Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Lignin als nachwachsender Rohstoff für Anwendungen in der Elektronik, Teilvorhaben 2: Materialentwicklung, Compoundierung, Granulatherstellung

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
14476 Potsdam
Geiselbergstr. 69
Kontakt
Dr. rer. nat. Gunnar Engelmann
Tel: +49 331 568-1210
E-Mail: gunnar.engelmann@iap.fraunhofer.de
FKZ
22013611
Anfang
01.01.2012
Ende
31.12.2014
Aufgabenbeschreibung
Die Erhöhung der Akzeptanz von Lignin als nachwachsender Rohstoff für die stoffliche Verwertung wird neben ökonomischen Fragen zur Ligningewinnung vor allem durch die Gewährleistung stofflicher Qualität und Reinheit des Lignins gekennzeichnet sein. Wenn der Nachweis geführt werden kann, dass sich ein Lignin für verschiedene Anwendungen nutzen lässt, dann würde dies einen wichtigen Impuls für den derzeit noch begrenzten Ligninmarkt bedeuten. Das Hauptziel des Projektes konzentriert sich auf verschiedene Anwendungen in der Elektronik mit Lignin als Hauptkomponente. Teilvorhaben 2 befasst sich mit der Materialoptimierung. Das geplante Vorhaben fokussiert auf die Verbesserung mechanischer und thermischer Eigenschaften Lignin enthaltender Biokomposite. Es sind Lignin-basierte Komposite für Anwendungen in den Bereichen Siebdruckrahmen, Bohrunterläger sowie Leiterplatten gefordert. Ausgehend von einem kommerziell verfügbaren Lignin gilt es, geeignete Ligninfraktionen zu isolieren. Hochmolekulare Ligninfraktionen weisen höhere Glasübergangstemperaturen sowie verbesserte Wärmeformbeständigkeiten auf, was für Bohrunterläger sowie Leiterplatten besonders wichtig ist. Im Hinblick auf die Matrix der Komposite können weitere Eigenschaften wie die Polarität oder die chemische Reaktivität mittels chemischer Modifizierung angepasst werden. Eine leicht zu handhabende Modifizierungsvariante ist die Veresterung. Diese Methode kann die Hydrophobie der Lignine verbessern, was beispielsweise für die Verarbeitung von Leiterplatten als wichtig gilt. Die thermoplastischen Materialien werden mittels Kneten verarbeitet; die Optimierung der Granulatbildung rundet den Entwicklungsprozess ab. Alle Stufen der Materialentwicklung erfahren eine umfangreiche Charakterisierung um aussagekräftige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ableiten zu können, eine wesentliche Grundlage für weitere Schritte in der Materialoptimierung
Ergebnisdarstellung
Ausgehend von einem Ligninsubstrat L ist es gelungen, durch Extraktion mit Aceton eine niedermolekulare (L(Ex)) und eine hochmolekulare (L(Re)) Ligninfraktion zu isolieren. Zusammen mit L standen drei verschiedene Lignine zur Verfügung. Eine Restfraktion L(Re) mit noch höherem Molekulargewicht ließ sich durch Extraktion von Lignin L mit Methanol isolieren. Die Veresterung von L(Ex), L und L(Re) (Aceton-Fraktionen) zu den Acetaten L(Ex)_Ac, L_Ac und L(Re)_Ac gelang vollständig. Für die Herstellung von Ligninblends eignete sich Polyamid 11 besonders. Alle sechs Lignine und Ligninacetate konnten durch Kneten bei einer Prozesstemperatur von 200°C erfolgreich zu PA11/Lignin-Blends verarbeitet werden. Im Gegensatz zu den Ligninen L(Ex), L und L(Re) zeigten die Ligninacetate L(Ex)_Ac, L_Ac und L(Re)_Ac einen nivellierenden Einfluss auf die Eigenschaften der Blends. Lediglich die Materialsteifigkeit ließ sich verbessern, um ca. 80%. Die Lignine L(Ex), L und L(Re) beeinflussen die Blend-Eigenschaften unterschiedlich. Das Ligninsubstrat L wird thermoplastisch erweicht und zu sphärischen/elliptischen Ligninpartikeln verformt. Damit verbunden sind eine höhere Zugfestigkeit (+42%), ein höherer Elastizitätsmodul (+142%) und eine geringere Bruchdehnung (-96%). Der Ligninextrakt L(Ex) bewirkt eine Steigerung der Zugfestigkeit (+30%), des Elastizitätsmoduls (+95%) sowie eine sehr hohe Bruchdehnung (+45%). Der hochmolekulare Ligninrest L(Re) führt lediglich zu einer Steigerung des Elastizitätsmoduls (+115%) wegen des zu hohen Tg-Wertes von 184°C in Bezug auf die Verarbeitungstemperatur von 200°C. Untersuchungen zur Morphologie der PA11/L(Ex)-Blends mittels DSC und 13C-CP-MAS-NMR Spektroskopie bestätigen L(Ex)-Domänen zwischen ca. 10 - 30 nm. Unter Verwendung einer Standardrezeptur zur Herstellung bio-basierter Epoxidharze zeigte sich, dass der Extrakt L(Ex) über eine ausreichende Löslichkeit und Reaktivität im Harz verfügt.

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