Konservierung - Werte schützen und erhalten mit Chemie 2 - VCI Nord

„Auch sie braucht Schutz im Alter“
(Slogan der Stiftung Deutscher Denkmalschutz)
„Konservierung – Werte schützen und
erhalten mit Chemie“
Eine Wettbewerbsarbeit des Leistungskurses Chemie der Kaiser-Karl-Schule Itzehoe für
den Wettbewerb Chemie und Schule 2005/2006
Kaiser-Karl-Schule Itzehoe
Hinterm Sandberg 1-3
25524 Itzehoe

Inhaltsverzeichnis
Vorwort 3
Von der Idee zur Umsetzung 4
Der Konservierungssong 5
Der Werkstoff Stein 6
Ein Wort zum Thema Stein 6
Was sind Steine? 6
Einflüsse auf Gesteine 7
Versuche zur Konservierung von Steinen
Der Werkstoff Holz
Herkömmliche chemische Holzschutzmittel
Alternativer Holzschutz durch die Zellstoffmodifizierung
Die Methoden im Einzelnen
Zusammenfassung und Vorschau
Versuche zur Konservierung von Holz
Anhang
Der Werkstoff Metall – Geschichte
Chemie des Rostens
Versuch zum Korrosionsverhalten von Eisen
Maßnahmen zum Konservieren von Metallen
Versuche zur Konservierung von Metallen
Nachwort der Kursteilnehmer
Quellennachweis
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Vorwort
Wir haben uns im Rahmen unserer Projektwochen im Leistungskurs Chemie dazu
entschlossen, am Wettbewerb „Konservierung – Werte schützen und erhalten“ teilzunehmen.
Da das Thema eine Vielzahl von Unterthemen umfasst, mussten wir uns schließlich für eines
entscheiden, da die Arbeit wohl sonst zu umfangreich geworden wäre.
Nach einigen Überlegungen hat unsere Gruppe den Entschluss gefasst, sich mit der
Konservierung von Baustoffen zu beschäftigen. Zunächst hatten wir noch das Thema der
Konservierung von Lebensmitteln in Erwägung gezogen, doch waren wir der Ansicht, dass
gerade dieses Thema wohl von den meisten Teilnehmern des Wettbewerbs gewählt werden
würde. Wir wollten uns mit etwas Außergewöhnlicherem beschäftigen. Zudem sind wir der
Auffassung, dass das Thema des Wettbewerbs „Werte schützen und erhalten“ eher zu
Werkstoffen passt als zu Lebensmitteln, weil Bauten, Skulpturen o.ä. eher als Werte
bezeichnet werden können und es wichtiger ist, diese für die Nachwelt zu erhalten als
Lebensmittel.
Da auch dieser Bereich breit gefächert ist, mussten wir unser Projekt weiter einschränken und
haben uns am Ende der Besprechungen dafür entschlossen, dass wir uns mit der
Konservierung der drei Baustoffe Stein, Holz und Metall beschäftigen. Diese gehören zu den
wichtigsten sowohl früher als auch heute verwendeten Baustoffen.
Daraufhin haben wir unseren Chemiekurs in drei gleichgroße Gruppen eingeteilt. Jede dieser
Gruppen hat sich mit einem der drei Werkstoffe intensiv auseinander gesetzt. Wir haben
Recherchen zu verschiedenen Unterthemen angestellt und im Unterricht auch selbst Versuche
durchgeführt. Die Ergebnisse stellen wir in dieser Gemeinschaftsarbeit der drei Gruppen vor.
Abb. 1: LK Chemie der KKS Itzehoe:
Reihe hinten: Heiner Krause, Robin Soltau, Erik von Wahl, Fabian Haase, Niklas Sievers,
Hans-Jobst Redinger, Tanja Möller, Martin Hammig, Marlen Sahr
Reihe vorne: Torsten Dohrn, Lucy Weinreich, Inga Kragge, Nina Ebsen
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Von der Idee zur Umsetzung –
ein Beispiel für projektorientierten Chemieunterricht
Mit wachsendem Verbraucherbewusstsein in den letzten Jahren wird Bauzusatzstoffen heute
ein verstärktes Interesse entgegen gebracht. Dass der Leistungskurs Chemie sich mit dem
Thema „Konservierung von Baumaterialien“ auseinander gesetzt hat, ist jedoch aufgrund
eines Baumarktbesuches mehr durch Zufall entstanden, entpuppte sich aber als ein sehr
interessantes und für alle Beteiligten lehrreiches Themenfeld.
Unbestritten ist heutzutage, dass praxisorientierte Inhalte für das Lernen im naturwissenschaftlichen
Unterricht nicht nur förderlich, sondern auch unverzichtbar sind. Ziel der
Behandlung von Konservierungsstoffen und –verfahren im Unterricht sollte daher auch nicht
eine bloße Aneinanderreihung von einzelnen Verfahren und Stoffen sein. Vielmehr muss es
über die theoretische Kenntnis und den geschichtlichen Hintergrund hinaus auch ein
„Erfahren“ und „Begreifen“ geben, das durch praktische Anwendung nicht zuletzt zum
kritischen Verbraucherverhalten führt. Angesprochen werden sollten in diesem Projekt die
Interessen der Schülerinnen und Schüler an einer generellen Auseinandersetzung mit einem
wichtigen Bereich ihrer Alltagswelt, zu deren Aufklärung die Chemie einen Großteil
beitragen kann.
Der fächerübergreifende Aspekt des gewählten Themas wird dadurch offensichtlich, dass mit
Hilfe geeigneter Substanzen und Verfahren biologische, chemische und physikalische
Vorgänge verdeutlicht werden sollen, die dazu führen, dass natürliche und synthetische Werkstoffe
langanhaltend geschützt werden.
Bei der Durchführung wurden von den Schülerinnen und Schülern verschiedene Aktivitäten
verlangt: Über die Suche nach Informationsmaterial (bei der uns das Internet sehr geholfen
hat), der theoretischen Beschäftigung mit der Materie bis hin zur Aneignung und
selbständigen Erarbeitung fachgerechter Arbeitsmethoden.
Der Leistungskurs Chemie im 12. Jahrgang der Kaiser-Karl-Schule Itzehoe legt eine Gemeinschaftsarbeit
vor, die im Rahmen des Projektunterrichtes (Pflichtteil im Leistungskurs des 12.
Jahrgangs in S.-H.) erstellt wurde und die insgesamt knapp drei Wochen ( ca. 13 Stunden) in
Anspruch nahm..
Der Kurs, bestehend aus 12 Schülerinnen und Schülern, hat sich für die Behandlung des
Themas „Konservierung – Werte schützen und erhalten mit Chemie“ anhand von drei
wichtigen Baumaterialien entschieden und drei Arbeitgruppen gebildet, die parallel ihren Aufgabenbereich
bearbeitet haben. Der Vorschlag, drei Arbeiten zum Wettbewerb einzureichen,
wurde zugunsten einer Gemeinschaftsarbeit aufgegeben. Daher ist der Umfang der Arbeit
auch größer als bei herkömmlichen Wettbewerbsarbeiten.
Stundenübersicht:
1. Stunde: Formulierung und Abgrenzung des Themas, Reduzierung auf die Behandlung
von drei Werkstoffen ( Stein, Metall, Holz), Bildung von Arbeitsgruppen.
2./3. Stunde: Computerraum – Informationsbeschaffung im Internet
4./5. Stunde: Verteilung der Aufgaben in den Arbeitsgruppen: Theorieteil erarbeiten.
6.-10. Stunde: Erarbeitung geeigneter Versuche, Durchführung, Dokumentation
11./12. Stunde: Erarbeiten des theoretischen Teils
13. Stunde: Auswertung und Zusammenfassung
Hans-Jobst Redinger, Kurslehrer 4

Der Konservierungssong
frei nach Drafi Deutscher
Marmor, Holz und Eisen bricht
1. Weine nicht wenn der Regen fällt, dam dam... dam dam
es gibt ein Mittel, das zu dir hält. dam dam... dam dam
Ref: Marmor, Holz und Eisen bricht, nur mit Konservierung nicht.
Alles, alles löst sich auf, doch der Stein der bleibt.
2. Sieh die Holzbank nicht gut aus, dam dam... dam dam
hol’ den Konservierlack raus. dam dam... dam dam
Ref: Marmor, Holz und Eisen bricht, nur mit Konservierung nicht.
Alles, alles löst sich auf, doch das Holz das bleibt. |2x
3. Rostet dir dein Auto weg, dam dam... dam dam
brauchst du Chrom für diesen Zweck. dam dam... dam dam
Ref: Marmor, Holz und Eisen bricht, nur mit Konservierung nicht.
Alles, alles löst sich auf, doch das Eisen bleibt. |2x
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Der Werkstoff Stein
Ein Wort zum Thema Stein:
„Auf diese Steine können sie bauen!“, so
lautet seit einigen Jahren der Werbeslogan der
Bausparkasse Schwäbisch Hall.
Viele Häuser werden aus Stein gebaut und die
Menschen denken, dass diese für die Ewigkeit
halten. Die Bewohner fühlen sich sicher und
beschützt vor Natureinflüssen wie Kälte,
Regen oder Schnee.
Aber schon die Römer wussten vor 2000
Jahren, dass sie ihre Bauten mit Ölen und
Fetten wasserabweisend machen mussten,
damit sie langanhaltend stabil bleiben.
Der Zerfall von Steinen ist also schon seit
jeher bekannt, dennoch ist die Forschung im
Bereich der Steinkonservierung noch sehr
jung.
Sie dient dem Schutz von alten Gebäuden,
Skulpturen und Denkmälern, von denen die
meisten einen großen historischen Wert
besitzen.
Früher war ein Schutz vor Umwelteinflüssen
noch nicht möglich, aber wegen der geringen
Emissionen auch nicht nötig. Darum ist es
heutzutage umso wichtiger, die letzten
Erinnerungen an die Vergangenheit durch Kon-
servierung zu erhalten.
Was sind Steine?
Abb. 2: Elbsandstein-Putte im Dresdener Zwinger
Steine in ihrer Vielfältigkeit bestehen aus unterschiedlichen Mineralien. Es sind hauptsächlich
Silikate wie Quarz (SiO2), Feldspate (M(AlSi3O8)), Olivine ((Mg,Fe)2SiO4), Glimmer
(M5(AlSi3O8)) und Amphibole (Silicate mit Bandstruktur) . Zu den häufig in Steinen
vorkommenden Mineralien gehören ebenfalls Carbonate, bei denen vor allem Dolomit und
Calcit von Bedeutung sind. Aus dem Doppelcarbonat Dolomit CaMg(CO3)2 sind ganze
Gebirgszüge (Dolomiten in Südtirol) aufgebaut. Calcit, die stabilste Form des CaCO3, findet
man als Kalkstein, Kreide oder Marmor. Calciumcarbonat ist Hauptbestandteil des Kalksand-
steins, der in unseren Versuchen eine entscheidende Rolle spielt. Ebenfall anzutreffen ist
CaCO3 im Zement.
Gestein kann auf unterschiedliche Weise gebildet werden. Dabei handelt es sich um die drei
Gesteinsarten metamorphes Gestein, Sedimentgestein und magmatisches Gestein.
Metamorphes Gestein entsteht aus alten Gesteinen unter Einwirkung von hoher Temperatur
oder hohem Druck, wobei eine Metamorphose abläuft – eine Veränderung der Mineralzusammensetzung.
Sedimentgestein entsteht durch fortlaufende Ablagerung von Sand, steigendem
Druck auf tiefer liegende Schichten und daraus resultierender Verdichtung bis hin zum
spröden Gestein. Magmatische Gesteine sind die Folge von Abkühlungsprozessen heißer
Magma aus dem Erdinneren. Schnelle Abkühlung lässt nur kleine Kristalle entstehen, den
Basalt. Erfolgt die Abkühlung langsam im Erdinneren, entsteht Granit mit großen Kristallen.
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Einflüsse auf Gesteine
1. Natürliche Verwitterung
Steine können durch verschiedene Verwitterungsformen zerstört werden. Als Verwitterung
bezeichnet man die Zerstörung und Umwandlung der Gesteine und Minerale durch die
Wirkung exogener Kräfte, z.B. Sonneneinstrahlung, Flüssigkeiten und Frost.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen drei Verwitterungsarten: die physikalische,
chemische und biologische Verwitterung. Diese Arten lassen sich jeweils in Einzelprozesse
untergliedern.
Die physikalische Verwitterung verursacht eine mechanische Zertrümmerung der Gesteine.
Es gibt verschiedene Arten der physikalischen Verwitterung:
1. Temperaturverwitterung:
Sie wird durch permanent große Temperaturschwankungen ausgelöst. Bei starker
Erwärmung der Gesteine dehnen diese sich aus. Während der Abkühlung ziehen sie
sich unterschiedlich stark zusammen. Es entstehen Spannungen, die das Gestein
lockern und den Stein sprengen.
2. Frostsprengung:
Bei Gefrieren von Wasser in Spalten des Steines erfolgt eine Volumenzunahme von
bis zu 9%. Diese löst einen enormen Druck aus, der die Belastbarkeit der meisten
Steine übersteigt und sie sprengt. Die Frostsprengung ist umso intensiver, je häufiger
sich Frost und frostfreie Phasen abwechseln.
3. Salzsprengung:
Salzhaltiges Wasser verdunstet in Ritzen und Hohlräumen der Gesteine. Dabei
kristallisieren Salze aus, die einen Kristallisationsdruck hervorrufen, der das Gestein
lockert. Die Wirksamkeit der Salzsprengung wird durch häufigen Wechsel von
Durchfeuchtung und Austrocknung erhöht.
Die chemische Verwitterung beruht hauptsächlich auf der lösenden Kraft des Wassers.
1. Lösungsverwitterung:
Unter dieser Verwitterung versteht man die Zerstörung von Gesteinen, die leicht
lösliche Alkali- und Erdalkalisalze (z.B. Kochsalz (NaCl), Kalisalze (KCl), Carbonate,
Sulfate, z.B. Gips (CaSO4)) enthalten. Die Salze werden durch Wasser gelöst und
ausgewaschen. Daraus folgt der Zerfall des Gesteins.
Obwohl kalkhaltige Gesteine (CaCO3) im Wasser kaum löslich sind, werden sie zu
den lösungsfähigen Gesteinen gezählt. Denn durch die schwache Kohlensäure
(H2CO3), die sich bildet, wenn Wasser mit Kohlenstoffdioxid aus der Luft oder aus
dem Boden angereichert wird, kann das Gestein in Calciumhydrogencarbonat
umgewandelt werden (Kohlensäureverwitterung).
2. Hydratation:
Hydratation bedeutet, dass Wasser in die Struktur des Gesteins eingebaut wird. Die
Ionen der Mineralsalze ziehen das Wasser aufgrund seiner Dipolwirkung an und
werden dann von einer Wasserhülle (Hydrathülle) umgeben. Die Bindungskräfte des
Kristallgitters lösen sich. Die Aufnahme von Kristallwasser führt zur Aufquellung des
Steins und zur Sprengung des Nachbarsteins.
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3. Hydrolyse/ hydrolytische Verwitterung/ Silikatverwitterung:
Die als Dipol wirkenden Wassermoleküle werden von den Grenzflächenkationen der
Silikate angezogen. Die H3O + -Ionen des Wassers treten hierbei mit den ein- und
zweiwertigen Kationen (Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Fe² + , Mn 2+ ) der Silikate in Austausch
und lockern das Gestein. Dadurch entsteht ein instabiles Gitter, das weiterem hydrolytischen
Zerfall ausgesetzt ist. Die Intensität dieser Verwitterung nimmt mit steigender
Temperatur zu.
Die biologische Verwitterung umfasst sowohl physikalische als auch chemische Prozesse.
1. Wurzelsprengung:
Pflanzenwurzeln dringen in Gestein ein und sprengen diese durch ihr Dicken-
wachstum.
2. chemisch-biologische Verwitterung:
Die von Pflanzen und Tieren abgesonderten Säuren greifen Steine und Mineralien an
und zerstören sie auf diese Weise.
2. Saurer Regen zersetzt Kalk
Industrie- und Autoabgase (Schwefeloxide, Stickoxide und Kohlenstoffdioxid) regieren mit
dem Wasserdampf der Luft (speziell in Wolken) zu Säuren.
Die Säuren verbinden sich bei Regen mit dem Wasser zu sogenanntem sauren Regen:
SO2 + H2O � H2SO3 schweflige Säure
SO3 + H2O � H2SO4 Schwefelsäure
NO + NO2 + H2O � 2 HNO2 Salpetrige Säure
CO2 + H2O � H2CO3 Kohlensäure
Wenn dieser Regen auf Kalk und kalkhaltige Gesteinsarten trifft, zersetzt er diesen Stein.
Diese Gesteinsarten kommen in vielen antiken und mittelalterlichen Bauten vor, vor allem
fanden sie bei der Darstellung von Figuren an Kirchen und Schlössern Verwendung. Gerade
diese Kalksandsteinskulpturen sind durch die Emissionen in ihrem Bestand stark gefährdet.
Beispiel für eine mögliche Zersetzungsreaktion:
H2SO4 + 2 H2O � 2 H3O + + SO4 2-
2 H3O + + SO4 2- + CaCO3 � Ca 2+ + SO4 2- + CO2 + H2O
Durch die Auflösung und Umwandlung z.B. des Kalks wird der Stein abgebaut, die Konturen
einer Skulptur sind zerstört und können nur mit großem technischen Aufwand wieder
hergestellt werden.
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Versuche zur Konservierung von Steinen:
Imprägnierung von Steinen am Beispiel von Kalksandstein
Grundversuch
Zuerst wird eine Emulsion aus Wasser und SILRES BS
SMK 1311, das aus 20% Polymethylsiloxan, 40%
Trimethoxysilan, 20% Tetraethylsilikat, 10%
Ethansäure und 1% Methanol besteht (siehe
WACKER-Schulversuchskoffer). Die Emulsion besteht
aus 100 ml Wasser und 10 ml des
Mikroemulsionskonzentrates.
Nach Herstellung der Emulsion können die vorher für
den Versuch zerkleinerten Kalksandsteine in die Emulsion
gelegt werden. Allerdings werden diese nur zur
Hälfte in das Imprägniergemisch gestellt, damit der
Unterschied zwischen imprägniertem und nicht
imprägniertem Kalksandstein besser veranschaulicht
werden kann.
Nach fünf Minuten werden die Kalksandsteine wieder
aus der Emulsion genommen. Nun muss die
Imprägnierung mindestens 24 Stunden trocknen, um
erste Versuche machen zu können. Der Emulsion
können verschiedene Farben beigemischt werden, um
eine auch optisch ansprechende Gestaltung zu
erreichen.
Die organischen Methylgruppen in den Siliconen bewirken einen stark hydrophoben (wasserabstoßenden)
Effekt, da die Wechselwirkungen zwischen den Methylgruppen und den Wassermolekülen
äußerst gering sind.
Reaktionsschema:
Versuche mit imprägnierten Kalksandsteinen
1. Versuch: Wassertropfen auf Kalksandstein
Mit einer Pipette wird je ein Wassertropfen auf die mit der Imprägnierung behandelten Seite
und auf die unimprägnierte Seite eines Kalksandsteines gegeben.
Auf der nicht imprägnierten Seite zieht der
Wassertropfen aufgrund der relativ großen
Poren des Kalksandsteines sofort ein und es
bildet sich ein breiter Wasserfleck. Der
Wassertropfen auf der imprägnierten Seite
verhält sich dagegen vollkommen anders. Er
verteilt sich nicht auf der Steinoberfläche
und er behält seine runde Tropfenform bei.
Auch nach längerer Wartezeit zieht der
Wassertropfen nicht ein.
Der WACKER-Schulversuchskoffer
Dieser Schulversuchskoffer wurde von
WACKER für den Naturwissenschaftlichen
Unterricht entwickelt. Er enthält ein Sortiment
an WACKER-Chemikalien, Versuchsbeschreibungen
und theoretischen Erläuterungen
für Schüler- und Lehrerversuche.
Zum WACKER-Schulversuchskoffer gibt es
ein Begleitheft mit folgendem Titel:
W. Held et al., "Begreifen und Verstehen -
Schulversuche mit WACKER-Produkten",
Wacker-Chemie GmbH, München, 1998.
Das Begleitheft wird zusammen mit dem
Koffer für Schulen kostenlos von
WACKER http://www.wacker.com/
zur Verfügung gestellt.
Wacker-Chemie GmbH
Unternehmenskommunikation
Hanns-Seidel-Platz 4
81737 München
Abb. 3: Teilimprägnierter Kalksandstein; links ist
erkennbar, dass der Wassertropfen nicht einzieht. 9

Neigt man den Stein, so läuft der Wassertropfen sehr schnell über die Oberfläche des Steins
ab.
Der Wassertropfen kann auf der behandelten Seite nicht in den Kalksandstein einziehen, weil
bei der Imprägnierung des Steins kleine Siliconteilchen, die sich in der Mikroemulsion
befinden, tief in den Stein
eindringen können. Diese Teilchen sind unge-
fähr 10⎯ 6 cm klein.
Während der Stein trocknet, bildet sich eine hydrophobe Siliconschicht, die für die wasserabweisende
Wirkung verantwortlich ist. Dabei werden die Siliconmoleküle über
elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den negativ polarisierten Sauerstoffatomen der
Siliconmoleküle und den Kationen des Baustoffes gebunden.
Die Siliconmoleküle können auch fest an die Oberfläche des Steins binden. Dies geschieht,
indem Silicate und Siliconmoleküle über Sauerstoffbrücken gebunden werden.
2. Versuch: Dauertest eines imprägnierten Kalksandsteins in Wasser
Ein imprägnierter Kalksandstein wird für den
Zeitraum von einer Woche in ein Gefäß gelegt, das
ca. 3 cm hoch mit Wasser gefüllt ist. Während des
Versuches saugt sich die nicht imprägnierte Seite
des Steins vollkommen mit Wasser voll. Die
imprägnierte Hälfte bleibt dagegen trocken. Der
Stein weist immer noch dieselben Eigenschaften
wie in Versuch 1 auf, siehe nebenstehende Abbildung.
3. Versuch: Dauertest in Salzwasser
Abb. 5: Salzwasserversuch
Abb. 4: Wasserversuch mit Kalksandstein
Der Versuchsaufbau ist dem des zweiten Versuches
ähnlich, jedoch wird der Stein in Salzwasser
gestellt. Das Versuchsergebnis ähnelt dem 2. Versuch.
So ist die imprägnierte Hälfte ebenfalls
trocken. Die feuchte unimprägnierte Seite
unterscheidet sich durch die auf der Oberfläche
entstandene Salzkruste.
Dieser Versuch weist die Notwendigkeit nach,
Stahlbetonkonstruktionen, wie Brücken, die mit
Salzwasser in Kontakt geraten, mit einer Imprägnierung
zu versehen, um Rostbildung an den
Stahlstreben zu verhindern.
4. Versuch: „Einwirkung“ von saurem Regen auf Kalksandstein
Auch in diesem Versuch gleicht der Aufbau den vorherigen Versuchen. Nur wird der Stein in
ein Gemisch aus verdünnter Salpetersäure und Schwefelsäure gestellt, um den sauren Regen
zu simulieren. Der pH-Wert liegt bei 2.
Sobald der Stein in das Säurebad gelegt wird, kann man eine Bläschenbildung an der
Oberfläche des Steins beobachten. Es handelt sich dabei um CO2, das bei der Zersetzung des
Carbonates im Kalksandstein entsteht.
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Über den Zeitraum des Versuches treten deutlich sichtbare Veränderungen am Kalksandstein
auf. Durch die ätzende Wirkung der Säure lösen sich immer wieder kleine Teile vom Stein ab.
Es lassen sich auch ohne großen Kraftaufwand mit einem Spatel weitere Stücke vom Stein
abtrennen.
In diesem Versuch treten sogar leichte Veränderungen bei der imprägnierten Hälfte des Steins
auf. Die starke hydrophobe Wirkung der
Siliconschicht lässt durch die einwöchige
Einwir-kung der Säure nach. Setzt man nun
einen Wassertropfen auf die imprägnierte
Oberfläche, so verteilt sich dieser
großflächig.
In der Realität ist der Kalksandstein
sicherlich nicht permanent der Säure in einer
solch starken Konzentration ausgesetzt,
sodass die Einwirkungen des sauren Regens
erst langsam zu Schädigungen von
imprägnierten Steinen führen.
Dieser Versuch zeigt dennoch eindeutig,
warum man den Baustoff Stein gegen Umwelteinwirkungen konservieren sollte. Nur aufgrund
des Schutzes durch Silikone können Form und Stabilität von Steinen auf lange Zeit erhalten
werden.
5. Versuch: Seifen machen den Mörtel wasserabweisend
Metallseifen hydrophobieren Baustoffe
Durchführung:
Fertigzement – unbehandelt und behandelt – wird jeweils in die Aluminiumschale eines
Teelichtes gefüllt. Zu einem Schaleninhalt wird beim Anrühren Calciumstearat, eine
Metallseife, unter das Mörtelpulver gegeben. Nach dem Aushärten (1-2 Tage) wird zeitgleich
ein Wassertropfen auf die Mörtelfläche gegeben und die Zeit gestoppt, bis der Wassertropfen
in die Mörtelschicht eingezogen ist.
Auswertung:
Das Wasser auf dem unbehandelten Mörtel zieht viel schneller ein als im präparierten Mörtel.
Erklärung:
Der nur aus ionischen Verbindungen bestehende Mörtel und das stark polare Wasser können
leicht in Wechselwirkung treten. Calciumstearat jedoch besteht aus einem langen
hydrophoben Alkylrest und einer hydrophilen Carboxylgruppe. Diese orientiert sich an
Grenzflächen zu Wasser zum Wasser hin und der Alkylrest vom Wasserweg, also in den
Mörtel hinein. Dies stört die Wechselwirkungen zwischen Wasser und ionischen
Verbindungen. Der Mörtel wird mit einer hydrophoben Schicht überzogen, der Zement wurde
hydrophobiert.
Anwendung der Imprägnierverfahren in der Technik
a. Fassadenschutz durch Farbe
Abb. 6: Kalksandstein in Säurelösung
Aufgrund dieser Experimente kann man durch moderne Farben Fassaden schützen. Neben
Kalk-, Silikat-, und filmbildenden Dispersionsfarben gibt es noch die Siliconharzfarben. Sie
schützen vor Schäden, die durch eindringendes Wasser und feuchte Mauern entstehen und
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deren Kosten jährlich in die Millionen gehen. Durch diese modernen Wandfarben kann viel
Geld gespart werden.
Die in den Siliconharzfarben enthaltenen Siliconharze bilden mit dem Außenputz eine
schützende Hülle aus Füllstoff und Pigmenten, die aus wasserabweisenden Kapillaren und
Poren besteht.
Diese Vorgehensweise ermöglicht nicht nur den Schutz der Fassade vor eindringendem
Wasser sondern auch noch die Durchlässigkeit für Wasserdampf aus der Mauer.
b. Bohrlochinjektion
Neue Silicon-Mikroemulsionen, die besonders feinteilig und stabil sind, können selbst in sehr
kleine Porenräume und Porensysteme eindringen und diese schützen.
Emulsionen bestehen aus Wasser und einer mit Wasser nicht mischbaren, flüssigen Phase.
Durch den Zusatz von Emulgatoren und mit Hilfe von Scherkräften können Emulsionen mit
relativ großen Teilchen hergestellt werden. Weil sich diese aufgrund ihrer zu großen Teilchen
nicht optimal in den Porenräumen verteilen lassen, sind die neuen Silicon-Mikroemulsionskonzentrate,
die sich bei Berührung mit Wasser zu äußerst feinteiligen und stabilen
Silicon-Emulsionen entwickeln, sehr vorteilhaft, weil sie in kleinere Poren eindringen können.
Bei den Silicon-Mikroemulsionen wandeln sich die Emulgatoren und Coemulgatoren in
hydrophobe Wirkstoffkomponenten und ergeben mit den eingesetzten Silanen und Siloxanen
das hydrophobe Siliconharz-Netzwerk. Dieses Netzwerk ist für die wasserabweisende
Wirkung im Baustoff verantwortlich.
Man verwendet die Siliconharz-Mikroemulsion bei der Bohrlochinjektion gegen feuchtes
Mauerwerk. Die Mauern werden feucht, wenn sie keine Horizontal- und Vertikalabdichtung
besitzen. Der häufigste Grund für den hohen Feuchtigkeitsgehalt ist, dass die Flüssigkeit
kapillar im Mauerwerk aufsteigt.
Um dieses zu verhindern, können althergebrachte handwerkliche Arbeiten verrichtet werden,
wie zum Beispiel das Einziehen einer Abdichtungsfolie in ein freigelegtes Mauerwerk.
Neben diesen herkömmlichen Methoden gibt es die Bohrlochinjektion. Bei diesem Verfahren
werden Bohrlöcher in das Fundament des Bauwerkes gebohrt. Als erstes muss der alte Putz
bis etwa einen halben Meter über der sichtbar feuchten Stelle abgeschlagen werden. Dann
wird ein Dichtungsschlamm aufgetragen, der verhindert, dass die injizierte Siliconemulsion
unter dem Druck herausquillt. Danach müssen die Bohrlöcher gesetzt werden. Diese werden
mit Schläuchen verbunden, durch die eine Pumpe das Präparat, die Silikon-Mikroemulsion,
mit sehr hohem Druck tief in die geschädigte Mauer presst. Der Druck wird 10 Minuten lang
aufrechterhalten, damit ein Eindringen in alle Poren garantiert werden kann. Als letztes folgt
ein spezieller Sanierputz mit besonders vielen und besonders großen Poren. Diese Poren
müssen die Salze aufnehmen, die beim Verdunsten des Wassers zur Oberfläche der Mauer
transportiert werden. Wenn diese Hohlräume nicht vorhanden wären, würden sich die Salze
auf der Maueroberfläche sammeln und neue Feuchtigkeit anziehen.
Die Silicon-Mikroemulsion dringt auch in feuchtes Mauerwerk ein und verteilt sich in den
Poren. Durch Feuchtigkeit verbinden sich die Moleküle zum Polysiloxan, einem Netzwerk,
das dadurch, dass es in den Poren nicht schrumpft, keine Kapillaren hinterlässt, in die dann
wieder Feuchtigkeit eindringen kann.
Silicon-Mikroemulsionen schonen im Gegensatz zu Siloxanen und Siliconharzen, die in
Alkohol oder Testbenzin gelöst werden, die Gesundheit und die Umwelt.
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Der Werkstoff Holz
Was ist Holz?
Der Begriff Holz stammt aus dem Althochdeutschen und bedeutet soviel wie „Abgehauenes“.
Es bezeichnet die feste bzw. harte Substanz des Stammes, der Äste und Zweige von Bäumen
und Sträuchern. Als vielseitiger, insbesondere aber nachwachsender Rohstoff ist Holz eines
der wichtigsten Pflanzenprodukte. Gehölze gehören daher auch zu den ältesten Nutzpflanzen.
Holz besteht aus:
• Zellulose (40-50 %)
• Lignin (20-30 %)
• Hemicellulose (Polyosen) (20-30 %)
• Fette, Stärke, Zucker, Eiweiß, Phenole, Wachse, Pektine, Gerbstoffe (nur bei
Laubhölzern), Sterine, Harz, Terpene (1-3 %, Tropenholz bis 15 %!)
• Asche (0,1-0,5 %, Tropenholz bis 5 %)
Splint- und Kernholz
Als Splintholz wird der Bereich des Stammes bezeichnet, in dem noch Wasser- und Nährstofftransport
stattfindet (lebende Zellen). Bei Splintholzbäumen (z. B. Bergahorn, Birke,
Erle, Pappel, Spitzahorn, Weißbuche usw.) ist es der gesamte Stammquerschnitt. Er weist eine
einheitliche Farbgebung auf und es findet auch keine Verkernung statt.
Von der Verkernung von Holz spricht man, wenn die
inneren Wasserleitbahnen des Stammes unterbrochen
werden und die Zellen absterben. Dies geschieht in der
Regel in einem Alter von ca. 20-40 Jahren. Danach
werden Kerninhaltsstoffe gebildet und in die Zellwände
eingelagert, was oft zu einer Erhöhung der natürlichen
Dauerhaftigkeit führt. Ist der Kernbereich deutlich durch
eine dunkle Färbung zu erkennen, spricht man von
Kernholzbäumen (z. B. Eiche, Walnuss, Kiefer, Kirsch-
baum, Douglasie, Lärche, Robinie usw.).
Abb. 7: Kernholzbaum (Kiefer)
Unbehandeltes Holz ist als natürlicher Baustoff umweltfreundlich in der Beschaffung und
Verarbeitung. Es lässt sich problemlos recyceln, es kann sogar kompostiert werden. Dies ist
aber gleichzeitig auch sein größter Nachteil, da Holz anfällig ist gegen den Befall durch Pilze,
Insekten oder Mikroorganismen. Da die meisten Bausteine nur die Atomsorten C, H und O
beinhalten, wird bei ihrer Zersetzung auch nur so viel CO2 freigesetzt wie beim Aufbau
gebunden wurde.
Hier nun spielen Konservierungsmöglichkeiten für das Bauholz eine wichtige Rolle. In der
Folge beschäftigt sich die Arbeit weniger mit den herkömmlichen Holzschutzmitteln als
vielmehr mit heute möglichen Alternativen.
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Herkömmliche chemische Holzschutzmittel
Herkömmliche Holzschutzmittel werden in vier wesentliche Bereiche unterteilt, wobei die am
häufigsten verwendeten Holzschutzmittel-Wirkstoffe chlorierte Kohlenwasserstoffe sind (z.B.
Pentachlorphenol oder Lindan). Diese sind dadurch, dass sie im Körperfett gespeichert
werden, giftig und können zu organischen Spätschäden führen!
Ihre Wirkung ist vornehmlich ausgerichtet auf die Bekämpfung von Pilzen und Insekten.
Durch geeignete Beimengungen wird oftmals gleichzeitig eine wasserabweisende
Schutzschicht aufgebracht, die den Zersetzungsprozess zu verlangsamen hilft. Die insektizide
bzw. fungizide Wirkung wird erreicht durch die Verwendung von chlorierten Kohlenwasserstoffen,
aber auch teilweise hochgiftigen anorganischen Substanzen wie z.B. Chrom- oder
Arsenverbindungen. Ihre Verwendung ist auf den Außenbereich beschränkt, kann aber zu
Umweltschäden führen.
Alternativer Holzschutz durch die Zellstoffmodifizierung
Die kritische Betrachtung des Einsatzes aggressiver Holzschutzmittel sowie des dauerhaften
Gebrauchs witterungsresistenterer Tropenhölzer durch den Endverbraucher stellt mittlerweile
einen ernstzunehmenden Faktor für die Holzindustrie in Mitteleuropa dar. Als Folge davon
gewinnen in vielen Anwendungsbereichen andere Baustoffe stetig größeren Absatz, wie zum
Beispiel Kunststoffe. Zudem sinkt weltweit überwiegend die Holzqualität schnell wachsender
Holzarten für hochwertige Anwendungsbereiche. Umwelt- und Gesundheitsschutz rücken in
den Vordergrund.
In diesem Spannungsfeld haben Industrie und Forschung den dringenden Handlungsbedarf
rechtzeitig erkannt, um neuartige Schutzmethoden und Produktionsprozesse zu entwickeln.
Gefordert werden hierbei Verfahren, die nicht ausschließlich auf die Erhöhung der Dauerhaftigkeit
des Holzes abzielen, wie es bei den herkömmlichen, rein chemischen Holzschutzverfahren
der Fall ist, sondern auch auf eine gleichzeitige Verbesserung anderer Holzeigenschaften,
zum Beispiel den Brandschutz sowie den Gesundheitsschutz des Endverbrauchers.
Da Holz in der Hauptsache aus Zellstoff (Cellulose) besteht und dieser Stoff sowohl für die
Zersetzer als auch für das Wasser die besten Angriffspunkte liefert, wird durch geeignete
Verfahren eine chemische Veränderung angestrebt. Zu den neuen Methoden der Zellstoffmodifizierung
gehören die Hitzebehandlung (Abbau), die Ölbehandlung (Abbau, Vernetzung
und Hydrophobierung), die Harzbehandlung (Blockade und Vernetzung), die
Acetylierung (Pfropfung), die Holzvernetzung sowie die Verkieselung. Alle Verfahren
haben zum Ziel, die leicht angreifbaren hydrophilen Hydroxylgruppen in den Cellulose-Kette
der Zellwand auszuschalten (siehe Abb. 8).
14

Abb. 8: Modifikation der Zellwand zur Verringerung der Quellung und Erhöhung der biologischen Resistenz
Holz ist im Bau- und Konstruktionsbereich oft das bevorzugte Material, da es in einem breiten
Spektrum unterschiedlicher Dichte, Farbe, Festigkeit und Dimension verfügbar ist. Zudem hat
Holz ein vorteilhaftes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, was eine günstige Konstruktionsweise
ermöglicht. Holz besitzt akustische und Wärme isolierende Eigenschaften und korrodiert
nicht. Selbst im Brandfall weist es vorteilhafte Eigenschaften auf.
Schließlich ist es eine natürliche, ästhetisch ansprechende, erneuerbare, recycelbare und
biologisch abbaubare Ressource.
Doch gerade diese Eigenschaften erschweren die Holznutzung, ebenso wie die Veränderung
der Stabilität durch das Eindringen von Feuchtigkeit und das langsam fortschreitende
Zerstören des Zellstoffes durch das UV-Licht.
Die Holzindustrie versucht, die Effekte der natürlichen Schwachpunkte des Holzes entweder
durch den kritischen Einsatz natürlich dauerhafter tropischer Harthölzer oder durch den
Schutz nicht-dauerhafter heimischer Hölzer mit Hilfe von chemischen Holzschutzmitteln zu
minimieren. Doch durch den – nicht nur in Deutschland – wachsenden Druck aufgrund
ökologischer und gesundheitlicher Aspekte, forschen viele nach alternativen Methoden zum
Schutz gegen den biologischen Zerfall des Holzes. Mit Hilfe der Zellstoffmodifizierung kann
die molekulare Struktur der Zellwandsubstanz verändert werden.
In erster Linie wird bei vielen Prozessen die Stabilität des Holzes erhöht, da man entweder die
Zellwand in einem permanent geschwollenen Zustand überführt oder durch die Behandlung
das Eindringen von Wasser stark vermindert.
Jedes Verfahren zur Holzmodifizierung erfordert jedoch für jede Holzart umfangreiche Untersuchungen
zur Optimierung der Produktionsprozesse, zur Wirksamkeit in Hinsicht auf Quellung
und Schwindung, Pilzbefall und UV-Stabilität, zur Veränderung von für die Verwendung
des Holzes wichtigen Eigenschaften, vor allem der Festigkeitswerte, sowie der Farbe, der
Verleimbarkeit usw..
15

Die Methoden im Einzelnen:
1. Hitzebehandlung ( s. Versuch 2 )
Die Hitzebehandlungsverfahren sind die wohl am weitesten entwickelten Modifizierungsverfahren
in Europa. Sie unterscheiden sich zwar durch die technische Umsetzung, doch wird
bei allen Verfahren das von Fengel und Wegener 1989 endgültig entdeckte Prinzip der
chemischen Veränderung von Zellbestandteilen bei erhöhten Temperaturen etwa über 160°C
genutzt, wodurch das Holz weniger schnell durch Pilze befallen werden kann. Beim Erhitzen
von Holz auf Temperaturen zwischen 160°C und 240°C werden unter anderem die
hydrophilen Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) in den Zellwänden je nach Verfahren in einer
Heißluft-/Wasserdampfatmosphäre, in einer sauerstofffreien Stickstoffumgebung oder in
einem Ölbad abgetrennt. Generell wurde durch die Entwicklung moderner Zellstoffmodifizierungen
deutlich, dass die thermische Modifizierung für schwer tränkbare Holzarten die
einzige Möglichkeit ist, die Dauerhaftigkeit zu erhöhen. Denn die chemischen Modifizierungsverfahren
erfordern ebenso wie die klassische Tränkung mit Holzschutzmitteln, dass
die Wirkstoffe gut in das Holz eindringen können.
Bereits in den 70er Jahren wurden in Deutschland Praxisversuche mit hitzebehandeltem Holz
durchgeführt. Die Forschungsergebnisse und Praxisversuche zeigten zwar, dass das Holz eine
erhöhte Dauerhaftigkeit hat und die Aufnahmefähigkeit von Feuchtigkeit abnimmt, jedoch die
Einfuhr von Tropenholz ließ dieses Verfahren in Vergessenheit geraten. Erst in den 90er
Jahren wurde die Idee erneut aufgegriffen und weiterentwickelt. Es entstanden das mehrstufige
Plato-Verfahren in den Niederlanden, verschiedenen Hitzeverfahren in Finnland und
Frankreich sowie das Hitze-Öl-Verfahren in Deutschland. Bei allen neuen Verfahren zeigt
sich, dass die Dauerhaftigkeit des Holzes noch deutlich verbessert wurde.
2. Hydrophobierung mit pflanzlichen Ölen ( s. Versuch 2 )
In Deutschland werden Prozesse angewandt, bei denen warmes Pflanzenöl mit ca. 8 bar Überdruck
über mehrere Stunden in das Holz gepresst wird. Hierdurch wird das Holz getrocknet.
Die Vernetzung in den Zellwänden bewirkt eine Hydrophobierung, dass heißt eine Wasser
abstoßende Wirkung des Holzes. Am Ende des Verfahrens wird ein Teil des Öles wieder
entzogen. Das dabei im Holz verbleibende Öl soll eine langfristig wetterfeste Oberfläche
garantieren. Zusätzlich werden einige Hydroxylgruppen durch die erhöhten Temperaturen der
Pflanzenfette geringfügig abgebaut.
3. Harzbehandlung ( s. Versuch 1)
Der Einsatz von Kunstharzen und natürlichen Harzen zur Holzmodifizierung wird schon seit
vielen Jahren praktiziert. Das Augenmerk der meisten Behandlungen richtet sich auf die
Verbesserung der Festigkeitseigenschaften oder der Oberflächenhärte. Zu Beginn der 90er
Jahre wurde mit dem Hintergrund der Tropenholzdiskussion die Forschung der Kunstharzimprägnierung
wiederbelebt. Nun wird es zudem nicht mehr nur zur Verbesserung der
physikalischen Eigenschaften sondern auch zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit praktiziert.
Bei dem Verfahren härten wasserlösliche Melamin-Formaldehydharze in den Zellwänden bei
Temperaturen zwischen 100 und 140 Grad Celsius zu wasserunlöslichen Polymeren aus. Dies
hemmt den Befall durch Holz zerstörende Pilze und erhöht die Härte- und Abriebeigenschaften
des Holzes. Allerdings führt das Verfahren nur bedingt zu einer verbesserten Dauerhaftigkeit.
16

4. Acetylierung ( s. Versuch 3 )
Ein sehr gut erforschtes Modifizierungsverfahren ist die Acetylierung des Holzes mit Essigsäureanhydrid.
Die Acetylierungstechnik ist nicht neu, sie kommt bereits in verschiedenen
industriellen Verfahren zur Anwendung, wie zum Beispiel zur Herstellung von Textilien oder
der Produktion von Zigarettenfiltern (Acetylcellulose). Während der Reaktion von Holz mit
Essigsäureanhydrid werden die Hydroxylgruppen der Zellwand in Acetylgruppen überführt.
Diese Acetylgruppen sind im Holz schon von Natur aus in geringer Anzahl vorhanden.
Während der Reaktion entsteht das Nebenprodukt Essigsäure, die wiederum in Essigsäureanhydrid
umgewandelt werden kann. Acetyliertes Holz enthält genauso wie unbehandeltes
Holz nur Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff als chemische Bausteine und bleibt damit
frei von toxischen Substanzen. Somit stellt die Entsorgung von acetyliertem Holz auch kein
großes Problem dar.
Durch die Acetylierung wurden ebenfalls eine erhöhte Dauerhaftigkeit, die Widerstandsfähigkeit
gegenüber Pilzen, eine geringere Holzquellung, eine Verdichtung der Zellstruktur und
eine größere UV-Lichtresistenz erreicht.
5. Verkieselung / Silylierung ( s. Versuch 4 )
In den Zusammensetzungen Kieselsäure + Natriumoxid/Kaliumoxid als Wasserglas oder
Kaliwasserglas sind oberflächige Verkieselungen von Holzbauteilen im Brandschutz bekannt.
Auf älteren Dachstühlen lässt sich dieser milchigweiße Überzug noch oft feststellen. Er sollte
nach 1942 ein (letztendlich aber untaugliches) Mittel gegen die Brandminen und Brandbomben
der beginnenden Luftangriffe auf die deutschen Städte sein. Damals behandelte
Hölzer sind bis heute auch recht unversehrt von Insektenbefall geblieben.
Daher wurde auch im Holzschutz dieses Verfahren ausprobiert. Jedoch dauert der Verkieselungsprozess
über Jahre, was bei einer solange bestehenden Wasserlöslichkeit die Anwendung
an Hölzern im Freien oder mit Erdkontakt ausschloss.
Bei der in der Praxis genannten „Verkieselung“ handelt es sich um Einlagerungsreaktionen
mit Siliziumkomponenten. Siliziumverbindungen, wie zum Beispiel Alkylsilane und Alkoxysilane,
werden schon seit längerem auf ihre Anwendung in der Holzmodifizierung erforscht.
Ein Vorteil von Verkieselungsreaktionen zum Einsatz in der Holzmodifizierung ist vor allem
dann gegeben, wenn die Siliziumverbindungen chemische Verbindungen mit der Holzzellwand
eingehen. In diesem Fall scheint es erwiesen, dass das Holz nicht nur Wasser abweisend
wird, sondern auch ein verbessertes Quellverhalten und eine erhöhte Dauerhaftigkeit gegen
Pilze und Insekten besitzt. Außerdem haben Versuche gezeigt, dass das Holz nicht nur eine
bessere Oberflächenhärte, sondern auch eine erhöhte Lichtstabilität hat. Ein anderer für die
Praxis wichtiger Aspekt ist, dass verkieseltes Holz, wie schon bereits erwähnt, ein verbessertes
Brandverhalten aufweist.
Bei tiefgehenden Tränkbehandlungen ist eine Versprödung des Materials nicht auszuschließen,
was eine geringere Festigkeit zur Folge hat. Zudem führen bei der Anwendung die
eingebrachten Modifizierungsstoffe wie Wasserglas, Kieselsole oder Alkyl-/Alkoxy-Silkane
zudem zu einer Gewichtszunahme von 20-50%.
Zusammenfassung und Vorschau
Der Gedanke der chemischen oder chemisch-physikalischen Holzmodifizierung ist keinesfalls
neu. Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts fanden erste Forschungsansätze statt. Das Ziel der
Forschung war durch gezielte oder ungezielte Eingriffe in die Holzzellwand, die Holzeigenschaften
zu verbessern. Meist wurde auf eine verbesserte Dauerhaftigkeit alleine oder in
Kombination mit verbesserten Quellungseigenschaften hingezielt. Viele Anstrengungen
17

wurden nicht zur Praxisreife entwickelt. Die Gründe dafür lagen oftmals in der nicht ausgereiften
Technologie, zu hohen Produktionskosten und anderen kostengünstigeren Alternativen,
wie zum Beispiel Tropenholz oder Kunststoffe. In den letzten Jahren hat jedoch ein
Umdenken stattgefunden. Der Kunde verlangt nach natürlichen, umweltfreundlichen
Materialien, die produzierende Industrie versucht hierauf stets mehr einzugehen. Der gleichzeitige
Boykott von Tropenhölzern und die Ablehnung gegenüber vielen gesundheitsbedenklichen
Holzschutzmitteln zwingt die Holzindustrie, neue Wege anzudenken und neue
Prozesse zu entwickeln. Auch wenn die meisten Verfahren der Holzmodifizierung teurer sind
als die herkömmlichen, wird modifiziertes Holz in den nächsten Jahren in zunehmender
Masse auf dem Markt angeboten werden.
Versuche zur Konservierung von Holz
Versuch 1 - Harzbehandlung
Chemikalien:
Tedma (Triethylenglykoldimethacrylat), Wasser,
Holz
Geräte:
Becherglas, Bunsenbrenner, Dreifuß, Digital-
Schiebelehre
Durchführung 1:
Zunächst wird Tedma in ein Becherglas gefüllt und
ein Stück Holz hinein gestellt. Anschließend wird
das Becherglas über dem Bunsenbrenner für ca. 8-
10 min auf 100-140°C erhitzt.
Beobachtung:
Es lässt sich eine Veränderung der Viskosität des
Tedmas feststellen. Das Tedma wird zunächst
gelartig und später hart.
Durchführung 2:
Abb.9: Erik (li) und Niklas bei der Harzbehandlung
Nun wird das Holzstück aus dem Becherglas entnommen
und das auf ihm enthaltene, überschüssige
Tedma entfernt. Für die weiteren Versuche ist es wichtig, dass das Holz vollkommen
trocken ist. Daher muss es im Trockenschrank bei einer Temperatur zwischen 75 und 80°C
getrocknet werden.
Nach diesem Vorgang misst man die Stärke des Holzes an einer markierten Stelle. Dann wird
es für rund 45 Stunden in Wasser gelegt und im Anschluss erneut gemessen.
Für Vergleichszwecke wird der Versuch auch mit einem unbehandelten Stück Holz
durchgeführt.
Beobachtung/Ergebnis:
Während das unbehandelte Holz um 0,73mm, also 3,3%, aufquillt, ist die Quellung beim
harzbehandelten Holz mit 0,3mm oder 1,4% geringer.
18

Versuch 2 - Hitze- oder Ölbehandlung
a.
Chemikalien:
Sonnenblumenöl, Wasser, Holz
Geräte:
Becherglas, Bunsenbrenner, Digital-Schiebelehre
Durchführung 1:
Das Stück Holz wird in ein mit Sonnenblumenöl gefülltes Becherglas gestellt. Dann wird es
über dem Bunsenbrenner für 25-30 min auf über 150°C erhitzt.
Beobachtung:
Es findet eine Verfärbung statt. Der Holzteil im Öl wird dunkler.
Durchführung 2:
Das Holz wird im Trockenschrank zwischen 75 und 80°C getrocknet. Daraufhin wird die
Stärke gemessen und das Holz in Wasser gegeben. Nach 45 Stunden entnimmt man es und
misst erneut die Stärke an derselben Stelle. Der Versuch wird mit einem unbehandelten Stück
Holz gleicher Stärke wiederholt.
Ergebnis:
Das behandelte Holz hat im Vergleich zum unbehandelten Holz eine geringere Quellung. Sie
beträgt nur 0,39 mm bzw. 1,7% (gegenüber 0,81 mm und 3,3%).
Das Öl tritt in Wechselwirkung mit den Cellulosemolekülen des Holzes und verhindert somit
durch seine hydrophoben Eigenschaften ein Eindringen von Wasser in das Holz.
b.
Chemikalien:
behandeltes Holz aus 2a, 1g Sudan III (Ceresinrot), 20g Kreide
Geräte:
Mörser, Spachtel, Säge
Durchführung :
Das Holz wird im behandelten Bereich durchgesägt und die vorher hergestellte homogene
Kreide-Sudan III-Masse wird mit Hilfe eines Spachtels aufgetragen.
Nun fertigt man einen Abdruck auf ein weißes Papier.
Beobachtung:
Es ist eine dunkelrote Verfärbung am Eindringbereich des pflanzlichen
Öles zu erkennen.
Abb. 10: Stempelabdruck durch eingedrungenes und angefärbtes Öl
Versuch 3 – Acetylierung
Chemikalien:
Essigsäureanhydrid, Wasser, Holz
Geräte:
Becherglas, Digital-Schiebelehre
Durchführung :
Das Holz wird zusammen mit der Essigsäureanhydrid-Lösung in ein Becherglas gegeben.
Danach wird das Holzstück im Trockenschrank gelagert und anschließend die Dicke
gemessen.
Daraufhin kommt es in ein mit Wasser gefülltes Becherglas und wird nach 45 Stunden erneut
gemessen. Wiederholung mit unbehandeltem Holzstück.
19

Beobachtung:
Im Gegensatz zum Vergleichsstück ist hier keine Quellung festzustellen.
Die Acetylierung führt zur Aufhebung der hydrophilen Funktion der OH – Gruppen der
Cellulose:
Versuch 4 - Verkieselung/Silylierung
a.
Chemikalien:
Wasserglas, Wasser, Holz
Essigsäureanhydrid
Geräte:
Becherglas, Digital-Schiebelehre
Abb. 11: Reaktionsmechanismus zur Acetylierung von Holz
Durchführung 1:
In ein Becherglas wird Wasserglas gefüllt und
anschließend ein Stück Holz gestellt. Dieses wird
über 120 Stunden im Wasserglas getränkt.
Abb. 12: Holzstück im Wasserglas-Bad
Beobachtung:
Die Viskosität der Wasserglaslösung erhöht sich und es bilden sich Kristalle am Holz.
Durchführung 2:
Das Holzstück wird bei 75-80°C getrocknet und anschließend vermessen. Danach wird es für
45 Stunden in Wasser gestellt und anschließend ein weiteres Mal an der markierten Linie
gemessen.
Beobachtung:
Das Holz quillt nur um 0,01mm. Demnach ist eine Quellung und die damit verbundene
Volumenzunahme praktisch nicht nachweisbar.
20

Abb. 13: Verkieselung von Holz mit Alkylsilkanen
b.
Chemikalien:
behandeltes Holz aus 4a
Geräte:
Bunsenbrenner, Tiegelzange
Durchführung :
Das verkieselte Holz wird über der Flamme des
Bunsenbrenners der direkten Verbrennung
ausgesetzt.
Beobachtung:
Es ist eine andere, kleinere Flamme zu erkennen,
die eine dunkle orange Farbe hat. Ruß entsteht
nicht und auch glüht das Holz nicht. Erst nach ca.
15 min und bei 1100°C beginnt das Holzstück zu
glühen.
Ergebnis:
Der Brandschutz wirkt.
Abb. 14: Entzündprobe mit einem behandelten und
einem unbehandelten Holzstück
Abb. 15: Reaktion von Holz mit
Alkoxysilkanen
21

Anhang:
Vor- und Nachteile bei verschiedenen Methoden der Holzmodifizierung
Modifizierungsart Vorteile Nachteile
Hitzebehandlung
thermische Modifikation
Acetylisierung
chemische
Modifizierung,
mehrstufig
Harztränkung
Einlagerung /
Blockierung
chemische
Modifizierung,
mehrstufig
Hydrophobierung mit
pflanzlichen Ölen
Hydrophobierung ohne
Veränderung der
Zellstruktur
Verkieselungen /
Silylierungen
Druckimprägnierung
oder Oberflächenbehandlung
mit
Siliziumverbindungen
• niedrige
Ausgleichsfeuchte
• steigende Stabilität
• verbesserte
Dauerhaftigkeit
• preiswert
• steigende Stabilität
• verbesserte
Dauerhaftigkeit
• erhöhte UV-Stabilität
• Härte
• verbesserte mechanische
Eigenschaften
• steigende Stabilität
• verbesserte
Dauerhaftigkeit
• Wasser abweisend
• niedrige
Ausgleichsfeuchte
• steigende Stabilität
• verbesserte
Dauerhaftigkeit
• Brandschutz
(Quelle: http://www.holzfragen.de/seiten/modifizierung.html)
• Festigkeitsverluste
• Geruch
• Korrosion
• Verfärbungen
• Umweltbelastung durch
die Produktion
• hohe Kosten
• Rissbildungen
• aufwendiger Prozess
• Dauerhaftigkeit wie
unbehandeltes Holz
• dunkle Verfärbungen
• „Ausschwitzen“ des Öls
• Verleimungs- und
Beschichtungsprobleme
• Oberflächenhärte
• Gewichtszunahme, 20-
50%
• Probleme bei der
Verleimung und
Beschichtung
• Verbau nicht im freien
oder mit Erdkontakt
Anmerkung:
Die Bewertungen sind nicht endgütig und können sich durch neue Herstellungsprozesse oder
neue Erkenntnisse unter Umständen ändern. Zudem muss man auch die Herstellungskosten,
die Frage der Umweltbelastungen aus Produktion und die zu erwartenden Arbeitsschutzanforderungen
bei der Weiterverarbeitung berücksichtigen.
Der Werkstoff Metall 22

Geschichte:
Kupfer ist eines der ersten vom Menschen genutzten
Metalle. Es wurde wohl vor etwa 6000 - 10000 Jahren
per Zufall in besonders heiß brennenden Holzkohlefeuern
entdeckt, wo es in
reiner Form aus kupferhaltigen Gesteinen austreten
konnte. Auch Zinn wurde schon vor ca. 5000 Jahren
entdeckt. Von der Entdeckung dieser beiden Metalle bis
zur Herstellung erster Legierungen (CuSn = Bronze) war
es dann nur noch ein kurzer Weg, was einer ganzen
Kulturepoche (Bronzezeit) ihren Namen gab. Waffen,
Gebrauchsgegenstände und Schmuck wurden aus Bronze
hergestellt.
Zinkerz (Zinkcarbonat) ist seit der Bronzezeit bekannt
und wurde in der Antike mit Kupfer zu Messing (CuZn)
legiert. Bereits etwa 3000 vor Christus wurde es in Babylon und Assyrien verwendet, in
Palästina etwa 1400 - 1000 vor Chr.. Messing wurde schnell ein wichtiges Münzmetall bei der
Münzprägung, fand aber auch Verwendung bei der Schmuckherstellung.
Eisen-Legierungen fanden bereits in der Antike Anwendung, allerdings nur aus Meteoriten, in
denen sich häufig die Legierung Eisen-Nickel (Fe-Ni) befindet. Da Meteoriten selten
gefunden wurden, waren Gegenstände aus Eisen entsprechend wertvoll. Die Sumerer nannten
es „Himmelsmetall“, die Ägypter „schwarzes Kupfer vom Himmel“. Verhüttetes Eisen
(Erkennung durch Fehlen von Nickel) wurde in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten
gefunden und ist etwa 3000 bis 2000 vor Chr. entstanden. Es war wertvoller als Gold und
wurde vor allem für zeremonielle Zwecke verwendet.
Es verwundert nicht, dass zuerst das edlere Metall Kupfer verwendet wurde, später dann
Mischungen verschiedener Metalle, die sogenannten Legierungen. Sowohl Kupfer als auch
die Legierungen waren gegenüber Umwelteinflüssen relativ stabil und konnten so vielfach
eingesetzt werden. Reine unedlere Metalle wie z.B. das Eisen korrodierten an der Luft sehr
leicht und verloren im Laufe der Zeit ihre Funktion. Da Eisen aber aus ökonomischen
Gründen weltweit eines der am meisten genutzten Metalle ist, wurden und werden viele
Versuche unternommen, die Beständigkeit dieses Metalls gegenüber Umwelteinflüssen zu
erhöhen. Wir haben in Schulversuchen einige dieser Maßnahmen mit unterschiedlichen
Metallen nachvollzogen.
Chemie des Rostens:
Was geschieht, wenn z. B. das Metall Eisen rostet?
Abb. 18: Verrosteter Schlüssel
Abb. 17 : Die kleine Meerjungfrau –
Bronzestatue in Kopenhagen
Unter der Korrosion von Metallen versteht man die Zersetzung
der Metalle durch äußere Umwelteinflüsse. Die Korrosion des
Eisens ist eine sehr langsam ablaufende, chemische Reaktion
mit Wasser und Sauerstoff. Bei der Reaktion des Wassers und
des Sauerstoffs mit dem Metall bildet sich ein poröser, rotbrauner
Überzug auf dem Eisen, der Rost genannt wird. Daher
wird die Korrosion des Eisens auch als „Rosten“ bezeichnet.
Auf der Oberfläche des Eisens findet eine Oxidation statt. Der
daraus entstehende Überzug besteht aus einer wechselnden Zusammensetzung von Eisenoxid 23
und Eisenhydroxid (FeO(OH)). Dieses Gefüge ist sehr porös und ohne jegliche Festigkeit. Die

auf dem Eisen entstehenden Rostschichten werden dicker, was zu einer Volumenzunahme des
Eisens führt. Durch diese Volumenzunahme entsteht eine wachsende Spannung im Eisen, was
letztendlich zum Abplatzen des Rostes von dem darunter liegenden Eisen führt, sodass dieses
erneut von Wasser und Sauerstoff angegriffen werden kann. So wird immer wieder neues
Metall angegriffen und es wird vom Rost „zerfressen“. Der Vorgang des Rostens kann durch
Hinzugabe von Salz oder Säure beschleunigt werden.
Die Reaktion des Rostens an der Luft läuft folgendermaßen ab:
Oxidation : Fe → Fe
2+
+ 2e
1
Re duktion : O2
2
+ H 2O
+ 2e
2+
Fe
−
+ 2OH
→ Fe(
OH )
2
−
−
→ 2OH
−
Anschließend reagiert das Eisenhydroxid mit dem Sauerstoff der Luft, wobei die Eisen (II) –
Ionen zu Eisen (III)-Ionen oxidiert werden:
2 Fe(OH)2 + O2 � 2 FeO(OH) (Fe2O3 x H2O)
Dies ist der entstandene Rost.
Versuch: Korrosionsverhalten von Eisen
Geräte
Säge, große Reagenzgläser
Chemikalien
mit selber hergestelltem Lack geschützter Eisennagel, feuerverzinkter Eisennagel (ebenfalls
selbst hergestellt), verzinnter Nagel, Wasser, Kochsalz
Durchführung
Jeweils ein lackierter Eisennagel, ein verzinnter Nagel und ein feuerverzinkter Eisennagel
werden so angesägt, dass das darunter liegende Eisen frei wird. Anschließend werden die
präparierten Nägel in je ein Reagenzglas mit Kochsalzlösung gestellt, so dass sich die
angesägten Stellen in der Lösung befinden. Man lässt die Nägel mehrere Tage in der Lösung
stehen.
Beobachtung
Nach einigen Tagen beobachtet man an der angesägten Stelle des verzinnten Nagels
Rostbildung. Das feuerverzinkte Blech rostet dagegen nicht.
Auswertung
Eisenbleche werden feuerverzinkt, damit diese nicht so schnell zu Rosten beginnen
(Korrosionsschutz). Auch wenn das Eisen an einigen Stellen blank liegt, wird aufgrund des
niedrigeren Redoxpotenzials zuerst das Zink als unedleres Metall oxidiert. Es bildet sich ein
sogenanntes Lokalelement, wobei die Elektronen vom unedleren Metall (Zink) zum edleren
Metall (Eisen) wandern und dort mit dem Wasser der Elektrolytlösung (Kochsalzlösung)
reagieren. Das Eisen selbst reagiert dabei nicht.
Anode: Zn � Zn 2+ + 2 e - 24
(Oxidation)

Kathode: 2 H2O + 2 e - � 2 OH - + H2 (Reduktion)
Der Überzug von Eisenblech mit Zinn (Weißblech) z. B. in Getränke- oder Konservendosen
soll verhindern, dass die zum Teil sauren Lebensmittel nicht mit dem Eisenblech reagieren
und so verderben bzw. ungenießbar werden. In diesem Fall wählt man Zinn aus, da es edler
als Eisen ist und deshalb auch nicht mit Säuren reagiert. Wird aber eine solche Schutzschicht
beschädigt, schreitet das Rosten des Eisens sehr schnell voran, da sich auch hier ein
Lokalelement bildet. In diesem Fall wandern die Elektronen vom unedleren Metall (Eisen)
zum edleren Metall (Zinn). Das Eisen wird oxidiert und die Elektronen am Zinn reagieren mit
dem Wasser der Elektrolytlösung:
Anode: Fe � Fe 2+ + 2 e - (Oxidation)
Kathode: 2 H2O + 2 e - � 2 OH - + H2 (Reduktion)
Mit Lack behandelter Eisennagel
Ist ein Nagel durch Lack geschützt, dann wird zuerst der Lack durch den Luftsauerstoff
angegriffen. Dadurch ist das Metall geschützt. Oft müssen Lacke erneut aufgetragen werden,
um den Schutz langfristig zu sichern.
Maßnahmen zur Konservierung von Metallen
a. Galvanisieren
Chrom ist ein Schwermetall, das ein niedrigeres
Redoxpotential hat als Eisen. Obwohl Chrom dadurch
unedler ist als Eisen, dient es doch als Korrosionsschutz.
Chrom ist mit einer extrem dichten Oxidationsschicht
überzogen, behält aber trotzdem den bekannten, kalten
Metall-glanz.
CrO3 + 6 H + + 6 e - � Cr + 3 H2O
Abb. 19: Verchromter Fahrradlenker
Wird die Chromsschicht, mit der das Eisen überzogen ist, verletzt, schreitet die Korrosion
jedoch rasch voran, da sich Lokalelemente bilden.
Der italienische Arzt und Biochemiker Luigi Galvani (1737-1798) legte 1780 per Zufall den
Grundstein für eine ganz neue Art, Metalle zu behandeln. Die Galvanische Zelle war geboren.
Beim Galvanisieren wird eine dünne Metallschicht auf chemischem oder elektrochemischem
Wege auf die Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht. Prinzipiell können nur
Gegenstände galvanisiert werden, deren Oberflächen den elektrischen Strom leiten, also
Metalle.
Der Chemiker Moritz Hermann von Jacobi (1801 – 1874) gilt gemeinhin als Begründer der
Galvanotechnik. Auf elektrolytischem Wege stellte er Kopien von Münzen her.
Nachdem in Kriegszeiten (1915 – 1918) Nickel, Kupfer und Messing knapp waren, wurden
Ersatzverfahren in großem Stil eingesetzt. So wurde die Verkobaltung als gebräuchliche
Alternative eingesetzt. Ebenfalls gebräuchlich: das Verzinken, da Zink damals kein "bewirt- 25
schaftetes" Metall darstellte.

. Verwendung von Legierungen:
Legierungen bestehen aus mehreren Metallen, die durch ein Schmelzverfahren miteinander
gemischt werden. Diese Legierungen haben andere Eigenschaften als die Metalle, aus denen
sie bestehen. Aufgrund dieser Eigenschaften finden Legierungen andere Verwendung als die
„reinen“ Metalle, hervorzuheben ist ihre erhöhte Beständigkeit gegenüber von Umwelteinflüssen.
Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, auch möglich ist die Mischung mit Zink,
dabei ändern sich die Eigenschaften der Bronze. Daneben gibt es noch die Aluminiumbronze,
die aus mindestens 20% Aluminium besteht und die bekannteste, die Zinnbronze, die als
Glocken, als Becken, im Kunstguss und als Zahnräder Verwendung findet.
Bronze, mit verschiedenen Zusätzen, findet außerdem noch als elektrischer Leiter, Federn,
funkenfreie Werkzeuge, Widerstände und als zähe Maschinenbauteile Verwendung. Bekannt
ist Bronze auch aus dem Sport, als Medaille für den dritten Platz.
Bronze ist demnach sehr flexibel einsetzbar, zumindest mit Zusatz von bestimmten anderen
Metallen, die die Eigenschaften der Bronze verändern, und auch noch schön anzusehen. Es
gleicht einem Edelmetall, ist es chemisch gesehen allerdings nicht, deswegen findet es
Verwendung im Sport für den dritten Patz als Medaille.
Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung, die mindestens aus 50% Kupfer besteht. Messing
wird als Verzierung und für Beschläge verwendet, wegen seiner goldähnlichen Farbe.
Außerdem werden viele Blechblasinstrumente aus Messing gefertigt.
Die technische Anwendung von Messing beschränkt sich auf die gute Leitfähigkeit und die
Stabilität des Messings. Außerdem besitzt Messing auch eine gute korrosionschemische
Eigenschaft, das heißt, Messing korrodiert nicht so leicht wie seine Bestandteile Kupfer und
Zinn.
Es ist außerdem noch üblich, die verschiedenen Legierungen mit anderen Metallen zu
mischen, um bestimmte gewünschte Ergebnisse des Produktes zu erhalten.
Der Zusatz von Nickel oder Osmium bewirkt eine höhere Festigkeit.
Wismut hat in Legierungen die Eigenschaft den Schmelzpunkt zu senken. Verwendung dafür
findet man beim Weichlöten.
Eisen oder auch Aluminium ist sehr anfällig für Korrosion, deswegen überzieht man durch die
Galvanisierung die Metalle mit einer Zink-Legierung. Diese bewirkt eine durch das Zink
gebildete Oxid- oder Hydroxid - Schicht einen Schutz für das darunter liegende Metall.
Dadurch ist das Metall vor Korrosion geschützt.
Einen weiteren Schutz vor Korrosion gibt außerdem noch die Lackierung eines Metalls und
die Nähe einer Opferanode.
Während das Lackieren von Metallen ein weit verbreitetes – allerdings nur bedingt taugliches
– Schutzverfahren darstellt, sind die Kenntnisse über die Wirkung einer Opferelektrode eher
gering.
c. Ein besonderer Korrosionsschutz, die Opferanode
Die Opferanode ist eine Anode aus einem unedlen Metall, mit dessen Hilfe man die Korrosion
eines Werkstücks verhindern kann. Die Opferanode wird elektrisch mit dem Werkstück
verbunden. Dabei ist zu beachten, dass das Werkstück aus einem gemäß der
26
elektrochemischen Spannungsreihe edleren Metall als die Opferanode besteht. Die
Opferanode löst sich dabei mit der Zeit auf, indem sie oxidiert wird. Die Elektronen aus dieser

Oxidation gehen auf das Werkstück über, das damit negativ geladen ist. Durch diese
Aufladung mit Elektronen wird die Korrosion verhindert, da Metalle nicht so leicht
korrodieren, wenn sie negativ geladen sind. Allerdings wird die Opferanode mit der Zeit
verbraucht, da das unedlere Metall Elektronen abgibt und damit die Oxidation des edleren
Metalls verhindert.
Die Opferanode findet bei Schiffen aller Art Verwendung. Wenn ein Schiff im Wasser fährt,
wird der Metallrumpf des Schiffes permanent angegriffen. Das kann zu großen Schäden
führen. Deswegen baut man besonders an große Schiffe eine Opferanode. Diese löst sich im
Wasser auf. Das Schiff nimmt keinen Schaden mehr. Allerdings muss die Opferanode einmal
in einem Jahr oder wenn ein
Wechsel des Einsatzgebietes eines
Schiffes stattfindet, gewechselt
werden.
Falls keine große Abnutzung an
der Anode festgestellt wird, muss
man auf Fehlersuche gehen. Diese
Fehler können sein:
Es besteht keine elektrisch
leitfähige Verbindung zu dem zu
schützenden Metall.
Abb. 20: Opferanode am Rumpf eines Schiffes
Es wurden für die Anode nicht die richtigen Metalle eingesetzt, die Opferanode ist nicht
unedler als das zu schützende Metall.
Das Metall an der Anode ist elektrolytisch minderwertiger als der Elektrolyt, bei Schiffen das
Natriumchlorid im Meer.
Die Anode wurde gegen den Elektrolyt geschützt, zum Beispiel beim Einbau der Anode und
der Lackierung des Schiffes danach.
Die Zusammensetzung einer Opferanode ist für den Einsatz eines Schiffes genau berechnet.
Die Anoden dürfen nicht unedler sein als der vorhandene Elektrolyt, d.h. das Salz des
befahrenen Meerwassers.
Versuche zur Konservierung von Metallen
Um die Verfahren der Metallkonservierung besser verstehen zu können, haben wir selbst
einige Versuche durchgeführt.
a. Galvanisierung
Chemikalien:
Kupfer(II)-sulfat (Xn), Essigsäure (w = 5 %)
(Xi), destilliertes Wasser, Ethanol (F),
Eisenstück, Kupferblech
Geräte:
Becherglas (100 ml), Gleichstromquelle,
Kabelmaterial
Abb. 21: Galvanisieren mit einer Kupfersulfatlösung
Versuchsdurchführung:
27
Zuerst werden 10 g Kupfersulfat in 50 ml destilliertem Wasser gelöst. Dazu werden noch 5 ml
Essigsäure gegeben. Es ist zu prüfen, ob die Metallelektroden sauber und fettfrei sind. Ist dies

nicht der Fall, so sollen sie mit Ethanol gereinigt werden. Das Kupferblech wird nun mit dem
Pluspol (Anode) und das Eisenstück mit dem Minuspol (Kathode) verbunden. Danach werden
die Metalle in die anfangs hergestellte Lösung eingelassen. Nun wird die Gleichstromquelle
eingeschaltet. Dabei ist die Spannung so zu
wählen, dass das Eisen eine feste Kupferschicht bekommt, aber die Gasbildung an der
Kathode nicht zu stark wird.
Auswertung:
Der Ablauf dieser Reaktion ist eine säurekatalysierte Elektrolyse mit dem Ziel ein unedles
Metall mit Hilfe eines Überzugs aus einem edleren Metall gegen äußere Einflüsse zu
schützen.
Reaktionsschema:
Kathodenreaktion: Cu 2+ + 2e - � Cu 0
Anodenreaktion: Cu 0 � Cu 2+ + 2e -
Das elementare Kupfer gibt an der Anode Elektronen ab. Diese Elektronen wandern dann im
Kabel zur Kathode. Das Kupferkation hingegen wandert durch die Lösung zur Kathode. Dort
nimmt es wieder Elektronen auf und setzt sich an dem Eisenstück ab. So entsteht eine
Kupferschicht auf dem Eisenstück. Als weitere Verfahren zur Beschichtung von Werkstoffen
stehen die Galvanisierung mit Silber, Gold, Chrom und Nickel zur Verfügung.
b. Feuerverzinken
Chemikalien: Zinkspäne oder Zinkgranalien, sauberes, rostfreies Eisenstück (z. B. einen
Billig-Eisennagel).
Geräte: Porzellantiegel oder ein anderes geeignetes, feuerfestes Gefäß, Bunsenbrenner,
Dreifuß mit einem Tondreieck, Tiegelzange.
Versuchsdurchführung:
Zuerst werden die Zinkstücke in den Porzellantiegel gefüllt. Diese werden dann kräftig über
dem Bunsenbrenner erhitzt bis das Zink flüssig wird. Dann wird das Eisenstück in die
Schmelze eingetaucht. Danach muss man es nur noch abkühlen lassen.
Das Eisenstück ist mit silbrigen Zinkkristallen überzogen. Diese Zinkschicht schützt das
Eisen vor dem Rosten, da Zink selbst sich mit einer dünnen Oxidschicht überzieht und
dadurch resistent gegen weitere Umwelteinflüsse ist. Man sollte darauf achten, die
Zinkschicht nicht zu verletzen, da dies dazu führt, dass die gesamte Zinkschicht sich
nachteilig verändert und das darunter liegende Eisen korrodiert.
Großtechnisch wird die Feuer- oder Heißverzinkung durch Schmelztauchen der Teile in
geschmolzenem Zink angewendet. Dabei überzieht sich das Werkstück mit einer 0,04-0,1 mm
dicken Schutzschicht. Geringe Mengen an Kupfer verbessern die Beständigkeit des Überzugs.
Ein weiteres Verfahren dieser Art ist das Verzinnen, bei dem ein dünner Zinnüberzug auf
Stahlblech aufgebracht wird. Dieses Verfahren dient zur Erzeugung von Weißblech, das zur
Herstellung von Konservendosen verwendet wird. Heute wird an Stelle des Heißverzinnens
auch hier verstärkt auf das Galvanisierungsverfahren zurückgegriffen.
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c. Herstellung eines lösemittelhaltigen Lacks

Geräte:
Becherglas (50 ml), Bunsenbrenner, Dreifuß, Tiegelzange, Rundkolben (100 ml) mit Stopfen,
Pinsel
Chemikalien:
Phthalsäureanhydrid (Xn), Glycerin (wasserfrei), Essigsäureethylester (F,Xn),
Ethylmethylketon (F,Xn), Toluol (F,Xn), 1-Butanol (F,Xn)
Durchführung
a. Herstellen des Lackgrundstoffs (Polyester)
In einem Reagenzglas oder besser in einem kleinen Becherglas erhitzt man über der Bunsenbrennerflamme
vorsichtig eine Mischung von 2 g Phthalsäureanhydrid und 15 Tropfen Glycerin,
bis die Schmelze bernsteingelb wird. Langsam abkühlen lassen. Das zähe Produkt erstarrt
nach dem Erkalten plexiglasartig.
Reaktion:
R-COOH + HO-CH2-CH2OH-CH2OH � R-CO-O-CH2-CH2OH-CH2OH
Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals. Jede beliebige Hydroxylgruppe kann mit jeder der
beiden Hydroxylgruppen des Phthalsäureanhydrids reagieren. So entsteht ein großes, stark
verzweigtes Molekül.
b. Lösen des Polyesters
Zum schnelleren Lösen wird der Lackgrundstoff mit einer Mischung aus je 5 ml Essigsäureethylester,
Ethylmethylketon, Toluol und n-Butanol versetzt und in einem Rundkolben geschüttelt.
Aufgrund der Größe des Lackmoleküls ist diese Vielzahl von so verschiedenen
Lösungsmitteln notwendig.
Man erhält einen Lack mit typischem Geruch nach frischen Farben, den man auf Metall oder
Holz verstreichen kann. Die Trocknung dauert allerdings einige Zeit, kann aber durch
Erwärmen beschleunigt werden.
Ein Lack ist eine flüssige oder pulverförmige Substanz, die man in einer dünnen Schicht auf
die Oberfläche eines anderen Stoffes aufträgt, um diesen vor Umwelteinflüssen zu schützen
oder ihn zu verschönern. Lackschichten müssen oft nach einiger Zeit erneuert werden.
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d. Eloxalverfahren
Schülerversuch; 30 min.
Geräte
Stromquelle, Kabel, Messgerät, Graphitelektrode,
3 Bechergläser (100 ml), Thermometer,
Heizgerät.
Abb. 22: Eloxalverfahren – Aufbringen von Eosin
Chemikalien, Materialien
Schwefelsäure (etwa 10%ig) (Xi), Eosin (Xi), Wasser, Aluminiumblech.
Durchführung
Man baut eine Elektrolyseapparatur auf. Die Graphitelektrode schaltet man als Kathode und
das Aluminiumblech als Anode. Als Elektrolyten verwendet man Schwefelsäure. Nun wird
eine Spannung von 3-4 Volt angelegt. Nach zehn Minuten bricht man die Elektrolyse ab und
spült das Aluminiumblech gut ab. Man legt es nun 5-10 Minuten lang in eine 95 °C warme
Eosinlösung. Dann spült man es wieder ab und taucht das Blech noch 10 Minuten lang in
kochendes Wasser.
Ergebnis:
Der Teil des Aluminiumbleches, der bei der Elektrolyse in die Schwefelsäure tauchte, ist
dauerhaft gefärbt.
Der Begriff Eloxal setzt sich zusammen aus „elektrische Oxidation des Aluminiums“. Dieses
Verfahren wird benutzt, um Aluminium noch besser gegen Umwelteinflüsse zu schützen.
Aluminium selbst bildet eine dünne Oxidschicht und schützt sich somit selbst vor der
Oxidation durch den Luftsauerstoff. Dieses Verfahren verstärkt diese Schicht. Dadurch wird
das Aluminium noch unempfindlicher und zudem kann die Oxidschicht durch Einbringen
eines Farbstoffes dauerhaft gefärbt werden.
Beim Eloxalverfahren wurde das Aluminiumstück in einen Elektrolytlösung, in diesem Fall
Schwefelsäure, getaucht und an die Anode geschaltet. Als Kathode diente eine
Graphitelektrode. Danach wurde eine Wechselspannung von circa 3-4 Volt angelegt. Durch
Spaltung von Wasser entsteht an der Kathode Sauerstoff, der sich sofort mit dem Aluminium
verbindet. So entsteht eine fest mit dem Metall verbundene Oxidschicht.
e. Schmelzen von Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)
Geräte
Haushalts-Mikrowellenofen (800 Watt), AST-Element, Tiegeldeckel aus Quarzglas, Spatel,
Tiegelzange, Leder-Schutzhandschuhe, feuerfeste Unterlage, Hammer, Schmiedeunterlage,
Chemikalien
gekörnte Aktivkohle, Zinkpulver, Kupferpulver
Durchführung
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Kupfer und Zink werden nach der nachfolgenden Tabelle gemischt und dann in den
Porzellantiegel des AST-Elements gefüllt. Das Gemenge wird mit der Aktivkohle abgedeckt,
um das Zink beim Schmelzen vor der Oxidation zu schützen und die Schmelze von oben
zusätzlich zu erhitzen. Der Tiegel wird zusätzlich noch mit einem Tiegeldeckel verschlossen,
da das Zusammenschmelzen von Zink und Kupfer problematisch ist, da die Siedetemperatur
des Zink bei 906 Grad liegt und somit überschritten wird. So würde das Zink sehr schnell bei
Luftzufuhr oxidieren. Dann wird das AST-Element in die Mikrowelle gestellt und 10 Minuten
lang bei maximaler Leistungsfähigkeit erhitzt. Dann wird es mit Vorsicht, das bedeutet
Handschuhe tragen, entnommen und der Inhalt nach Entnahme des Deckel auf einer
feuerfesten Unterlage entleert.
Legierung Einwaage Kupfer
pro Versuchsansatz
CuZn20
Rotmessing
8g
CuZn40
Gelbmessing
6g
CuZn80
Weißmessing
2g
Einwaage Zink
pro Versuchsansatz
Auswertung
Der Tiegel ist nach etwas zwei Minuten rot glühend. Durch den Quarzdeckel beobachtet man
eine Rauchentwicklung im Tiegelraum. Diese wird durch die Bildung des Zinkoxid
verursacht. Das Schmelzprodukt ist beim Entleeren des Tiegels fest. Man kann es von der
Kohle und der Schlacke trennen. Man erhält ein homogenes Metall, das sich mit einem
Hammer schmieden lässt.
Die Färbung des Metalls entspricht auch dem Namen der Legierung. So ist Rotmessing
nahezu kupferfarben und Weißmessing silbergrau.
Messing ist die bei weitem verbreitetste Kupferlegierung. Es wird unter anderem in Form von
Blechen, Bändern, Drähten oder Röhren geliefert. Messing ist sehr korrosionsbeständig.
2g
4g
8g
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Ein Nachwort der Kursteilnehmer
Nach Beendigung unserer Projektarbeit können wir mit Stolz behaupten, dass uns diese
Aufgabe trotz der vielen Arbeit sehr viel Spaß gemacht hat.
Die Projektarbeit und das damit verbundene selbstständige Arbeiten und Erarbeiten der
einzelnen Problemstellungen war für uns eine willkommene Abwechslung zu dem sonst eher
von aromatischen Ringen und essentiellen Aminosäuren bestimmten Unterricht. Nicht nur die
theoretische Vor- und Nachbereitung, sondern gerade die praktische Durchführung der selbst
ausgewählten Versuche motivierten uns viel Arbeit in unser Projekt zu investieren. Ein großer
Teil der Gruppenarbeit basierte aber auch auf der Suche und Auswertung wichtiger
Informationen zu den drei Themenbereichen sowie der Ausarbeitung einer geeigneten
Präsentationsform. Wir entschieden uns gleich zu Beginn, das Projekt in Form einer
Präsentationsmappe darzustellen. Dadurch konzentrierte sich die Arbeit nicht nur auf
chemische Aspekte, sondern sie forderte auch andere Fähigkeiten wie zum Beispiel
gestalterisches Talent, Anwendung stilistischer Mittel oder EDV-Wissen.
Besonders interessant war für uns der Besuch in der Rendsburger Feuerverzinkerei. In diesem
Betrieb wird beim Feuerverzinken Stahl nach entsprechender Vorbehandlung in eine ca.
450°C warme Zinkschmelze getaucht. Dabei reagieren Zink und Stahl miteinander. An der
Stahloberfläche bildet sich eine Eisen-Zink-Legierung. Diese unauflösbare Verbindung von
Zink und Stahl bewirkt einen Schutz, der sich von allen anderen Verfahren deutlich unterscheidet.
Feuerverzinkte Oberflächen sind nicht nur gegen Wind und Wetter, sondern auch
optimal vor mechanischen Belastungen geschützt - für Jahrzehnte. Unter normalen Bedingungen
schützt eine Feuerverzinkung bis zu 50 Jahre vor Korrosion und selbst bei höherer
Belastung beträgt die Schutzdauer in der Regel mehr als 25 Jahre.
Insgesamt war die Arbeit an unserem Projekt lehrreich, interessant, abwechslungsreich und
förderte zudem auch noch unsere Teamfähigkeit.
LK Chemie der KKS, 12. Jahrgang, 2006
Kaiser – Karl – Schule Itzehoe
Hans-Jobst Redinger, OStR.
Hinterm Sandberg 1-3
25524 Itzehoe
Tel. 04821 2764 (Schule)
Email: HJRedinger@web.de
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Quellennachweise:
http://mluww-sgi4.werkstoff.uni-halle.de/~wwwrheo/Biopolymere_Vortrag.htm
http://www.uni-goettingen.de/docs/7cf8ecd53ab2e55eb96265e7b650df3b.pdf
http://www.holzfragen.de/seiten/ecwm.html
http://www.holzfragen.de/seiten/hsm_reagenzien.html
http://www.technologieallianz.de/upload/TA_anorganisch_modi583afe8b.pdf
http://www.fnr-server.de/cms35/fileadmin/fnr/pdf/schwerpunkt_nachwuchsgruppen.pdf
http://www.holzforschung.at/sem_deu/Teischinger_FTT03.PDF
http://www.wacker.com
http://www.denkmalschutz.de
http://www.dc2.uni-bielefeld.de
http://www.bautenschutz-bausanierung.de
Hollemann-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. De Gruyter, Berlin 2002
Schütt u.a.. So stirbt der Wald. BLV, München 1987
H. Wambach (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterr. Chemie Bd. 9, Aulis, Köln 2001
M. Tausch: Chemie S II. Buchner, Bamberg 1993
E. Kemnitz u.a.: Duden Chemie. Duden Paetec, Berlin 2005
G. Rink u.a.: Einführung in die Kunststoffchemie. Sauerländer, Aarau 1983

Kaiser – Karl – Schule 13.07.2006
Hans – Jobst Redinger
Hinterm Sandberg 1-3
25524 Itzehoe
Verband der Chemischen Industrie e.V.
Landesverband Nord
-Chemie und Schule-
Postfach 81 01 52
30501 Hannover
Sehr geehrter Herr Mitschke,
anbei übersende ich Ihnen die Wettbewerbsarbeit der Kaiser-Karl-Schule Itzehoe zum Thema
„Konservierung – Werte schützen und erhalten mit Chemie“ zur weiteren Verwendung.
Mit freundlichen Grüßen
Hans-J. Redinger
Anlage:
Wettbewerbsarbeit (Druckform)
Wettbewerbsarbeit auf CD-ROM