Schwer entflammbare Holzwerkstoffe Mit Melonen und Sägemehl zu neuem Brandschutzmaterial

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ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

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Was heute meist im Ofen landet, könnte morgen Häuser vor Feuer schützen. Mit Sägemehl und einem Mineralbinder aus Melonenkernen entwickeln Forscher in der Schweiz einen feuerfesten und rezyklierbaren Komposit-Baustoff.

Bei jedem Baumstamm, der zugesägt wird, entsteht Sägemehl. Jährlich fallen weltweit Millionen von Tonnen davon an, die meist verbrannt werden. Dabei gelangt das im Holz gespeicherte Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre – aus Klimaschutzgründen wäre das besser zu vermeiden.

Ein Forschungsteam in der Professur für holzbasierte Materialien an der ETH Zürich und der Empa hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem Sägemehl zu einem umweltschonenden und rezyklierbaren Komposit verarbeitet werden kann. Dadurch kann das Sägemehl länger im Materialkreislauf gehalten werden. Die Forschenden nutzen dafür das Mineral Struvit, ein kristallines, farbloses Ammoniummagnesiumphosphat.

Enzym aus Wassermelonenkernen steuert Kristallisation

Dass Struvit interessante Eigenschaften für den Brandschutz besitzt, war bereits bekannt. Jedoch war es aufgrund seines Kristallisationsverhaltens schwierig, das Mineral mit Sägemehl-Partikeln zu verbinden. Die Forschenden nutzen nun ein Enzym, das sie aus den Kernen von Wassermelonen gewinnen, um die Kristallisation des Struvits in einer wässrigen Suspension mit Sägemehl zu kontrollieren. Dadurch entstehen große Kristalle, die die Hohlräume zwischen den Sägemehlpartikeln ausfüllen und die Partikel fest miteinander verbinden. Das für zwei Tage verpresste Material wird anschließend aus der Form genommen und bei Raumtemperatur getrocknet.

Holzelemente, die sich selbst schützen

„Das Material ist gegenüber Druck stabiler als das ursprüngliche Fichtenholz senkrecht zum Verlauf der Holzfasern“, erzählt Ronny Kürsteiner, der das Verfahren im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Es eigne sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und hohen Feuerfestigkeit vor allem für den Innenausbau. Denn Struvit ist nicht nur nicht brennbar, sondern trägt aktiv zur Erhöhung der Feuerfestigkeit bei. Unter Hitze zersetzt sich das Mineral, dabei werden Wasserdampf und Ammoniak freigesetzt. Dieser Vorgang nimmt Wärme aus der Umgebung auf und wirkt dadurch kühlend. Zudem verdrängen die freigesetzten, nicht brennbaren Gase die Luft, die so dem Feuer zur weiteren Ausbreitung fehlt, sodass das Material schneller verkohlt.

Kegelkalorimeter-Test bestätigt hohe Feuerfestigkeit

Das Team hat mit Forschenden am Polytechnikum Turin zusammengearbeitet, die das Material in einem so genannten Kegelkalorimeter getestet haben. Dabei handelt es sich um ein standardisiertes Prüfverfahren, das das Verhalten bei externer Hitzeeinstrahlung nachbildet. Während unbehandeltes Fichtenholz bereits nach etwa 15 Sekunden Feuer fängt, dauert es beim Struvit-Sägemehl-Komposit mehr als dreimal so lang. Hat es einmal Feuer gefangen, bildet sich schnell eine Schutzschicht aus anorganischem Material und Kohlenstoff, die das Material vor einer weiteren Ausbreitung des Feuers schützt. „Die Struvit-Sägemehl-Platten schützen sich also quasi von selbst“, sagt Kürsteiner.

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Leichter als zementgebundene Spanplatten

Erste Schätzungen hätten gezeigt, dass das Material die gleiche Brandschutzklasse erreichen könnte wie herkömmliche zementgebundene Spanplatten. Dies müsse jedoch noch mit größeren Flammschutzexperimenten bestätigt werden. Solche Spanplatten sind heute im Innenausbau für Flammschutzanwendungen weit verbreitet. Sie bestehen aus 60 bis 70 Gewichtsprozent Zement, sind entsprechend schwer und haben aufgrund des hohen Energieverbrauchs bei der Zementherstellung eine schlechte Klimabilanz. Die Struvit-Sägemehl-Platten bestehen dagegen nur zu 40 Prozent aus Bindemittel und sind daher deutlich leichter.

Einfacher Recyclingprozess ermöglicht Kreislaufführung

Das neue Komposit hat gegenüber anderen Komposit-Baumaterialien noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Zementgebundene Spanplatten landen nach einem Abbruch meist auf der Sondermüll-Deponie. Die Struvit-Sägemehl-Platten können hingegen wieder in ihre Einzelkomponenten zerlegt werden. Dafür wird das Material in einer Mühle mechanisch aufgebrochen und auf etwas über 100 Grad Celsius erhitzt, wobei das Ammoniak freigesetzt wird und das Sägemehl abgesiebt werden kann. Anschließend wird der mineralische Ausgangsstoff für Struvit, das so genannte Newberyit, wieder als Feststoff ausgefällt.

Newberyit kann anschließend erneut mit Sägemehl zu Kompositen verarbeitet werden. Somit könnte das neue Material einst einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leisten. Es kann zudem als natürlicher Dünger eingesetzt werden. Das ist für die Landwirtschaft interessant, weil es den gebundenen Phosphor, den Pflanzen fürs Wachstum benötigen, langsam und kontrolliert abgibt.

Klärwerks-Ablagerungen als Rohstoff erschließen

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden den Produktionsprozess weiter optimieren und skalieren. Ob sich das Material in der Baubranche durchsetzen wird, hänge vor allem von den Kosten des Bindemittels ab, sagt Kürsteiner. Im Vergleich zu Polymer-Bindemitteln oder Zement ist Struvit verhältnismäßig teuer. Das könnte sich jedoch durch das Erschließen eines weiteren Kreislaufs ändern: Struvit fällt nämlich in größeren Mengen in Kläranlagen an und verstopft dort die Abwasserrohre. „Diese Ablagerungen könnten wir als Ausgangsmaterial für unseren Baustoff verwenden“, erläutert der Forscher.

Originalpublikation: R Kürsteiner, D Vivas Glaser, M Ritter, A Parrilli, J Garemark, L Maddalena, T Schnider, CH Dreimol, F Carosio, I Burgert, G Panzarasa: Enzyme-mediated consolidation of lignocellulosic materials with a flame-retardant and fully recyclable mineral binder; Chem Circularity (2026); doi: 10.1016/j.checir.2025.100004

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