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Nanocellulose aus Agrarreststoffen für eine klimafreundliche Kreislaufwirtschaft

Wissenschaftliche Grundlagen für die umfassende Entwicklung von biobasierten Industrieprodukten

Agrarreststoffe können fossile Rohstoffe bei der Herstellung von Kunststoffprodukten ersetzen. Eine Schlüsselrolle könnte das Zwischenprodukt Nanocellulose spielen. Wie sich die Nanocellulose aus Agrarreststoffen gewinnen und effektiv nutzen lässt, hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Fraunhofer WKI herausgefunden. Die Forschenden legen damit Grundlagen für die umfassende Entwicklung von biobasierten Industrieprodukten.

3D-Druck von Bioverbundmaterialien. © Fraunhofer WKI | Claudia Schirp Ziel des Projekts "ValBio-3D" war es, Agrarreststoffe, die bisher beispielsweise verbrannt werden, in höherwertige Anwendungen zu bringen und sie möglichst effizient zu nutzen. Die Partner entwickelten Wege, aus Zuckerrohr-Bagasse und Kiefernsägemehl Nanocellulose herzustellen und sie für Bio-Kunststoffe oder Beschichtungen zu verwenden.

Das Forscherteam aus Europa und Südamerika betrachtete die gesamte Wertschöpfungskette – von der Gewinnung der Rohstoffe, ihrer Verwendung, bis hin zu einer Lebenszyklusanalyse. Das "Instituto de Materiales de Misiones" in Argentinien entwickelte in Zusammenarbeit mit einer Bioraffinerie die Verfahren zum Aufschluss von Lignocellulosen und der Isolierung von Grundchemikalien. Der Schwerpunkt der "Universidad de La Frontera" in Chile war die biotechnologische Herstellung von Biokunststoffen und Grundchemikalien. Unterdessen veredelte das "VTT Technical Research Center of Finland" die Cellulose zu Nanocellulose und optimierte diese für die Verwendung in verschiedenen Bioverbundwerkstoffen. Das "Paper and Fibre Research Institute AS" in Norwegen stellte Filamente auf Basis von Biopolymeren und Cellulose für den 3D-Druck her und entwickelte Verfahren für das Drucken mit Nanocellulosepasten für medizinische Anwendungen.

Abgerundet wurde das Projekt durch eine umfassende Lebenszyklusanalyse und ökonomische Bewertung durch die "Pontifical Catholic University" in Peru.

Am Fraunhofer WKI forschten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, wie die in Finnland entwickelte Nanocellulose für die Produktion von Bio-Verbundwerkstoffen und Beschichtungen verwendet werden kann. "Unsere Idee war, dass die Nanocellulose direkt bei der Polymersynthese eingesetzt wird und dadurch eine stärkere Bindung zwischen Polymermatrix und Füllstoff entsteht. Dies soll zu verbesserten Produkteigenschaften führen", erläutert Dr. Claudia Schirp, Projektleiterin am Fraunhofer WKI. Die Forschenden führten erfolgreich die In-situ-Polymerisation von Polyester und Nanocellulose durch. Das Material eignet sich grundsätzlich für den 3D-Druck, weitere Forschung dazu ist notwendig.

Erfolgreich waren die Forschenden außerdem mit Versuchen, die Nanocellulose bei der Synthese von Bindemitteln für Holzbeschichtungen einzusetzen. "Gerade für die Beschichtung von Holz ergeben sich spannende und vielversprechende Lösungsansätze, vor allem mit mikrofibrillierter Cellulose (MFC). Durch die Verwendung von Nanocellulose soll die Wasserdampfdurchlässigkeit verbessert und die Beschichtung atmungsaktiver werden. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten, wollen wir in einem neuen Projekt weiterverfolgen". In einem Folgeprojekt soll eine Brandschutzbeschichtung für Holz mit einer speziell modifizierten Nanocellulose entwickelt werden. Besonderer Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Dauerhaftigkeit der Brandschutzleistung.

Fördermittelgeber des von Februar 2017 bis Januar 2020 geförderten Projekts "ValBio-3D" war das Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Die Kooperation ist aus dem EU geförderten ERANet-LAC Projekt entstanden, einem Netzwerk der Europäischen Union (EU) und der Gemeinschaft lateinamerikanischer und karibischer Staaten (CELAC) für gemeinsame Innovations- und Forschungsaktivitäten.
 
Kontakt: Anna Lissel, Fraunhofer-Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Technik | Wissenschaft & Forschung, 19.05.2020
     
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