Forscher der Universität Stockholm haben eine ressourceneffiziente Methode zur Herstellung neuer Materialien auf Ligninbasis entwickelt, die thermisch wiederaufbereitet und als Ersatz für duroplastische Harze und Klebstoffe verwendet werden können.
Die moderne Gesellschaft muss Alternativen zu Materialien finden, die aus fossilen Öl- und Gasressourcen gewonnen werden. Parallel dazu müssen dringend Technologien für den Übergang zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft entwickelt werden. Duroplastische Harze beispielsweise bieten eine robuste Leistung für die anspruchsvollen Anwendungen von heute, aber leider lassen sich diese synthetischen Kunststoffe nicht ohne weiteres recyceln.
Forscher der Universität Stockholm haben eine ressourceneffiziente Methode zur Herstellung eines Materials entwickelt, das sich wie Duroplaste verhält, aber thermisch wiederverwertet werden kann. Das Team verwendete Lignin als erneuerbaren Rohstoff in einer katalysatorfreien Reaktion mit einer ungiftigen, aus Ethylenglykol gewonnenen Chemikalie. Lignin ist ein Nebenprodukt aus der Zellstoff- und Papierindustrie, wo es hauptsächlich zur Gewinnung von Chemikalien und Wärme verbrannt wird. Es gibt jedoch starke Bestrebungen, Lignin als Baustein für neue wertschöpfende Materialien zu verwenden, die während ihrer Lebensdauer als Kohlenstoffspeicher dienen.
"Wir waren erstaunt über die Leistungsfähigkeit der neuen Materialien, und einer der bemerkenswertesten Aspekte unserer Ergebnisse ist die Einfachheit und Materialeffizienz des Syntheseprozesses. Im Gegensatz zu früheren Beispielen müssen wir das Lignin nicht chemisch modifizieren oder fraktionieren, sondern können es einfach mit dem Vernetzer in einer Eintopfreaktion kochen", erklärt Dr. Adrian Moreno von der Universität Stockholm und einer der Forscher hinter der Studie. Das Ergebnis ist ein schwarzes, plastikähnliches Material, das mit herkömmlichen Technologien wie dem Spritzgussverfahren in verschiedene Formen gegossen werden kann.
Die neuen Materialien auf Ligninbasis können mehrfach verwendet werden, was für die Kreislaufmaterialien der Zukunft von zentraler Bedeutung ist. Um dies zu demonstrieren, haben die Forscher die mechanische Festigkeit des ursprünglichen Materials und desselben Materials, das aus der gebrochenen Probe wiederaufbereitet wurde, gemessen. Die mechanische Festigkeit war mit der von technischen Kunststoffen vergleichbar und blieb nach der Wiederaufbereitung unverändert.
Vom Einweg- zum wiederverwendbaren Klebstoff
Die Wissenschaftler entdeckten auch, dass die Materialeigenschaften von hart und spröde bis hin zu weich und zäh angepasst werden können, indem einfach die Menge des in der Formulierung verwendeten Lignins verändert wird. "Die Möglichkeit, die Materialeigenschaften einzustellen, eröffnet viele Möglichkeiten für kommerzielle Anwendungen. Die Formulierung mit einem Ligningehalt von 50 Gewichtsprozent ist zum Beispiel ein hervorragender Klebstoff für verschiedene weiche und harte Materialien", sagt Mohammad Morsali, Doktorand an der Universität Stockholm und einer der Autoren des Artikels.
"Es ist möglich, den Klebstoff wiederherzustellen oder das Material einfach abzulösen und bei milden Temperaturen, die mit denen eines Küchenherds vergleichbar sind, wieder zu verkleben.
Lignin ist eines der Wundermaterialien der Natur, das erst in jüngster Zeit als Kandidat für fortschrittliche Werkstoffe Aufmerksamkeit erregt hat. "Dies ist ein hervorragender Beweis für die Möglichkeiten, die Lignin als wertvoller Rohstoff bietet. Das von uns entwickelte Material passt perfekt in die aktuelle Entwicklung hin zu nachhaltigen Kreislaufmaterialien. Dank seines Aufbaus aus so genannten dynamischen kovalenten Bindungen kann das Material durch relativ leichtes Erhitzen immer wieder neu gebildet werden", erklärt Assistant Professor Mika Sipponen.
Eine glänzende Zukunft für nachhaltige Materialien
Der laufende Übergang zu erneuerbaren und kreislauffähigen Materialien stellt eine große Herausforderung dar, da ein Großteil der Materialien, die wir in unserem Alltag verwenden, noch immer aus fossilen Bausteinen hergestellt wird. Laut Mika Sipponen wird es auch viele Möglichkeiten geben, Studenten in die Forschungsprojekte einzubeziehen, insbesondere jetzt, da die Universität Stockholm ein neues MSc-Programm für nachhaltige Chemie eingeführt hat. Gleichzeitig gibt es spannende Initiativen wie das Stockholmer Universitätszentrum für zirkuläre und nachhaltige Systeme, SUCCeSS, das neue Möglichkeiten für innovative Materialchemie eröffnet.
"Wir sehen in diesem Paradigmenwechsel zum Ausstieg aus den fossilen Materialien eine große Chance. Es liegt auf der Hand, dass neue Ideen und eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erforderlich sind, um das wahre Potenzial von Lignin und anderen nachhaltigen Materialien auszuschöpfen und sie schließlich zu vermarkten", sagt Mika Sipponen. Es ist dieser vielseitige Aspekt unserer Forschung, der uns dazu motiviert, an der Lösung einiger der größten Herausforderungen unserer Generation zu arbeiten.
Originalveröffentlichung
- Adrian Moreno, Mohammad Morsali, and Mika H. Sipponen; "Catalyst-Free Synthesis of Lignin Vitrimers with Tunable Mechanical Properties: Circular Polymers and Recoverable Adhesives"; ACS Appl. Mater. Interfaces; 2021
