„Transparentes Holz“ – Versionsunterschied

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== Einführung ==
== Einführung ==


Seid der Einführung der [[OLED]]-Technik in die Elektronikindustrie gelang es Forschern die lichtabsorbierende [[Lignin]]-Komponente aus Holzfasern zu entfernen. Die organischen Cellulose- Nanofasern ermöglichen der [[OLED]]-Technik eine größere Flexibilität. Unteranderem verbrauchen die organischen Leuchtioden weniger Energie als die herkömmliche [[LCD]]- Technik, da beispielsweise Bildschirme ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen<ref>Okahisa, Y.; Yoshida, A.; Miyaguchi, S.; Yano, H.; Optically transparent wood–cellulose nanocomposite as a base substrate for flexible organic light-emitting diode displays; 2009; Doi: 10.1016/j.compscitech.2009.04.017</ref>. Schwedischen Forschern der [[KTH]]-University gelang es im März 2016 mit einem chemischen Verfahren transparente Holzproben herzustellen, ohne die Struktur des Holzes zu zerstören. Daraufhin berichten diverse Zeitschriften der Fach- und Nichtfachpresse über den transparenten Werkstoff und veröffentlichen Bilder der Proben <ref>Prigg, M.; Scientists create transparent wood: superstrong material could replace glass in windows and even cars; Dailymail.com; 17. Mai 2016 ([http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3595749/Scientists-create-TRANSPARENT-wood-Revolutionary-material-replace-glass-windows-cars.html Online verfügbar])</ref> <ref>Callahan, D.; Wooden windows? New material could replace glass in solar cells and buildings; KTH/research news; 31.3.2016 ([https://www.kth.se/en/forskning/artiklar/kth-forskare-har-uppfunnit-genomskinligt-tra-1.638511 Online verfügbar)]</ref> <ref>Wörn, S.; Transparentes Holz: Ist das die Fensterscheibe der Zukunft?; Galileo.tv/science; 1. April 2016 ([http://www.galileo.tv/science/transparentes-holz-ist-das-die-fensterscheibe-der-zukunft/ Online verfügbar )]</ref>. Zukünftig könnte transparentes Holz im Bauwesen eine Rolle spielen.
Seid der Einführung der [[OLED]]-Technik in die Elektronikindustrie gelang es Forschern die lichtabsorbierende [[Lignin]]-Komponente aus Holzfasern zu entfernen. Die organischen Cellulose- Nanofasern ermöglichen der [[OLED]]-Technik eine größere Flexibilität. Unteranderem verbrauchen die organischen Leuchtioden weniger Energie als die herkömmliche [[LCD]]- Technik, da beispielsweise Bildschirme ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen.<ref>Okahisa, Y.; Yoshida, A.; Miyaguchi, S.; Yano, H.; Optically transparent wood–cellulose nanocomposite as a base substrate for flexible organic light-emitting diode displays; 2009; {{DOI|10.1016/j.compscitech.2009.04.017}}</ref> Schwedischen Forschern der [[KTH]]-University gelang es im März 2016 mit einem chemischen Verfahren transparente Holzproben herzustellen, ohne die Struktur des Holzes zu zerstören. Daraufhin berichten diverse Zeitschriften der Fach- und Nichtfachpresse über den transparenten Werkstoff und veröffentlichen Bilder der Proben <ref>Prigg, M.; Scientists create transparent wood: superstrong material could replace glass in windows and even cars; Dailymail.com; 17. Mai 2016 ([http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3595749/Scientists-create-TRANSPARENT-wood-Revolutionary-material-replace-glass-windows-cars.html Online verfügbar])</ref> <ref>Callahan, D.; Wooden windows? New material could replace glass in solar cells and buildings; KTH/research news; 31.3.2016 ([https://www.kth.se/en/forskning/artiklar/kth-forskare-har-uppfunnit-genomskinligt-tra-1.638511 Online verfügbar)]</ref> <ref>Wörn, S.; Transparentes Holz: Ist das die Fensterscheibe der Zukunft?; Galileo.tv/science; 1. April 2016 ([http://www.galileo.tv/science/transparentes-holz-ist-das-die-fensterscheibe-der-zukunft/ Online verfügbar )]</ref>. Zukünftig könnte transparentes Holz im Bauwesen eine Rolle spielen.


Auf den Energieverbrauch im Gebäudesektor (einschließlich elektrisches Licht, Klimaanlage, Kühlung, etc.) entfallen etwa 30 bis 40% des gesamten Verbrauchs an Energie<ref>Nejat, P.; Jomehzadeh, F.; Taheri, M. M.; Gohari, M.; Majid, M. Z. A. Renewable Sustainable Energy Rev. 2015, 43, 843– 862, DOI: 10.1016/j.rser.2014.11.066</ref>. Da der Verbrauch mit der wirtschaftlichen Entwicklung steigt, ist es von großer Bedeutung den Energieverbrauch im Baubereich zu reduzieren<ref>Hegger, M.; Nachhaltigkeitszertifizierung im Bauwesen – Sachstand und Defizite, 2016, DOI: 10.1007/978-3-658-09701-1_38</ref>. Eine attraktive Möglichkeit dazu ist die [[Solarenergie]], da sie unerschöpflich und sauber ist. Auch durch eine Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit eines Gebäudes kann künstliches durch natürliches Licht ersetzt werden und somit den Bedarf an Elektrizität verringern<ref>Szerman, M.; Vereinfachte Bestimmung der Lichteinschaltzeiten tageslichtabhängig geregelter Beleuchtung mit Hilfe des Tageslichtquotienten, FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK (IBP); 1994; IBP-Mitteilung 262</ref>.
Auf den Energieverbrauch im Gebäudesektor (einschließlich elektrisches Licht, Klimaanlage, Kühlung, etc.) entfallen etwa 30 bis 40% des gesamten Verbrauchs an Energie.<ref>Nejat, P.; Jomehzadeh, F.; Taheri, M. M.; Gohari, M.; Majid, M. Z. A. Renewable Sustainable Energy Rev. 2015, 43, 843– 862, {{DOI|10.1016/j.rser.2014.11.066}}</ref> Da der Verbrauch mit der wirtschaftlichen Entwicklung steigt, ist es von großer Bedeutung den Energieverbrauch im Baubereich zu reduzieren.<ref>Hegger, M.; Nachhaltigkeitszertifizierung im Bauwesen – Sachstand und Defizite, 2016, {{DOI|10.1007/978-3-658-09701-1_38}}</ref> Eine attraktive Möglichkeit dazu ist die [[Solarenergie]], da sie unerschöpflich und sauber ist. Auch durch eine Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit eines Gebäudes kann künstliches durch natürliches Licht ersetzt werden und somit den Bedarf an Elektrizität verringern.<ref>Szerman, M.; Vereinfachte Bestimmung der Lichteinschaltzeiten tageslichtabhängig geregelter Beleuchtung mit Hilfe des Tageslichtquotienten, FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK (IBP); 1994; IBP-Mitteilung 262</ref>


[[Holz]] ist der am weitesten verbreitete biologische und für das Bauen in großem Umfang genutzte Baustoff<ref>Stark, J., Wicht, B.; Geschichte der Baustoffe - 9. Holz; 1998, DOI: 10.1007/978-3-322-92892-4_9</ref>. Die Herkunft aus nachwachsenden Rohstoffen ist Ressourcenschonend und die guten Materialeigenschaften wie niedrige Dichte, hohe Zähigkeit und hohen Festigkeiten sprechen für den jahrhundertelangen Einsatz im Bauwesen<ref Name="Transparent Wood"/> . Darüber hinaus besitzt Holz eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was den Einsatz im [[Passivhaus]]-Baubereich<ref>Wolpensinger. H; Ökobilanz: Punkten mit dem Plusenergiehaus Holz; 15. Internationales Holzbau-Forum; 2009 ([http://www.forum-holzbau.ch/pdf/ihf09_Wolpensinger.pdf Online verfügbar])</ref> interessant macht.
[[Holz]] ist der am weitesten verbreitete biologische und für das Bauen in großem Umfang genutzte Baustoff.<ref>Stark, J., Wicht, B.; Geschichte der Baustoffe - 9. Holz; 1998, {{DOI|10.1007/978-3-322-92892-4_9}}</ref> Die Herkunft aus nachwachsenden Rohstoffen ist Ressourcenschonend und die guten Materialeigenschaften wie niedrige Dichte, hohe Zähigkeit und hohen Festigkeiten sprechen für den jahrhundertelangen Einsatz im Bauwesen.<ref Name="Transparent Wood"/> Darüber hinaus besitzt Holz eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was den Einsatz im [[Passivhaus]]-Baubereich<ref>Wolpensinger. H; Ökobilanz: Punkten mit dem Plusenergiehaus Holz; 15. Internationales Holzbau-Forum; 2009 ([http://www.forum-holzbau.ch/pdf/ihf09_Wolpensinger.pdf Online verfügbar])</ref> interessant macht.
Bekannte Methoden um eine [[Delignifizierung]] des Holzes, also das lichtabsorbierende Lignin aus den Zellulosefasern zu waschen, kennt man aus der Herstellung von [[Papier]]. Dort werden die Zellulosefasern aus dem Holz extrahiert und der Faserdurchmesser so weit verringert und mit Wasser versetzt, dass nur noch ein Papierbrei resultiert. Bei diesem Verfahren werden die Strukturhierarchie der Zellstruktur soweit zerstört, dass eine mögliche technische Anwendung beispielsweise im Baubereich ausgeschlossen ist. Um ein optisch transparentes Holz zu gewinnen, ohne die bekannten Materialeigenschaften zu verlieren, sind chemische Prozesse und Anpassungen im Nanobereich der Holzstruktur erforderlich<ref Name="Transparent Wood"/>.
Bekannte Methoden um eine [[Delignifizierung]] des Holzes, also das lichtabsorbierende Lignin aus den Zellulosefasern zu waschen, kennt man aus der Herstellung von [[Papier]]. Dort werden die Zellulosefasern aus dem Holz extrahiert und der Faserdurchmesser so weit verringert und mit Wasser versetzt, dass nur noch ein Papierbrei resultiert. Bei diesem Verfahren werden die Strukturhierarchie der Zellstruktur soweit zerstört, dass eine mögliche technische Anwendung beispielsweise im Baubereich ausgeschlossen ist. Um ein optisch transparentes Holz zu gewinnen, ohne die bekannten Materialeigenschaften zu verlieren, sind chemische Prozesse und Anpassungen im Nanobereich der Holzstruktur erforderlich.<ref Name="Transparent Wood"/>


== Herstellungsprozess ==
== Herstellungsprozess ==
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=== Delignifizierung ===
=== Delignifizierung ===


Die [[Delignifizierung]] <ref>wasser-wissen.de/abwasserlexikon/d/delignifizierung,Abgerufen am 14.05.2016([http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/d/delignifizierung.htm Online verfügbar])</ref> ist ein technischer Prozess, um die lichtabsorbierende [[Lignin]]-Komponente aus dem Holz zu entfernen. Um das Lignin aus den Holzfasern herauslösen zu können, wird die Probe aus Balsaholz zunächst 24 Stunden lang bei 105 ± 3°C getrocknet. Danach wird die getrocknete Probe 6 Stunden lang bei 80°C in eine [[Natriumchlorit]] (NaClO2) Lösung gelegt<ref>Yano, H.; Hirose, A.; Collins, P.; Yazaki, Y. J. Mater. Sci. Lett. 2001, 20, 1125– 1126, DOI: 10.1023/A:1010992307614</ref>, bis die Ligninketten aufgebrochen sind. Zur Entfernung bzw. Herauslösung der kleinen Bruchstücke wird die Probe zunächst mit entionisiertem Wasser gewaschen. Daraufhin mit reinem Ethanol, gefolgt von einem 1:1 Gemisch aus [[Ethanol]] und [[Aceton]] und schließlich mit reinem Aceton behandelt. Um das komplette Lignin zu entfernen wird dieser Schritt dreimal wiederholt. Das vollständige Entfernen ist für die Herstellung des optisch transparenten Holzes entscheidend, da [[Lignin]] ein starkes Absorptionsmittel ist und für einen Anteil von 80 bis 95% der Lichtabsorption im Holz verantwortlich ist<ref>Müller, U.; Rätzsch, M.; Schwanninger, M.; Steiner, M.; Zöbl, H. J. Photochem. Photobiol., B 2003, 69, 97– 105, DOI: 10.1016/S1011-1344(02)00412-8</ref>.
Die [[Delignifizierung]] <ref>wasser-wissen.de/abwasserlexikon/d/delignifizierung,Abgerufen am 14.05.2016([http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/d/delignifizierung.htm Online verfügbar])</ref> ist ein technischer Prozess, um die lichtabsorbierende [[Lignin]]-Komponente aus dem Holz zu entfernen. Um das Lignin aus den Holzfasern herauslösen zu können, wird die Probe aus Balsaholz zunächst 24 Stunden lang bei 105 ± 3°C getrocknet. Danach wird die getrocknete Probe 6 Stunden lang bei 80°C in eine [[Natriumchlorit]] (NaClO2) Lösung gelegt<ref>Yano, H.; Hirose, A.; Collins, P.; Yazaki, Y. J. Mater. Sci. Lett. 2001, 20, 1125– 1126, {{DOI|10.1023/A:1010992307614}}</ref>, bis die Ligninketten aufgebrochen sind. Zur Entfernung bzw. Herauslösung der kleinen Bruchstücke wird die Probe zunächst mit entionisiertem Wasser gewaschen. Daraufhin mit reinem Ethanol, gefolgt von einem 1:1 Gemisch aus [[Ethanol]] und [[Aceton]] und schließlich mit reinem Aceton behandelt. Um das komplette Lignin zu entfernen wird dieser Schritt dreimal wiederholt. Das vollständige Entfernen ist für die Herstellung des optisch transparenten Holzes entscheidend, da [[Lignin]] ein starkes Absorptionsmittel ist und für einen Anteil von 80 bis 95% der Lichtabsorption im Holz verantwortlich ist.<ref>Müller, U.; Rätzsch, M.; Schwanninger, M.; Steiner, M.; Zöbl, H. J. Photochem. Photobiol., B 2003, 69, 97–105, {{DOI|10.1016/S1011-1344(02)00412-8}}</ref>


=== Herstellung ===
=== Herstellung ===


Das delignifizierte Holz (DLW) ist aufgrund der Lichtstreuung an den Grenzflächen der Zellwände und in den mit Luft gefüllten Hohlräumen der Zellwände noch nicht transparent.
Das delignifizierte Holz (DLW) ist aufgrund der Lichtstreuung an den Grenzflächen der Zellwände und in den mit Luft gefüllten Hohlräumen der Zellwände noch nicht transparent.
Aufgrund dieser großen Porosität der Probe kann nur ein Bruchteil des Lichts, dass durch das Holz übertragen wird, aufrechterhalten werden<ref>Zhang, Q.; Myers, D.; Lan, J.; Jenekhe, S. A.; Cao, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 14982– 14998, DOI: 10.1039/c2cp43089d</ref>. Der [[Brechungsindex]] von Lignin beträgt 1,61, wohingegen der Brechungsindex von Zellulose nur 1,53 beträgt<ref>Fink, S. Holzforschung 1992, 46, 403– 408, DOI: 10.1515/hfsg.1992.46.5.403 </ref>. Wasser hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1,33. Bei der vom Lignin befreiten Probe stellte sich ein Brechungsindex von ca. 1,53 ein. Um diesen zu regulieren, infiltriert man die Probe mit vorpolymerisierten [[Methylmethacrylat]] (MMA), was die nanoskalige Porosität verringern soll. Im ausgehärteten Zustand besitzt das Poly (methylmethacrylat) (PMMA) einen Brechungsindex von etwa 1,49. Somit wurde die Lichtstreuung reduziert, was zu einer fast vollständigen Lichtdurchlässigkeit und somit optischer Transparenz führt.
Aufgrund dieser großen Porosität der Probe kann nur ein Bruchteil des Lichts, dass durch das Holz übertragen wird, aufrechterhalten werden.<ref>Zhang, Q.; Myers, D.; Lan, J.; Jenekhe, S. A.; Cao, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 14982– 14998, {{DOI|10.1039/c2cp43089d}}</ref> Der [[Brechungsindex]] von Lignin beträgt 1,61, wohingegen der Brechungsindex von Zellulose nur 1,53 beträgt.<ref>Fink, S. Holzforschung 1992, 46, 403– 408, {{DOI|10.1515/hfsg.1992.46.5.403}}</ref> Wasser hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1,33. Bei der vom Lignin befreiten Probe stellte sich ein Brechungsindex von ca. 1,53 ein. Um diesen zu regulieren, infiltriert man die Probe mit vorpolymerisierten [[Methylmethacrylat]] (MMA), was die nanoskalige Porosität verringern soll. Im ausgehärteten Zustand besitzt das Poly (methylmethacrylat) (PMMA) einen Brechungsindex von etwa 1,49. Somit wurde die Lichtstreuung reduziert, was zu einer fast vollständigen Lichtdurchlässigkeit und somit optischer Transparenz führt.


Dazu wird die delignifizierte Balsaholzprobe in einer vorpolymerisierten [[Methylmethacrylat]] (MMA) -Lösung in einem Ofen bei 70°C für 4 Stunden infiltriert. Daraufhin erfolgt durch das Behandeln bei 75°C mit reinem MMA-[[Monomer]] eine Reaktion. Nach 15 Minuten wird die Reaktion durch das Abkühlen auf Raumtemperatur mit Hilfe von Eiswasser beendet. Um das vollständige Infiltrieren, also das Eindringen oder Aufsaugen der Lösung in das Balsaholz zu gewährleisten, wird die Probe dreimal für jeweils 30 Minuten nochmals mit einer vorpolymerisierten MMA-Lösung unter Vakuum behandelt. Anschließend wird das Polymerisationsverfahren in einem Ofen bei 70°C vervollständigt. Das acrylglasartige Methylmethacrylat (MMA) ist somit vollständig infiltriert und ausgehärtet<ref Name="Transparent Wood"/>.
Dazu wird die delignifizierte Balsaholzprobe in einer vorpolymerisierten [[Methylmethacrylat]] (MMA) -Lösung in einem Ofen bei 70°C für 4 Stunden infiltriert. Daraufhin erfolgt durch das Behandeln bei 75°C mit reinem MMA-[[Monomer]] eine Reaktion. Nach 15 Minuten wird die Reaktion durch das Abkühlen auf Raumtemperatur mit Hilfe von Eiswasser beendet. Um das vollständige Infiltrieren, also das Eindringen oder Aufsaugen der Lösung in das Balsaholz zu gewährleisten, wird die Probe dreimal für jeweils 30 Minuten nochmals mit einer vorpolymerisierten MMA-Lösung unter Vakuum behandelt. Anschließend wird das Polymerisationsverfahren in einem Ofen bei 70°C vervollständigt. Das acrylglasartige Methylmethacrylat (MMA) ist somit vollständig infiltriert und ausgehärtet<ref Name="Transparent Wood"/>.
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== Mechanische Eigenschaften ==
== Mechanische Eigenschaften ==
[[Datei:Spannungs Dehnungs Linie .pdf|miniatur|Spannungs-Dehnungs-Linie transparentes Holz|340x340px]]
[[Datei:Spannungs Dehnungs Linie .pdf|miniatur|Spannungs-Dehnungs-Linie transparentes Holz|340x340px]]
Wird das Holz im Bauwesen eingesetzt, sind auf die mechanischen Eigenschaften zu achten. Die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve der Werkstoffe transparentes Holz (TW), delignifiziertes Holz (DLW) und Polymethylmethacrylat (PMMA) ist in dem Diagramm rechts dargestellt. Der [[Elastizitätsmodul]] von transparentem Holz (TW) ist mit 2,05 ± 0,13 [[Grade Point Average|GPa]] deutlich höher als der der delignifizierten Probe (DLW) (0,22 ± 0,08 [[Grade Point Average|GPa]]). Dies ist eine Folge des Verbundes aus Polymethylmethacrylat (PMMA) (1,80 ± 0,18 [[Grade Point Average|GPa]]) und der geringen Dichte des Balsaholzes (160 kg/m³)<ref>Moon, R. J.; Martini, A.; Nairn, J.; Simonsen, J.; Youngblood, J. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3941– 3994, DOI: 10.1039/c0cs00108b </ref>. Die geringen Druck- und Zugfestigkeiten von Balsaholz aufgrund der groben Porosität und der dadurch fehlenden Lastübertragungsmechanismen wurden durch die [[MMA]] Infiltration und Polymerisation in [[PMMA]] deutlich verbessert<ref Name="Transparent Wood"/>.
Wird das Holz im Bauwesen eingesetzt, sind auf die mechanischen Eigenschaften zu achten. Die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve der Werkstoffe transparentes Holz (TW), delignifiziertes Holz (DLW) und Polymethylmethacrylat (PMMA) ist in dem Diagramm rechts dargestellt. Der [[Elastizitätsmodul]] von transparentem Holz (TW) ist mit 2,05 ± 0,13 [[Grade Point Average|GPa]] deutlich höher als der der delignifizierten Probe (DLW) (0,22 ± 0,08 [[Grade Point Average|GPa]]). Dies ist eine Folge des Verbundes aus Polymethylmethacrylat (PMMA) (1,80 ± 0,18 [[Grade Point Average|GPa]]) und der geringen Dichte des Balsaholzes (160 kg/m³).<ref>Moon, R. J.; Martini, A.; Nairn, J.; Simonsen, J.; Youngblood, J. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3941– 3994, {{DOI|10.1039/c0cs00108b}}</ref> Die geringen Druck- und Zugfestigkeiten von Balsaholz aufgrund der groben Porosität und der dadurch fehlenden Lastübertragungsmechanismen wurden durch die [[MMA]] Infiltration und Polymerisation in [[PMMA]] deutlich verbessert.<ref Name="Transparent Wood"/>


== Anwendungsbereiche ==
== Anwendungsbereiche ==


Die Anforderungen an optisch transparentes Holz (TW), sind durch die guten und teilweise verbesserten Materialeigenschaften und die unveränderte Struktur identisch mit dem im Bauwesen üblicherweise verwendetem Holz. Daher ergeben sich neue Möglichkeiten für eine erhöhte Transparenz und Lichtdurchlässigkeit im Innen- und Außenbereich ohne auf die stabilen und tragfähigen Eigenschaften von [[Holz]] verzichten zu müssen. Beispielsweise können in der Zukunft transparente Wandelemente aus Holz eine preisgünstige Alternative zu [[Milchglas]] oder [[Glasbaustein|Glasbausteinen]] werden, ohne die notwendige Privatsphäre zu verletzen. Auch in der Fensterherstellung können die immer massiver werdenden und damit wärmedämmtechnisch besseren Fensterrahmen aus transparentem Holz gefertigt werden, um die durch die Rahmen anfallende Verschattung im Innenraum auf ein Minimum zu reduzieren<ref Name= "Transparent Wood/>.
Die Anforderungen an optisch transparentes Holz (TW), sind durch die guten und teilweise verbesserten Materialeigenschaften und die unveränderte Struktur identisch mit dem im Bauwesen üblicherweise verwendetem Holz. Daher ergeben sich neue Möglichkeiten für eine erhöhte Transparenz und Lichtdurchlässigkeit im Innen- und Außenbereich ohne auf die stabilen und tragfähigen Eigenschaften von [[Holz]] verzichten zu müssen. Beispielsweise können in der Zukunft transparente Wandelemente aus Holz eine preisgünstige Alternative zu [[Milchglas]] oder [[Glasbaustein|Glasbausteinen]] werden, ohne die notwendige Privatsphäre zu verletzen. Auch in der Fensterherstellung können die immer massiver werdenden und damit wärmedämmtechnisch besseren Fensterrahmen aus transparentem Holz gefertigt werden, um die durch die Rahmen anfallende Verschattung im Innenraum auf ein Minimum zu reduzieren.<ref Name= "Transparent Wood/>

Durch die hohe Trübung des TW ist es attraktiv in der Solarzellenanwendung. Das Licht wird in der Solarzelle aufgrund von Lichtstreuung durch das Holzgewebe für längere Zeit eingeschlossen. Somit ergibt eine bessere Interaktion zwischen Licht und Solarzelle, was zu einer besseren Effizienz der Solarzelle führt<ref>van Lare, C.; Lenzmann, F.; Verschuuren, M. A.; Polman, A. Nano Lett. 2015, 15, 4846– 4852, DOI: 10.1021/nl5045583</ref>.
Durch die hohe Trübung des TW ist es attraktiv in der Solarzellenanwendung. Das Licht wird in der Solarzelle aufgrund von Lichtstreuung durch das Holzgewebe für längere Zeit eingeschlossen. Somit ergibt eine bessere Interaktion zwischen Licht und Solarzelle, was zu einer besseren Effizienz der Solarzelle führt.<ref>van Lare, C.; Lenzmann, F.; Verschuuren, M. A.; Polman, A. Nano Lett. 2015, 15, 4846– 4852, {{DOI|10.1021/nl5045583}}</ref>


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==

Version vom 23. Juni 2016, 06:37 Uhr

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Optisch transparentes Holz (TW) ist ein durch einen chemischen Prozess angepasstes Holz, dass durch das Entfernen der stark lichtabsorbierenden Lignin-Komponente gewonnen wird. Mit einer Durchlässigkeit von 85% und einer Trübung von 71% ist es vergleichbar mit Milchglas, ohne das die Struktur des Holzes beeinträchtigt wird.


Einführung

Seid der Einführung der OLED-Technik in die Elektronikindustrie gelang es Forschern die lichtabsorbierende Lignin-Komponente aus Holzfasern zu entfernen. Die organischen Cellulose- Nanofasern ermöglichen der OLED-Technik eine größere Flexibilität. Unteranderem verbrauchen die organischen Leuchtioden weniger Energie als die herkömmliche LCD- Technik, da beispielsweise Bildschirme ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen.[1] Schwedischen Forschern der KTH-University gelang es im März 2016 mit einem chemischen Verfahren transparente Holzproben herzustellen, ohne die Struktur des Holzes zu zerstören. Daraufhin berichten diverse Zeitschriften der Fach- und Nichtfachpresse über den transparenten Werkstoff und veröffentlichen Bilder der Proben [2] [3] [4]. Zukünftig könnte transparentes Holz im Bauwesen eine Rolle spielen.

Auf den Energieverbrauch im Gebäudesektor (einschließlich elektrisches Licht, Klimaanlage, Kühlung, etc.) entfallen etwa 30 bis 40% des gesamten Verbrauchs an Energie.[5] Da der Verbrauch mit der wirtschaftlichen Entwicklung steigt, ist es von großer Bedeutung den Energieverbrauch im Baubereich zu reduzieren.[6] Eine attraktive Möglichkeit dazu ist die Solarenergie, da sie unerschöpflich und sauber ist. Auch durch eine Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit eines Gebäudes kann künstliches durch natürliches Licht ersetzt werden und somit den Bedarf an Elektrizität verringern.[7]

Holz ist der am weitesten verbreitete biologische und für das Bauen in großem Umfang genutzte Baustoff.[8] Die Herkunft aus nachwachsenden Rohstoffen ist Ressourcenschonend und die guten Materialeigenschaften wie niedrige Dichte, hohe Zähigkeit und hohen Festigkeiten sprechen für den jahrhundertelangen Einsatz im Bauwesen.[9] Darüber hinaus besitzt Holz eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was den Einsatz im Passivhaus-Baubereich[10] interessant macht. Bekannte Methoden um eine Delignifizierung des Holzes, also das lichtabsorbierende Lignin aus den Zellulosefasern zu waschen, kennt man aus der Herstellung von Papier. Dort werden die Zellulosefasern aus dem Holz extrahiert und der Faserdurchmesser so weit verringert und mit Wasser versetzt, dass nur noch ein Papierbrei resultiert. Bei diesem Verfahren werden die Strukturhierarchie der Zellstruktur soweit zerstört, dass eine mögliche technische Anwendung beispielsweise im Baubereich ausgeschlossen ist. Um ein optisch transparentes Holz zu gewinnen, ohne die bekannten Materialeigenschaften zu verlieren, sind chemische Prozesse und Anpassungen im Nanobereich der Holzstruktur erforderlich.[9]

Herstellungsprozess

Um eine Durchlässigkeit von 85% und eine Trübung von 71% bei einer Holzdicke von 1,2 mm erreichen zu können, muss das Holz verschiedene Produktionsschritte durchlaufen. Nachdem das Verfahren abgeschlossen ist, wird das Ergebnis auf optische und mechanische Eigenschaften untersucht. Das Referenzobjekt der Schwedischen Wissenschaftler der KTH[9] besteht aus Balsaholz. Balsaholz ist eine sehr leichte und einfach zu verarbeitenden Holzart. Die Dichte der Probe liegt bei 160 kg/m³.

Delignifizierung

Die Delignifizierung [11] ist ein technischer Prozess, um die lichtabsorbierende Lignin-Komponente aus dem Holz zu entfernen. Um das Lignin aus den Holzfasern herauslösen zu können, wird die Probe aus Balsaholz zunächst 24 Stunden lang bei 105 ± 3°C getrocknet. Danach wird die getrocknete Probe 6 Stunden lang bei 80°C in eine Natriumchlorit (NaClO2) Lösung gelegt[12], bis die Ligninketten aufgebrochen sind. Zur Entfernung bzw. Herauslösung der kleinen Bruchstücke wird die Probe zunächst mit entionisiertem Wasser gewaschen. Daraufhin mit reinem Ethanol, gefolgt von einem 1:1 Gemisch aus Ethanol und Aceton und schließlich mit reinem Aceton behandelt. Um das komplette Lignin zu entfernen wird dieser Schritt dreimal wiederholt. Das vollständige Entfernen ist für die Herstellung des optisch transparenten Holzes entscheidend, da Lignin ein starkes Absorptionsmittel ist und für einen Anteil von 80 bis 95% der Lichtabsorption im Holz verantwortlich ist.[13]

Herstellung

Das delignifizierte Holz (DLW) ist aufgrund der Lichtstreuung an den Grenzflächen der Zellwände und in den mit Luft gefüllten Hohlräumen der Zellwände noch nicht transparent. Aufgrund dieser großen Porosität der Probe kann nur ein Bruchteil des Lichts, dass durch das Holz übertragen wird, aufrechterhalten werden.[14] Der Brechungsindex von Lignin beträgt 1,61, wohingegen der Brechungsindex von Zellulose nur 1,53 beträgt.[15] Wasser hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1,33. Bei der vom Lignin befreiten Probe stellte sich ein Brechungsindex von ca. 1,53 ein. Um diesen zu regulieren, infiltriert man die Probe mit vorpolymerisierten Methylmethacrylat (MMA), was die nanoskalige Porosität verringern soll. Im ausgehärteten Zustand besitzt das Poly (methylmethacrylat) (PMMA) einen Brechungsindex von etwa 1,49. Somit wurde die Lichtstreuung reduziert, was zu einer fast vollständigen Lichtdurchlässigkeit und somit optischer Transparenz führt.

Dazu wird die delignifizierte Balsaholzprobe in einer vorpolymerisierten Methylmethacrylat (MMA) -Lösung in einem Ofen bei 70°C für 4 Stunden infiltriert. Daraufhin erfolgt durch das Behandeln bei 75°C mit reinem MMA-Monomer eine Reaktion. Nach 15 Minuten wird die Reaktion durch das Abkühlen auf Raumtemperatur mit Hilfe von Eiswasser beendet. Um das vollständige Infiltrieren, also das Eindringen oder Aufsaugen der Lösung in das Balsaholz zu gewährleisten, wird die Probe dreimal für jeweils 30 Minuten nochmals mit einer vorpolymerisierten MMA-Lösung unter Vakuum behandelt. Anschließend wird das Polymerisationsverfahren in einem Ofen bei 70°C vervollständigt. Das acrylglasartige Methylmethacrylat (MMA) ist somit vollständig infiltriert und ausgehärtet[9].

Charakterisierung

Das Ergebnis der vorangegangenen chemischen Prozesse wird anschließend überprüft. Um die Balsaholzprobe auf den Gehalt an Lignin zu untersuchen, wird zunächst mit dem TAPPI-Verfahren [16] das Gewicht des vorhandenen Lignins in der Probe in Gramm bestimmt. Nun kann der Prozentanteil an Lignin nach der folgenden Gleichung berechnet werden.



wobei m[g] die Masse an Lignin und M[g] die ofentrockene Masse der Probe ist.


Die vorhandene Probe der KTH weist nach der vorangegangenen Charakterisierung einen stark gesunkenen Ligningehalt von 24,9 auf 2,9% auf. Aus der ursprünglich bräunlichen Farbe des Balsaholzes resultiert nach der Delignifizierung eine trübe, fast weiße Farbe. Unter dem Mikroskop erkennt man dennoch die im Zentrum der Holzprobe liegende gut erhaltene wabenartige Struktur, die durch den chemischen Prozess nicht beeinträchtigt wurde[9].

Die vorhandene Transparenz und Trübung wurden mit Hilfe von einem Transmissionsspektrum und dem dazugehörigen Verfahren nach Haze (ASTM D1003) [17] ermittelt. Bei der vorhandenen Probe mit einer Dicke von 1,2 mm konnte somit eine Durchlässigkeit von 85% und eine Trübung von 71% erzielt werden. Bei Proben mit Dicken von 0,7 mm wurden Durchlässigkeitswerte von 90% erzielt. Wurde die Dicke auf 3,7 mm erhöht, sank die Durchlässigkeit auf etwa 40%[9].

Mechanische Eigenschaften

Spannungs-Dehnungs-Linie transparentes Holz

Wird das Holz im Bauwesen eingesetzt, sind auf die mechanischen Eigenschaften zu achten. Die Zugspannungs-Dehnungs-Kurve der Werkstoffe transparentes Holz (TW), delignifiziertes Holz (DLW) und Polymethylmethacrylat (PMMA) ist in dem Diagramm rechts dargestellt. Der Elastizitätsmodul von transparentem Holz (TW) ist mit 2,05 ± 0,13 GPa deutlich höher als der der delignifizierten Probe (DLW) (0,22 ± 0,08 GPa). Dies ist eine Folge des Verbundes aus Polymethylmethacrylat (PMMA) (1,80 ± 0,18 GPa) und der geringen Dichte des Balsaholzes (160 kg/m³).[18] Die geringen Druck- und Zugfestigkeiten von Balsaholz aufgrund der groben Porosität und der dadurch fehlenden Lastübertragungsmechanismen wurden durch die MMA Infiltration und Polymerisation in PMMA deutlich verbessert.[9]

Anwendungsbereiche

Die Anforderungen an optisch transparentes Holz (TW), sind durch die guten und teilweise verbesserten Materialeigenschaften und die unveränderte Struktur identisch mit dem im Bauwesen üblicherweise verwendetem Holz. Daher ergeben sich neue Möglichkeiten für eine erhöhte Transparenz und Lichtdurchlässigkeit im Innen- und Außenbereich ohne auf die stabilen und tragfähigen Eigenschaften von Holz verzichten zu müssen. Beispielsweise können in der Zukunft transparente Wandelemente aus Holz eine preisgünstige Alternative zu Milchglas oder Glasbausteinen werden, ohne die notwendige Privatsphäre zu verletzen. Auch in der Fensterherstellung können die immer massiver werdenden und damit wärmedämmtechnisch besseren Fensterrahmen aus transparentem Holz gefertigt werden, um die durch die Rahmen anfallende Verschattung im Innenraum auf ein Minimum zu reduzieren.[9]

Durch die hohe Trübung des TW ist es attraktiv in der Solarzellenanwendung. Das Licht wird in der Solarzelle aufgrund von Lichtstreuung durch das Holzgewebe für längere Zeit eingeschlossen. Somit ergibt eine bessere Interaktion zwischen Licht und Solarzelle, was zu einer besseren Effizienz der Solarzelle führt.[19]

Einzelnachweise

  1. ↑ Okahisa, Y.; Yoshida, A.; Miyaguchi, S.; Yano, H.; Optically transparent wood–cellulose nanocomposite as a base substrate for flexible organic light-emitting diode displays; 2009; doi:10.1016/j.compscitech.2009.04.017
  2. ↑ Prigg, M.; Scientists create transparent wood: superstrong material could replace glass in windows and even cars; Dailymail.com; 17. Mai 2016 (Online verfügbar)
  3. ↑ Callahan, D.; Wooden windows? New material could replace glass in solar cells and buildings; KTH/research news; 31.3.2016 (Online verfügbar)
  4. ↑ Wörn, S.; Transparentes Holz: Ist das die Fensterscheibe der Zukunft?; Galileo.tv/science; 1. April 2016 (Online verfügbar )
  5. ↑ Nejat, P.; Jomehzadeh, F.; Taheri, M. M.; Gohari, M.; Majid, M. Z. A. Renewable Sustainable Energy Rev. 2015, 43, 843– 862, doi:10.1016/j.rser.2014.11.066
  6. ↑ Hegger, M.; Nachhaltigkeitszertifizierung im Bauwesen – Sachstand und Defizite, 2016, doi:10.1007/978-3-658-09701-1_38
  7. ↑ Szerman, M.; Vereinfachte Bestimmung der Lichteinschaltzeiten tageslichtabhängig geregelter Beleuchtung mit Hilfe des Tageslichtquotienten, FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BAUPHYSIK (IBP); 1994; IBP-Mitteilung 262
  8. ↑ Stark, J., Wicht, B.; Geschichte der Baustoffe - 9. Holz; 1998, doi:10.1007/978-3-322-92892-4_9
  9. ↑ a b c d e f g h Li, Y.; Fu, Q.; Yu. S.; Yan, M.; Berglund, L.; 2016,In: Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template, KTH Royal Institute of Technology, SE-10044 Stockholm, Sweden; (Online verfügbar)
  10. ↑ Wolpensinger. H; Ökobilanz: Punkten mit dem Plusenergiehaus Holz; 15. Internationales Holzbau-Forum; 2009 (Online verfügbar)
  11. ↑ wasser-wissen.de/abwasserlexikon/d/delignifizierung,Abgerufen am 14.05.2016(Online verfügbar)
  12. ↑ Yano, H.; Hirose, A.; Collins, P.; Yazaki, Y. J. Mater. Sci. Lett. 2001, 20, 1125– 1126, doi:10.1023/A:1010992307614
  13. ↑ Müller, U.; Rätzsch, M.; Schwanninger, M.; Steiner, M.; Zöbl, H. J. Photochem. Photobiol., B 2003, 69, 97–105, doi:10.1016/S1011-1344(02)00412-8
  14. ↑ Zhang, Q.; Myers, D.; Lan, J.; Jenekhe, S. A.; Cao, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 14982– 14998, doi:10.1039/c2cp43089d
  15. ↑ Fink, S. Holzforschung 1992, 46, 403– 408, doi:10.1515/hfsg.1992.46.5.403
  16. ↑ TAPPI T 222 om-02, Acid-insoluble lignin in wood and pulp. 2002–2003 TAPPI Test Methods; Tappi Press, 2002.
  17. ↑ ASTM Standard test method for haze and luminous transmittance of transparent plastics. ASTM D1003-00; ASTM, 2000.
  18. ↑ Moon, R. J.; Martini, A.; Nairn, J.; Simonsen, J.; Youngblood, J. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3941– 3994, doi:10.1039/c0cs00108b
  19. ↑ van Lare, C.; Lenzmann, F.; Verschuuren, M. A.; Polman, A. Nano Lett. 2015, 15, 4846– 4852, doi:10.1021/nl5045583
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