Ein schwieriges Universitätsfach verständlich gemacht. Tauchen Sie ins Holz ein, mit russischen Lehrbüchern und internationaler Forschung als Wegweiser.
Ein Baum wächst von außen, nicht von innen. Eine dünne Schicht unter der Rinde, das Kambium, bildet jedes Jahr eine neue Holzschicht. So entstehen die Jahresringe.
Das Kambium ist ein laterales Meristem zwischen Phloem und Xylem. Die äußeren Jahresringe bilden das wasserleitende Splintholz. Bei vielen Holzarten werden die inneren Ringe zu Kernholz: Die lebenden Parenchymzellen sterben ab, und Extraktstoffe reichern sich dort an.
Im Frühjahr bildet der Baum weite Zellen mit dünnen Wänden, um Wasser schnell zu leiten. Im Sommer werden die Wände dicker und die Öffnungen enger. So entstehen die hellen und dunklen Zonen eines Jahresrings.
Bei Nadelhölzern sind die Frühholztracheiden dünnwandig mit weiten Lumina und dienen vor allem der Wasserleitung. Die Spätholztracheiden sind dickwandig, radial abgeflacht und tragen den Großteil der mechanischen Last, daher ist Spätholz deutlich dichter.
Kiefern- und Fichtenholz besteht fast vollständig aus langen, hohlen Zellen, den Tracheiden. Sie sind tot: Nur die Wände bleiben übrig, wie eine Wabe aus Röhren.
Tracheiden machen mehr als 90 % des Nadelholzvolumens aus und sind typischerweise 2-4 mm lang. Benachbarte Zellen sind über Hoftüpfel verbunden. Bei Laubhölzern leiten Gefäße das Wasser, während Libriformfasern für die Festigkeit sorgen.
Die Wand ist geschichtet wie Sperrholz. In jeder Schicht verlaufen die Cellulosefäden in ihrem eigenen Winkel. Die dickste Schicht, S2, verläuft fast in Längsrichtung der Zelle, und das macht Holz so zugfest.
Die Mittellamelle (ML) verkittet die Zellen miteinander und ist reich an Lignin. Darauf folgen die Primärwand P und die Sekundärwand: S1 mit Mikrofibrillen unter etwa 50-70° zur Zellachse, S2 unter 10-30° als Hauptteil der Wand und S3 unter 60-90°.
Vergrößert man weiter, sieht die Wand aus wie Stahlbeton. Die Bewehrung sind dünne Cellulosefäden, der Beton ist Lignin, und Hemicellulosen verbinden beides.
Eine etwa 3 nm dicke Cellulose-Mikrofibrille enthält etwa 18-24 parallele Ketten mit stärker und weniger geordneten Bereichen. Hemicellulosen sind an ihrer Oberfläche adsorbiert; Lignin füllt die Zwischenräume und ist in Lignin-Kohlenhydrat-Komplexen kovalent an Hemicellulosen gebunden.
Cellulose ist eine Kette aus Tausenden Glucoseeinheiten. Jede Einheit ist gegenüber der vorherigen umgedreht, daher ist die Kette gerade und flach, und benachbarte Ketten haften über Wasserstoffbrücken aneinander.
Cellulose ist ein β-(1→4)-D-Glucan mit Cellobiose als Wiederholungseinheit von 1,03 nm. Der Polymerisationsgrad nativer Holzcellulose liegt bei etwa 10 000. Wasserstoffbrücken bewirken zusammen mit der hydrophoben Stapelung der Ketten ihre Kristallinität und Unlöslichkeit in Wasser.
Ganz unten gibt es nur drei Elemente. Etwa die Hälfte der Holzmasse ist Kohlenstoff, über 40 % Sauerstoff und etwa 6 % Wasserstoff. Stickstoff und Mineralstoffe machen nur Bruchteile eines Prozents aus.
Die Elementarzusammensetzung der Hölzer gemäßigter Breiten hängt kaum von der Holzart ab: etwa 50 % C, 6 % H und 44 % O; Stickstoff meist 0,1 % oder weniger, Asche meist unter 0,5 % (selten bis 1 %) der Trockenmasse.
Zum Vergrößern scrollen
Zwei Drittel des trockenen Holzes sind Kohlenhydrate, ein Viertel ist Lignin. Nadelhölzer enthalten mehr Lignin und Mannane, Laubhölzer mehr Xylan.
Daten nach Sjöström für Waldkiefer und Hängebirke, in % des trockenen Holzes. Nadelholzlignin ist fast reines Guajacyl-Lignin; Laubholzlignin enthält Guajacyl- und Syringyleinheiten.
Ein Quadrat entspricht 1 % der Holztrockenmasse. Sjöström 1993.
Lange, gerade Glucoseketten, dicht nebeneinander gepackt. Sie bilden die festen Fäden der Zellwand. Baumwolle ist fast reine Cellulose, und das meiste Papier besteht hauptsächlich daraus.
Lineares Homopolysaccharid aus β-D-Glucopyranose-Einheiten, verknüpft durch (1→4)-glykosidische Bindungen. Die Ketten lagern sich zu Mikrofibrillen aus Cellulose I zusammen; im Holz überwiegt die Iβ-Form. Polymerisationsgrad etwa 10 000.
Kürzere, verzweigte Ketten aus mehreren Zuckern. Sie umhüllen die Cellulosefäden und verbinden sie mit dem Lignin, wie ein Kleber zwischen Bewehrung und Beton.
Heteropolysaccharide mit einem DP von etwa 100-200. Nadelhölzer: überwiegend Galactoglucomannane sowie Arabinoglucuronoxylan. Laubhölzer: überwiegend O-Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan mit einem geringen Anteil Glucomannan.
Ein dreidimensionales Netzwerk aus ringförmigen Bausteinen. Es füllt die Lücken in der Zellwand, macht sie steif und weniger wasserdurchlässig und erschwert Mikroben und Pilzen den Abbau der Wand.
Aromatisches Polymer, gebildet durch radikalische Kupplung dreier Monolignole: p-Cumarylalkohol (H), Coniferylalkohol (G) und Sinapylalkohol (S). Der β-O-4-Arylether ist die häufigste Bindung: etwa die Hälfte aller Bindungen im Nadelholzlignin und etwa 60 % im Laubholzlignin.
Frisch gefälltes Holz ist voller Wasser. Zuerst verlässt das freie Wasser die Zellhohlräume, und die Abmessungen ändern sich nicht. Erst wenn die Wände zu trocknen beginnen, schwindet das Holz und reißt.
Unterhalb des Fasersättigungspunkts (etwa 30 % Holzfeuchte) ist das Wasser an die Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere gebunden, und seine Abgabe verursacht Schwindung. Die tangentiale Schwindung ist etwa doppelt so groß wie die radiale, deshalb reißen Stämme radial auf.
Synthetische Polymere entstehen auf dieselbe Weise wie natürliche: Kleine Moleküle verbinden sich zu langen Ketten. Sperrholz und Spanplatten werden von solchen Harzen zusammengehalten.
Die Kettenpolymerisation (Additionspolymerisation) verknüpft Monomere ohne Nebenprodukte, zum Beispiel im Polyvinylacetat-Leim. Bei der Polykondensation wird beim Kettenwachstum ein kleines Molekül, meist Wasser, abgespalten: So härten Phenol-Formaldehyd-Harze und Harnstoff-Formaldehyd-Harze aus.
Kapitel lesen →Jede Zahl auf dieser Website hat eine Quelle. Russische Lehrbücher geben die Struktur des Kurses vor; internationale Monografien und Fachartikel liefern die Details.