Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ligninmodifizierung durch Reaktivextrusion für biobasierte Papierbeschichtungen

Forschungsthema:

Ligninmodifizierung durch Reaktivextrusion für biobasierte Papierbeschichtungen

Forschungsziel:

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist eine preiswerte chemische Modifizierung von Lignin durch Reaktivextrusion. Modifizierte Lignine werden zu Dispersionen verarbeitet, auf Papieroberflächen aufgetragen und so als biobasiertes Barrierematerial genutzt.

Lösungsweg:

Der Lösungsweg beinhaltet die Hydroxyalkylierung und Acetylierung von Lignin im Doppelschneckenextruder. Die Produkte werden umfassend charakterisiert, in Dispersionen überführt und auf Papier gestrichen. Die Eigenschaften der Beschichtungen im Hinblick auf Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeit sowie Fettdichtigkeit sollen anschließend geprüft werden.

Angestrebte Ergebnisse:

Die Modifizierung von Lignin in der Laborapparatur soll in den technischen Maßstab bei kontinuierlicher, lösungsmittelfreier Reaktionsführung übertragbar sein. Die Produkte sollen zu Papierbeschichtungen verarbeitbar sein und die Eigenschaften von Papierprodukten verbessern.

Nutzen für KMU:

Die Übertragung der Ligninmodifizierung aus dem Labor in einen wirtschaftlichen Prozess führt zu einer Wertsteigerung des Kopplungsproduktes Lignin in einer nicht-thermischen Verwertung. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens sollen branchenübergreifend genutzt werden. Der Einsatz neuer Rohstoffe in Verpackungsmaterialien ist für KMU prädestiniert, da eine viel höhere Flexibilität in deren Prozessen möglich ist.

Transfer:

Neben der anwendungsorientierten Forschung umfasst das Tätigkeitsfeld der Forschungsstellen auch die Weiterbildung und Beratung von Mitarbeitern kleiner und mittlerer Unternehmen, insbesondere der Papier erzeugenden und der Papier verarbeitenden Industrie. Die im Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnisse werden im Internet abrufbar sein und der Kenntnistransfer wird durch Berichte und Veröffentlichungen in die Praxis gefördert.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines kostengünstigen Verfahrens zur chemischen Modifizierung von Lignin mittels Reaktivextrusion. Durch die Modifizierung mit cyclischen Carbonaten sollte eine Wertsteigerung des bislang vor allem thermisch genutzten Koppelprodukts aus der Zellstoffgewinnung erreicht werden. Durch die einheitlichere Molekülstruktur und die leichter zugänglichen Funktionalitäten wurde auf eine verbesserte Dispergierung im wässrigen Medium abgezielt.

Im Rahmen des Forschungsprojekts konnten unter Verwendung dreier Ausgangslignine verschiedene Ligninderivate im Labormaßstab sowie mittels Reaktivextrusion erzeugt werden. Während die Reaktion verschiedener Lignine mit cyclischen Carbonaten im Labormaßstab mit sehr hohen Substitutionsgraden umsetzbar war, konnte das Ergebnis im Extruder nicht reproduziert werden. Veresterungen mit Essigsäureanhydrid bzw. Citronensäure im Extruder erwiesen sich jedoch als vielversprechende Alternativrouten.

Eine anschließende Dispergierung war bei oxypropylierten 0rganocell- und Kraftligninen möglich, während acetylierte Lignine ebenso wie mit Propionsäure veresterte modifizierte Lignine nicht in stabile wässrige Dispersionen überführt werden konnten.

Die Lignin basierte Beschichtung von Papier erwies sich insbesondere im Hinblick auf Sprödigkeit, Papierhaftung und Bildung eines geschlossenen Films als große Herausforderung. Durch die Verwendung von kationischer Stärke konnte eine bessere Faseranhaftung erreicht werden. Die Nutzung von Weichmachern wie Glycerol oder DMS0 führte zu einer verbesserten Filmbildung.

Die so erzeugten Beschichtungen zeigten, insbesondere im Fall von Kraftligninen, eine gute bis sehr gute Barriere gegenüber Fetten. Allerdings konnte keine ausreichende Barriere gegenüber Wasserdampf erzeugt werden. Auch die Modifikation mit hydrophoberen Seitenketten führte nicht zu einer Verbesserung der Wasserdampfbarriere.