Adsorbiertes Wasser in Zellulosefasern und Holz: Einfluss auf mechanische Eigenschaften, Struktur und Dynamik
Final Report Abstract
Das biologische Material Holz ist im Baum mit Wasser gesättigt, wird dagegen aber trocken (nur mit dem Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt, der von der Luftfeuchtigkeit abhängt) als Baumaterial eingesetzt. Makroskopisch ist daher sehr gut bekannt, wie sich Holz unter dem Einfluß von Wasser bzw. beim Trocknen verändert : Feuchtes Holz ist weicher und verformbarer als trockenes, und Holz quillt bei Wasseraufnahme auf. Um die Ursache dieser Veränderungen zu verstehen, muß man die mikroskopische Struktur von Holz berücksichtigen. Hauptbestandteil von Holz ist Zellulose, die in Form faseriger Nanokristalle, sogenannter Mikrofibrillen, vorliegt. Diese sind eingebettet in eine weiche, ungeordnete Matrix, so daß ein Verbundmaterial vorliegt. Die überwiegend parallel zueinander ausgerichten Mikrofibrillen laufen helikal um die Faser- oder Holzzelle herum. Der Winkel dieser Helix zur longitudinalen Zellachse ist von großer Bedeutung für die einzigartigen mechanischen Eigenschaften von Holz, das hohe Festigkeit mit niedriger Dichte kombiniert. Strukturelle Parameter wie die Dehnung von Mikrofibrillen und deren Orientierung sind mit Röntgenstreuung zu bestimmen, während sich die Struktur und Dynamik des aufgenommenen Wassers sehr gut mit Neutronenstreuung untersuchen läßt. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Apparatur entwickelt, um Röntgenstreubilder während eines Streckexperiments aufzunehmen, wobei gleichzeitig auch der Wassergehalt der Holzproben kontrolliert wurde. Überraschenderweise war die maximale Dehnbarkeit nassen Holzes kleiner als die trockenen Holzes. Nasses Holz ist bei geringen Dehnungen erheblich weniger steif als trockenes, kurz vor dem Bruch aber wieder kaum von trockenem zu unterscheiden; es bricht schließlich bei einer ähnlichen maximalen Belastung. Die Ergebnisse der Röntgenstreuexperimente können diesen Befund erklären: Wasser macht die einbettende Matrix für die Mikrofibrillen weicher, die sich dann sehr leicht ausrichten lassen. Dadurch wird das Holz wieder steifer, da die sehr harten Mikrofibrillen nun die größte Last aufnehmen. Neutronenspektroskopie an Zellulosefasern zeigte, daß eine besondere Struktur von Wasser in nassem Holz vorliegt, die sich weit unter den Gefrierpunkt unterkühlen läßt und keine Eiskristalle bildet. Die Netzwerke der Wassermoleküle reichen in Faserrichtung offenbar deutlich weiter als senkrecht dazu (zwischen den Mikrofibrillen). Das durch dieses Projekt verbesserte Verständnis der mechanischen Eigenschaften natürlicher Zellulosefasern und von Holz unter Einfluß von Wasser ist wichtig, um in Zukunft ähnliche feste und leichte künstliche Werkstoffe zu entwickeln.
Publications
- I. Grotkopp, M. Müller, and F. Juranyi. Host-guest interactions between cellulose and water. Swiss Neutron News, 29:29-37, 2006.
- K. Kölln, I. Grotkopp, M. Burghammer, S. V. Roth, S. S. Funari, M. Dommach, M. Müller. Mechanical properties of cellulose fibres and wood ¿ Orientational aspects investigated with synchrotron radiation. J. Synchr. Rad., 12:739-744, 2005.
- M. Müller, B. Murphy, M. Burghammer, I. Snigireva, C. Riekel, J. Gunneweg, and E. Pantos. Identification of single archaeological textile fibres from the Cave of Letters using synchrotron radiation microbeam diffraction and microfluorescence. Appl. Phys. A, 83:183-188, 2006.
- M. Müller, M. Burghammer, and J. Sugiyama. Direct investigation of the structural properties of tension wood cellulose microfibrils using microbeam X-ray fibre diffraction. Holzforschung, 60:474-479, 2006.
- M. Peura, I. Grotkopp, H. Lemke, A. Vikkula, J. Laine, M. Müller, R. Serimaa. Negative Poisson ratio of crystalline cellulose in sulphate cooked Norway spruce. Biomacromolecules, 7:1521-1528, 2006.
- M. Peura, M. Müller, R. Serimaa, U. Vainio, M.-P. Saren, P. Saranpää, and M. Burghammer. Structural studies of single wood cell walls by synchrotron X-ray micro diffract ion and polarised light microscopy. Nucl. Instrum. Meth. B, 238:16-20, 2005.
- T. Seydel, K. Kölln, I. Krasnov, I. Diddens, N. Hauptmann, G. Helms, M. Ogurreck, S.-G. Kang, M. M. Koza, M. Müller. Silkworm silk under strain investigated by X-ray diffraction and neutron spectroscopy. Macro mo teenies, 40:1035-1042, 2007.
