Cellulose ist ein nahezu unerschöpfliches Biopolymer aus langen
Glukoseketten mit einzigartigen Struktureigenschaften. Sie dient
Pflanzen in deren Zellwänden als Gerüst, als eine Art Skelett. Cellulose
ist extrem zugfest, lässt sich vielseitig chemisch modifizieren – und
dadurch in ihren Eigenschaften verändern – und ist biologisch abbaubar.
Auf der Suche nach neuartigen Polymerwerkstoffen mit bestimmten
erwünschten Eigenschaften entwickeln die Materialwissenschaftler etwa
Hochleistungsverbundwerkstoffe (Komposite), in denen Nanofasern aus
Cellulose in Polymere eingebettet sind: als Leichtbauverbundstoffe mit
ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie Stahl sowie als nanoporöse
“Bio“-Schaumstoffe, um herkömmliche Isolationsschäume zu ersetzen.
Der ideale Leichtbauwerkstoff
Klassische
Cellulosechemie im Industriemassstab wird vor allem für die Zellstoff-,
Papier- und Faserherstellung eingesetzt. Die Forschung konzentriert sich
derzeit darauf, Cellulose in Form von Nanofasern zu isolieren und zu
charakterisieren. So genannte Nano-Cellulose besteht aus Fasern oder
Kristallen mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. Daraus,
so die Materialwissenschaftler, lassen sich neue Materialien gestalten,
die bei geringem Gewicht eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.
Kurz: der ideale Leichtbauwerkstoff.
Die Cellulose-Experten der
Empa-Abteilung «Holz» isolieren Cellulose-Nanofasern aus Zellstoff;
diese sind mehrere Mikrometer lang, aber nur wenige Nanometer dünn.
Die Nanofasern sind
untereinander stark vernetzt und haben eine extrem grosse Oberfläche,
über die sie mit Substanzen wie Wasser, aber auch anorganischen,
organischen und polymeren Verbindungen chemisch-physikalisch
interagieren kann.
Cellulose-Nanofasern
lassen sich daher als stabile und äusserst reaktive, zudem biologisch
erzeugte und abbaubare Ausgangsstoffe für einen technischen Einsatz
nutzen, etwa zum Verstärken von (Bio)-Polymeren als viel versprechender
umweltverträglicher Leichtbauwerkstoff im Automobilbau, aber auch als
Membran- oder Filtermaterial in Verpackungs- oder biomedizinischen
Anwendungen.
Chemische Modifizierung ist die Lösung
Die aus
Zellstoff isolierte Nano-Cellulose liegt zunächst als wässrige
Suspension vor. Trocknet sie, verhornt das Material, indem die
Cellulosefasern miteinander «verkleben» – und verliert seine
herausragenden mechanischen Eigenschaften. Daher wollten die
Empa-Forschenden ein Verfahren entwickeln, mit dem sich Nano-Cellulose
trocknen lässt, ohne dass sie verklumpt und verhornt. Die Cellulose
wurde dafür mit einer industriell leicht umsetzbaren und selbst für
Lebensmittelanwendungen unbedenklichen Methode chemisch modifiziert;
dies verhindert, dass sich die Cellulosefibrillen aneinander lagern und
miteinander verkleben.
Das Resultat kann sich sehen lassen: Das
getrocknete Nano-Cellulosepulver glänzte nach der Redispergierung in
Wasser mit den gleichen Eigenschaften wie nicht modifizierte Cellulose,
die vorher nicht getrocknet wurde. Damit ist das Nano-Cellulosepulver
für die Synthese von Bio-Nanokompositmaterialien eine attraktive
Alternative zu konventionellen Cellulose-Suspensionen. Diese bestehen zu
über 90 Prozent aus Wasser – was die Transportkosten explodieren lässt
und die Gefahr eines Abbaus durch Bakterien oder Pilze erhöht. Zudem
sind wässrige Cellulose-Suspensionen aufwändig zu verarbeiten, da im
Verlauf von chemischen Prozessen meist die Lösemittel ausgetauscht
werden müssen.
Empa-Forschungspreis 2011 an Christian EyholzerDie
Arbeiten zum neuen Herstellungsverfahren und zu Anwendungen der
Nano-Cellulose in unterschiedlichen Biopolymeren wurden vor kurzem mit
dem Empa-Forschungspreis 2011 ausgezeichnet. In einer Zusammenarbeit mit
der schwedischen «Luleå University of Technology» verstärkten der
Empa-Forscher und Doktorand Christian Eyholzer und seine KollegInnen
Klebstoffe, Hydrogele und biologisch abbaubare Kunststoffe mit dem
neuartigen Nano-Cellulosepulver. Nach Abschluss seiner Dissertation hat
Eyholzer die Empa verlassen und arbeitet derzeit bei der Sika als
Projektleiter in der Produktentwicklung.