Themenportal HolzFachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Eigenschaften und Aufbau

Holz ist nicht gleich Holz

Holz ist einer der ältesten und wichtigsten nachwachsenden Rohstoffe der Menschheit. Es ist Bau- und Verpackungsmaterial, Spielzeug, Energieprodukt und vieles mehr. Aber woraus besteht Holz? Was haben alle Holzarten gemeinsam und wie unterscheiden sich die verschiedenen Hölzer? Ein Blick auf die chemische Zusammensetzung des Holzes zeigt: Holz ist nicht gleich Holz.

Chemische Zusammensetzung von Holz

Ob Äste, Wurzeln oder Stamm, ob Laub- oder Nadelbäume, die elementare Zusammensetzung des Holzes ist nahezu immer gleich. 

  • Kohlenstoff: zwischen 48 und 50%
  • Sauerstoff: zwischen 43 und 45%
  • Wasserstoff: zwischen 5 und 6%
  • Stickstoff: zwischen 0,026 und 0,04%   

Die Hölzer unterscheiden sich aber in der Zusammensetzung ihrer Haupt- und Nebenbestandteile. 

Holzstamm im Querschnitt. Quelle: FNR, Zdenka Hajkova

Holzstamm (Quelle: FNR, Zdenka Hajkova)

Hauptbestandteile des Holzes 

Als nachwachsender Rohstoff wird Holz vor allem für seine Stabilität und Widerstandsfähigkeit geschätzt. Für diese Eigenschaften sind die Zellen verantwortlich. Hinzu kommen die Zellwände, die dem Holz seine typische Struktur verleihen. Sie bestehen aus den drei Substanzen Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Der Anteil dieser natürlichen Substanzen ist bei jeder Holzart unterschiedlich verteilt. Generell enthalten Laubhölzer beispielsweise weniger Lignin als Nadelhölzer.

  • Cellulose: zwischen 40% und 60%
  • Hemicellulose: zwischen 15% und 20%
  • Lignin: zwischen 15% und 40% 

Zusammen bilden diese drei Hauptbestandteile des Holzes ein natürliches Verbundmaterial. Die Cellulose verleiht dem Holz eine gewisse Stabilität. Hemicellulose und Lignin sorgen für die Festigung – die sogenannte Verholzung – und haben eine Stützfunktion. Lignin spielt ebenso bei der pflanzlichen Abwehr als mechanischer Fraßschutz sowie zur Vorbeugung der Ausbreitung von Parasiten eine wichtige Rolle. Lignin und Cellulose sind als die am häufigsten vorkommenden Naturstoffe eine beliebte Grundlage bei der Entwicklung biobasierter Kunststoffe in der holzbasierten Bioökonomie.

Nebenbestandteile des Holzes

Unterschiede zwischen den Holzarten existieren auch in den Anteilen der Nebenbestandteile des Holzes – der sogenannten Extraktstoffe (Harze, Terpene Fette, Wachse und Farbstoffe) und der Asche, also den nicht verbrennbaren Bestandteilen des Holzes wie Kalium, Natrium, Magnesium, Phosphor und Eisenoxid.

  • Extraktstoffe: zwischen 2% und 7%
  • Asche: zwischen 0,2% und 0,6% 

Die Extraktstoffe haben einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die chemischen und mechanisch-physikalischen Eigenschaften des Holzes. So sind organische Bestandteile wie Harze, Fette, Öle und Gerbsäuren für den typischen Geruch der Holzarten verantwortlich. Gegenüber Nadelhölzern enthalten Laubhölzer mehr Gerbstoffe, die dem Schutz vor Pilzbefall dienen. Geringere Unterschiede in der Verteilung der Begleitbestandteile existieren zwischen den Hölzern der gleichen Art und zwischen den verschiedenen Zonen des Holzes (z.B. Kern und Splint).

Querschnitt des Baumstammes

Querschnitt des Baumstammes mit seinen Bestandteilen (Quelle: FNR)

Makroskopischer Aufbau

Das Kambium ist die Wachstumsschicht, die sich zwischen den Holzzellen und der Bastschicht befindet. Sie ist die Produktionsstätte des Holzes und produziert nach innen Holzzellen und nach außen Bastzellen. 

Die Bildung der Jahrringe ist von den Jahreszeiten abhängig und bei Bäumen in gemäßigten Klimazonen besonders gut ersichtlich. Anhand der Zahl der Jahrringe kann das Alter des Baumes bestimmt werden. Im Frühjahr – zu Beginn der Wachstumsperiode – sind die Wachstumsbedingungen besonders günstig. Dadurch entsteht das weniger dichte, hellere und porösere Frühholz, welches im Wesentlichen der Wasserversorgung des Baumes dient. Das Spätholz entsteht in den Sommer- und Herbstmonaten. Das langsame Wachstum während dieser Jahreszeiten führt zu härteren, dichteren und dunklerer erscheinenden Holz. Das Spätholz dient im Wesentlichen der Festigung. 

Die Mark- bzw. Holzstrahlen verlaufen radial und dienen vor allem als Speicher und Stoffleitungsgewebe. Bei Laubhölzern (z.B. Eiche und Buche) sind sie besonders gut erkennbar. 

Die meisten Nadelhölzer, aber auch einige Laubhölzer verfügen zudem über sogenannte Harzkanäle. Sie verlaufen parallel zur Stammachse und sind röhrenförmige, mit Harz gefüllte Gänge, die sich im Spätholz befinden. 

Im Inneren des Stammes befindet sich das Kernholz, welches aus den abgestorbenen Zellen besteht. Echtes (obligatorisches) Kernholz (z.B. das Kernholz der Kiefer oder Eiche) enthält überwiegend farbige Inhaltsstoffe (Kernstoffe) und erhöht die Dauerhaftigkeit des Holzes. Einige Baumarten (z.B.  Buche und Esche) verkernen jedoch fakultativ und bilden durch äußere Einflüsse wie beispielsweise Verletzungen einen sogenannten Falschkern. Dieser Falschkern erhöht die Dauerhaftigkeit des Holzes nicht und ist durch eine optisch homogene Struktur gekennzeichnet. 

Reifholz ist ebenso Kernholz, hebt sich farblich allerdings nicht vom Splintholz ab, das den Bereich zwischen Kernholz und Bast bezeichnet. Das Splintholz dient dem Stamm als Wasserleitsystem von den Wurzeln bis zu den Blättern.

Die Rinde bzw. Borke des Baumstammes wird nach außen durch die Bastzellen gebildet, wobei die Borke aus den abgestorbenen äußeren Teilen der Rinde besteht.  

Weitere Grafiken und Broschüren stehen in der FNR-Mediathek zum Download bereit.

 

Holz – ein vielfältiges Naturprodukt

Holz ist ein Naturprodukt. Je nach Art, Standort, anatomischer Wuchsrichtung und der Lage innerhalb des Stammes weist Holz vielfältige Eigenschaften auf. Die optischen, biologischen und mechanisch-physikalischen Eigenschaften sind entscheidende Kriterien, die bestimmen, welches Holz für welchen Zweck geeignet ist.

Holzauswahl im Sägewerk. Quelle: Peter Eichler

Holzauswahl im Sägewerk. Quelle: Peter Eichler

Optische Eigenschaften des Holzes

Die Textur des Holzes – auch Maserung oder Zeichnung genannt – bezeichnet das charakteristische Muster des Holzes, das durch die Anordnung der Holzfasern entsteht. Von blumig bis geflammt – durch das unterschiedliche Anschneiden des Zellgewebes entsteht eine Holztextur, die so individuell ist wie der Fingerabdruck eines Menschen. Jedes Stück Holz ist also einzigartig. Die Textur ist damit entscheidend für die Auswahl des jeweiligen Holzes für dekorative Verwendungszwecke.

Von der Textur nicht unabhängig zu betrachten ist die Struktur des Holzes. Die Struktur des Holzes – also der Verlauf der Jahresringe und der Holzfasern, der Aufbau des Kern- und Splintholzes, die Poren, die Holzstrahlen (Markstrahlen), der Wechseldrehwuchs und die Riegelstruktur des Holzes – bestimmen neben den natürlichen Farbunterschieden der verschiedenen Holzarten die Textur des Holzes (Mehr zum Thema Aufbau des Holzes)

Die wissenschaftliche Beschreibung von Holzstrukturen und die Bestimmung der verschiedenen Holzarten ist Aufgabe der Holzanatomie.

Holzoberfläche. Quelle: ©velimir - stock.adobe.com

Holzoberfläche. Quelle: ©velimir - stock.adobe.com

Mechanisch-physikalische Eigenschaften des Holzes

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur weisen Holzarten unterschiedliche physikalisch-mechanische Eigenschaften auf. Sie bestimmen, wie die Hölzer verwendet, getrocknet und mechanisch bearbeitet werden können.

Rohdichte

Die Rohdichte – in der Praxis auch als spezifisches Gewicht des Holzes bezeichnet – beschreibt das Verhältnis von Masse und Volumen. Aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften des Holzes – also der Fähigkeit, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen und wieder an sie abzugeben – ist vor allem die Holzfeuchte bei der Ermittlung der Rohdichte von Bedeutung. Holz mit einer niedrigen Rohdichte hat nicht nur ein geringeres Gewicht, es ist auch leichter entflammbar als Holz mit einer hohen Rohdichte. Die Rohdichte der in Deutschland heimischen Hölzer liegt bei einer Holzfeuchte von 12% (Normalfeuchte Innenraum) zwischen 470 (Fichte; Pappel) bis 690 (Buche) kg/m³.  

Hinweise auf die Rohdichtenunterschiede innerhalb einer Holzart liefern die Jahrringbreiten des Holzes. 

  • Bei Nadelhölzern enthalten breite Jahrringe mehr Frühholz. Mit zunehmender Jahrringbreite nimmt die Dichte daher ab.
  • Ringporige Laubhölzer (z.B. Eichen) bilden jedes Jahr einen Ring aus weitlumigen Gefäßen und danach dichteres Holz. Mit zunehmender Jahrring-Breite steigt hier deshalb die Dichte. 
  • Bei zerstreutporigen Laubhölzern (z.B. Buchen) gibt es keinen eindeutigen Zusammenhang.

Festigkeit

Die Festigkeit bezeichnet den inneren Widerstand des Holzes gegen einwirkende Kräfte. Dabei wird zwischen der Zug-, Druck-, Biege-, Knick-, Scher-, Torsions- und Spaltfestigkeit unterschieden. Mit zunehmender Rohdichte und größerem Spätholzanteil sowie abnehmender Holzfeuchte und Temperatur nimmt die Festigkeit von Holz zu. Da die Festigkeiten abhängig von der Faserrichtung sind, mindert ein unregelmäßiger Wuchs die Festigkeiten. So weist Holz in Richtung des Faserverlaufs eine höhere Zugfestigkeit auf als in der Querrichtung. Auch die Druckfestigkeit des Holzes ist in Faserrichtung deutlich größer als quer zur Faser. Zug- und Druckfestigkeit sind vor allem dann von Bedeutung, wenn das Holz als Bau- und Konstruktionsholz oder als Möbelstück verwendet werden soll.

Härte

Die Härte bezeichnet die Widerstandsfähigkeit des Holzes in Bezug auf das Eindringen von Partikeln in die Oberfläche oder beim Abrieb. Dabei gilt: Je höher die Rohdichte und der Spätholzanteil und je niedriger die Holzfeuchte, desto größer ist die Härte. 

Dauerhaftigkeit

Die natürliche Dauerhaftigkeit des Holzes bezeichnet die Widerstandsfähigkeit des Holzes gegen Holzschädlinge, wie Pilze und Insekten. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit gibt es enorme Unterschiede zwischen den verschiedenen Holzarten. Eine Einteilung der Holzarten in fünf Dauerhaftigkeitsklassen liefert DIN EN 350. Diese Norm bezieht sich auf das Kernholz und legt fest, wie hoch die Resistenz bestimmter Holzarten gegenüber holzabbauenden Pilzen und Insekten sowie holzzerstörenden Meerestieren ist. Die Lebensdauer von Holzprodukten im Außenbereich hängt von der Dauerhaftigkeit des verwendeten Holzes und den Umgebungsbedingungen ab. DIN EN 335 klassifiziert Umgebungsbedingungen in Form von fünf Gebrauchsklassen. 

Wärmeleit- und Dämmfähigkeit

Besonders beim Bauen spielt die Wärmeleit- und Dämmfähigkeit von Holz eine wichtige Rolle. Generell gilt: Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit eines Werkstoffs, desto höher ist dessen Dämmvermögen. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Beton, hat der nachwachsende Rohstoff Holz eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit und besitzt damit sehr gute Dämmeigenschaften. Holz eignet sich demnach hervorragend zur Errichtung von Niedrigenergie- und Passivhäusern. Eine Dämmung aus Zellulose oder Holzfaserplatten bietet gleichzeitig einen sommerlichen Wärmeschutz bis unters Dach. Weitere Informationen zum Bauen mit Holz und anderen nachwachsenden Rohstoffen bietet die Website baustoffe.fnr.de

Dimensions- und Formstabilität

Die Dimensions- und Formstabilität von Holz kennzeichnet die Maßhaltigkeit bzw. das Stehvermögen des Holzes unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Änderungen der Temperatur oder Luftfeuchtigkeit. Je langsamer eine Holzart auf ein sich änderndes Klima reagiert und je geringer der Unterschied zwischen der radialen (senkrecht zu den Jahrringen) und der tangentialen (parallel zu den Jahrringen) Quellung bzw. Schwindung ist, desto höher ist die Dimensions- und Formstabilität des Holzes. 

Aufgrund dieser mechanisch-physikalischen Eigenschaften hat sich Holz als Baustoff seit Jahrhunderten bewährt. Wurden früher besonders seine große statische Belastbarkeit als Bauelement, die regionale Verfügbarkeit und das angenehme Wohnklima geschätzt, gewinnt gegenwärtig zusätzlich der Klimaschutz durch Holz stetig an Bedeutung. Die holzbasierte Bioökonomie ist eine Möglichkeit, fossile Ressourcen zu ersetzen. Sie ist ein wichtiger Ansatz auf dem Weg in eine nachhaltige und klimafreundliche Zukunft. 

Angaben zu den physikalischen und anatomischen Eigenschaften von über 500 Holzarten enthält die Holzdatenbank der TU Dresden.

Mehrgeschossiger Holzbau. Quelle: Peter Eichler

Geschäfts- und Wohnhaus in mehrgeschossiger Holzbauweise. Quelle: Peter Eichler