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Verbundwerkstoff Forscher entwickeln Biokunststoff auf Holzbasis für den 3D-Druck

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Ein biologisch abbaubarer Kunststoff auf Holzbasis mit dem sich komplexe Strukturen im 3D-Druckverfahren herstellen lassen hat ein Forschungsteam der Universität Freiburg entwickelt. Damit eröffnen sich Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise im Leichtbau.

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Die Biopaste, die bei diesem Druckvorgang eines Zylinders verwendet wurde, besteht zu je 50 Prozent aus Lignin und Zellulose.
Die Biopaste, die bei diesem Druckvorgang eines Zylinders verwendet wurde, besteht zu je 50 Prozent aus Lignin und Zellulose.
(Bild: Lisa Ebers/Universität Freiburg)

Lignin verstärkt die Zellwände von Pflanzenzellen und bewirkt, dass diese verholzen – ein Mechanismus, mit dem sich die Pflanzen beispielsweise vor Wind oder vor Schädlingen schützen. In der Papierherstellung bleibt es als Abfallprodukt zurück und wird zum Großteil zur Produktion von Bioenergie verbrannt. „Wir forschen daher nach alternativen Möglichkeiten, um diesen Rohstoff in Zukunft besser nutzen zu können“, sagt Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie von der Professur für Forstliche Biomaterialien der Universität Freiburg. Gemeinsam mit seinem Forschungsteam hat er einen biologisch abbaubaren Kunststoff, der auf Holz basiert, entwickelt. Herausgekommen ist eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und dafür eignet, selbst komplexe Strukturen im 3D-Druckverfahren herzustellen. Ihre ersten Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den Fachzeitschriften Applied Bio Materials und Biomacromolecules vorgestellt.

Materialkombination aus Flüssigkristallen und Lignin

Die Materialkombination wurde bereits in den 1980er Jahren von einem US-amerikanischen Forschungsteam untersucht. Nun hat das Forschungsteam der Universität Freiburg diesen nochmals genauer unter die Lupe genommen.

Das Material besteht einerseits aus Flüssigkristallen auf der Basis von Zellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Diese sind neben der Festigkeit für ein gutes Fließverhalten der Biopaste verantwortlich.

Der andere Bestandteil ist Lignin, der im Verarbeitungsprozess des Biokunststoffs, wie Robert Gleuwitz in seiner Doktorarbeit herausgefunden hat, die Mikrostruktur „verkleben“ kann. Je nach Ausrichtung wird die Eigenschaften des Biokunststoffs bestimmt: So kann er beispielsweise steifer oder flexibler reagieren, je nachdem, aus welcher Richtung eine Kraft auf ihn einwirkt.

Eigenschaften des Biokunststoff vielfach veränderbar

Bis zu einer möglichen industriellen Anwendung, etwa als Verbundwerkstoff im Leichtbau, sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich. Bislang nutzt das Team besonders reines, in einer Pilot-Bioraffinerieanlage des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna hergestelltes Lignin – ob sich das Abfallprodukt aus der Papierindustrie auch direkt verarbeiten lässt, bleibt noch zu untersuchen.

Wie Lisa Ebers in ihrer Doktorarbeit zeigt, lassen sich außerdem die Eigenschaften des Biokunststoffs vielfach verändern, etwa indem die Bausteine chemisch bearbeitet oder variiert werden: Die bisherigen Versuche fanden mit Lignin aus Buchen statt – wird es aus anderen Pflanzen gewonnen, bringt es ebenso andere Materialeigenschaften mit wie andere Flüssigkristalle, auch wenn diese abermals auf Zellulose basieren.

Die optimalen Mengenanteile sind je nach geplanter Anwendung ebenfalls unterschiedlich. Darüber hinaus werden die Forscherinnen und Forscher zeitnah eine ganz andere Einsatzmöglichkeit testen: Mit Hilfe des bio-basierten Materials könnte die Qualität von Böden analysiert werden. Dies geschieht, indem die Abbaubarkeit von Lignin und Zellulose in verschiedenen Bodentypen geprüft wird.

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