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Kunstholz

Wissenschaftler haben Kunstholz aus Kunstharzen hergestellt, das natürliches Holz nachahmt und verbesserte Eigenschaften für den multifunktionalen Einsatz aufweist

Holz ist ein organisches Fasergewebe, das in Bäumen, Büschen und Sträuchern vorkommt. Holz kann als das nützlichste und vielleicht vielseitigste Material auf dem Planeten Erde bezeichnet werden. Es wird seit Tausenden von Jahren für verschiedene Zwecke verwendet und zeichnet sich durch seine geringe Dichte und hohe Festigkeit aus. Die einzigartige anisotrope Zellstruktur (dh unterschiedliche Eigenschaften in verschiedene Richtungen) von Holz verleiht ihm erstaunliche mechanische Eigenschaften und macht es stark, steif und dennoch leicht und flexibel. Holz hat eine hohe Druckfestigkeit und eine geringe Zugfestigkeit. Holz ist umwelt- und kostenfreundlich, superstark, langlebig und langlebig und kann für den Bau von fast allem verwendet werden, von der Papierherstellung bis zum Bau von Häusern.

Die Natur hat uns bereits erstaunliche Materialien wie Holz zur Verfügung gestellt. Dennoch gibt es für uns immer eine Inspiration rund um die Natur, um hochleistungsfähige biomimetische technische Materialien zu entwerfen und zu entwickeln, die die erstaunlichen Eigenschaften von Biomaterialien, die bereits in der Natur vorkommen, „nachahmen“ könnten. Die Einzigartigkeit von Holz liegt in seiner anisotropen Zellstruktur zusammen mit geringer Dichte und hoher Festigkeit. In der jüngsten Vergangenheit haben Wissenschaftler versucht, Materialien unter Berücksichtigung dieses Konzepts zu entwickeln, um die Eigenschaften von Holz wie hohe Festigkeit und Leichtigkeit zu kopieren. Die meisten Untersuchungen haben jedoch zu unbefriedigenden Ergebnissen geführt, da die entwickelten Materialien den einen oder anderen Fehler aufwiesen. Es bleibt für Ingenieure nach wie vor eine große Herausforderung, zu konstruieren künstlich holzähnliche Materialien. Dies ist von hoher Relevanz, da es Jahrzehnte dauert, Naturholz zu züchten und Zeit und Effizienz ein starkes Kriterium bei der Herstellung eines naturholzähnlichen Materials sind.

Bioinspiriertes Holz

Forscher der University of Science and Technology of China haben eine neuartige Strategie zur Herstellung von bioinspirierten künstlichen Polymeren entwickelt wood im großen Maßstab. Dieses künstliche Material hat eine holzähnliche zellulare Mikrostruktur, eine gute Kontrollierbarkeit in Mikrostrukturen und würde Eigenschaften wie Leichtigkeit und hohe Festigkeit analog zu den mechanischen Eigenschaften von natürlichem Holz aufweisen. Forscher sagen, dass dieses neue Material im Gegensatz zu allen anderen bisher erforschten Holzwerkstoffen so stark ist wie natürliches Holz.

In der Natur vorkommendes Holz enthält ein natürliches Polymer namens Lignin, das für die Festigkeit des Holzes verantwortlich ist. Lignin bindet kleine Zellulosekristallite in einer netzartigen Struktur zusammen, um eine hohe Festigkeit zu erzielen. Die Forscher dachten daran, Lignin zu replizieren, indem sie ein synthetisches Polymer namens Resol verwenden, das ähnliche Eigenschaften hat. Sie haben die traditionell verfügbaren Resole (Phenolharz und Melaminharz) erfolgreich in Kunstholz wie Material. Die Umwandlung wurde erreicht, indem zuerst die Selbstorganisationseigenschaften des Polymerresols ausgenutzt und dann einer Härtung unterzogen wurde. Um eine Selbstorganisation zu erreichen, wurden flüssige Thermostatharze unidirektional eingefroren und dann bei Temperaturen von nicht mehr als 200 Grad Celsius ausgehärtet (vernetzt oder polymerisiert). Das hergestellte Holzwerkstoff nimmt eine zellartige Struktur an, die der von Naturholz sehr ähnlich ist. Anschließend wurde die Thermohärtung – ein Prozess, der aus einer temperaturinduzierten chemischen Veränderung (hier Polymerisation) in Resol besteht – durchgeführt, um künstliche Polymerhölzer herzustellen. Die Porengröße und Wandstärke eines solchen Materials kann manuell gesteuert werden. Darüber hinaus können die von Resol hergestellten Kristallite je nach Holzart verändert werden. Die Farbe könnte auch durch Hinzufügen oder Vertauschen der Kristallite, die das Resol zusammenhalten, verändert werden. Wenn dieses Holzwerkstoff komprimiert wird, zeigt es eine ähnliche Widerstandsfähigkeit wie sein natürliches Gegenstück. Der in der Studie beschriebene Ansatz kann auch als grüner Ansatz zur Herstellung von Kunsthölzern bezeichnet werden, bei dem Kompost aus Nanomaterialien wie Cellulose-Nanofasern und Graphenoxid verwendet werden kann.

Interessanterweise weist Kunstholz im Vergleich zu Naturholz eine bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Säure auf, ohne dass die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Das bedeutet, dass Kunstholz extremen Wetterereignissen standhält und besser geschützt wäre. Es weist auch eine bessere Wärmedämmung und eine verbesserte Feuerbeständigkeit auf und würde sich nicht so leicht entzünden wie natürliches Holz, hauptsächlich weil Resol feuerhemmend ist. Dies kann ein Segen für Sektoren wie das verarbeitende Gewerbe und das Baugewerbe sein, insbesondere für Wohngebäude, die beim Bau aus Naturholz Feuer fangen. Das Material ist ideal für raue und raue Umgebungen geeignet, da es im Vergleich zu Naturholz deutlich verbessert wird. Es ist einzigartig im Vergleich zu herkömmlichen technischen Materialien wie Zellkeramik und Aerogelen in Bezug auf Festigkeit und Wärmedämmeigenschaften. Es ist auch aufgrund seiner höheren Festigkeit effektiver als die meisten Kunststoff-Holz-Verbundwerkstoffe. Das Holzwerkstoff hat eine ganze Reihe von Eigenschaften, die es effizienter machen.

Die neue Strategie, die in dieser Studie beschrieben wird, veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte bietet neue Wege zur Herstellung und Entwicklung einer Vielzahl von hochleistungsfähigen biomimetischen technischen Verbundwerkstoffen, die gegenüber ihren herkömmlichen Gegenstücken einige erhebliche Vorteile haben. Solche neuartigen Materialien können auf vielen Gebieten breite Anwendung finden.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Zhi-Long Y at al. 2018 Bioinspirierte Polymerhölzer. Wissenschaft Fortschritte. 4(8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223

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