Holzbasierte Biopaste für den 3D-Druck

Forschern an der Universität Freiburg und des Freiburger Materialforschungszentrums ist es gelungen, nach den Prinzipien des Green Engineering eine holzbasierte Biopaste für den 3D-Druck zu entwickeln, die in Zukunft nachhaltigen Leichtbau möglich machen könnte. Denn das Material basiert auf Reststoffen der Papierindustrie und kann energieeffizient und ökonomisch wettbewerbsfähig verarbeitet werden. Die Wissenschaftler haben ihrem Material den Namen „Woodmimetics 3D“ gegeben.

Ligninanteil liegt bei 50%

Lignin verstärkt die Zellwände von Pflanzenzellen und sorgt für Stabilität. In der Papierherstellung bleibt es als Abfallprodukt zurück und wird zum Großteil für die Gewinnung von Bioenergie verbrannt. „Wir forschen daher nach alternativen Möglichkeiten, um diesen Rohstoff in Zukunft besser nutzen zu können“, sagt Prof. Marie-Pierre Laborie (Professur für Forstliche Biomaterialien an der Universität Freiburg). Hierfür hat das Team eine Materialkombination, die bereits in den 1980er Jahren von einem US-amerikanischen Forschungsteam untersucht wurde, nochmals genauer unter die Lupe genommen.

„Wir erwarten, dass Woodmimetics3D einen vorteilhaften ökologischen Fußabdruck hat, da die verwendeten Rohstoffe nachwachsend und die Materialien zudem am Ende des Lebenszyklus biologisch abbaubar sind“, zeigt sich Prof. Laborie begeistert. Das Druckmaterial enthält ausschließlich holzbasierte Rohstoffe: Lignin und Hydroxypropylzellulose sowie Wasser, Ethanol und Essigsäure als Lösungsmittel. Ergebnis der Entwicklung ist eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und mit der komplexe Strukturen im 3D-Druck erzeugt werden können.

Das Material ist nicht nur biobasiert, sondern auch zu 100 % abbaubar. Die biologische Abbaubarkeit wurde mit Hilfe von Pilzen untersucht und zeigt sich mit der Abbaubarkeit von PLA (Polylactiden) vergleichbar. Somit können die Bauteile nach Ende der Lebensdauer dem Stoffkreislauf wieder zugeführt werden. Verglichen mit den wenigen kommerziellen Lignin-basierten Produkten besitzt Woodmimetics3D mit bis zu 50 % einen besonders hohen Ligninanteil.

Bis zu einer möglichen industriellen Anwendung, etwa als Verbundwerkstoff im Leichtbau, sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich. Bislang nutzt das Team besonders reines, in einer Pilot-Bioraffinerieanlage des Fraunhofer CBP in Leuna hergestelltes Lignin. Ob sich das Abfallprodukt aus der Papierindustrie auch direkt verarbeiten lässt, bleibt noch zu untersuchen. Wie Lisa Ebers in ihrer Doktorarbeit zeigt, lassen sich außerdem die Eigenschaften des Biokunststoffs vielfach verändern, etwa indem die Bausteine chemisch bearbeitet oder variiert werden. Die bisherigen Versuche fanden mit Lignin aus Buchen statt. Wird es aus anderen Pflanzen gewonnen, bringt es ebenso andere Materialeigenschaften mit.

Forschungsbericht unter: www.doi.org/10.1021/acsabm.0c00661
www.biomat.uni-freiburg.de