Holz, das dem Feuer trotzt

Holz ist als leichter und fester Baustoff seit Jahrhunderten beliebt. Außerdem ist Holz ein nachwachsender und leicht zu rezyklierender Rohstoff. Der Nachteil: Holz ist brennbar. Doch das muss nicht sein, wie ein Forscherteam der Empa beweist.

Ökologisch, aber leider auch brandgefährdet

Ökologisches Bauen liegt im Trend. Aspekte wie Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von Gebäuden sind entscheidend. Bauherren und Architekten setzen daher immer häufiger auf Holz als Baumaterial, da der nachwachsende Rohstoff nicht nur braun, sondern auch grün ist. Tatsächlich bringt das Holz viele Vorteile mit sich, allerdings auch eine Reihe von Herausforderungen. Neben Fragen wie der Dauerhaftigkeit und der Dimensionsstabilität ist die Brennbarkeit ein limitierender Faktor bei der Verwendung des Holzes.

Holz brennt - es sei denn, man bringt es dazu, Kalk einzulagern. © Empa

Aus Gründen des Brandschutzes durften Bauherren bis vor kurzem Wohn- und Bürogebäude aus Holz nicht höher als sechs Stockwerke bauen. Selbst bei niederen Bauten bedurfte es oft verschiedener Verkleidungen, um einen angemessenen Brandschutz zu gewährleisten. Unter der Leitung von Empa-Forscher Ingo Burgert, der zugleich die Arbeitsgruppe „Holzbasierte Materialien“ an der ETH Zürich leitet, hat nun die Doktorandin Vivian Merk einen Weg gefunden, um die Brennbarkeit des Holzes auf natürliche Weise zu reduzieren.

Kalkeinlagerung als Feuerschutz

Das Forscherteam schützt das Holz vor den Flammen, indem es Kalziumkarbonat (Kalk) in der Zellstruktur des Holzes ablagert – und das Holz dadurch mineralisiert. Die Schwierigkeit liegt allerdings darin, das Mineral tief in die Struktur des Holzes zu bekommen. „Wenn ich einfach nur den Kalk nehme und versuche, ihn ins Holz zu bekommen, habe ich keine Chance. Die Verbindung darf erst im Holz selbst geschehen, sonst würde es nicht funktionieren“, erklärt Burgert.

Um zum Ziel zu kommen, tränken die Forscher das Holz in einer wässrigen Lösung aus Kohlensäuredimethylester und Kalziumchlorid. Kalziumchlorid ist ein Salz, das sich im Wasser leicht auflöst, genauso wie der flüssige Ester. Dieser findet beispielsweise als „grünes“ Lösungsmittel Anwendung. Ist das Holz einmal bis in die Zellen mit dem Gemisch durchtränkt, erhöhen die Forscher unter Zugabe von Natronlauge den pH-Wert, bis die Lösung basisch wird.

Diese Elektronenmikroskop-Aufnahme zeiggt deutlich die Kalkkristalle in den Zellwänden und kleinen Poren des Holzes. © Empa

Mit Chemie den Schalter umlegen

„Wir bringen die Ausgangsstoffe, die wir brauchen, zuerst ins Holz und legen dann sozusagen den Schalter um“, verbildlicht Merk. Hat das Gemisch einen gewissen pH-Wert erreicht, zerfällt das Molekül in Alkohol und CO2. Letzteres beginnt nun mit den Kalzium-Ionen in der Lösung zu reagieren und verbindet sich zu Kalziumcarbonat, das sich tief in der Zellstruktur ablagert.

Dieses Mineral bildet sich dadurch hauptsächlich in den Zellwänden und kleinen Poren. Bei einem alternativen Verfahren lagert sich der Kalk direkt in den röhrenartigen Holzzellen ab, verstopft sie gewissermaßen. In Bezug auf den Brandschutz funktionieren beide Varianten aber ähnlich gut, wie Ingo Burgert anmerkt: „Es geht einfach darum, möglichst viel mineralische Phase, die nicht brennbar ist, ins Holz einzulagern.“

„Funktioniert besser als erwartet“

Mehrere Brandtests, die die Arbeitsgruppe bisher durchgeführt hat, lieferten vielversprechende Ergebnisse. Dank des Kalks in der Zellstruktur gelang es den Forschenden, die Brennbarkeit des Holzes auf etwa ein Drittel zu senken. „Es funktioniert sehr viel besser, als alle erwartet haben“, sagt Merk.

Neben der guten Feuerresistenz zeigt das mineralisierte Holz zudem weitere Vorteile. So binden sowohl Holz als auch Kalziumkarbonat CO2, was umwelttechnisch sehr interessant ist. Ein weiterer Vorteil: Weder bei der Herstellung noch beim Endprodukt werden gefährliche Stoffe verwendet. Ein Recycling des Hybrid-Holzes ist somit unbedenklich, ganz im Gegensatz zu Hölzern, die mit herkömmlichen Methoden flammhemmend ausgerüstet sind.

„Man benutzt für den Brandschutz zum Teil wasserlösliche Borate, die negative Langzeitfolgen für die Gesundheit haben können“, sagt Merk. Außerdem wird herkömmlicher Feuerschutz oft nur von außen aufs Holz aufgetragen. Solche oberflächlichen Beschichtungen können sich mit der Zeit ablösen, während im Hybrid-Holz der Brandschutz tief im Innern des Baustoffs eingelagert ist.

Lorenz Huber/ Empa
Stand: 29.04.2016