Alles über Holz: Struktur, Eigenschaften und Fehler

HOLZ

Einleitung: Holz kommt von Bäumen, die natürliche Elemente sind. Als organischer Rohstoff für den Menschen variiert Holz je nach klimatischen Veränderungen in Konsistenz, Dichte und Dicke.

Maserung und Struktur

Die Maserung des Holzes entspricht den Zeichnungen aller Sorten und hat eine eigene Struktur.

Das Holz wird aus Schichten gebildet, die aus kleinen Röhrchen bestehen. Diese Röhrchen transportieren Wasser und Mineralien von den Wurzeln. Diese Gefäße sind senkrecht zur Stammachse angeordnet. Wenn wir einen Baum parallel zur Achse schneiden, hat das Holz eine gerade Maserung. Bei einigen Bäumen sind die Gefäße jedoch spiralförmig um die Achse des Stammes angeordnet.

Kambium

In gemäßigten Zonen ist das Wachstum nicht konstant. Das Holz, das vom Kambium im Frühling und Sommer produziert wird, ist poröser und heller als das im Winter produzierte. Somit bildet der Baumstamm jedes Jahr ein Paar neuer konzentrischer Ringe, einen helleren und einen dunkleren. Deshalb werden sie Jahresringe genannt.

Wachstum, Verfall und Zersetzung

Im Laufe der Jahre werden Bäume immer höher und sperriger. Es ist nicht einfach, mit dem Wachstumsprozess umzugehen, da Holz ein festes Material ist, das sich nicht ohne Bruch ausdehnen kann. Das Kambium ist das Gewebe, das das Dickenwachstum von Stämmen und Zweigen ermöglicht. Es ist eine dünne Schicht lebender Zellen, die einen Ring bilden. Wie eingangs erwähnt, erzeugt diese Struktur zwei Arten von leitfähigen Zellen: Xylem nach innen und Phloem nach außen. Das Xylem leitet Rohsaft (Wasser, Salze und Mineralien) zu den Blättern, während das Phloem den aufbereiteten Saft (Wasser, Nährstoffe, Stärken und andere Stoffe) von den Blättern in den Rest des Baumes verteilt. Wenn Phloemzellen die Oberfläche erreichen, sterben sie ab und bilden die Rinde.

Zusätzlich unterstützen die Formen, die Baumarten annehmen, die Bewältigung des Gewichts ihres eigenen Holzes und kompensieren so das hohe Wachstum.

Ihr Dickenwachstum erfolgt nicht immer mit der gleichen Intensität, abhängig von Art und Klimabedingungen. Das jährliche Dickenwachstum ist in den sogenannten Jahresringen am Baumstumpf zu beobachten.

Jahresringe als Zeitanzeige

Die Jahresringe von Bäumen sind übereinander angeordnet. Man kann das Alter eines Baumes bestimmen, indem man die Anzahl der Ringe in einem Stammquerschnitt zählt. Die Breite der Ringe gibt Auskunft darüber, ob das Wachstum in einem bestimmten Jahr günstig oder ungünstig war.

Lebenszyklusphasen von Bäumen

• Entwicklungsphase
• Gleichgewichtsphase
• Zersetzungsphase

Stadium der Entwicklung

Das Stadium der Entwicklung ist in der Regel am längsten. Während dieser Zeit wächst der Baum gleichmäßig und produziert viel Holz. Gegen Ende des Wachstumszyklus verlangsamt sich das Wachstum und die Massenzunahme stoppt. Der Baum tritt dann in eine zweite Phase ein.

Gleichgewichtsphase

Die Gleichgewichtsphase kann viele Jahre dauern. Das jährliche Wachstum gleicht Verluste aus. Mit zunehmendem Alter und steigenden Verlusten kann es jedoch sein, dass nicht mehr genügend Holz nachgebildet wird (infolge von Fäulnis oder Zersetzung).

Dadurch kann der Baum verrotten und innen hohl werden. Pilze können eindringen, sich vermehren und das Holz des Stammes zerstören.

Zersetzungsphase

Die Zersetzungsphase ist die Endstufe. Die Mineralstoffe, die der Baum während seines Lebens aufgenommen hat, werden freigesetzt und beginnen sich zu zersetzen, was zur Bildung von Humus führt.

Einige Baumarten in Chile

Araukarie

Wissenschaftlicher Name: Araucaria araucana. Sie wächst in den Anden, an Vulkanen und darunter, z. B. am Antuco. Man findet sie auch in den Küstenbergen von Nahuelbuta.

Ciprés de las Guaitecas

Wissenschaftlicher Name: Pilgerodendron uvifera. Er wächst von Valdivia bis Feuerland und ist vor allem auf den Inseln der Provinzen Chiloé, Aysén und Magallanes verbreitet.

Ciprés de la Cordillera

Wissenschaftlicher Name: Austrocedrus chilensis. Wächst zwischen dem Río Maipo und dem Río Palena, vor allem in den Ausläufern der Anden und an der Küste.

Mañío

Unter diesem Namen sind drei Arten bekannt: Saxegothea conspicua, Podocarpus saligna und Podocarpus nubigena. Sie wachsen in den Wäldern des Südens und ihr Holz ist sehr begehrt.

Eiche

Wissenschaftlicher Name: Nothofagus obliqua. Wächst zwischen Curicó und Puerto Montt.

Raulí

Wissenschaftlicher Name: Nothofagus alpina. Er wächst in den Anden, von Curicó bis Valdivia.

Pathologie und Holzfehler

Holz kann allgemein als Brennstoff definiert werden, ist aber kommerziell wichtiger als harte und widerstandsfähige Substanz, die die Stämme von Bäumen bildet. Es wird seit Tausenden von Jahren als Baumaterial verwendet.

Es ist ein vertrautes, aber kein High-Tech-Material. Es wird zur Herstellung vieler Gegenstände für den Haushalt und im Bauwesen verwendet, geschätzt für seine Vielfalt und Schönheit. Aufgrund seiner Festigkeit und Leichtigkeit dominiert es in vielen Ländern die Bauindustrie. Man ist bestrebt, seine Eigenschaften zu verbessern und seine Schwächen zu schützen.

Holz kann als komplexer, faserverstärkter Verbundwerkstoff betrachtet werden. Er besteht aus langen, röhrenförmigen Zellen, die reich an Polymorphen sind, eingebettet in eine unidirektional ausgerichtete polymorphe Matrix. Neben den polymorphen Röhren gibt es auch strahlenförmige Verbindungen und teilweise kristalline Zellulosefasern, die in verschiedenen Winkeln zu den Achsen der Röhren angeordnet sind.

Zusammensetzung von Holz

Holz setzt sich aus vier Hauptbestandteilen zusammen:

• Zellulosefasern: die etwa 40% bis 50% des Holzes ausmachen.
• Zellulose: Ein natürliches thermoplastisches Polymer mit einem Polymerisationsgrad von etwa 10.000. Sie bildet die Zellulosefasern.
• Extrakte: Organische Verunreinigungen wie Öle, die dem Holz Farbe verleihen oder als Konservierungsstoffe gegen Umwelteinflüsse und Insekten wirken.
• Anorganische Mineralien: wie Kieselsäure, die beim Sägen oder Bearbeiten zu einer Beeinträchtigung der Werkzeuge führen können.

Struktur von Holz

Faserstruktur

Die grundlegende Komponente von Holz ist die faserige Struktur, die aus langen Ketten von Zellulosepolymeren besteht, die zu Fasern konfiguriert sind. Ein Großteil jeder Faser liegt im kristallinen Zustand vor; die kristallinen Bereiche sind durch kleine Abschnitte amorpher Zellulose getrennt.

Zellstruktur

Der Baum besteht aus länglichen Zellen, die oft ein Längen-Breiten-Verhältnis von 100:1 oder mehr haben und etwa 95% des festen Materials im Holz ausmachen.

Die Zellwände werden durch mehrere Schichten aus Mikrofibrillen aufgebaut. Die erste Wand der Zelle enthält zufällig orientierte Mikrofibrillen. Wenn sich die Zellwand verdickt, werden drei verschiedene Schichten gebildet.

Sowohl die äußeren als auch die inneren Wände enthalten Mikrofibrillen, die in zwei Richtungen parallel zur Zelle orientiert sind.

Holzeigenschaften

Feuchtigkeit

Holz enthält Wasser: gebundenes Wasser (in der Zellwand), freies Wasser (in den Zellhohlräumen) und Wasser, das durch Kapillargefäße (wie Tracheiden, leitende Xylemzellen, die Rohsaft transportieren) aufgenommen wird. Die Feuchtigkeit des Holzes kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden, z. B. durch Wiegen nasser und getrockneter Proben, kolorimetrisch, durch elektrische Leitfähigkeit oder mittels elektrischer Messgeräte.

Diese Schwankungen der Feuchtigkeit führen dazu, dass Holz quillt oder schwindet, wodurch sich sein Volumen und somit seine Dichte ändert.

Dichte

Die tatsächliche Dichte der Zellsubstanz ist für alle Holzarten annähernd gleich, etwa 1,56 kg/dm³. Die Rohdichte variiert jedoch nicht nur von Art zu Art, sondern auch innerhalb derselben Art, abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt, dem Baum und dem Standort. Um die durchschnittliche Dichte eines Baumes zu ermitteln, müssen mehrere Proben entnommen werden.

Da die Rohdichte von Holz das Volumen der Hohlräume und der festen Substanz umfasst, gilt: Je höher die Rohdichte des Holzes, desto größer ist die Masse der festen Elemente und desto kleiner sind die Poren.

Schwinden und Quellen

Das Volumen von Holz ändert sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt. Wenn Holz Wasser verliert oder aufnimmt, schwindet oder quillt es. Das Schwinden/Quellen ist in axialer Richtung (parallel zu den Fasern) minimal (nicht mehr als 0,8%), in radialer Richtung (1% bis 7,8%) und in tangentialer Richtung (5% bis 11,5%) stärker ausgeprägt.

Das Schwinden ist im Kernholz größer als im Splintholz, was bei Austrocknung zu Spannungen, Rissen und Verwerfungen des Holzes führen kann.

Das Quellen tritt auf, wenn Holz Feuchtigkeit aufnimmt. Bei untergetauchtem Holz nimmt das Volumen in axialer Richtung wenig zu, senkrecht zur Faser (radial und tangential) jedoch um 2,5% bis 6%. Die Gewichtszunahme kann dabei 50% bis 150% betragen.

Das Quellen des Holzes stoppt am Fasersättigungspunkt (ca. 20% bis 25% Wassergehalt). Darüber hinaus nimmt das Volumen nicht mehr zu, auch wenn noch Wasser aufgenommen wird.

Bei der Verarbeitung und Verwendung von Holz muss man diese Volumenänderungen berücksichtigen, insbesondere bei Teilen, die Feuchtigkeitsschwankungen ausgesetzt sind. Es muss genügend Spielraum für Quellen und Schwinden vorhanden sein, um die Stabilität der Konstruktion nicht zu beeinträchtigen.

Spaltbarkeit

Auch als Rissbildung bezeichnet, ist dies die Fähigkeit des Holzes, sich unter der Einwirkung eines Keils leicht in Längsrichtung spalten zu lassen.

Das Spalten ist in Richtung der Holzstrahlen leichter. Holz wird als sehr spaltbar bezeichnet (z. B. Kastanie) oder als wenig spaltbar (z. B. Eiche, Hainbuche).

Leitfähigkeit

Trockenes Holz ist ein schlechter Wärme- und Stromleiter, nasses Holz hingegen nicht. Die Leitfähigkeit ist in Längsrichtung größer als in radialer oder tangentialer Richtung. Sie ist auch in schwerem Holz höher als in leichtem und porösem Holz. Die Zellwände wirken als thermische Isolatoren.

Thermische Ausdehnung

Die lineare thermische Ausdehnung von Holz ist sehr gering und kann vernachlässigt werden.

Dauerhaftigkeit

Holz ist von Natur aus eine sehr dauerhafte Substanz. Wenn es nicht von lebenden Organismen angegriffen wird, kann es Hunderte oder sogar Tausende von Jahren erhalten bleiben.

Man hat Holzreste gefunden, die von den Römern benutzt wurden und dank einer Kombination schützender äußerer Umstände fast intakt geblieben sind.

Die wichtigsten Organismen, die Holz angreifen, sind Pilze, die Fäulnis verursachen. Dies geschieht, wenn Holz feucht ist.

Holzfehler und Pathologie

Holzfehler sind Anomalien, die eine Änderung der Struktur des Holzes bedeuten. Pathologische Veränderungen sind Krankheiten, die die chemische Zusammensetzung beeinflussen und den Widerstand verringern.

Als Holzfehler gelten Störungen der Struktur, Textur und Farbe, die die Verwendung beeinträchtigen.

Ursachen von Holzfehlern

Holzfehler können ihren Ursprung haben in:

• Verformung: der faserigen Struktur während des Wachstums des Baumes.
• Infektionen: durch Parasiten verursachte Krankheiten, Insekten- und Wirbeltierbefall.