Oberflächentechnologie

Forschungsprojekt

LignoPrint – Lignin als Bindemittel für nachhaltige Offset-Druckfarben    

Papiererzeugnisse wie Zeitungen, Infomaterial oder Grußkarten werden größtenteils im Offsetdruckverfahren hergestellt. Herkömmliche Offsetdruckfarben enthalten in der Regel Bindemittel mit Kolophonium . Eine nachhaltige und regional verfügbare Alternative könnte Lignin sein, einer der drei Hauptbestandteile von Holz. Es fällt als Nebenprodukt der Papierherstellung in großen Mengen an und hat derzeit noch keine stoffliche Nutzung. Wir entwickeln ein Verfahren zur Herstellung von ligninbasierten Bindemitteln für Offsetdruckfarben. 

Etwa 14 x 20 cm große Glasplatte mit einer dünnen Schicht aus rötlich-braunem Material.
© Fraunhofer WKI | Dirk Lukowsky
Die Ligninbindemittel werden geschmolzen und auf einer Glasplatte aufgerakelt, um eine ebene Oberfläche zu erhalten, deren Polarität dann mittels Kontaktwinkelmessung untersucht werden kann.
Dunkel dargestellte, flüssigkeitsähnliche Struktur, teilweise als zusammenhängende Lache, teilweise als Tropfen. In der Lache liegt ein helles, längliches Objekt mit faseriger Struktur.
© Fraunhofer WKI | Dirk Lukowsky
Polarisiertes Lichtmikroskopiebild eines Ligninbindemittels mit einer Holzfaser.
Papierausschnitt mit aufgedruckten Teststreifen in unterschiedlichen Helligkeitsstufen von weiß bis schwarz.
© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau
Die ersten Offsetdruckversuche mit dem neuen Ligninbindemittel sind vielversprechend.

Der Offsetdruck ist eine lithografische Technik, bei der die Druckfarbe (auch genannt »Tinte«) zuerst von einer Platte auf einen Gummizylinder übertragen und von dort auf das Papierblatt gedruckt wird. Die Druckfarbe besteht aus Farbpigmenten, modifiziertem Kolophonium und Alkyden als Bindemittel sowie Mineral- oder Pflanzenölen als Lösemittel.

Als eng verzweigtes, weitgehend aromatisches Makromolekül mit freien Hydroxy- und Carbonsäuregruppen ähnelt Lignin in seiner Struktur modifiziertem Kolophonium. Zudem bietet es zahlreiche Möglichkeiten zur chemischen Modifizierung, sodass seine Eigenschaften den Anforderungen für Druckfarbenformulierungen angepasst werden können.

Wir arbeiten Lignin als Ersatz für Kolophonium in Alkydpolymere ein und testen darüber hinaus Formulierungen mit Polyether- sowie Polyesterpolymeren. Dabei untersuchen wir verschiedene Lignintypen, einschließlich Kraft-Lignin, Soda-Lignin und Organosolv-Lignin.

Mit diesem Projekt schaffen wir eine Möglichkeit, den Rohstoff Holz in Zukunft effizienter zu nutzen. Holz besteht überwiegend aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Bei der Papierherstellung fallen jährlich ca. 50 Millionen Tonnen Lignin als Abfallprodukt an. Aufgrund der Heterogenität und geringen Löslichkeit in üblichen organischen Lösungsmitteln gibt es allerdings bislang kaum großtechnische Materialanwendungen für Lignin. Trotz verschiedener Anwendungstests als Klebstoff oder Dispergiermittel werden immer noch 98 Prozent des Lignins verbrannt. Die dabei entstehende Energie wird zwar teilweise von den Papierfabriken genutzt und darüber hinaus ins Stromnetz eingespeist – eine höherwertige, stoffliche Nutzung von Lignin wäre jedoch besser für die Umwelt und könnte wirtschaftlich attraktiv sein.

 

Zwischenergebnisse

Lignin hat eine relativ hydrophile, also »wasserliebende« Struktur. Da für den Offsetdruck eine sehr niedrige Polarität, wie etwa bei Ölen, unabdinglich für eine gute Druckqualität ist, besteht eine der wichtigsten Herausforderungen darin, die Polarität des Lignins zu verringern.

Im ersten Schritt haben wir daher eine Methode entwickelt, um die Polarität quantitativ bewerten zu können: durch das Messen des Kontaktwinkels eines Wassertropfens auf der Oberfläche des Ligninbindemittels. Je höher der Winkel, desto näher sind wir unserem Ziel, die Ligninbindemittel für den Offsetdruck verwenden zu können.

Durch Einarbeitung von Fettsäuren in den Ligninpolymer konnten wir diesen Kontaktwinkel bis zu 90° steigern. Gemeinsam mit unseren Projektpartnern konnten wir die so zusammengesetzten Ligninbindemittel in eine schwarze Druckfarbe einarbeiten und erste Druckmuster erstellen. Diese zeigen sehr vielversprechende Ergebnisse – sowohl in Bezug auf ihr Fließverhalten auf der Druckmaschine als auch in Bezug auf das fertige Druckbild.

Projektpartner

  • Worlée-Chemie GmbH
  • Flint CPS Inks Germany GmbH

Förderung

Projekttitel: Entwicklung von Lignin-basierten Bindemitteln und deren Formulierung zu Offset-Druckfarben (LignoPrint); Teilvorhaben 1: Synthese Lignin-basierter Polyether und Polyester als Bindemittel für Offset-Druckfarben

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft

Förderkennzeichen: 22036714

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

Laufzeit: 01.06.2017 bis 30.11.2020