Seit l\u00e4ngerem steht Nano-Cellulose als neuartiges Biomaterial im Fokus von Wissenschaft und Industrie. Die Einsatzm\u00f6glichkeiten reichen von der Werkstoff- und Medizinaltechnik bis hin zur Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Empa-Forschende entwickelten nun ein Herstellungsverfahren f\u00fcr Nano-Cellulosepulver, aus dem sich Polymerverbundwerkstoffe herstellen lassen, die beispielsweise als Leichtbauwerkstoff im Automobilbau oder als Membran- oder Filtermaterial in der Biomedizin Verwendung finden k\u00f6nnten.<\/b><\/p>\n
Cellulose ist ein nahezu unersch\u00f6pfliches Biopolymer aus langen Glukoseketten mit einzigartigen Struktureigenschaften. Sie dient Pflanzen in deren Zellw\u00e4nden als Ger\u00fcst, als eine Art Skelett. Cellulose ist extrem zugfest, l\u00e4sst sich vielseitig chemisch modifizieren – und dadurch in ihren Eigenschaften ver\u00e4ndern \u2013 und ist biologisch abbaubar. Auf der Suche nach neuartigen Polymerwerkstoffen mit bestimmten erw\u00fcnschten Eigenschaften entwickeln die Materialwissenschaftler etwa Hochleistungsverbundwerkstoffe (Komposite), in denen Nanofasern aus Cellulose in Polymere eingebettet sind: als Leichtbauverbundstoffe mit \u00e4hnlichen mechanischen Eigenschaften wie Stahl sowie als nanopor\u00f6se “Bio”-Schaumstoffe, um herk\u00f6mmliche Isolationssch\u00e4ume zu ersetzen.<\/p>\n
Der ideale Leichtbauwerkstoff<\/b>
Klassische Cellulosechemie im Industriemassstab wird vor allem f\u00fcr 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 Stabilit\u00e4t 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 d\u00fcnn.<\/p>\n
Die Nanofasern sind untereinander stark vernetzt und haben eine extrem gro\u00dfe Oberfl\u00e4che, \u00fcber 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 \u00e4usserst reaktive, zudem biologisch erzeugte und abbaubare Ausgangsstoffe f\u00fcr einen technischen Einsatz nutzen, etwa zum Verst\u00e4rken von (Bio)-Polymeren als viel versprechender umweltvertr\u00e4glicher Leichtbauwerkstoff im Automobilbau, aber auch als Membran- oder Filtermaterial in Verpackungs- oder biomedizinischen Anwendungen.<\/p>\n
Chemische Modifizierung ist die L\u00f6sung<\/b>
Die aus Zellstoff isolierte Nano-Cellulose liegt zun\u00e4chst als w\u00e4ssrige 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 l\u00e4sst, ohne dass sie verklumpt und verhornt. Die Cellulose wurde daf\u00fcr mit einer industriell leicht umsetzbaren und selbst f\u00fcr Lebensmittelanwendungen unbedenklichen Methode chemisch modifiziert; dies verhindert, dass sich die Cellulosefibrillen aneinander lagern und miteinander verkleben.<\/p>\n
Das Resultat kann sich sehen lassen: Das getrocknete Nano-Cellulosepulver gl\u00e4nzte nach der Redispergierung in Wasser mit den gleichen Eigenschaften wie nicht modifizierte Cellulose, die vorher nicht getrocknet wurde. Damit ist das Nano-Cellulosepulver f\u00fcr die Synthese von Bio-Nanokompositmaterialien eine attraktive Alternative zu konventionellen Cellulose-Suspensionen. Diese bestehen zu \u00fcber 90 Prozent aus Wasser – was die Transportkosten explodieren l\u00e4sst und die Gefahr eines Abbaus durch Bakterien oder Pilze erh\u00f6ht. Zudem sind w\u00e4ssrige Cellulose-Suspensionen aufw\u00e4ndig zu verarbeiten, da im Verlauf von chemischen Prozessen meist die L\u00f6semittel ausgetauscht werden m\u00fcssen.<\/p>\n
Empa-Forschungspreis 2011 an Christian Eyholzer<\/b>
Die 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 Lule\u00e5 University of Technology verst\u00e4rkten 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.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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