US-amerikanische Forscher der University of Delaware untersuchten die Möglichkeiten aus dem Abfallprodukt Lignin effizient ein biobasiertes 3D-Druck-Materialien herstellen zu können. Ihr Ziel war es, die etwa 100 Millionen Tonnen jährlich in der Herstellung von Papierprodukten entstehenden Ligninabfälle sinnvoll weiterzuverwenden. Wir stellen die zum Patent angemeldete Lösung einmal genauer vor.

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Forscher der University of Delaware (UD) untersuchten in einer Forschungsarbeit, wie sich Biomasse wirtschaftlich zu neuen 3D-Druck-Materialien recyceln lässt. Dabei konzentrierten sie sich laut einer Pressemitteilung auf Lignin, das bei der Herstellung von Papierprodukten als Abfallprodukt übrig bleibt. Es gelang ihnen, das Material effizient in biobasierte 3D-Druck-Harze umzuwandeln. Laut den Forschern sollen die Harze mit vergleichbaren erdölbasierten Produkten konkurrenzfähig sein.

Ihre Arbeit veröffentlichten die Forscher im Fachjournal Science Advances in einem Artikel mit dem Titel „Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction“

Details zur Arbeit mit Lignin

Pflanzen produzieren laufend Lignin, da es ihren Zellwänden Festigkeit und Steifheit verleiht, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Etwa 100 Millionen Tonnen technischer Ligninabfälle entstehen weltweit jährlich, erzeugt in Zellstoff- und Teilfabriken. Um diese sinnvoll zu nutzen, konzentrieren sich die Forscher auf die Ökonomie des Upscaling-Prozesses. Viele bestehende Prozesse arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, sind teuer und schwer skalierbar. Sie sind mit Sicherheitsbedenken, Kapitalkosten und dem Energieverbrauch verbunden, die mit herkömmlichen Lösungsmitteln, Temperaturen oder Drücken einhergehen.

Das Team der UD ersetzte das herkömmliche, beim Abbau von Lignin verwendete Lösungsmittel Methanol durch Glycerin. Dadurch kann der Prozess bei normalem atmosphärischem Druck stattfinden. Das kostengünstige Glycerin wird wegen seiner feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften in Kosmetika eingesetzt, eignet sich aber auch zum Abbau von Lignin in seine chemischen Bausteine. Glycerin liefert die gleiche chemische Funktionalität bei viel niedrigerem Dampfdruck. Ein geschlossenes System ist nicht mehr notwendig und Reaktions- und Trennschritte des Verfahrens könnten gleichzeitig abgeschlossen werden, wodurch ein kostengünstigeres System möglich ist.

Forscher an der Universität Freiburg haben ebenfalls Lignin weiterverarbeitet und eine neuartige Biopaste für den 3D-Druck daraus entwickelt. Die 3D-Druck-Technologie „Forust“ bringt mit Holznebenprodukten elegante, starke 3D-Holzobjekte hervor.

3D-Druck-Beispiel
Die Forscher untersuchten die Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit ihres Prozesses (im Bild: 3D-Druck-Beispiel aus dem entstandenen Material)(Bild © Paula Pranda).

Wirtschaftlicher und sicherer

Der sicherere Betrieb bei Atmosphärendruck bietet einen einfachen Weg, das Verfahren von kleinen Chargen auf einen kontinuierlichen Betrieb zu skalieren. Mehr Material könnte billiger, schneller und mit weniger Handarbeit erzeugt werden.

Die Forscher recherchierten, welche Produkte mit den neuen SLS-3D-Druck-Materialien möglich sind und schätzten die physikalischen Eigenschaften. Sie prüften, ob die hergestellten Materialien sich wirtschaftlich rentieren und untersuchten, wie sich vorgelagerte Kosten wie der Rohstoffpreis oder die Ausbeute auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens im weiteren Prozessverlauf auswirken würden.

3D-Druck aus dem entstandenen Material
Forschern recycelten das Abfallprodukt Lignin in 3D-Druck-Material (im Bild: Druckbeispiel)(Bild © University of Delaware).

Modelle zeigten, dass das Niederdruckverfahren der UD die Kosten für die Herstellung eines biobasierten Haftklebstoffs aus Nadelholz-Kraft-Lignin um bis zu 60 Prozent verglichen zu herkömmlichen Verfahren senken. Die Ausbeute spielt zwar eine wichtige Rolle für die Wirtschaftlichkeit der Anlage, die Betriebskosten des neuen Niederdruckverfahrens waren jedoch deutlich niedriger als bei bekannten Verfahren, was zu geringeren Kapitalkosten führte und wertvolle Nebenprodukte hervorbrachte. Eine Lebenszyklusanalyse zeigte, wie viele Treibhausgasemissionen durch den Prozess erzeugt werden. Die Forscher haben ihr Verfahren zum Patent angemeldet.

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