Biologisch abbaubarer Kunststoff auf Holzbasis
Ein Forscherteam der Abteilung für forstliche Biomaterialien der Universität Freiburg (UCF) hat ein neuartiges und umweltfreundliches 3D-Druckmaterial auf Holzbasis entwickelt. Genauer gesagt entwickelten sie ein biosynthetisches Polymer durch die Kombination von Lignin mit Hydroxypropylcellulose. Lignin ist ein Biopolymer, das in die pflanzliche Zellwand eingelagert ist und bewirkt, dass die Pflanzenzelle verholzt. Pflanzen produzieren dieses endlos, um sich vor Raubtieren zu schützen, so dass das neue Druckmaterial nachhaltig ist. Hydroxypropylcellulose ist eine organisch-chemische Verbindung, die sich von der natürlichen Cellulose in der Art ableitet, dass eine, zwei oder alle drei der Hydroxy-Gruppen der Glucose-Einheiten mit Hydroxypropyl-Gruppen verethert sind. Somit ist es ein Stoffgemisch verschieden langer Moleküle und unterschiedlichem Substitutionsgrad. Letztere bestimmt maßgeblich die Eigenschaften.
Der Beginn der Forschungen
Da die Entwicklung von nachhaltigen Materialien immer mehr an Bedeutung dazu gewinnt, begannen die Forscher unter der Leitung von Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie Anfang des Jahres damit Hydroxypropylcellulose mit Organosolv-Lignin zu kombinieren. Die Zugabe von Lignin zeigte Wirkung, da dadurch die Verbesserung der Stabilität und die Herstellung von starken, hochorientierten, duktilen Filmen durch Schergiessen ermöglicht worden. Nachher haben die Forscher herausgefunden, dass die chemische Vernetzung die Integrität der Lignin-Hydroxypropylcellulose-Mischung verstärkte und ihre Nachteile bei der Wasserlöslichkeit verbesserte. Dies geschah jedoch auf Kosten ihrer Umweltfreundlichkeit. Infolgedessen blieb die Herausforderung ein nachhaltiges Material zu entwickeln weiterhin bestehen.
Die Zugabe von Lignin führte dazu, dass die Biopolymermischung weniger löslich oder quellungsanfällig wurde. I Bildnachweis: ACS Applied Bio Materials.
Die Entwicklung des 3D-Druckmaterials auf Holzbasis
Für die Herstellung des neuartigen Polymers auf Holzbasis wurden Hydroxypropylcellulose und Organosolv-Lignin einzeln in Essigsäure aufgelöst und danach zwei Tage im Dunkeln gelagert. Danach wurden die Lösungen gemischt mit einem Verhältnis von 4:1 (Hydroxypropylcellulose:Organosolv-Lignin) und für weitere fünf Tage gelagert. Nach der Hinzugabe von den Vernetzungsmitteln und Glycerin-Zitronensäure, wurde alles gemischt und zentrifugiert. So entstand das Polymer auf Holzbasis. Es zeigte sich, dass Materialien, die höhere Ligninanteile enthielten, eine geringere Konformität aufwiesen, was der Stabilität nach dem Druckvorgang förderlicher war. Infolgedessen hatte sich Lignin, das weltweit am zweithäufigsten vorkommende Biopolymer, als Schlüsselbestandteil für die Herstellung brauchbarer und nachhaltiger Flüssigkristallpolymer erwiesen. Flüssigkristallpolymere sind temperaturbeständig, bruchfest und haben eine geringe Schmelzwärme. Allerdings ist zu beachten, dass das Lignin der Forscher aus Buchen gewonnen wurde, wird es aus anderen Pflanzen gewonnen, verändern sich die Materialeigenschaften. Obwohl die Forscher ihre Lösung auf Holzbasis für 3D-gedruckte Teile optimiert hatten, räumten sie ein, dass weitere Verbesserungen erforderlich seien, um die gefertigten Strukturen für architektonische Endanwendungen zu verfestigen.
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