LIGNOSIT: Bionisches Lignozellulose-Nanokomposit
Im Gegensatz zu den Zuckerkomponenten von Lignozellulose wird Lignin gegenwärtig fast ausschließlich energetisch genutzt. Ein Schwerpunkt des Forschungsverbundes Lignozellulose ist die Erweiterung der technischen Möglichkeiten der stofflichen Nutzung von Lignin. Obwohl reines Lignin thermoplastische Eigenschaften aufweist, ist die Verarbeitung von Lignin unter Fließbewegungen (Spritzgussverfahren, Nassspinnen oder Kalandrieren) problematisch. Ziel des Teilprojektes war die innovative und hochwertige Verarbeitung und Nutzung von Organosolv-Lignin durch Mischung mit einem Templat aus Zellulosenanokristallen (CNCs). CNCs haben den Vorteil, dass sie sich unter bestimmten Bedingungen in einer flüssigkristallinen Mesophase organisieren, die interessante Eigenschaften für die Fließverarbeitung aufweist.
Das Lignin aus dem Organosolvprozess (z.B. aus der Bioraffinerie-Pilotanlage am Fraunhofer CBP in Leuna) bietet hierfür gute Möglichkeiten, da dort im Vergleich zum technischen Lignin der aktuellen Zellstoffindustrie reineres Lignin mit kontrollierbareren Eigenschaften hergestellt werden kann. Für die Komposit-Entwicklung sind insbesondere Organosolvlignine mit einem geringen Molekulargewicht von Interesse.
Ziel des Vorhabens war es, das Organosolv-Lignin in einen CNC/Lignin-Komposite einzubringen, um die Verarbeitung und Leistungsfähigkeiten der Komposite zu steuern. Ein wesentlicher Schritt ist dabei die Entwicklung eines Copolymers, welches als Compatibilizer eine gleichmäßige Ausrichtung des Lignins an den CNCs erleichtert und auf diese Weise die Verarbeitbarkeit und Leistungsfähigkeit des resultierenden Nanokomposits verbessert (Abb.1).
Im Projekt wurden mehrere Schritte zur Entwicklung eines Organosolv-Lignin-basierten Komposits umgesetzt. CNCs, die als Template in Lignin-basierten Kompositen dienen, wurden erfolgreich hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Gegenwart von Lignin-Modell-Substanzen die Ausbildung von flüssigkristallinen Zellulose-Mesophasen nicht verhindert, auch wenn die cholesterische Ganghöhe durch die Gegenwart von Lignin verringert wurde. Dies deutet darauf hin, dass es, wie im Vorfeld postuliert, möglich ist, Organosolv-Lignin in ein CNC-Mesophasen-Templat einzubringen. Es wurde zudem gezeigt, dass das typische rheologische Verhalten der CNC-Suspension in Gegenwart der Lignin-Modell-Substanzen erhalten bleibt. Wie reine flüssigkristalline CNC-Suspensionen auch, wies die wässrige Lignin/CNC-Lösung eine typische Strukturviskosität auf. Der Erhalt der Strukturviskositätseigenschaften ist von entscheidender Bedeutung für die Verarbeitung. Während Organosolv-Lignin allein nicht zu einem festen, durchgängigen Material verarbeitet werden konnte, gelang es, durch die Verarbeitung im CNC-Templat ein solches Material herzustellen. Allerdings war dieses Material zu Beginn sehr spröde. Durch die Synthese und Quervernetzung eines Lignin-basierten, mehrfachverzweigten Polyesters konnten die Kompositeigenschaften verbessert werden. Bei einem Ligningehalt von etwa 90 % wies das verbesserte, Lignin-basierte Komposit neben einer guten Flexibilität einen E-Modul von 70 MPa und eine Zugfestigkeit von 3,7 MPa auf.
| Projekttitel | Bionisches Lignozellulose-Nanokomposit mit innovativem Verarbeitungskonzept zur Verbesserung der physikalischen Leistungsfähigkeit |
| Institution | Universität Freiburg, Professur für Forstliche Biomaterialen |
| Beteiligte Wissenschaftler | Prof. Marie-Pierre Laborie, Dr. Hatem Abushammala, Dr. Jia Mao, Anna Fichtner |
| Projektstatus | abgeschlossen |