Diese hochporösen Dämmplatten aus ligninbasierten Aerogelen wurden an der Technischen Universität Hamburg-Harburg hergestellt. Foto: Joana Gil, TU HH
Aus der Forschung: Lignin-Aerogele
An der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TU HH) haben Forscher erstmals erfolgreich ligninbasierte Aerogele hergestellt und zu hochporösen Platten mit hervorragenden Dämmeigenschaften verarbeitet. Lignin ist ein natürlicher Bestandteil von Holz und kommt auch sonst in verholzten Teilen vieler Pflanzen vor. Es handelt sich also um einen nachwachsenden Rohstoff, der in großen Mengen zur Verfügung steht.
Das Naturprodukt Lignin wirkt als Kittsubstanz und sorgt im Holz für den festen Zusammenhalt der Zellwände. Diese natürliche Bindemittel-Funktion macht sich die Holzwerkstoffindustrie bereits heute zunutze, indem sie zum Beispiel Spanplatten ohne chemische Bindemittel wie Formaldehyd herstellt, bei denen die Holzspäne einzig und allein durch das holzeigene Lignin zusammengehalten werden. Als Rohstoff für Aerogele war Lignin dagegen bisher nicht bekannt. Die Wissenschaftler von der TU HH haben also Forscher-Neuland betreten.
Bei den in Hamburg-Harburg hergestellten Produkten handelt es sich um hochporöse Dämmplatten mit hervorragenden Isoliereigenschaften. Einige Prototypen sollen Wärmeleitfähigkeiten bis hin zu 0,024 W/mK erreichen. Damit übertreffen sie deutlich die Leistung von etablierten Massendämmstoffen wie EPS oder Steinwolle. Verantwortlich für die hervorragenden Wärmedämmeigenschaften sind die Aerogele in den Platten. Zwar ist die Herstellung reiner Lignin-Aerogele bisher noch nicht möglich, doch das Hamburger Team um die Professorin Irina Smirnova ist diesem Ziel zumindest ein großes Stück nähergekommen.
Was sind Aerogele?
Die meisten bisherigen Aerogel-Anwendungen im Baustoffbereich basieren auf getrocknetem Silica-Aerogel, das man aus Kieselsäureverbindungen herstellt. Das feste Endprodukt besteht dabei zu mindestens 95 % aus Luftporen. Aufgrund dieser extremen Porosität bieten Silica-Aerogele eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, die bei 0,017 W/mK liegt. Eingesetzt werden sie zum Beispiel in Vakuumdämmplatten. Doch auch die im Jahr 2010 von Rockwool vorgestellte „Aerowolle“ enthielt Silica-Aerogel. Der Dämmstoffhersteller fügte die Substanz seiner Steinwolle in getrockneter und gemahlener Form hinzu. So entstanden Mineralwolle-Platten mit einer Wärmeleitfähigkeit von – je nach Rohdichte – bis zu 0,019 W/mK.
Silica-Aerogel hat allerdings den Nachteil, dass die Herstellung vergleichsweise aufwändig und der Preis der Baustoffe deutlich höher als der von konventionellen Dämmstoffen ist. Dass sich Vakuumdämmungen bisher nicht wirklich durchgesetzt haben und Rockwool die Herstellung seiner Aerogel-Mineralwolle wieder eingestellt hat, hängt eben auch damit zusammen, dass die hochpreisigen Produkte zu wenig nachgefragt wurden.
2015 machte dann die BASF einen neuen Anlauf in Sachen Aerogel-Dämmstoffe. Erstmals wurden nun Aerogel-Hartschaumplatten entwickelt. Dem Chemiekonzern ist es nämlich gelungen, gewöhnliches Polyurethan in ein PU-Aerogel zu verwandeln. Die weißen Hartschaumplatten sollen in den nächsten Jahren auf den Markt kommen. Sie sehen auf den ersten Blick zwar nicht viel anders aus als EPS, verfügen aber über eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit von nur 0,017 W/mK. Doch auch dieses BASF-Produkt wird sicher nicht zum Preis herkömmlicher Hartschaumplatten zu haben sein.
Bei den nun von der TU HH vorgestellten Lignin-Aerogelen ist es für eine Preisprognose noch zu früh. Die Produkte und die Verfahren zu ihrer Herstellung sind noch im Entwicklungsstadium. Immerhin ist Lignin ein nachwachsender Rohstoff, der in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht. Das ist schon mal gut. Inwieweit der Umwandlungsprozess von Lignin in Aerogele so wirtschaftlich gestaltet werden kann, dass daraus konkurrenzfähige Produkte entstehen, bleibt noch zu klären.
Rohstoffe Buchenholz und Stroh
Lignin wird aus Holz und verholzten Pflanzen wie Stroh gewonnen. Foto: Pixabay
Für ihr Aerogel-Forschungsprojekt verwendeten die Hamburger Wissenschaftler Lignin aus Buchenrestholz und aus Weizenstroh. Insgesamt entwickelten sie fünf verschiedene Gelierungsstrategien zur Umwandlung des Lignins. Wie bereits angedeutet, entstanden dabei keine reinen Aerogele. Einer der erfolgreichsten Ansätze führte zu Lignin-Polyurethan-Aerogelen mit einem massebezogenen Lignin-Gehalt von 78 %.
Aus diesem Material bestehen die oben genannten Dämmplatten mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis 0,024 W/mK. Dieser Wert ist allerdings variabel, da die Platten in Dichten zwischen 50 und 250 kg/m3 herstellbar sind. Je geringer die Dichte, umso geringer ist auch die Wärmeleitfähigkeit. Eine andere aussichtsreiche Aerogel-Variante, die an der TU HH entwickelt wurde, besteht aus ligninbasierten Resorcin-Formaldehyd-Aerogelen. Diese bestehen bis zu 70 Prozent aus Lignin.
Weg zur Markteinführung
Die künftige Markteinführung der neuen Werkstoffe soll durch zwei Ausgründungen der TU HH vorangetrieben werden. Der Bereich BioMP kümmert sich um die Herstellung von Lignin zur Bemusterung und Weiterverarbeitung für interessierte Firmen. Der Bereich Aerogelex (www.aerogelex.com) stellt dagegen verschiedene Arten organischer Aerogele im Pilotmaßstab zur Verfügung und bietet unter anderem Lignin-PU-Aerogelplatten für industrielle Tests an.
Die Forschungsarbeit der TU HH wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert. Der Schlussbericht („Stoffliche Nutzung von Lignin: Nanoporöse Materialen“) steht auf www.fnr.de unter dem Förderkennzeichen 22018312 zur Verfügung.
Über den Autor
Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für
BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin
BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift
baustoffpraxis.
Kontakt:
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