Beziehung zwischen Struktur und Bruchzähigkeit von Holzzellwänden
Relation between structure and toughness of wood cell walls
by Mona-Christin Maaß
Date of Examination:2020-06-30
Date of issue:2020-08-12
Advisor:Prof. Dr. Cynthia A. Volkert
Referee:Prof. Dr. Cynthia A. Volkert
Referee:Prof. Dr. Holger Militz
Referee:Prof. Dr. Ingo Burgert
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8154
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Format:PDF
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Abstract
English
Wood has very good specific mechanical properties. This is mainly caused by its hierarchical structure, since wood is a composite of polymers that have much worse specific mechanical properties than wood. The relation between the structure and the specific stiffness as well as the specific strength has been intensively studied at almost all hierarchical levels. The situation is different for toughness, especially at small hierarchical levels. Therefore, this work investigated how the toughness of wood cell walls depends on their microfibril matrix structure. For this purpose, TEM images of the tracheid cell walls of pine late wood (pinus sylvestris) were taken and in-situ SEM and TEM fracture tests on them were performed afterwards. This was also done on thermally and DMDHEU (Dimethylol-dihydroxy-ethylene-urea) modified pine wood in order to investigate the effect of the changed molecular structure on the toughness of the cell walls. It was observed that the angle between the microfibrils and the cell axis (microfibril angle) has not only - as in the established cell wall structure model - a component tangential to the cell wall, but also a radial component. This specific arrangement of the microfibrils directed cracks to and then along the interface between the cell wall layers S1 and S2 in a zig-zag path and thereby toughening mechanisms occurred. Those were worsened by the wood modifications. Thus, cracks in natural wood are trapped to and along a tough interface. It is suggested that this is a natural adaption to increase the toughness of wood cell walls. It could be mimicked by imitating the specific microfibril arrangement of the wood cell walls in fiber composites, not only to improve their toughness, but also to predict and control their failure sites.
Keywords: wood; wood cell wall structure; toughness; fracture; failure; cracks; wood modification; in-situ SEM
German
Abgesehen von seiner guten CO2-Bilanz zeichnet sich Holz als Material durch seine sehr guten spezifischen mechanischen Eigenschaften aus. Dafür ist im Wesentlichen die besondere hierarchische Struktur von Holz verantwortlich, da Holz ein Komposit aus Polymeren ist, die deutlich schlechtere spezifische mechanische Eigenschaften als Holz haben. Der Zusammenhang zwischen der Struktur und der spezifischen Steifigkeit und Festigkeit ist auf fast allen hierarchischen Ebenen bereits gut verstanden. Anders sieht das bei der Bruchzähigkeit aus, insbesondere auf kleinen hierarchischen Strukturebenen. Daher wurde in dieser Arbeit untersucht, wie die Bruchzähigkeit der Holzellwände von ihrer Mikrofibrillen-Matrix-Struktur abhängt. Dazu wurden TEM-Bilder von Tracheid-Zellwänden von Kiefer-Spätholz (pinus sylvestris) aufgenommen und anschließend in-situ REM- sowie TEM-Bruchversuche mit ihnen durchgeführt. Diese Experimente wurden mit thermisch und mit DMDHEU (Dimethylol-dihydroxy-ethylene-urea) modifiziertem Kiefernholz wiederholt, um den Effekt der durch diese Holzmodifizierungen veränderten molekularen Holzstruktur auf die Bruchzähigkeit der Zellwände zu untersuchen. Es wurde beobachtet, dass der Winkel zwischen den Mikrofibrillen und der Zelllängsachse (Mikrofibrillenwinkel) nicht nur - wie in dem etablierten Zellwandstrukturmodell - eine Komponente tangential zur Zellwand hat, sondern auch eine radiale Komponente. Diese spezielle Mikrofibrillenanordnung hat Risse zu und dann im Zick-Zack entlang der Grenzfläche zwischen den Zellwandschichten S1 und S2 gelenkt und dabei haben fortlaufend bruchzähigkeitssteigernde Mechanismen stattgefunden. Die Holzmodifizierungen haben diese Mechanismen beeinträchtigt. Demnach werden Risse in naturbelassenem Holz zu und entlang einer bruchzähen Grenzfläche geleitet. Es wird vorgeschlagen, dass dies eine Strategie in der Natur zur Erhöhung der Bruchzähigkeit der Holzzellwände ist. Sie könnte von der Natur abgeschaut werden, indem die besondere Mikrofibrillen-Matrix-Struktur der Holzellwände in Faserverbundwerkstoffen nachgeahmt wird, nicht nur um gezielt ihre Bruchzähigkeit zu verbessern, sondern auch um ihre Schwachstelle vorherbestimmen und kontrollieren zu können.
Schlagwörter: Holz; Holzzellwandstruktur; Bruchzähigkeit; Bruch; Risse; Holzmodifizierung; in-situ REM
