Holz statt Plastik? Vom Traum nachhaltiger Produkte

In unserem Alltag ist der Wunsch nachhaltige Produkte zu verwenden, statt solcher aus Kunststoff, häufig zu finden und kann in der Regel auch gut umgesetzt werden. Statt des Kunststoff-Einwegtellers kommen Zuckerrohr-Teller zum Einsatz, statt Polyester- wird ein Wollpullover gekauft. Manche Kleidungsstücke sind mittlerweile sogar kompostierbar! Doch wie sieht es eigentlich bei den Medizintechnikherstellern aus? Könnten sie auf Kunststoffe überhaupt verzichten, um nachhaltiger zu werden? Immerhin wird oftmals einiges an Elektronik verbaut.

Zumindest gibt es Forschungsversuche dies herauszufinden, wenn sie auch nicht nur die Medizintechnik im Sinn haben. Im multinationalen EU-Projekt "Hypelignum" (gefördert von der EU (Projekt-Nummer 101070302) und dem schweizer Bundesamt SBFI - Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation) versucht man derzeit bioabbaubare Elektronik herzustellen. Ein wichtiger Bestandteil hierfür: Holz. Besser gesagt Cellulosefibrillen. Wie genau der Prozess erfolgen soll und welche Vor- und Nachtteile es gibt, darüber haben wir mit Dr. Thomas Geiger vom Empa (Schweiz) gesprochen. Er ist im Projekt zunächst verantwortlich dafür, die nötigen Basisplatten für die folgende gedruckte Elektronik herzustellen.

Herr Dr. Geiger, was genau wollen Sie im Projekt "Hypelignum" erreichen?

Dr. Thomas Geiger: Wir arbeiten im Projekt mit Holzsubstraten, die wir im Anschluss für Platinen verwenden können. Wir experimentieren hierbei zum einen mit Holzwolle, zum anderen mit Holzfasern und Cellulosenanofibrillen. Die Holzwolle besteht aus dünnen Holzfäden, die aus einem Baumstamm gehobelt werden. Für die Cellulosenanofibrillen wird mit speziellen Prozessen nochmals Zellstoff zerkleinert. Wir starten also mit drei Materialien und probieren verschiedene Prozesse, um Platten zu erhalten, auf die schließlich die benötigte Elektronik gedruckt werden kann. Das Aufbringen der Elektronik fällt jedoch nicht in unseren Arbeitsbereich, sondern wird von den Kolleginnen und Kollegen im EU-Projekt übernommen.

Wie muss ich mir die Produktion vorstellen? Erhalten Sie ähnlich wie bei der Papierherstellung eine feste Masse, die sie pressen können?

Geiger: Wenn wir die Cellulosenanofibrillen hergestellt haben, sind sie anschließend in Wasser dispergiert. Es entsteht eine feste Paste, in der um die 12 bis 14 Prozent Cellulose enthalten ist, der Rest ist Wasser. Diese Paste geben wir in eine große Form. Die Form ist so gebaut, dass das Wasser entweichen kann, wenn man sie zusammenpresst. So erhalten wir eine dünne Platte.

Wenn man Cellulose immer enger zusammendrückt, dann fängt sie an zu verhornen. Das heißt, die Wasserstoff-Brücken-Bindungen zwischen den Cellulosemakromolekülen finden sich wieder, und das ganze Material wird sehr steif. So entsteht daraus eine sehr feste Platte. Und die kann man verwenden, um Elektronik darauf zu drucken. Mit den größeren Cellulosefasern funktioniert dies ebenfalls, aber hier brauchen wir ein Bindemittel. Denn die Selbstbindungseigenschaften des Zellstoffs sind nicht so ausgeprägt wie bei den Cellulosenanofibrillen. Das Gleiche gilt für das Holzwolleprodukt. Die Holzfäden müssen zusammengeklebt werden, um eine Platte zu erhalten.

Wie verhalten sich die Platten, wenn die Elektronik darauf gedruckt wird?

Geiger: Cellulose liebt Wasser. Wasser möchte man jedoch nicht in der Nähe von Elektronik haben. Dieses Thema bestimmt unter anderem das Projekt. Wir schauen derzeit, welche Materialien aus der Natur uns helfen können, die Platten vor der Aufnahme von Wasserdampf oder flüssigem Wasser zu schützen. Eine Rohplatte, egal ob aus reinen Cellulosenanofibrillen, Cellulosefasern oder Holzwolle, wird mit der Zeit, wenn sie einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, Wasser aufnehmen.

Und je nachdem, welche Elektronik aufgebracht ist, kann das störend wirken. Deshalb benötigt man eine Isolationsschicht. Darüber hinaus möchten wir verhindern, dass die Celluloseplatte quillt und es dadurch zu Verwindungen kommt, sodass es keine flache Platte mehr ist, sondern sich die Platte wölbt. Wasserdampf über die Zeit kann wirklich sehr tief in die Struktur eindringen und dann leidet die mechanische Stabilität der Platte.

Sie haben mit dem Material als ersten Schritt ein Gehäuse für Computermäuse fertiggestellt. Nun testen Sie die Leiterplatten. Wenn es Ihnen gelingt, das Material nach Ihren Wünschen zu gestalten, hätten Sie dann eine nachhaltige Alternative zu Kunststoff?

Geiger: Ja, allerdings mit einem 'Aber'. Die Industrie hat, wenn sie Kunststoffe verarbeitet, immer Möglichkeiten, sehr schnell große Volumen herzustellen. Und da Cellulose kein Thermoplast ist, sondern wir über dieses Entwässerungssystem gehen oder mit Bindemittel und Klebern arbeiten müssen, dauert die Herstellung eine gewisse Zeit. Darüber hinaus sind wir nicht unbegrenzt frei in der Formgebung. Wenn man sich das Gehäuse einer Computermaus im Inneren anschaut, dann sieht man viele Stege und Zusatzeinbauten. Die kann man mit der Cellulose im Moment so nicht nachformen. Man müsste erst alles Re-Designen. Deshalb schaut man in der Industrie eher nach thermoplastischen Bio-Polymeren, die man direkt in den vorhandenen Maschinen verarbeiten kann. Es ist somit schwierig, die Industrie davon zu überzeugen, unser Verfahren auszuprobieren. Auch wenn wir nachhaltige geschlossene Kreisläufe anbieten können und alles CO2-neutral gestalten.

Bestimmte Kunststoffe wie PFAS sollen demnächst verboten werden. Wäre dies vielleicht der Moment zu sagen: Hier, wir haben etwas, was nicht umweltschädlich ist?

Geiger: Auf jeden Fall. Es braucht natürlich jemanden, der den Mut hat, den ersten Schritt zu tun. Ich könnte mir gut vorstellen, dass unser Verfahren zum Beispiel sehr gut für Produkte geeignet ist, die wenig Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind. Büroprodukte wie zum Beispiel unsere Computermaus oder ähnliches.

Die COMPAMED beschäftigt sich mit Medizintechnik und den Produkten der Zulieferer für die Medizintechnik. Welche Einsatzmöglichkeiten sehen Sie hier für das Material?

Geiger: Ich denke zunächst ist der Packaging-Bereich für unser Verfahren interessant. Es gibt hier viele Verwendungen für Papier und Pappe.

Wie sieht es denn zum Beispiel mit 3D gedruckten Produkten aus? Könne die Cellulosenanofabrillen auch hier eingesetzt werden?

Geiger: Das geht, aber man muss auf eine wässrige Suspension übergehen. Die kann man so hoch konzentrieren, dass sie pastenartig wird. Damit kann man in 3D drucken. Das machen wir hier auch in unserer Abteilung. Man könnte auch überlegen lebende Zellen zu implementieren oder Additive wie Enzyme. Dann würde man einen 3D-Körper drucken, ihn trocknen und anschließend nutzen. Darüber hinaus könnte man für die Medizintechnik Hydrogele 3D-drucken. Das haben wir hier bereits ausprobiert. Das Verfahren ist interessant für die Wundversorgung und Knochenersatz und ähnliches. Ein Forschungsteam an der ETH Zürich hat zum Beispiel ein komplettes Rohr aus Cellulose gedruckt. Da kann man sich etwa überlegen – wenn man entsprechende Zellen animiert, dort entlangzuwachsen, sodass sie die gleiche Form übernehmen –, Organersatz zu züchten. Hier steht man jedoch noch am Anfang.

Das hört sich sehr spannend an. Wo stehen Sie denn derzeit im Projekt?

Geiger: Das Projekt wurde im Oktober 2022 richtig begonnen und wir haben bereits die ersten Proben praktisch hergestellt. Auf diese Platten konnten unsere Projektpartner aus Hypelignum bereits drucken. Es gibt somit bereits erste Demonstratoren, mit denen wir das Prinzip aufzeigen können. Jetzt erfolgt der nächste Schritt, der Schutz der Platine gegen Luftfeuchtigkeit. Und wir müssen noch viel testen, damit die Kompatibilität der Tinten, die drauf gedruckt werden, funktioniert. Im Projekt ist ausformuliert, dass wir Technologien verwenden, um Multi-Schichten-Platinen mit 3D-Druck zu applizieren.

Ein weiteres Thema des Projektes ist "Kompostierbarkeit". Können die Leiterplatten nach der Benutzung einfach auf den Komposthaufen?

Geiger: Mit diesem Thema hat sich eine Schülerin in ihrer Matura-Arbeit (eine Facharbeit der Schule in der Schweiz) beschäftigt. Wie zersetzte sich die Platte? Haben die Leiterbahnen, wenn zum Beispiel Kupfer enthalten ist, Einfluss auf das Ergebnis? Was passiert, wenn elektronische Bauteile montiert sind? Wenn ich die in den Komposthaufen lege, degradiert es dann noch komplett? Es wurden ganze Proben hergestellt und dann in einen Komposthaufen gelegt. Nach fünf Monaten wurden sie herausgeholt und man hat gesehen, dass die komplette Cellulose abgebaut wurde. Man konnte die Kupfer-Leiterbahnen separieren und auch die elektronischen Bauteile. Wenn man diese Anteile industriell separieren könnte, um sie zu recyceln oder wiederzuverwenden, hätte man ein umweltschonendes Verfahren entwickelt. Aber es gibt noch viele offene Fragen. Zum Beispiel wie es mit dem Kupfereintrag in den Kompost aussieht. Das müsste genauer untersucht werden.

Welche Lebensdauer haben die Holzplatten? Eine Computermaus würde vermutlich viel beansprucht werden. Ist die Lebensdauer mit der von Plastik vergleichbar?

Geiger: Wir werden bei unserem fertigen Produkt nie die rohe Oberfläche der Cellulose haben, sondern es muss immer ein Coating aufgebracht werden. Erst so erhalten wir erst einen gewissen Glanz beim Produkt. Es geht auch immer um das Erscheinungsbild. Von daher kann man durch ein biologisches Lacksystem die Lebensdauer verlängern. Von der Mechanik her kann ich mir durchaus vorstellen, dass man hier dem Kunststoff nahekommt.