Abb. 1 - Viele moderne Holzhäuser (hier das Passivhaus "Sunny Woods" am Stadtrand von Zürich) benötigen guten Holzschutz.
Foto: Lignum
Die Nanotechnologie ist ein aktuelles Forschungsgebiet, dem ein grosses Potenzial für technische Entwicklungen beigemessen wird und aus dem bereits eine Vielzahl von neuen Anwendungen hervorgegangen ist. Sie beschäftigt sich mit einer faszinierenden, kleinen Welt mit unvorstellbar kleinen Strukturen in der Grössenordnung von 10–9 m (entspricht 1 nm). Der Durchmesser eines Nanopartikels verhält sich zu einem Fussball etwa so wie der Durchmesser eines Fussballs zur Erdkugel!
Der Begriff "Nanotechnologie" definiert sich nur über die Grösse der Strukturen oder Partikel, die zur Anwendung kommen. Diese liegen zwischen 1 nm und 100 nm, also in der Grössenordnung von Molekülen und Molekülgruppen. Die Anwendungsbereiche sind daher sehr vielfältig und viele Entwicklungen und Forschungsansätze liegen auf den Gebieten der Elektronik, Medizin und Biotechnologie. Nicht selten dient die Natur als Vorbild für technische Entwicklungen, da bestimmte Funktionalitäten, die bei Tieren und Pflanzen zu beobachten sind, auf perfekt ausgebildete Feinststrukturen zurückzuführen sind, die vom Menschen jedoch nur unvollkommen nachgebaut werden können.
Nanobeschichtungen zum Schutz für bewitterte Holzoberflächen sind in den letzten Jahren verstärkt am Markt aufgetreten und werden intensiv beworben. In der Vermarktung werden die Produkte im Vergleich zu üblichen Beschichtungen mit Lacken und Lasuren meist als Alternative mit vielen Vorteilen dargestellt. Man muss sich daher die Frage stellen: "Bringt die Nanotechnologie das Wundermittel für Holzoberflächen?"
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Feuchteschutz mit Nanotechnologie
Eine grosse Zahl an Nanoprodukten wird zur Hydrophobierung (hydrophob = wasserabstossend) des Holzes angeboten, häufig in Form von Sprays. Durch den Auftrag von sehr dünnen Schichten erreicht man in der Tat faszinierende Abperleffekte von Wassertropfen (Abb. 4), was auch auf Hirnholzflächen und Rissen funktioniert. Dies soll einen Feuchteeintritt verhindern, während die Wasserdampfdurchlässigkeit der Oberfläche nicht vermindert wird. Von dem so erzielten "Gore-Tex®-Effekt" verspricht man sich einen optimalen Feuchtehaushalt des Holzes.
Untersucht man den Feuchteschutz dieser Beschichtungen in einem Wasserlagerungsversuch, dann ist im Vergleich zu unbehandeltem Holz eine gewisse Reduktion der Wasseraufnahme von beschichteten Proben erkennbar (Abb. 2). Ein etwas besserer Feuchteschutz kann auf Holz durch Imprägnierungen mit nanoskaligen Produkten in hoher Konzentration erreicht werden.
Abb. 2 - Ergebnisse von Wasserlagerungsversuchen nach EN 9275 und Dauerberegnungsversuchen über 72 Stunden mit beschichteten Fichtenholzproben im Vergleich zu unbehandeltem Fichtenholz.
Lichtschutz mit Nanotechnologie
Bei lasierenden Beschichtungen auf Holzoberflächen wird oft eine hohe Transparenz gewünscht. Ideal wären farblose Beschichtungen, mit denen die natürliche Farbe des Holzes erhalten bleibt. Die Nanotechnologie liefert hierzu transparente Lichtschutzmittel für Lacke. Es handelt sich dabei um nanoskalige anorganische Pigmente wie TiO2, ZnO oder Eisenoxid, die so kleine Partikel aufweisen, dass das sichtbare Licht nicht mehr gestreut wird und sie ihre Eigenfarbe verlieren.
Abb. 3 - Vergleich der Lichtdurchlässigkeit von transparenten Beschichtungsfilmen mit und ohne Lichtschutzmittel.
Selbstreinigende Oberflächen mit Nanotechnologie
Abb. 4 - Faszinierende Abperleffekte durch Nanosole. Das Holz nimmt aber trotzdem Wasser auf, wenn auch weniger als unbehandelt.
Foto: Holzforschung Austria
Abb. 5 - Das Vorbild in der Natur ist das Blatt der Lotuspflanze (Netumbo nucifera).
Foto: Anita Veit/pixelio.de
In der Funktionalisierung von Oberflächen wird bei verschiedenen Anwendungen ein Selbstreinigungseffekt oder eine leicht zu reinigende Oberfläche (easy to clean) angestrebt. Ein sehr bekanntes Vorbild aus der Natur ist das Blatt der Lotuspflanze (Netumbo nucifera, Abb. 5), bei dem aufgrund einer feinen Mikrostruktur in Verbindung mit eingelagerten Wachskristallen eine stark wasserabweisende Wirkung erzielt wird. Gleichzeitig können Verschmutzungen nicht an der Oberfläche anhaften und die Schmutzpartikel werden vom Regenwasser leicht abgewaschen.
Eine Holzoberfläche weist aufgrund des Holzaufbaus und der Qualität der Bearbeitung (sägerau, gehobelt, geschliffen) bereits eine bestimmte Feinstruktur auf. Eine Oberflächenstrukur wie am Lotusblatt kann daher direkt auf der Holzoberfläche nicht erzeugt werden. Eine starke Hydrophobierung ist aber mit so genannten Nanosolen möglich.
Biozide Ausrüstung mit Nanotechnologie
Die biozide Ausrüstung ist ein wichtiger Bestandteil von Beschichtungen auf bewitterten Holzoberflächen, vor allem um den Bewuchs mit Schimmel, Bläuepilzen und Algen zu vermeiden, der zu Verfärbungen und zum Abbau von Beschichtungsfilmen beiträgt. Nanosilber wird dafür als alternativer Wirkstoff angeboten. Eingesetzt werden nanoskalige Silberpartikel, aus denen bei Anwesenheit von Wasser und Sauerstoff (also genau dann, wenn auch das Wachstum von Mikroorganismen möglich ist) Silberionen freigesetzt werden. Diese Ionen hemmen das Wachstum von Bakterien und Pilzen. Silber ist für den Menschen nicht toxisch und bietet daher ein sehr gutes Verhältnis zwischen mikrobieller Aktivität und Toxizität.
Anwendungen liegen im Bereich von antibakteriellen Beschichtungen zum Beispiel in Krankenhäusern, auf Textilien (z.B. Matratzenbezüge) und auf Glasoberflächen für Flaschen und Ampullen. Bisher existieren für Holzoberflächen noch keine ausreichenden Erfahrungen mit Nanosilber als Biozid und dessen Wirksamkeit gegenüber holzverfärbenden Organismen (Schimmelpilze, Bläuepilze, Algen).
Wundermittel für Holzoberflächen?
Die Nanotechnologie bietet also viele Möglichkeiten, mit denen verschiedene Effekte und Schutzfunktionen auf Holzoberflächen erreicht werden können. Sie hat nach wie vor ein sehr grosses Entwicklungspotenzial und die zahlreichen Forschungsaktivitäten lassen in den nächsten Jahren weitere Fortschritte erwarten. Wunder kann man aber auch damit keine bewirken!
Der Schlüssel für erfolgreiche zukünftige Entwicklungen für den Holzbereich liegt wohl nicht im kontroversiellen Marketing, sondern in der sinnvollen Kombination von Funktionalitäten und der Symbiose mit der klassischen Lacktechnologie. Nanoschichten, Nanopartikel und Nanostrukturen sind eine interessante Erweiterung im Baukasten von Lackformulierern, mit der zusätzliche Effekte realisiert und die intelligent in Beschichtungssysteme eingebaut werden können. Dabei ist immer zu bedenken, dass Beschichtungen für Holzoberflächen im Aussenbereich alle Funktionen erfüllen müssen, die für einen dauerhaften Schutz des Holzes notwendig sind.
Was bleibt sind die Wunder der Natur, die wir mit unseren begrenzten Mitteln der Technik immer wieder zu kopieren versuchen. Das gelingt uns bisher aber nur ansatzweise.
