Forschende der ETH Zürich und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Sägemehl zu einem schwer entflammbaren, robusten und rezyklierbaren Komposit verarbeiten lässt. Das Material basiert auf einem Mineralbinder aus kristallinem Ammoniummagnesiumphosphat (Struvit) und soll dazu beitragen, Sägemehl länger im Materialkreislauf zu halten, teilte die Empa in Dübendorf bei Zürich mit. Bislang werde das beim Zuschneiden von Baumstämmen anfallende Sägemehl meist verbrannt.
Bereits bekannt ist, dass Struvit für Brandschutzzwecke interessante Eigenschaften besitzt. Problematisch war bislang jedoch die Verbindung des Minerals mit Sägemehlpartikeln, da das Kristallisationsverhalten des Struvits eine gleichmäßige Bindung erschwerte. Dies konnten die Forschenden allerdings mit einem Enzym lösen, das aus den Kernen von Wassermelonen gewonnen wird.
Mithilfe dieses Enzyms lasse sich die Kristallisation des Struvits in einer wässrigen Suspension mit Sägemehl steuern, berichtete die Empa weiter. Auf diese Weise entstünden große Kristalle, die die Hohlräume zwischen den Partikeln ausfüllen und diese fest miteinander verbinden. Das Material werde über zwei Tage verpresst, anschließend aus der Form genommen und bei Raumtemperatur getrocknet.
Hohe Druckstabilität
Dem Empa zufolge weist das Komposit eine hohe Druckstabilität auf. Wie Ronny Kürsteiner, der das Verfahren im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat, erläuterte, ist das Material gegenüber Druck stabiler als ursprüngliches Fichtenholz senkrecht zum Verlauf der Holzfasern. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und seiner hohen Feuerfestigkeit sehen die Forschenden das Einsatzfeld insbesondere im Innenausbau.
Die brandschutztechnische Wirkung beruht auf den Eigenschaften des Struvits, führte die Empa weiter aus. Das Mineral ist nicht brennbar und erhöht aktiv die Feuerfestigkeit des Materials. Bei Hitzeeinwirkung zerfällt Struvit, wobei Wasserdampf und Ammoniak entstehen. Dieser Prozess entzieht der Umgebung Wärme und wirkt dadurch kühlend. Zugleich verdrängen die freigesetzten, nicht brennbaren Gase die Luft, wodurch dem Feuer die Grundlage für eine weitere Ausbreitung fehlt. Das Material verkohlt dadurch schneller.
Getestet wurde das Komposit gemeinsam mit Forschenden am Polytechnikum Turin in einem Kegelkalorimeter, einem standardisierten Prüfverfahren zur Simulation externer Hitzeeinstrahlung, hieß es weiter. Während unbehandeltes Fichtenholz bereits nach etwa 15 Sekunden Feuer fange, benötige das Struvit-Sägemehl-Komposit mehr als die dreifache Zeit. Sobald das Material Feuer gefangen habe, bilde sich rasch eine Schutzschicht aus anorganischem Material und Kohlenstoff, die eine weitere Ausbreitung des Feuers hemme.
Erste Schätzungen zufolge könnte das Material die gleiche Brandschutzklasse erreichen wie herkömmliche zementgebundene Spanplatten. Bestätigt werden müsse dies jedoch noch in größeren Flammschutzexperimenten.
Zementgebundene Spanplatten werden im Innenausbau bereits breit für Flammschutzanwendungen eingesetzt. Sie bestehen demnach aus 60 bis 70 Gewichtsprozent Zement, sind entsprechend schwer und weisen wegen des hohen Energieverbrauchs bei der Zementherstellung eine ungünstige Klimabilanz auf. Die neu entwickelten Struvit-Sägemehl-Platten kämen dagegen mit einem Bindemittelanteil von 40 Prozent aus und seien damit deutlich leichter, so die Empa.
Struvit-Sägemehl-Platten lassen sich in Einzelbestandteile zerlegen
Ein weiterer Vorteil des neuen Komposits liegt nach Angaben des Forschungsteams im Recycling. Während zementgebundene Spanplatten nach einem Abbruch meist als Sonderabfall entsorgt würden, ließen sich die Struvit-Sägemehl-Platten wieder in ihre Einzelbestandteile zerlegen. Dazu wird das Material zunächst in einer Mühle mechanisch aufgebrochen und anschließend auf etwas über 100 Grad Celsius erhitzt. Auf diese Weise entweicht Ammoniak, und das Sägemehl kann abgesiebt werden. Der mineralische Ausgangsstoff für Struvit, das sogenannte Newberyit, wird anschließend wieder als Feststoff ausgefällt.
Dieses Newberyit kann erneut mit Sägemehl zu Kompositen verarbeitet werden, teilte die Empa weiter mit. Darüber hinaus lasse es sich auch als natürlicher Dünger einsetzen, da es den gebundenen Phosphor langsam und kontrolliert an Pflanzen abgibt. Für die Landwirtschaft könnte dies von Interesse sein.
In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden den Produktionsprozess weiter optimieren und skalieren. Ob sich das Material in der Baubranche durchsetzen kann, hängt nach Einschätzung von Kürsteiner vor allem von den Kosten des Bindemittels ab.
Im Vergleich zu Polymer-Bindemitteln oder Zement ist Struvit derzeit verhältnismäßig teuer. Perspektivisch könnte sich dies jedoch ändern, da Struvit auch in größeren Mengen in Kläranlagen anfällt, wo es zu Ablagerungen in Abwasserrohren führt. Diese Ablagerungen könnten laut den Forschenden künftig als Ausgangsmaterial für den Baustoff genutzt werden.
