Biowerkstoffe Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Projekte - Details

Herstellung von leistungsfähigen Nanocomposites aus nanofibrillierter Cellulose und Polylactid (CelLac)

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT)
Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
76327 Pfinztal
Kontakt
Dr.-Ing. Gudrun Gräbe
Tel: +49 721 4640-302
E-Mail: gudrun.graebe@ict.fraunhofer.de
FKZ
22024717
Anfang
01.10.2018
Ende
31.12.2019
Ergebnisdarstellung
Die bei der TEMPO-Oxidation eingesetzte Chemikalienmenge wurde im Vergleich zum Vorprojekt ZelluPol auf ein Fünftel reduziert. Als Aufschlussmethoden zur Vereinzelung der Fasern zu NfC wurden eine Rührwerkskugelmühle (RWK), ein Ultraschallprozessor (U) oder eine Kombination aus beidem eingesetzt. In allen Fällen wurde die Bildung von Nanofasern aber auch jeweils verbliebene dickere Fasern beobachtet. Neu getestet und optimiert wurde die Kombination aus Filtration und thermischer Trocknung zur Herstellung der Faser-Trägermedium-Gemische. Für alle mechanischen Vereinzelungsmethoden konnten wasserfreie und rieselfähige Gemische Fasern mit PEG oder D-Sorbitol hergestellt werden, jeweils in den Anteilen 50 Masse-% Fasern und 50 Masse-% Trägermedium und ohne eine Verhornung der Fasern. Dabei waren die mittels U aufgeschlossenen Fasern am leichtesten filtrierbar. Eine Funktionalisierung der Fasern mit Diamin verbesserte auch die Filtrierbarkeit der anderen Proben. Während sich der Laborextruder aufgrund der hohen notwendigen Verweilzeiten und Temperaturen für die Verarbeitung als ungeeignet erwies, konnten im Technikumsextruder für die mittels Ultraschall vereinzelten Fasern und PEG als Trägermedium Compounds ohne Faseragglomerate und ohne thermische Faserschädigung hergestellt werden. Der Effekt der Verstärkung von PLA mit Nanofasern, d.h. der Einfluss auf die mechanischen Kennwerte, war gering. Insgesamt konnte die Verfahrenskette zur Herstellung der Compounds optimiert werden: Faseraufschluss mittels Ultraschall, drucklose Filtration und thermische Trocknung zur Herstellung wasserfreier, rieselfähiger NFC-PEG-Gemische. Dies wird als gut skalierbar eingeschätzt. Die Ergebnisse der thermo-mechanischen Tests waren nicht zufriedenstellend. Es wird aber davon ausgegangen, dass sich zukünftig durch ggf. weitere Erhöhung des Faseranteils im NFC-PEG Gemisch und ggf. Anpassung der Chemikalienmenge bei der TEMPO-Oxidation die Werte verbessern lassen.
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Vorhabens war die Herstellung von mit nanofibrillierter Cellulose (NFC) verstärkten Biopolymeren durch einen neuen innovativen Verfahrensansatz. Dieser ermöglicht es, stark polare NFC-Fasern unter Verhinderung einer Verhornung und Agglomeration in PLA einzubringen und zudem eine gleichmäßige Verteilung der Fasern im Kunststoff zu erzielen. Die Cellulosefasern werden dabei über ein Trägermedium in die weniger polare Kunststoffmatrix eingebracht, wobei die NFC-TM Mischung als rieselfähiges und wasserfreies Granulat hergestellt wird, die im Extruder einfach dosierbar ist. Auf diese Weise sollten komplett biobasierte Composites mit verbesserten thermo-mechanischen Eigenschaften, die bisher von biobasierten Kunststoffen nicht abgedeckt werden können, erzeugt werden. Nachdem in einem Vorprojekt die Machbarkeit der Verfahrensidee bereits aufgezeigt werden konnte, stand die Verbesserung des Gesamtverfahrens und die Eigenschaftsoptimierung der Compounds im Zentrum der Arbeiten. Dabei wurden folgende konkreten Einzelziele bearbeitet: (1) Verbesserung der NFC-Herstellung: Reduzierung von Chemikalienbedarf und Reaktionsdauer der TEMPO-Oxidation; (2) Optimierung des mechanischen Energieeintrags zur Faservereinzelung unter Verwendung eine Rührwerkskugelmühle, eines Ultraschallprozessors oder einer Kombination aus beidem sowie Reduzierung der Reaktionsdauer; (3) Erarbeitung einer technischen Lösung zur gleichmäßigen Verteilung der Fasern im Trägermedium, um folgende Eigenschaften der TM-Fasermischung zu erreichen: (a) geringer Wassergehalt, (b) Verhinderung von Verhornung, (c) Rieselfähigkeit, (d) Dosierbarkeit. Erreicht werden sollte dies durch (mehrstufige) Druckfiltration und/oder Trocknung. Außerdem sollte getestet werden, ob die Fasern so funktionalisiert werden können, dass sich das System leichter entwässern lässt; (4) Erarbeitung der Verfahrensparameter für Extrusion und Spritzguss. Die technische Lösung sollte gut skalierbar und wirtschaftlich umsetzbar sein.
CfH
2
CfH_Text
2 - Potenzial von Holz in der Bioökonomie

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Präsentation zum BioConceptCar
Basisdaten Nachwachsende Rohstoffe