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Pflanzliche Reststoffe enthalten mit Cellulose und Lignin zwei wertvolle Rohstoffe für biobasierte Materialien. In vielen Verfahren werden beide Bestandteile jedoch getrennt genutzt – insbesondere Lignin dient noch häufig als Brennstoff. Forschende der Universität Stockholm zeigen nun, wie sich Cellulose und Lignin aus derselben Biomasse gemeinsam für ein neues Verbundmaterial nutzen lassen. Dazu werden beide zunächst getrennt, das Lignin chemisch verändert und anschließend mit der Cellulose wieder zusammengefügt. Beim Heißpressen entstehen stabile chemische Bindungen, die dem Material auch bei Kontakt mit Wasser Festigkeit verleihen.
Lignin stärkt das Cellulosematerial
Als Ausgangsmaterial nutzte das Team zunächst Pappelholz. Bei einer reaktiven Fraktionierung wird die Biomasse bei Umgebungsdruck und ohne Metallkatalysator in ihre Bestandteile getrennt. Das gewonnene Lignin erhält anschließend reaktive Gruppen, während die Cellulose als Faserstoff erhalten bleibt. Beim Heißpressen verbinden sich beide Komponenten über kovalente Bindungen.
Das Verbundmaterial aus Pappel erreichte trocken eine Zugfestigkeit von knapp 47 Megapascal und nach 15 Minuten im Wasser noch etwa 34 Megapascal. Ein unter denselben Bedingungen hergestelltes Blatt aus reinem Zellstoff kam nass nur auf etwa 2 Megapascal. Die Forschenden sehen darin Potenzial für biobasierte Materialien, bei denen Feuchtigkeit bislang ein Problem darstellt – etwa für Verpackungen.
Rapsstroh als Rohstoffoption
Um zu prüfen, ob der Ansatz auch mit anspruchsvolleren Reststoffen funktioniert, testete das Team Rapsstroh mit höherem Mineralstoffanteil. Auch daraus ließ sich ein Verbundmaterial herstellen. Es erreichte 40 Megapascal im trockenen und knapp 22 Megapascal im nassen Zustand. Damit zeigt die Studie, dass sich auch landwirtschaftliche Reststoffe für die gemeinsame Nutzung von Lignin und Cellulose eignen.
Noch handelt es sich um Laborversuche. Die Materialien wurden eine Stunde bei 180 Grad Celsius heißgepresst; zudem kommen bei Funktionalisierung und Vernetzung weitere Chemikalien zum Einsatz. Ob sich das Verfahren wirtschaftlich und industriell skalieren lässt, müssen weitere Arbeiten zeigen. Als Vorteil nennen die Forschenden die Fraktionierung ohne Metallkatalysator und bei Umgebungsdruck, die auch mineralstoffreiche Reststoffe verarbeiten kann.
ag
