Biobasierter Flammschutz für Kunststoffe

Polymersynthese, Grenzflächendesign, Nachwachsende Rohstoffe

Nutzbarmachung von Biomasse durch chemische Modifizierung#

Verlauf der Wärmeabgaberaten von ABS, ABS mit 30 Gew.-% Lignin und ABS mit 30 Gew.-% phosphoryliertem Lignin.

Ein in großen Mengen anfallendes Naturprodukt, für das es aktuell keine nennenswerte stoffliche Nutzung gibt, ist das Lignin. Es ist ein wesentlicher Bestandteil verholzender Pflanzen und bleibt bei der Papierherstellung zurück. Derzeit wird es zu mehr als 98 Prozent verbrannt, um den Energiebedarf der Papierfabriken zu decken.

Zahlreiche Forschungsaktivitäten zielen auf die Verwendung von Lignin in Kunststoffanwendungen hin, um erdölbasierte Kunststoffe partiell zu ersetzen oder um Funktionalitäten einzuführen. Eine bekannte Eigenschaft des Lignins als Kunststoffadditiv ist dessen Fähigkeit, die Entflammbarkeit von Kunststoffen zu reduzieren. Dieser Effekt kann bei gleichzeitiger Anwesenheit von phosphorhaltigen Verbindungen verstärkt werden. Diese Erkenntnis wurde noch nicht in technischen Anwendungen genutzt, da der Effekt der Flammhemmung in den meisten Fällen zu gering ist. Darüber hinaus resultiert durch den Zusatz des Lignins auf Grund seiner Unverträglichkeit mit vielen Kunststoffen eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften.

Lignin als Flammschutzmittel für industrielle Nutzung  

Ein Grund für den zu geringen Flammschutzeffekt des Lignins in Kombination mit phosphorhaltigen Verbindungen ist die Tatsache, dass beide Komponenten räumlich voneinander getrennt im Kunststoff vorliegen und so deren gemeinsame Wirkung unterbunden wird. Dieses Problem wurde dadurch gelöst, dass der Phosphor chemisch an das Lignin angebunden wurde. Die chemische Modifizierung wurde dabei so gestaltet, dass sie auch für eine spätere Umsetzung in den industriellen Maßstab geeignet ist. Nach der Verfahrensentwicklung im Labormaßstab wurde die Synthese des phosphorylierten Lignins im hauseigenen Kilolabor durchgeführt. Somit wurden größere Mengen des Materials den Projektpartnern zur Weiterverarbeitung mit verschiedenen Kunststoffen bereitgestellt.

An der Universität Lille durchgeführte Brandtests an einem Massenverlust-Kalorimeter zeigten eine geringere Wärmeentwicklung bei Kunststoffen, die das vom Fraunhofer LBF phosphorylierte Lignin enthielten, im Vergleich zu solchen, die das reine Lignin beinhalteten. Morphologische Untersuchungen an Polypropylen-Compounds mit reinem und phosphoryliertem Lignin ergaben, dass das Lignin durch die Unverträglichkeit bedingt in großen, ungleichmäßig verteilten Agglomeraten vorlag, wodurch auch die Zugfestigkeit der Materialien abnahm. Durch weitere chemische Modifizierung des Lignins, einer Hydrophobierung, konnte dessen Verträglichkeit zu Polypropylen verbessert werden, was an einer feineren Morphologie und verbesserten mechanischen Eigenschaften erkennbar war.