Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

 

Entwicklung Lignin-basierter Thermoplaste zur Unterstützung der Schweißnahtbildung beim Holzschweißen (Holzschweissen)

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
22027714
Anfang
01.01.2016
Ende
31.12.2016
Aufgabenbeschreibung
Das Thema des geplanten Forschungsvorhabens orientiert auf die Entwicklung thermoplastischer Blends zur Unterstützung der Schweißnahtbildung beim Holzschweißen. Die neuen Ansätze dieser Aufgabenstellung konzentrieren sich aus Sicht der Materialauswahl auf: - Die Verwendung von Lignin als holztypische Komponente - Die Nutzung von möglichst bio-basierten Thermoplasten aus der Gruppe der Polyolefine, Polyester und Polyamide - Die Entwicklung mischbarer und nicht mischbarer Blends. - Das Ausstatten dieser Blends mit Haftvermittlern, die kovalentes Anbinden der Blends an die Holzkomponenten erlauben. Das favorisierte Konzept stellt somit einheimisches Lignin und Holz thematisch in den Mittelpunkt, wodurch eine weitere Möglichkeit zur Bildung eines Ligninmarktes in Deutschland unterstützt werden soll. Aus anwendungstechnischer Sicht ist es wichtig Blends zu entwickeln, die möglichst unabhängig von Typ und Qualität der verschiedenen Holzarten sind. Um die Bindekraft der Schweißnaht zu erhöhen, ist der Einsatz thermisch aktivierbarer, reaktiver Komponenten vorgesehen. Sie können während der thermoplastischen Verarbeitungsphase chemische Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Holz und Thermoplast durch die Ausbildung besonders stabiler, kovalenter Bindungen eingehen. Dadurch ist mit deutlichen Verbesserungen beispielsweise in der Haftfestigkeit zu rechnen. Die einzelnen Aufgaben lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: - Bereitstellung von Substraten - Gewinnung von Rohlignin - Modifizierung der Biopolymere - Herstellung von Polymerblends mit variierenden Matrixpolymeren und - Ligningehalten - Verschweißen von Hölzern mit ausgewählten Blends - Variation der Schweißparameter - Analytik der Prüfkörper
Ergebnisdarstellung
Aus Schwarzlauge konnte Rohlignin (L) durch pH-indizierte Fällung gewonnen werden; 2 L Schwarzlauge liefern etwa 400 g des Rohprodukts. Die Extraktion mit Isopropanol bei Raumtemperatur führte mit einer Ausbeute von 28% zu einem niedermolekularen Ligninextrakt L(Ex) (Mw= 1710 g/mol). Die partielle Hydrolyse des hochmolekularen Ligninrests L(Re) (Mw= 8750 g/mol) bei 200°C unter stark alkalischen Bedingungen in Wasser führte zu einem Hydrolysat mit Mw= 3850 g/mol. Für die Herstellung der Ligninblends (40% Ligningehalt) standen die biobasierten Polymere PE, PLA und PA11 zur Verfügung. Das Blenden mit dem Rohlignin L erfolgte unter Verwendung eines Zweischneckenextruders bei Verarbeitungstemperaturen von 170°C (PE), 180°C (PLA), 200/170°C (PA11 mit L/L(ex)). Die mechanischen Kennwerte belegen nur für die Polymerkombination PA11 und L(Ex) eine Verbesserung in den drei Größen Festigkeit (65,8 MPa, +40%), Steifigkeit (2,27 GPa, +30%) und Dehnungsänderung (133%, +7%). Die Herstellung von Polymerfolien der Abmessungen 50 mm x 50 mm x 1 mm mittels Spritzguss gelang problemlos. Für das Betreiben der Reibschweißmaschine ist eine Schwingfrequenz von 140 Hz sowie ein Anpressdruck von 60 kPa ermittelt worden. Beim Verschweißen von Kiefernholz mit PE, PLA und PA11 zeigte sich entsprechend dieser Reihenfolge die größte Effizienz für PA11. Festigkeit und Modul dieser Schweißverbindung können mit 5,11 MPa bzw. 980 MPa angegeben werden. Das Zumischen von 40% Rohlignin L zu den Matrixpolymeren führt im Rahmen der Messgenauigkeit bei PE_L zu einer Verringerung in der Steifigkeit, bei PLA_L zu keinen wesentlichen Änderungen und bei PA11_L zu einem marginalen Zugewinn in der Steifigkeit sowie einem geringen Verlust an Festigkeit. Durch die Verwendung von PA11_L(Ex) erfahren sowohl Festigkeit als auch Steifigkeit eine geringfügige Abnahme in Bezug auf PA11_L. Die Untersuchungen zum Verschweißen erfolgten mit Kiefer- und Buchenholz in den Kombinationen K/B und B/B.

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