Poly­ure­tha­ne mit Syn­the­se­bau­stei­nen aus Lignin

For­scher ent­wi­ckeln im Pro­jekt „Ligno­plast“ Ver­fah­ren und Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten für ver­schie­de­ne Lign­in­ty­pen bis zum Pilotmaßstab.

Im Pro­jekt „Ligno­plast“ arbei­te­te ein For­scher­ver­bund unter Koor­di­na­ti­on des Fraun­ho­fer-Zen­trums für Che­misch-Bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­zes­se (CBP) dar­an, Lignin als Che­mie­roh­stoff nutz­bar zu machen. Als Ver­fah­ren zur pri­mä­ren Raf­fi­na­ti­on erwies sich die basen­ka­ta­ly­ti­sche Spal­tung als beson­ders viel­ver­spre­chend, die das CBP erfolg­reich in den Pilot­maß­stab über­trug. Meh­re­re Indus­trie­part­ner stell­ten aus den gewon­ne­nen Syn­the­se­bau­stei­nen ver­schie­de­ne Pro­duk­te her und unter­zo­gen sie diver­sen Tests. Vor allem lignin­ba­sier­te Poly­ure­than- und Poly­i­so-Hart­schäu­me (PUR und PIR) und Beschich­tun­gen für Lang­zeit­dün­ger, die bis­lang aus Phe­nol­har­zen her­ge­stellt wer­den, erschei­nen aussichtsreich.

Ver­holz­te Bio­mas­se, also vor allem Bäu­me, bestehen in der Tro­cken­mas­se bis zu 30 Pro­zent aus Lignin. Damit gehört die­se Sub­stanz zu den häu­figs­ten orga­ni­schen Ver­bin­dun­gen der Erde. Lignin fällt bis­lang vor allem als soge­nann­te Kraft-Lignin als Neben­pro­dukt der Zell­stoff­pro­duk­ti­on an. Auf­grund des Auf­schluss­ver­fah­rens mit Sul­fit oder Sul­fat sind Ligni­ne aus Zell­stoff­pro­zes­sen schwe­fel­hal­tig, was eine nach­fol­gen­de stoff­li­che Nut­zung behin­dern kann. Des­halb wer­den sie über­wie­gend ver­brannt. Es gibt aber auch neue­re Ver­fah­ren, die schwe­fel­freie Orga­no­solv- oder Hydro­ly­se-Ligni­ne erzeugen.

Ziel des Vor­ha­bens Ligno­plast war es, inno­va­ti­ve Ver­fah­ren zu ent­wi­ckeln, um aus die­sen ver­schie­de­nen Lign­in­ty­pen aro­ma­ti­sche Syn­the­se­bau­stei­ne zu gewin­nen und damit Kleb­stof­fe, Lacke, Poly­ure­tha­ne und Epoxi­de her­zu­stel­len und zu erproben.

Im Ergeb­nis erwies sich die basen­ka­ta­ly­ti­sche Spal­tung als beson­ders viel­ver­spre­chen­der Pro­zess, um die kom­plex auf­ge­bau­ten Lignin-Mole­kü­le in ein­fa­che Bau­stei­ne zu zer­le­gen. Aus die­sen las­sen sich dann neue Ver­bin­dun­gen syn­the­ti­sie­ren. Die basen­ka­ta­ly­ti­sche Spal­tung ist grund­sätz­lich für alle Lign­in­ty­pen geeig­net. Die For­scher des Fraun­ho­fer ICT ermit­tel­ten, bei wel­chen Para­me­tern sich mit die­sem Ver­fah­ren die bes­ten Resul­ta­te erzie­len las­sen. Anschlie­ßend über­trug das Fraun­ho­fer CBP den Pro­zess in den Pilot­maß­stab. Aus den Pro­duk­ten stell­ten wei­te­re Ver­bund­part­ner hoch­wer­ti­ge PUR-Hart­schäu­me her, die sich zum Bei­spiel als Iso­la­ti­ons­ma­te­ri­al für den Bau­sek­tor eig­nen. Den Fir­men Rampf Poly­mer Solu­ti­ons und Rampf Eco­sys­tems gelang die Ent­wick­lung von PUR-Hart­schäu­men direkt aus Orga­no­solv-Lignin. Auf­grund sei­nes gerin­gen Eigen­ge­ruchs, der höhe­ren Fließ­fä­hig­keit und einer nur leicht ver­rin­ger­ten Reak­ti­vi­tät eig­ne­te sich die­ser Lign­in­typ bes­ser für die Hart­schaum­her­stel­lung als Kraft-Lignin. Vom Fraun­ho­fer WKI syn­the­ti­sier­te Lign­in­de­ri­va­te und lignin­ba­sier­te Polyo­le wie­der­um lie­ßen sich viel­fäl­tig für Poly­ure­than-Gieß­har­ze ver­wen­den. Schließ­lich ersetz­te die ASK Che­mi­cals Beschich­tun­gen für Lang­zeit­dün­ger, die bis­lang auf Phe­nol­harz basie­ren, bis zu 100 Pro­zent durch lign­in­mo­di­fi­zier­te Har­ze. Prü­fun­gen zeig­ten, dass die Lignin-Beschich­tung der Phe­nol­harz­schicht bei der Wirk­stoff­ab­ga­be eben­bür­tig war, hin­zu kommt der Vor­teil der bio­lo­gi­schen Abbaubarkeit.

Die Pro­jekt­er­geb­nis­se zei­gen viel­ver­spre­chen­de Ansät­ze auf, um mit Lignin petro­che­mi­sche Roh­stof­fe in Pro­duk­ten im Sin­ne der Bio­öko­no­mie zu erset­zen. Für eine Kom­mer­zia­li­sie­rung müs­sen Lignin und dar­aus gewon­ne­ne Che­mi­ka­li­en jedoch in aus­rei­chen­der Men­ge und kon­stant ver­füg­bar sein. Es gilt des­halb, alter­na­ti­ve Auf­schluss­ver­fah­ren zu eta­blie­ren, damit künf­tig anstel­le von Kraft-Lignin die bes­ser geeig­ne­ten Lign­in­ty­pen wie Orga­no­solv-Lignin anfal­len. Letz­te­res lässt sich beson­ders gut aus Laub­holz gewin­nen, das im Zuge des Wald­um­baus ver­mehrt zur Ver­fü­gung steht.

Das Vor­ha­ben „Funk­tio­na­li­sier­te Lign­in­spalt­pro­duk­te als Syn­the­se­bau­stei­ne für die Her­stel­lung von Kleb­stof­fen, Lacken, Poly­ure­tha­nen und Epo­xy­den (Ligno­plast)“ wur­de vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Ernäh­rung und Land­wirt­schaft über den Pro­jekt­trä­ger Fach­agen­tur Nach­wach­sen­de Roh­stof­fe (FNR) geför­dert. Die Abschluss­be­rich­te ste­hen auf der Web­site der FNR zur Verfügung.