Biobasierter Werkstoff aus Luzernefasern
Die passende Faserfraktion war gefunden. Doch lose Luzernefasern sind noch kein belastbarer Werkstoff. Im nächsten Schritt musste deshalb eine Materialmischung entwickelt werden, die sich gleichmäßig verarbeiten, in Form pressen und anschließend als Verpackungs- oder Anzuchtschale nutzen lässt.
Anforderungen aus der Praxis
Die Materialentwicklung begann nicht allein im Labor. Ausgangspunkt waren die Anforderungen, die sich aus der späteren Nutzung der Schalen ergaben.
Verpackungsschalen müssen leicht und gleichzeitig ausreichend stabil sein. Sie sollen sich gut befüllen, transportieren und im Handel handhaben lassen. Beim Herausnehmen aus Transportkisten dürfen sie weder brechen noch dauerhaft eingedrückt werden. Auch die Oberfläche und das Erscheinungsbild spielen eine Rolle: Die natürliche Herkunft des Materials darf sichtbar bleiben, die Schale soll dennoch gleichmäßig und funktional wirken.
Bei den Anzuchtschalen kamen weitere Anforderungen hinzu. Sie müssen während der gesamten Kultivierungszeit ihre Form behalten und regelmäßigem Kontakt mit Wasser standhalten. Gleichzeitig dürfen die eingesetzten Materialien die Keimung und das Wachstum der Microgreens nicht beeinträchtigen.
Aus diesen praktischen Anforderungen wurden die zentralen Entwicklungsziele abgeleitet: Festigkeit, Formbarkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, eine möglichst gleichmäßige Oberfläche und eine zuverlässige Verarbeitung.
Ein Werkstoff für zwei Produktlinien
Verpackungs- und Anzuchtschalen sollten auf derselben grundlegenden Materialmischung basieren. Dadurch lassen sich beide Produktlinien mit einem gemeinsamen Werkstoff und einem vergleichbaren Formpressverfahren herstellen.
Die Anforderungen unterscheiden sich jedoch in einzelnen Punkten. Bei der Verpackungsschale stehen vor allem Handling, Stabilität und der kurzzeitige Schutz des Lebensmittels im Vordergrund. Die Anzuchtschale bleibt dagegen über einen deutlich längeren Zeitraum mit Wasser und Pflanzen in Kontakt. Aufbauend auf einer gemeinsamen Materialbasis mussten deshalb für beide Anwendungen jeweils passende technische Lösungen entwickelt werden.
Von losen Fasern zur gleichmäßigen Matte
Ausgangspunkt war die zuvor ausgewählte Fraktion B. Die losen Luzernefasern wurden zunächst gleichmäßig verteilt und zu einer Fasermatte gelegt. Eine möglichst gleichmäßige Materialverteilung ist wichtig, damit später in allen Bereichen des Formteils eine vergleichbare Wandstärke entsteht.
Durch eine Vorverdichtung erhielt die zunächst lockere Matte mehr Zusammenhalt. Gleichzeitig zeigte sich jedoch ein Zielkonflikt: Je stärker die Fasern vorverdichtet wurden, desto weniger konnten sie sich bei der späteren dreidimensionalen Umformung bewegen.
Die Matte musste deshalb bereits so vorbereitet werden, dass ihre Materialverteilung zur späteren Schalenform passt. Zu wenig Material würde zu dünnen oder instabilen Bereichen führen, während Materialansammlungen die Oberfläche und die Formgebung beeinträchtigen können.
Wasser allein reicht nicht aus
Zunächst wurde untersucht, ob die pflanzeneigenen Bestandteile der Luzerne gemeinsam mit Wasser einen ausreichenden Zusammenhalt erzeugen können. Für einfache flächige Prüfplatten war eine Verdichtung grundsätzlich möglich. Bei der dreidimensionalen Umformung reichte die Festigkeit jedoch nicht aus (siehe Abb. zu Breitenbezogene Bruchkraft Vorzugsreihe).
Auch unterschiedliche Wassergehalte brachten keine entscheidende Verbesserung. Die Fasermatten verloren bei der Umformung ihren Zusammenhalt oder wiesen nach der Lagerung nicht mehr die erforderlichen mechanischen Eigenschaften auf.
Damit wurde deutlich: Für einen dauerhaft stabilen und formbaren Luzernewerkstoff war ein zusätzliches Bindemittel notwendig.
Die Suche nach der passenden Materialmischung
In mehreren Versuchsreihen wurden unterschiedliche pflanzliche und natürliche Bindemittel miteinander verglichen. Dazu gehörten Speisestärke, Saatguterbsenpulver und Kiefernharz sowie Kombinationen dieser Bestandteile.
Speisestärke führte zu keiner ausreichenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Auch Erbsenpulver allein brachte noch nicht die benötigte Festigkeit. Einen deutlichen Fortschritt bewirkte dagegen Kiefernharz. Es verbesserte insbesondere die Biegesteifigkeit und stabilisierte den Faserverbund.
Als besonders geeignet erwies sich schließlich die Kombination aus Luzernefasern, Kiefernharz und Saatguterbsenpulver. Das Harz sorgt für Stabilität und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit. Das Erbsenpulver unterstützt den Zusammenhalt und trägt zu einer gleichmäßigeren Oberfläche und Verarbeitung bei.
Für die finalen Schalen wurde daraus eine Rezeptur mit 36 Gramm Luzernefasern, 7 Gramm Kiefernharz und 7 Gramm Erbsenpulver entwickelt.
Schutz vor Feuchtigkeit
Naturfasern nehmen von sich aus Wasser auf. Für die spätere Nutzung der Schalen musste deshalb untersucht werden, wie sich diese Wasseraufnahme reduzieren lässt.
Getestet wurden verschiedene biobasierte und für den Lebensmittelkontakt geeignete Mittel, darunter Carnaubawachs, Bienenwachs und unterschiedliche Wachsemulsionen. Dabei war nicht nur das eingesetzte Material entscheidend, sondern auch die Art der Anwendung.
Die Mittel wurden unter anderem auf die Fasern aufgesprüht sowie auf fertige Werkstoffplatten gestrichen, aufgeschmolzen oder durch Tränken aufgebracht. Die Versuche zeigten, dass reines Bienenwachs und Carnaubawachs die Wasseraufnahme am stärksten reduzierten.
Ein einfacher Wassertropfentest machte außerdem sichtbar, wie deutlich sich unterschiedliche Auftragsverfahren auf die Wasserbeständigkeit auswirken können.
Kiefernharz wurde ebenfalls als Oberflächenbeschichtung untersucht. Dafür war es jedoch zu spröde: Durch kleine Bewegungen im Faserverbund konnten Risse entstehen, über die Wasser wieder in das Material gelangte. Als fein verteilter Bestandteil der Grundmischung erfüllte das Harz dagegen wichtige Aufgaben für Festigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Verträglich mit den Pflanzen
Da der Werkstoff auch für Anzuchtschalen eingesetzt werden sollte, wurde zusätzlich geprüft, ob die ausgewählten Materialien die Keimung und das Wachstum der Microgreens beeinflussen.
In den Vergleichsversuchen wurden unbehandeltes Material sowie Varianten mit Bienenwachs und Kiefernharz betrachtet. Dabei waren keine negativen Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum erkennbar.
Die Ergebnisse bestätigten, dass die untersuchten Materialien grundsätzlich für die weitere Entwicklung der Anzuchtschalen geeignet waren. Die konkrete technische Lösung für den dauerhaften Schutz vor Wasser wurde anschließend gemeinsam mit den Anzuchtversuchen weiterentwickelt.
Pressen unter den richtigen Bedingungen
Neben der Zusammensetzung des Materials beeinflussen auch Feuchtigkeit, Temperatur, Druck und Presszeit das Ergebnis. Diese Parameter wurden deshalb schrittweise angepasst und anhand von Prüfplatten und ersten Formteilen untersucht.
Zu wenig Feuchtigkeit erschwerte die Verdichtung und den Zusammenhalt der Fasern. Zu viel Feuchtigkeit verlängerte dagegen den Prozess und konnte die Oberflächenqualität beeinträchtigen. Auch Presszeit und Temperatur mussten so aufeinander abgestimmt werden, dass das Kiefernharz plastifiziert, das Material zuverlässig verbunden und eine möglichst gleichmäßige Oberfläche erzeugt wird.
Durch die gemeinsame Optimierung von Rezeptur und Pressbedingungen konnten Festigkeit, Oberfläche und Verarbeitbarkeit deutlich verbessert werden. Gleichzeitig entstand die Grundlage für eine reproduzierbare Schalenqualität und eine spätere Verkürzung der Herstellungszeit.
Grundlage für Produkt und Herstellung
Am Ende der Materialentwicklung stand ein Werkstoff aus Luzernefasern, Kiefernharz und Erbsenpulver, der sich heiß verpressen und zu belastbaren Formteilen weiterverarbeiten ließ. Die natürliche Faserstruktur blieb sichtbar, während Festigkeit, Oberfläche und Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit gezielt verbessert wurden.
Gleichzeitig musste die Materialmischung so beschaffen sein, dass sie sich später gleichmäßig aufbereiten, bereitstellen, dosieren und in einem reproduzierbaren Pressprozess verarbeiten lässt. Damit entstand nicht nur die gemeinsame Materialgrundlage für Verpackungs- und Anzuchtschalen, sondern auch eine wichtige Voraussetzung für die spätere Einbindung der Formpressung in eine technische Prozesskette.
Im nächsten Entwicklungsschritt ging es darum, aus dem neuen Werkstoff eine funktionale Schalenform zu entwickeln und die dafür benötigten Presswerkzeuge zu konstruieren.