Nanofibrills

Nanofibrills: Holzbasierte Hybridnanokomposite als multifunktionale Hochleistungsausgangsmaterialien für den 3D-Druck

Projekt Beschreibung

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von holzbasierten hybrid-Materialien zur Anwendung als 3D-gedruckte, verstärkte Nanokompositmaterialien sowie der potentiellen Anwendung als biobasierte Gerüstsubstanzen. Auf chemischem Wege wird ein natürlich vorkommendes Biopolymer, die Nanocellulose, gezielt verändert, um daraus ultraleichte, höchst widerstandsfähige 3D-gedruckte Strukturen und Gerüstsubstanzen auf biologischer Basis herzustellen.

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer universellen Grundsubstanz auf Nanocellulosebasis, durch die chemische Modifizierung deren Oberfläche im Rahmen einer kontrollierten radikalischen Polymerisation. Die erste Derivatisierung der Nanocellulose geschieht durch Veresterung. Dadurch entsteht ein nanocellulosebasierter Macroinitiator. Währenddessen werden anorganische Nanopartikel an der Oberfläche ebenfalls modifiziert, um spezifische Monomere in die äußere Ligandenschale einzubringen. Anschließend wird die Fähigkeit des hergestellten, nanocellulosebasierten Makroinitiators untersucht, eine kontrollierte radikalische Polymerisation verschiedener Monomere zu initiieren. Dies geschieht in Gegenwart der modifizierten Nanopartikel, um eine Quervernetzung zwischen den Nanocellulosefibrillen zu erzeugen. Eine schematische Darstellung dieser chemischen Herangehensweise ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Durch die kontrollierte radikalische Polymerisation wachsen die vorher ausgewählten Monomere auf der Nanocellulose, während sie zeitgleich die anorganischen Nanopartikel mit der Nanocellulose verbinden. Die anorganischen Nanopartikel haben zwei Hauptaufgaben: 1. Abhängig von ihrem Material übertragen sie ihre Eigenschaften auf das finale Material (dies können zum Beispiel magnetische oder katalytische Eigenschaften sein oder auch Licht- bzw. UV-Schutz). 2. Sie fungieren als Quervernetzer zwischen den einzelnen CNF, wodurch sich ein starkes und widerstandsfähiges Netzwerk aus den Fibrillen ausbildet. Die quervernetzten Fibrillen aus Hybridnanocellulose werden anschließend mittels 3D-Druck verarbeitet.

Die Verarbeitung des finalen Materials mittels 3D-Druck hat mehrere Vorteile. Zum einen wird der additiven Fertigung ein nachhaltiges Ausgangsmaterial zur Verfügung gestellt, denn die meisten kommerziell verfügbaren Ausgangsstoffe für den 3D-Druck basieren derzeit auf fossilen Quellen. Zum anderen bietet der 3D-Druck die Herstellung komplexer, sehr leichter und höchststrukturierter Werkstücke. Dafür werden beim 3D-Druck jedoch keine spezifischen und teuren Gussformen oder Werkzeuge benötigt. Darüber hinaus bietet diese Technologie weitere Vorzüge, wie sehr leichte Objekte, komplett individuell gestaltete und komplexe Strukturen oder nachgebildete, hochentwickelte Strukturen mit einem hohen Präzisionsgrad.

Zeitraum

01.03.2019 – 31.08.2020

Förderung

Gefördert durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) und das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL).

Förderkennzeichen: 22004518