Nachwachsende Rohstoffe Biologischer Flammschutz: Lignin als Kunststoffadditiv

Redakteur: Rebecca Vogt

Forschern ist es gelungen, den Flammschutzeffekt von Lignin in Kunststoffen zu erhöhen, indem sie Phosphor chemisch an den Stoff anbanden. Auch die Verträglichkeit von Lignin und Kunststoffen konnten sie verbessern.

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Wissenschaftler des Fraunhofer-LBF haben Phosphor chemisch an Lignin angebunden. So lässt sich das Nebenprodukt aus der Papierherstellung nun als Flammschutz für Kunststoffe nutzen.
Wissenschaftler des Fraunhofer-LBF haben Phosphor chemisch an Lignin angebunden. So lässt sich das Nebenprodukt aus der Papierherstellung nun als Flammschutz für Kunststoffe nutzen.
(Bild: Raapke/Fraunhofer-LBF)

Lignin fällt bei der Produktion von Papier aus Holz in großen Mengen an. Als Nebenprodukt wird es stofflich jedoch kaum genutzt. Meist verbrennt man das Lignin und setzt es so zur Energiegewinnung in den Papierfabriken ein. Ein Umstand, der in Zeiten knapper werdender fossiler Ressourcen und steigender CO2-Ausstöße nach Ansicht des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) nahezu einer Verschwendung gleicht. Heute gelte es, mehr Biomasse stofflich zu nutzen und so Alternativen zu erdölbasierten Rohstoffen zu schaffen. Wissenschaftler des Instituts haben zu diesem Zweck in einem EU-geförderten Forschungsprojekt eine neue Verwendungsmöglichkeit für den Nebenstoff aus der Papierherstellung entwickelt.

Potenziale des Lignins bisher noch nicht genutzt

Als Kunststoffadditiv ist Lignin in der Lage, dessen Entflammbarkeit zu reduzieren. Liegen gleichzeitig phosphorhaltige Verbindungen vor, lässt sich der Effekt nochmals verstärken. Bisher nutzte man diese Erkenntnis jedoch noch nicht in technischen Anwendungen: Die Flammhemmung war in den meisten Fällen schlichtweg zu gering. Aufgrund seiner Unverträglichkeit mit vielen Kunststoffen verringert der Zusatz von Lignin außerdem die mechanischen Eigenschaften.

Ein Grund für den zu geringen Flammschutzeffekt des Lignins in Kombination mit phosphorhaltigen Verbindungen ist nach Erkenntnissen des Fraunhofer-LBF die Tatsache, dass beide Komponenten räumlich voneinander getrennt im Kunststoff vorliegen und so deren gemeinsame Wirkung unterbunden wird. „Dieses Problem konnten wir lösen, indem wir den Phosphor chemisch an das Lignin angebunden haben. Dabei haben wir die chemische Modifizierung so gestaltet, dass sie auch für eine spätere Umsetzung in den industriellen Maßstab geeignet ist“, erklärt Dr. Roland Klein, Gruppenleiter Grenzflächendesign am Institut.

Geringere Wärmeentwicklung, bessere Verträglichkeit

Zunächst entwickelten die Forscher das Verfahren im Labormaßstab. Anschließend synthetisierten sie das phosphorylierte Lignin im institutseigenen Kilolabor. So konnte man den Projektpartnern größere Mengen des Materials zur Weiterverarbeitung mit verschiedenen Kunststoffen bereitstellen. An der Universität Lille vorgenommene Brandtests an einem Massenverlust-Kalorimeter zeigten beispielsweise eine geringere Wärmeentwicklung bei Kunststoffen, die das phosphorylierte Lignin enthielten.

Morphologische Untersuchungen an Polypropylen-Compounds mit reinem und phosphoryliertem Lignin ergaben zudem, dass das Lignin – bedingt durch die Unverträglichkeit – in großen, ungleichmäßig verteilten Agglomeraten vorlag. Grund dafür, dass auch die Zugfestigkeit der Materialien abnahm. „Mit einer weiteren chemischen Modifizierung des Lignins, einer Hydrophobierung, konnten wir dessen Verträglichkeit zu Polypropylen verbessern. Zu erkennen war dies an einer feineren Morphologie und verbesserten mechanischen Eigenschaften“, berichtet Klein.

Hersteller von Kunststoffprodukten, bei denen der Brandschutz von Bedeutung ist, könnten nun nachhaltige Produkte herstellen. Dies betreffe etwa Elektroanwendungen oder öffentliche Verkehrsmittel. Der Papierindustrie indes könnten sich neue und wertschöpfende Märkte für ihr Nebenprodukt eröffnen. „Die Identifizierung neuer Anwendungen für Abfallprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen ist gesellschaftlich relevant. Wir können damit fossile Ressourcen schonen, ohne mit der Nahrungsmittelproduktion in Konkurrenz zu treten“, betont Klein.

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