Holz Biobasierte Hartschäume aus Ligninsulfonaten für die Automobilindustrie

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Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

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Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Im Forschungsverbund „Ligninschaum“ will das Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI gemeinsam mit vier Industriepartnern, darunter die Volkswagen AG, einen biobasierten, wirtschaftlichen Schaumstoff mit einem Ligninanteil von über 90 Prozent für Kernelemente von Pkw-Stoßfängern entwickeln.

Zentraler Rohstoff bei der Papierherstellung ist Zellstoff, ein Material aus Zellulosefasern, die chemisch aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen werden. 90% des weltweit erzeugten Zellstoffs wird aus Holz hergestellt. Als ein Nebenprodukt des chemischen Aufschlusses fällt Lignin in Zellstoffwerken und Papierfabriken an. Bisher wird es mangels Alternativen überwiegend zur Energiegewinnung verbrannt, nur zwei Prozent fließen in die stoffliche Nutzung.

Im Forschungsvorhaben „Ligninschaum“ will das Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI gemeinsam mit vier Industriepartnern, darunter die Volkswagen AG, aus diesem Abfallprodukt einen biobasierten, wirtschaftlichen Schaumstoff für die Automobilindustrie entwickeln.

PU-Schaum mit 100 Prozent Ligninanteil

Ein isocyanatfreier Hartschaum, der zu über 90 Prozent aus Lignin besteht, wäre ein Novum. Diesen hohen Anteil strebt das „Ligninschaum“-Team an. Zusätzlich will es Reststoffe der Zellstoffherstellung wie nicht aufgeschlossene Faserbündel als Verstärkungsmaterial nutzen. Der biobasierte Anteil des neuen Werkstoffs könnte so sehr hoch ausfallen und im Idealfall 100 Prozent betragen. Bei bereits in der Literatur beschriebenen Polyurethanschäumen auf Ligninbasis liegt der Ligninanteil hingegen nur bei knapp 40 Prozent.

Je nach Aufschlussverfahren und den eingesetzten Lösemitteln gibt es verschiedene Arten von Lignin: Das sogenannte Kraft-Lignin stammt aus dem Sulfatverfahren, das die weltweite Zellstoffproduktion dominiert. Im Projekt wurden Ligninsulfonate als Ligninquelle ausgewählt, da das Magnesiumbisulfit-Verfahren in Deutschland aufgrund der geringeren Geruchsbelastung im Vergleich mit dem Sulfatverfahren weiter verbreitet ist. Ligninsulfonate eignen sich besonders gut zur stofflichen Nutzung, weltweit fallen davon etwa 3 Mio. Tonnen jährlich an.

Vergleichsweise günstiger Rohstoff

Die Forschenden setzen auf Verfahrensschritte, die ihre Machbarkeit im Kleinstmaßstab schon unter Beweis gestellt haben: Mit Wasserstoffperoxid lässt sich Ligninsulfonat direkt aufschäumen und vernetzen. Auf eine kostenintensive Aufreinigung kann so verzichtet werden und der Rohstoff vergleichsweise günstig. Mit ausgewählten biobasierten Fettsäuren und mit Latex will das Team dann die erforderliche Druckelastizität erreichen und anwendungsspezifische Eigenschaften einstellen. Als Additive kommen Humine hinzu. Humine fallen bei einem neuen Verfahren zur Herstellung von Polyethylenfuranoat (PEF) an, einem biobasierten Ersatz für den Massenkunststoff Polyethylenterephthalat (PET). Der Polymerhersteller Avantium aus den Niederlanden will mit dem neuen Verfahren PEF künftig im industriellen Maßstab produzieren und wird als assoziierter Partner die Huminstoffe bereitstellen. Als geeignetes Formgebungsverfahren zur Bauteilherstellung stehen schließlich der Spritzguss und ferner die Schaumextrusion im Fokus.

Neue Geschäftsfelder für Papier- und Zellstofffabriken

Ziel des Projektes ist es, dass der neue Ligninschaum im Anwendungsgebiet Stoßfänger das bisher eingesetzte expandierte Polypropylen (EPP) ersetzt. EPP punktet bisher mit geringem Gewicht, hoher Energieabsorption und gutem Rückstellvermögen. Diese Eigenschaften sorgen u. a. für ein geringeres Verletzungsrisiko für Fußgänger im Fall eines Aufpralls.

Die Anforderungen im Projekt sind also durchaus hoch. Neben einem erneuerbaren Werkstoff für die Automobilindustrie könnten sich auch neue Geschäftsfelder für Papier- und Zellstofffabriken eröffnen. Und nicht zuletzt steigt die Ressourceneffizienz der Holznutzung, wenn Lignin künftig noch stärker stofflich genutzt wird.

Das Vorhaben wird bis Ende 2026 vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.

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