Von der Biopaste zum Bioplastik

The biopaste used to print this cylinder consists of 50 percent lignin and 50 percent cellulose.

Photo: Lisa Ebers

Forstwissenschaftler entwickeln für den 3-D-Druck neuartige Materialien auf Holzbasis

Eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und dafür eignet, selbst komplexe Strukturen im 3-D-Druck-Verfahren herzustellen: Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie von der Professur für Forstliche Biomaterialien der Universität Freiburg hat einen biologisch abbaubaren Kunststoff entwickelt, der auf Holz basiert und perspektivisch Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise im Leichtbau eröffnet. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ihre ersten Ergebnisse in den Fachzeitschriften Applied Bio Materials und Biomacromolecules vorgestellt.

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 Laborie.

Hierfür hat das Team eine Materialkombination, die bereits in den 1980er Jahren von einem US-amerikanischen Forschungsteam untersucht wurde, nochmals genauer unter die Lupe genommen. In diesem System sind einerseits Flüssigkristalle auf der Basis von Zellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, neben der Festigkeit für ein gutes Fließverhalten der Biopaste verantwortlich.

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

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 Cellulose in verschiedenen Bodentypen geprüft wird.

Die Ergebnisse sind aus einem Forschungsprojekt am Leistungszentrum Nachhaltigkeit der Universität Freiburg und der Fraunhofer-Gesellschaft hervorgegangen. Die Untersuchungen und 3D-Druck-Versuche fanden in Kooperation mit Prof. Dr. Dr. Christian Friedrich und Dr. Gopakumar Sivasankarapillai am Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Albert-Ludwigs-Universität sowie mit Dr. Gilberto Siqueira in der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Dübendorf/Schweiz statt.

Originalpublikationen:
Gleuwitz, F.R./ Sivasankarapillai, G./ Siqueira, G./Friedrich, C./ Laborie, M.-P. G. (2020): Lignin in Bio-Based Liquid Crystalline Network Material with Potential for Direct Ink Writing. In: Applied Bio Materials.
https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00661

Gleuwitz, F.R./ Sivasankarapillai, G./Chen, Y./Friedrich, C./ Laborie, M.-P. G. (2020): Lignin-Assisted Stabilization of an Oriented Liquid Crystalline Cellulosic Mesophase, Part B: Toward the Molecular Origin and Mechanism. In: Biomacromolecules 21/6, S. 2276−2284.
https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c00220

Gleuwitz, F.R./Friedrich, C./Laborie, M.-P. G. (2020): Lignin-Assisted Stabilization of an Oriented Liquid Crystalline Cellulosic Mesophase, Part A: Observation of Microstructural and Mechanical Behavior. In: Biomacromolecules 21/3, S. 1069−1077.
https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.9b01352

Kontakt:
Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie
Institut für Forstwissenschaften
Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen‘
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-97617
marie-pierre.laborie@biomat.uni-freiburg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie

Originalpublikation:

https://www.pr.uni-freiburg.de/pm/2020/von-der-biopaste-zum-bioplastik?set_langu…

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Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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