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Wood ‘n plasma

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Ist es möglich, Hartholz aus unseren Wäldern mit einer Plasmabehandlung aufzuwerten? Ein interdepartementales Forscherteam der BFH sucht nach Lösungen.

Holz ist ein natürliches und universelles Material, das in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt wird: vom Streichholz bis zur Hängebrücke, vom Kunstwerk bis zur Baukonstruktion. Seine natürlichen Eigenschaften machen es interessant, manchmal aber auch schwierig, denn kein Holz ist wie das andere. Es gibt nicht nur Unterschiede zwischen den verschiedenen Holzarten, vielmehr sind die mechanischen Besonderheiten auch ganz wesentlich von der jeweiligen Schnittrichtung abhängig. Deshalb verwendet man häufig lamelliertes Holz, um die Unterschiede bei den mechanischen Eigenschaften zu verringern. Dies führt uns zum entscheidenden Punkt des „Wood ‘n plasma“-Projekts: Die Oberflächeneigenschaften von Holz sollen so verändert werden, dass sich es sich besser verkleben lässt. In diesem Projekt wird deshalb die Verbesserung der Benetzbarkeit des Holzes angestrebt.

Plasma oder die kalte Hitze
Auf der Erde ist Plasma eher selten. Doch befinden sich mehr als 95% der Materie im Universum im Plasmazustand. Plasma ist ein Teilchengemisch aus ionisierten Atomen oder Molekülen und freien Elektronen. Nun können wir uns für technische Anwendungen eine ganz besondere Eigenheit des Plasmas zunutze machen: Dieses befindet sich nicht unbedingt in einem thermodynamischen Gleichgewicht. Es hat also nicht einfach eine einzige, überall gleiche Temperatur, da jede Komponente eine eigene Temperatur aufweist: Die Elektronen sind sehr energetisch (Zehntausende von Kelvin), die Ionen sind schon weniger heiss, und das neutrale Gas hat gerade mal Raumtemperatur. Für die Holzbehandlung ist diese Eigenschaft zentral, denn sie erlaubt es, die für die Behandlung der Oberfläche benötigte Energie zuzuführen, ohne diese zu beschädigen oder zu verbrennen.

In diesem Projekt haben wir das Holz mit einem Mikrowellenplasma (2,45 GHz) bearbeitet, das in einer besonderen Quelle generiert wurde: im „Surfatron“. Die Verwendung von Mikrowellen ermöglicht die Erzeugung eines Plasmas mit einer hohen Dissoziationsrate für Molekulargase wie N2, O2 usw. Und mit der Konfiguration „Surfatron“ können wir das Plasma, und somit die aktivierten Gase, auf die Oberfläche des zu behandelnden Holzes lenken. Diese Konfiguration ist sehr geeignet für die Erkundungsphase.  

Die Oberfläche von Eschenholz, das nach einer Plasmabehandlung verklebt wurde.
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Holz – ein komplexes Material
Für unsere Studie haben wir Hartholz wie Buche und Esche untersucht. Diese Holzarten werden heute in der Bauindustrie wegen der Schwierigkeiten beim Verkleben wenig verwendet. Es hat sich rasch einmal gezeigt, dass sich durch Plasmabehandlung die Benetzbarkeit des Holzes effizient verbessern lässt. Während ein Wassertropfen auf einer nichtbehandelten Oberfläche eine schöne Halbkugel bildet, breitet er sich auf einer behandelten Oberfläche sehr schnell aus. Zudem bleibt dieser Effekt noch während mehrerer Stunden nach der Behandlung erhalten. Damit können wir den nächsten Schritt planen: das Verkleben. In Bezug auf die Verklebung sind die bisherigen Resultate noch wenig schlüssig. Detaillierte Untersuchungen sind im Gang: Welches sind die Gründe der verbesserten Benetzbarkeit? Und wie hängt diese mit den Verklebungseigenschaften zusammen? Derzeit zeigen Analysen mit REM (Rasterelektronenmikroskop) und AFM (Rasterkraftmikroskop) eine Veränderung der Oberflächenmorphologie oder -topographie.

Fortsetzung folgt…