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Holz

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Dieser Artikel behandelt den Rohstoff Holz, weiteres siehe: Holz (Begriffsklärung)

Kiefernholz

Holz (von althochdeutsch: holz Abgehauenes) bezeichnet die feste harte Substanz des Stammes, der Äste und Zweige von Bäumen und Sträuchern. Es wird in den Pflanzen von den Zellen des Meristems gebildet. Holz ist ein nachwachsender Rohstoff.

Es besteht aus:

Im Wald befindliches nicht lebendes Holz nennt man u. a. Totholz.

Verwendung

Holz wird genutzt als:

  • Brennstoff: Holz weist als nachwachsender Rohstoff eine extrem günstige Energiebilanz auf, ohne dass die Produktionsfläche nur der Produktion dient. Aus diesem Grund und durch die Entwicklung bequemer Befeuerungsanlagen wie der Holzpelletheizung oder die einfache Handhabung von Hackschnitzel kommt die Nutzung von Holz als Brennstoff wieder häufiger vor.
  • Rohstoff für Papier.
  • Rohstoff für chemische Prozesse.
  • Baustoff: Das höchste Holzgebäude der Welt steht in Magdeburg, Deutschland. Es handelt sich um den Jahrtausendturm (eröffnet 1999 im Rahmen der Bundesgartenschau auf dem Gelände des Elbauenparks).
  • Ausgangsstoff für Holzwerkstoffe wie z.B. Spanplatten oder Faserplatten.
  • Gebrauchtes Holz wird als Altholz bezeichnet und dient zerkleinert als Rohstoff für die Holzwerkstoffindustrie. Altholz wird zunehmend aber auch als Brennmaterial in Biomassekraftwerken zur regenerativen und CO2-neutralen Energiegewinnung genutzt.

Holzarten

Für die verschiedenen biologischen Arten siehe: Nutzpflanzen, Hölzer, Liste diverser Holzarten

Nadelholz

Entwicklungsgeschichtlich sind Nadelhölzer älter als Laubhölzer, haben daher einen einfacheren anatomischen Zellaufbau und besitzen nur zwei Zellarten.

  1. Tracheiden: Langgestreckte (prosenchymatische) an den Enden spitz zulaufende Zellen, die nur mit Luft oder Wasser gefüllt sind. Sie haben einen Anteil von 90-95 % der Holzsubstanz. Über so genannte Tüpfelpaare erfolgt der Wasseraustausch zwischen den Zellen. In radialer Richtung sorgen die Holzstrahlen (Quertracheiden) für den Wassertransport. Sie haben einen Anteil von 4-12 % an der gesamten Holzsubstanz.
  2. Parenchymzellen: Meist rechteckige Zellen, die die Leitung von Nähr- und Wuchsstoffen sowie die Speicherung von Stärke und Fetten übernehmen. In radialer Richtung bilden sie ebenfalls Holzstrahlen und umgeben die Harzkanäle, hier spricht man dann auch von Epithelzellen. Diese Epitehlzellen produzieren das Harz, welches sie in den Harzkanal ausscheiden. Auch Nadelbäume, die keine Harzkanäle besitzen (z. B. Tanne) können so im Falle einer Verwundung traumatische Harzkanäle bilden.

Laubholz

Die Zellen von Laubholz sind wesentlich differenzierter als die von Nadelholz. Man kann sie in drei funktionale Gruppen einteilen.

  1. Leitgewebe: Gefäße (Tracheen), Gefäßtracheiden, vasizentrische Tracheiden. Die beiden letzteren sind Zwischenstufen in der Entwicklung von der Tracheide zum Gefäß.
  2. Festigungsgewebe: Libroformfasern, Fasertracheiden
  3. Speichergewebe: Holzstrahlenparenchymzellen, Längsparenchymzellen, Epithelzellen

Charakteristisch für Laubhölzer sind die in Nadelhölzern nicht vorhandenen Gefäße. Sie sind oft mit bloßem Auge als kleine Löcher im Holzquerschnitt und als Rillen im Tangentialschnitt zu erkennen. Man unterscheidet hier noch, je nach Anordnung dieser Tracheen, ringporige Hölzer (z. B. Eiche, Esche, Robinie ...), halbringporige Hölzer (z. B. Nussbaum, Kirsche ...) und zerstreutporiger Hölzer (z. B. Ahorn, Birke, Rotbuche ...).

Tropenholz

Viele tropische Hölzer zeichnen sich durch vorteilhafte mechanische Eigenschaften und Wetterbeständigkeit aus. Der Konsum von Tropenholz wurde in den Industrieländern seit den 70er Jahren kritisch diskutiert, da der Bestand der tropischen Regenwälder unter anderem durch Raubbau gefährdet ist. Andererseits stellt Holz einen wichtigen Wirtschaftsfaktor für viele tropische Länder dar und ist (wie auch in den gemäßigten Zonen) eine wichtige Einkommensquelle für die ländliche Bevölkerung.

Beispiele: Bongossi, Abachi

Zertifizierung

Im Zuge der Diskussion zur nachhaltigen Bewirtschaftung in den Tropen wurden angesichts des dort überwiegenden Raubbaus weltweit gültige Kriterien für eine nachhaltige Waldwirtschaft diskutiert und Siegel entwickelt, die zur Zertifizierung von ökologisch- und sozialverträglich produziertem Holz verwendet werden.

Das für die Tropen wichtigste Siegel wird vom Forest Stewardship Council (FSC) vergeben. In den gemäßigten Zonen ist dagegen PEFC von überwiegender Bedeutung. Beide Systeme sind hinsichtlich ihrer Kriterien neben den naturräumlichen Gegebenheiten an staatlichen Verwaltungseinheiten gebunden.

Vor- und Nachteile von Holz

Wie jeder andere Werkstoff hat auch Holz seine Vor- und Nachteile. Unter ökologischem Gesichtspunkt ist die Reproduzierbarkeit sicherlich ein wichtiger Punkt, doch auch die leichte Bearbeitbarkeit und der damit verbundene niedrige Energiebedarf bei der Gewinnung sowie bei der Verarbeitung spielen hier eine wichtige Rolle. Wandert das Holz schließlich auf den Müll oder fallen bei der Produktion Abfälle an, kann es problemlos entsorgt werden. Im Idealfall kann es sogar kompostiert werden.

Lassen Begleitstoffe wie Holzschutzmittel, Lacke oder Leime dies nicht zu, ermöglicht moderne Rauchgasreinigung auch in diesen Fällen eine thermische Nutzung.

Aufgrund seines geringen Wärmeleitvermögens ist Holz ein hervorragendes Dämmmaterial (z. B. Faserdämmplatten, Balsa zur Isolation von Flüssiggastanks). Zudem ist Holz relativ resistent gegen Chemikalien, so wird Holz erst bei einem pH-Wert unter 2 oder über 9 angegriffen.

Zur Brandgefährlichkeit von Holzhäusern ist anzumerken, dass Holz bei großen Dimensionen als brandhemmend eingestuft ist, da an der Oberfläche eine Kohleschicht entsteht. Durch entsprechende Konstruktion und Anstriche lässt sich die Widerstandsdauer der Kontruktion weiter steigern. Die Stabilität der Konstruktion sinkt im Falle des Brandes langsam und abschätzbar durch die sichtbare Abnahme der Masse, bei Stahlkonstruktionen können dagegen hitzebedingte Verformungen zum plötzlichen Zusammenbruch führen, s. a. Weblink [[1]]. In Kanada soll Holzbauweise auch für Hochhäuser zulässig sein.

Die Brennbarkeit kann natürlich auch als Nachteil ausgelegt werden. Ebenso können Wuchsmerkmale oder Holzfehler positiv wie negativ gewertet werden. Ein wesentlich größerer Nachteil von Holz ist seine Anfälligkeit gegenüber biotischen Faktoren, es kann also von z. B. Insekten, Pilzen oder Bakterien angegriffen werden und in seiner Substanz nachhaltig zerstört werden.

Über einen langen Zeitraum schädigt auch UV-Strahlung das Holz. Dabei reagiert das Lignin und kann danach z. B. vom Regenwasser ausgespült werden. Zudem wird das Holz unter UV-Einwirkung grau wie Beton. Die Wirkung des Sonnenlichts ist auf die äußeren Schichten begrenzt, ihr kann durch Lackierung begegnet werden.

Ein weiterer Minuspunkt ist die hygroskopische Eigenschaft von Holz, d. h. es kann Wasser aufnehmen und abgeben. Die Holzfeuchtigkeit passt sich ihrem Umgebungsklima an. Diese Feuchtigkeitsänderungen unterhalb des Fasersättigungspunktes gehen mit Formänderungen einher (es quillt und schwindet), die auch noch abhängig von den drei anatomischen Grundrichtungen des Holzes sind. So schwindet Holz z. B. in tangentialer Richtung am meisten. Wer es genauer wissen will sollte den Abschnitt Aufbau der Zellwand weiter unten lesen.

Diese Nachteile lassen sich durch konstruktiven Holzschutz - die Anwendung oft alten Wissens, wie Holz zu verbauen ist - umgehen.

Die langfristige Nutzung von Holz stellt einen über die natürliche Zersetzung hinausgehende CO2-Speicherung dar.

Entstehung von Holz

Die Entstehung von Holzsubstanz findet in teilungsfähigen Zellen der Pflanze statt. Man unterscheidet hier zwei verschiedene Arten von Bildungsgeweben (Meristeme):

  • Das Scheitelmeristem (Vegetationskegel) sorgt für das Längenwachstum (primäres Wachstum) an den Sproß-, Zweig- und Wurzelspitzen.
  • Das Kambium, welches sich zwischen Holz und Rinde befindet, sorgt für das Dickenwachstum (sekundäres Wachstum).
    Bei der Teilung einer Kambiumzelle entstehen zwei gleiche Zellen, von denen jedoch nur eine ihre Teilungsfähigkeit behält und zu einer neuen Initialzelle heranwächst.
    Aus der anderen wird eine Dauerzelle die sich noch ein- oder mehrmals teilt. Schließlich entsteht je nach Lage eine Bastzelle (Phloem), aus denen die Innenrinde und die daraus später entstehende Borke besteht, oder eine Holzzelle (Xylem). Hierbei ist zu beachten, dass die Zellteilung nach innen, also die Bildung von Holzzellen wesentlich öfter stattfindet und so der Rindenanteil am gesamten Stamm nur etwa 5-15 % beträgt.
    Nachdem sich die Dauerzelle ein letztes mal geteilt hat, findet eine Differenzierung der Holzzelle zu einer Leitungs-, Festigungs- oder Speicherzelle statt.

In unseren Breiten gibt es klimatisch bedingt vier Wachstumsphasen:

  • Ruhephase (November-Februar)
  • Mobilisierungsphase (März, April)
  • Wachstumsphase (Mai-Juli): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen sind großlumig, dünnwandig und von heller Farbe und bilden das so genannte Frühholz.
  • Depositionsphase (August-Oktober): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen sind kleinlumig, dickwandig und von dunkler Farbe und bilden das so genannte Spätholz.

Durch dieses zyklische Wachstumverhalten entstehen Jahresringe, die deutlich in einem Querschnitt durch einen Stamm erkennbar sind (siehe auch Dendrochronologie).

Bei manchen Bäumen entsteht ab einem Alter von etwa 20-40 Jahren im Inneren das Kernholz. Im Gegensatz zu dem Splintholz besteht es nur noch aus toten Zellen. Hier findet also keine Wasserleitung oder Speicherung von Nährstoffen mehr statt.

Verkernung

Bei der Verkernung werden die Wasserleitbahnen unterbrochen.
Bei Nadelhölzern geschieht dies durch Verschließen der Hoftüpfel.
Bei Laubhölzern findet eine Vertyllung und ein Füllen der Zelllumen statt.
Danach werden Kerninhaltsstoffe gebildet und in die Zellwände eingelagert, was zu einer dunkleren Farbe des Kernholzes und oft zu einer Erhöhung der natürlichen Dauerhaftigkeit führt. Man spricht hier von Kernholzbäumen (z. B. Eiche, Nussbaum, Kiefer, Douglasie ...).
Bei Splintholzbäumen (z. B. Bergahorn, Birke, Erle ...) ist kein Unterschied zwischen innerem und äußerem Holz zu erkennen.
Manche Bäume weisen noch einen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt über den Querschnitt auf, man spricht hier von Reifholzbäume (z. B. Fichten, Birnbaum, Buche ...) und Kern-Reifholzbäumen (z. B. Esche, Ulme).

Aufbau der Zellwand

Bewegt man sich von außen in das Innere einer Holzzelle, durchschreitet man mehrere Schichten die zusammen die Zellwand bilden und unter einem Elektronenmikroskop erkennbar sind. Zwischen den Zellen befindet sich die Mittellamelle, die zusammen mit der Primärwand die sogenannte Mittelschicht bildet. Danach folgt die Sekundärwand 1 (S1) und Sekudärwand 2 (S2), wobei die S2-Schicht die mächtigste und dominierenste ist. Die anschließende Tertiärwand (S3) wird von einer Warzenschicht bedeckt und bildet den Abschluss. Die einzelnen Schichten oder Lamellen bestehen aus Fibrillen (Mikrofibrillen), die wiederum von Elementarfibrillen (Mizellen) gebildet werden. Elementarfibrillen sind Bündel aus mehreren Zellulosemakromolekülen, die aus 10 - 14.000 Glukosebausteinen bestehen und in eine Matrix aus Hemizellulosen und Lignin eingebettet sind und bilden amorphe und kristalline Bereiche. Das Quellen und Schwinden des Holzes bei Wasseraufnahme und Abgabe lässt sich durch die Orientierung dieser kristallinen Bereiche, in denen die Elementarfibrillen streng parallel verlaufen, dicht gepackt sind und eine Wassereinlagerung praktisch nicht stattfindet, in der dominaten S2-Schicht erklären. Hier sind diese Bereiche so gut wie parallel zur Stammachse angeordnet; amorphe Bereiche in denen deutlich mehr Wasser gebunden werden kann und das Volumen so vergrößert wird sind in radialer und tangentialer Stammrichtung also häufiger anzutreffen als in Stammlängsrichtung, in welcher das Holz deshalb 10 - 20mal weniger Quellungsverformungen aufweist. In der verhältnismäßig dünnen S1- und S3-Schicht verlaufen die kristallinen Bereiche orthogonal zu denen in der dicken S2-Schicht.

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