeleitet. Damit ist eine deutliche Zunahme der Biodiversität auf der gesamten Waldfläche und einem deutlich steigendem Aufkommen an Laubindustrieholz (in den nächsten Jahrzehnten vorwiegend aus Durchforstungen und Pflegemaßnahmen) zu rechnen.

Die Klimaschutzbilanz dieses Rohstoffes ist dabei durch den aktiven Entzug von CO2 aus der Atmosphäre, die biogene Speicherung von Kohlenstoff im Material und die gleichzeitige Substitution von fossilen Kohlenstoffverbindungen oder energieintensiv hergestellten Materialien unerreicht gut. Damit liefert die stoffliche und energetische Nutzung von Holz einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung. Zusätzlich stellt der Cluster Forst und Holz bereits heute den größten Arbeitsmarkt aller Wirtschaftsbereiche in Deutschland dar [DHWR Roadmap Holzwirtschaft 2025] und bildet damit die wichtigste Säule bei der Entwicklung einer nachhaltigen Bioökonomie in Deutschland.

Bearbeitete Themen im Projekt

Zur Steigerung der Verwendung von Laubindustrieholz als Werkstoff werden im vorliegenden Projekt folgende Themen adressiert:

Entwicklung geschäumter Dämmstoffe aus Buchen-Holzfasern und -Chemiezellstoff

  • durch Partikelstabilisierung (Pickering-Stabilisierung)
  • mit CO2 als Treibmittel,
  • mit Kieselsäurederivaten zur Hydrophobierung und Verbesserung der physikalisch-technischen Eigenschaften, als Brandschutz und Schutz vor biogenem Abbau
  • mit Untersuchung der stofflichen und energetischen Recyclingfähigkeit,
  • und gesamthafte Bilanzierung der Nachhaltigkeit (Umwelt, Ökonomie, Gesellschaft).

Aktuelle Forschungsarbeiten zu diesem Thema (u.a. Lam et al. 2014; Ali und Gibson 2014; Dickinson 2017) fokussieren sich bisher nur auf Teilgebiete dieser Ansätze und es besteht Forschungsbedarf in gesamtheitlichen Ansätzen inklusive der Untersuchung geeigneter Additive zur Verbesserung der angestrebten Eigenschaften und der Bilanzierung der Nachhaltigkeit der resultierenden Materialien im Vergleich zu derzeit eingesetzten konventionellen Materialien. Als Referenz-Materialien zum Vergleich für die technisch-physikalischen Eigenschaften werden Werkstoffe aus Styrodur, Polyurethan und Weichfaserdämmungen einbezogen, die als Dämmstoffe für den Außenbereich eingesetzt werden.

Primäres Ziel

Das primäre Ziel des Vorhabens ist die exemplarische Herstellung von Materialproben aus Laubholz-Zellstoff mit Laubholz-Fasern und geeigneten Additiven, die sowohl das Brandverhalten als auch die biologische Abbaubarkeit der biogenen Polymere im Holz bei der Verwendung als Dämmstoff verhindern oder verzögern. Bei der biologischen Abbaubarkeit stehen Schimmelpilze im Vordergrund, die die Biopolymere der Hölzer für ihren eigenen Stoffwechsel nutzen. Dabei gibt es Lignin-abbauende und Zellulose-abbauende Pilze, die jeweils verschiedenen Organismengruppen angehören. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Veränderung der Oberflächen der Biopolymere. Pilze durchdringen mit Leichtigkeit Oberflächen und sondern von den Hyphen Enzyme ab, die diverse Biopolymere angreifen können. Von dort aus dringen sie weiter vor, was aber bereits Schäden hervorrufen kann, die die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Die diversen Ausscheidungen wie Laccasen usw. wirken oxidativ und können nahezu alle Molekültypen angreifen. Dies geschieht jedoch mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Damit wird die Besiedelungsmöglichkeit eines Materials auf die Angreifbarkeit seiner Oberfläche beziehbar. Mit Kieselsäure modifizierte Oberflächen sind im Hinblick darauf wesentlich resistenter. Durch die Einbringung erheblicher Siliziummengen wird das Glimmverhalten des Materials beeinflusst und ein ausreichender Brandschutz kann gewährleistet werden. 

Diese Strategien sollen im Labormaßstab an Chemie-Zellstoff aus Buche, an Nano-Zellulose und an Holzfasern getestet werden. Der Einfluss dieser Anwendungen soll dann in Hinblick auf die biologische Abbaubarkeit und das Brandverhalten der Produkte untersucht werden.