Entwicklung eines biopolymerbasierten und bioabbaubaren Verbundmaterials zur Anwendung in innovativen Fertigungstechnologien; Akronym: TrueBioComposite

Abstract

Projektbeschreibung: Es wird das Ziel verfolgt, myzelbasierte Chitomaterialien als Rohstoff für drei exemplarische Fertigungsverfahren - Liquid Deposition Moulding (LDM), Bulk Moulding (BMC) und naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFVK) - vorzubereiten. Kernaufgabe ist die Aufarbeitung des Pilzmyzels von Aspergillus niger. als Quelle für die Projektpartner für die Herstellung von Biopolymerverbundwerkstoffen aus Pilzmyzel, Chitosan und Naturfasern. Es wird ein Spritzwasserschutz und eine Verringerung der Quellbarkeit durch chemische Behandlung angestrebt, ebenso wird die Biodegradierbarkeit untersucht. Ziel ist es die Fertigungsverfahren Bulk Moulding und NFVK an das aufbereitete Pilzmyzel anzupassen und Imprägnierverfahren für Endlosfasern mit Chitosan-/Myzelmatrix zu entwickeln. Zudem sollen Bauteile und Laminatstrukturen hergestellt und geprüft werden. Vorarbeiten belegen die Machbarkeit der Herstellung von faser- und füllstoffgefüllten Chitosanlösungen sowie Laminaten und Sandwichplatten. Erste mechanische Tests mit Pilzmyzel zeigen vielversprechende Eigenschaften des entstandenen Monoliths (Elastizitätsmodul ~2 GPa, Festigkeit ~60 MPa). Der wissenschaftliche und technische Stand knüpft an die Erkenntnis an, dass Chitin als zweithäufigstes Biopolymer bisher kaum genutzt wird. Erste Studien belegen die Anpassbarkeit von Chitin und Chitosan an Fertigungsverfahren, jedoch existieren keine bekannten Anwendungen von chitobasierten Materialien aus Pilzmyzel als Composite-Matrixsystem. Deshalb könnten solche Systeme als nachhaltige Alternative zu Glas und Kohlenstofffaserverbunden dienen. Kommerzielle biobasierte Matrixsysteme sind zwar verfügbar, jedoch fehlt bislang die vollständige Bioabbaubarkeit und die Integration in eine Kreislaufwirtschaft, die ein pilzbasierter Verbundwerkstoff leisten könnte. Ziel dieses Teilvorhabens war die nutzbare Aufbereitung von Restmyzel aus der Zitronensäureproduktion durch Aspergillus niger für die additive Fertigung Das entwickelte Druckmaterial sollte dabei vollständig kompostierbar sein und den Eintritt in die Kreislaufwirtschaft ermöglichen. Im Rahmen des Projektes wurden Füllstoffauswahl, Rheologie, Drucktechnik, Trocknungsprozesse sowie die mechanischen und hygroskopischen Eigenschaften von Myzelproben systematisch untersucht. Für Druckversuche wurde ein additiver Versuchsaufbau zum Liquid Deposition Modelling (LDM) zusammengestellt und validiert. Eine umfassende Datenbank mit verfügbaren Füllstoffen wurde erstellt. Die besten Druckergebnisse ergaben sich bei einem Durchmesser von 1,6 mm. Die Zugabe von Carboxymethylcellulose (CMC) verbesserte Viskosität und Verarbeitbarkeit der Myzelpasten und verhinderte Phasentrennung. Rheologische Messungen an homogenisierten Myzelproben zeigten ein thixotropes Scherverdünnungsverhalten. Die systematische Ermittlung der Druckparameter ergab, dass die untersuchten Pasten Überhänge bis ~60° und Überbrückungsfähigkeiten bis 12,5 mm (2 % CMC) erreichten, wobei Druckgeschwindigkeit und Förderrate kritische Parameter darstellten. Ferner kann CMC auch die Wasserdampfdurchlässigkeit angelehnt an DIN-53122 reduzieren, besonders im Vergleich zu Hanffasern. Neben der Etablierung des LDM-Verfahrens wurden Trocknungsverfahren für die Probenkörper untersucht. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche mechanische Eigenschaften, die durch 3-Punkt-Biegeversuche ermittelt wurden. Signifikante Unterschiede traten zwischen ofengetrockneten und gefriergetrockneten Proben auf: ofengetrocknete Proben erreichten Biegefestigkeiten >40 MPa, während gefriergetrocknete Proben hartschaumähnliche Eigenschaften mit ~ 1,2 MPa aufwiesen. Die erhaltenen Ergebnisse sind somit vielversprechend für Anwendungen im Innenausbau, der Schallisolation oder im Leichtbau.