Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Forschungsverbund Biopolymere; Teilvorhaben 10 A: Cellulosefaser verstärkte thermoplastisch verarbeitbare Lignin-Blends - Grundlagenuntersuchungen

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
14476 Potsdam
Geiselbergstr. 69
Kontakt
Jens Erdmann
Tel: +49 331 568-1252
E-Mail: jens.erdmann@iap.fraunhofer.de
FKZ
22034911
Anfang
01.06.2012
Ende
31.05.2014
Aufgabenbeschreibung
In diesem Vorhaben steht die stoffliche Verwertung des nachwachsenden Rohstoffs Lignin im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. Zusammen mit Cellulose und Hemicellulose ist Lignin einer der drei Hauptbestandteile von Pflanzen und birgt infolge seiner potentiell hohen Verfügbarkeit und geringem Rohstoffpreis ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der biobasierten Materialien Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung von Cellulosefaser verstärkten thermoplastischen Formmassen auf Basis Lignin-haltiger Polymerblends, die sich einerseits mittels Spritzguss verarbeiten lassen und andererseits die Eigenschaften bestehender, kommerziell verfügbarer thermoplastischer Lignin-Materialien deutlich übertreffen. Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die Rezepturentwicklung und Optimierung der Verarbeitungsbedingungen um für die neuen Materialien bei einem möglichst hohen Lignin-Anteil (mind. 50%), ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil und weiterhin thermoplastischer Verarbeitbarkeit sicherstellen zu können. Im Hinblick auf ein ausgewogenes Eigenschaftsniveau der resultierenden Materialien sind zum einen die Auswahl von geeigneten thermoplastischen Blendpartnern und Kompatibilisatoren und zum anderen eine möglichst homogene Verteilung der Lignin-Komponente von besonderer Bedeutung. Durch geeignete Cellulosefaser-Verstärkung, insbesondere mit Cellulose-Regeneratfasern, werden erhöhte Festigkeiten, Dehnungen und Schlagzähigkeiten angestrebt. Von Seiten des Fraunhofer IAP werden langjährige Erfahrungen zur Verstärkung von petro- und biobasierten Thermoplasten mit cellulosichen Fasern genutzt. Die Zusammenarbeit mit der Tecnaro GmbH, die der wichtigste Produzent thermoplastischer Lignin-Formulierungen in Deutschland ist und auch international eine bedeutende Stellung einnimmt, sichert den Marktzugang und stellt Know-how für die Produktion im Tonnenmaßstab und bei der Abmusterung prototypischer Bauteile zur Verfügung.
Ergebnisdarstellung
Schon mit Beginn der Projektlaufzeit und den damit verbundenen ersten orientierenden Experimenten, konnte eine wesentliche und für den Erfolg des Projektes maßgebliche Erkenntnis gewonnen werden. Polyethylen und in gleichem Maße auch biobasiertes Polyethylen eignet sich hervorragend als thermoplastischer Blendpartner für Lignin. Es konnten geeignete Kompatibilisatoren gefunden und unter Beibehaltung der Spritzgussfähigkeit bzw. thermoplastischen Verarbeitbarkeit ein Lignin-Gehalt von bis zu 70% realisiert werden. Die Blendzusammensetzung und die Verarbeitungsparameter (Scherung, Zeit und Temperatur) wurden in einem breiten Variationsraum systematisch untersucht und bezüglich der PE-Lignin Blend-Festigkeiten und Schlagzähigkeiten ein deutliches Optimum gefunden. Durch Analyse der erzeugten Morphologien konnten wesentliche Struktur-Eigenschaftskorrelationen abgeleitet werden. Als besonders vorteilhaft erwiesen sich eine annähernd runde Lignin-Partikelform und deren möglichst feine Verteilung in der PE-Matrix. Für abnehmende Partikeldurchmesser von d = 6,4 auf d = 0,8 µm, konnten die Schlag- und Kerbschlagzähigkeiten jeweils um das 8-fache gesteigert werden. Blends mit noch feinerer Morphologie (d < 0,75 µm) zeigten trotz eines Lignin-Anteils von 50 % im Schlagversuch kein Bruchereignis mehr. Auch die Maßstabsvergrößerung auf ein praxisnahes industrierelevantes Materialherstellungs-verfahren konnte erfolgreich umgesetzt werden und das hohe Eigenschaftsniveau der morphologisch maßgeschneiderten PE-Lignin Blends wieder gefunden werden. Entsprechende Materialien wurden von der Tecnaro GmbH erfolgreich zu prototypischen Bauteilen verarbeitet. Untersuchungen mit weiteren Matrixmaterialien ergaben eine gute Eignung für Polypropylen und "Ecoflex", während Polyhydroxybutyrate (PHB) in Kombination mit Lignin zur Versprödung neigten. In diesen Fällen konnte jedoch durch Zugabe von 10 bzw. 20 % Celluloseregeneratfasern die Sprödigkeit überwunden und darüber hinaus Festigkeiten un

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