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25.07.2023

Brandsichere und biobasierte Faserverbundwerkstoffe für den strukturellen Leichtbau in Schiffen

Ausgangsmaterialien für die Entwicklung von feuerfesten und biobasierten Faserverbundwerkstoffen für den strukturellen Leichtbau in Schiffen. Bild: Fraunhofer IFAM 01.06.2021 Faserverstärkte Kunststoffe haben als Leichtbaumaterial das Potenzial, die Ökobilanz von Schiffen zu verbessern. Basieren Fasern und Kunststoffmatrix auf nachwachsenden Rohstoffen, kann der ökologische Fußabdruck weiter reduziert werden. Eine Integration dieser Werkstoffe als strukturelle Komponenten ist nicht Stand der Technik und erfordert neue Konzepte im Schiffbau. Insbesondere für Passagierschiffe gelten zudem strenge Sicherheitsbestimmungen und Brandschutzanforderungen. Ziel des Forschungsprojektes "GreenLight" ist die Entwicklung biobasierter Faserverbundwerkstoffe mit intrinsischer Brandsicherheit zum Einsatz für tragende Strukturen inklusive Fertigungs- und Recyclingkonzepten. Aufgrund des Leichtbaupotenzials werden Faserverbundkunststoffe (FVK) insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und mit steigendem Anteil auch im Schienenfahrzeug- und Bootsbau eingesetzt. Als Leichtbauwerkstoff sind glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) kostengünstig, korrosionsbeständig und es lassen sich daraus komplexe, mehrfach gekrümmte Bauteile herstellen. Beim Bau von Passagierschiffen sieht es derzeit anders aus: Dort dominieren immer noch Stahl und ein geringer Anteil an Aluminium, weil die notwendige Freigabe für den Einsatz in sog. SOLAS-Schiffen (International Convention for the Safety of Life on Sea) für lastragende Faserverbundkunststoffe noch nicht erteilt wurde. Aus gutem Grund gelten auf Passagierschiffen strengere Sicherheitsbestimmungen, die von der Internationalen Schifffahrtsorganisation "International Maritime Organisation (IMO)" der Vereinten Nationen durch weltweite Standards für die Sicherheit und den Betrieb von beispielsweise Kreuzfahrtschiffen vorgegeben werden. Die Richtlinie "Interim Guidelines for use of fibre reinforced plastic (FRP) elements within ship structures: fire safety issues" ist die Grundvoraussetzung für den Einsatz von FVK in SOLAS-Schiffen. Laut der "Interim Guidelines" können derzeit integrierte Strukturen oder nicht strukturelle Teile, die nicht zur Festigkeit des Schiffes beitragen, durch FVK ersetzt werden. Hier setzt das Projekt "GreenLight" an: Für lasttragende Komponenten sollen biobasierte Faserverbundwerkstoffe entwickelt werden, die zugleich die hohen Brandsicherheitsstandards erfüllen. Unter der Federführung des Fraunhofer IFAM bringen die Projektpartner MEYER WERFT GmbH & Co.KG und INVENT GmbH ihre Expertise zu Materialentwicklung, Fertigungsprozessen und Schiffbau ein. Begleitet wird das Vorhaben von vier weiteren assoziierten Partnern mit ihrer Erfahrung zu Materialien und Halbzeugen sowie deren Nachhaltigkeit, Zulassung und Betriebssicherheit. Aufgrund der Langlebigkeit der Materialien werden weitere Aspekt wie die Demontage sowie Bauteil- und Werkstoffkreisläufe bereits in der Konstruktions- und Werkstoffentwicklungsphase berücksichtigt. Brandsichere Faserverbundkunststoffe mit Potenzial für strukturelle Anwendungen In FVK-Bauteilen sind die Temperaturbeständigkeit und das Brandverhalten in hohem Maße von der organischen Polymermatrix abhängig. Unter Wärmebeaufschlagung tritt eine thermische Zersetzung des Polymers durch Pyrolysevorgänge auf, wobei die Zersetzungstemperatur, die entstehenden Gase, deren Brennbarkeit und Toxizität von der chemischen Struktur der verwendeten Polymere entscheidend beeinflusst werden. Um die Freigabe dieses Materials für SOLAS Schiffe zu erhalten, müssen insbesondere die hohen Brandschutzanforderungen erfüllt werden. Das "GreenLight"-Projektvorhaben setzt mit polybenzoxazinbasierten Verbundwerkstoffen an dieser Stelle an. Polybenzoxazine zeigen bzgl. des präventiven Brandschutzes vielversprechende Eigenschaften und zeichnen sich im Brandfall durch geringere Wärmefreisetzungsraten, eine geringere Rauchgasdichte und -toxizität aus. Sie zeigen auch ohne Verwendung von halogenierten Flammschutzmitteln ein großes Potenzial, den Anforderungen an den Brandschutz in verschiedenen Anwendungsbereichen gerecht zu werden. Mit diesem materialintrinsischen Lösungsansatz kann das Brandverhalten der FVKs den Anforderungen auch nach einer mechanischen Verformung der Komponenten durch beispielsweise Zusammenstöße oder Unfälle gerecht werden. Mit diesem Ansatz werden schwerpunktmäßig strukturelle Komponenten in einer Schiffsstruktur für einen Anwendungsbereich betrachtet, die über den Stand der Technik hinausgehen. So lassen sich zukünftig weitere Leichtbaupotenziale erschließen. Verbesserung der Ökobilanz durch biobasierte und sensorierte Materialien Vor dem Hintergrund der Ressourcenverknappung und dem Bestreben, die Rohstoffproduktivität zu steigern, spielen Rohstoffe, Fertigungsprozesse und die spätere Verwertung der Werkstoffe eine essenzielle Rolle. FVK, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, zeichnen sich gegenüber konventionellen, erdölbasierten Werkstoffen in der Regel durch einen über den gesamten Produktlebenszyklus betrachtet geringeren CO2-Fußabdruck aus. Auf Basis von Benzoxazinen sind chemisch, mechanisch und thermisch stabile und sogar biobasierte Polymere zugänglich. Für die Benzoxazin-Synthese sind phenolische Komponenten, Amine und Formaldehyde notwendig, wobei diese Komponenten aus konventionellen Erdölprodukten, aber auch aus nachwachsenden Rohstoffen, wie z. B. der Maisspindel oder Sesamsamen gewonnen werden können. Im Projekt "GreenLight" wird die Erforschung nachhaltiger benzoxazinbasierter Verbundwerkstoffe im Sinne einer nachhaltigen Chemie erfolgen. Dabei wird bei der Auswahl der Rohstoffe (Herkunft, Gewinnung etc.) ein besonderes Augenmerk auf die ökologischen und sozialen Faktoren im Rahmen einer Nachhaltigkeitsanalyse gelegt. Um den CO2-Fußabdruck weiter zu reduzieren, besteht zudem die Aufgabe für diese Materialien eine möglichst lange Lebens- und Betriebszeit zu erreichen. Für dieses Ziel, werden die Faserverbundkunststoffe mit Sensoren ausgestattet, die eine Zustandsüberwachung der Materialien im Betrieb erlauben. Mit dieser Sicherheit lässt sich die Auslegung der Werkstoffe in der Fertigung verbessern und die Anzahl der Wartungszyklen und der Wartungsaufwand reduzieren. Die Integration der Sensoren kann durch das Einbringen von folienbasierten oder gedruckten Sensoren in Form von Pasten erfolgen. Im Rahmen des "GreenLight"-Projektes werden diese Ansätze auf biobasierte Polybenzoxazine mit Basaltfaserverstärkung übertragen und Konzepte, mit denen die Daten aus den Sensoren für Structural Health Monitoring (SHM) genutzt werden können, entwickelt. Diese Daten bilden auch die Grundlage für einen digitalen Zwilling, welcher das Material über den gesamten Lebenszyklus (Design, Erstellung, Betrieb und Wiederverwertung) abbildet und für die Bewertung der Langzeiteigenschaften verwendet werden kann. Insbesondere die Hochleistungskunststoffe, wie die hier zu erforschenden benzoxazinbasierten Materialien, besitzen ein hohes Wertschöpfungspotenzial und sollen im Sinne einer stofflichen Aufwertung in alternativen Anwendungen wiederverwertet werden. Eine Wiederverwertung vorhandener Werkstoffe oder sogar Bauteile reduziert die Verwendung von Rohstoffen. Das setzt allerdings voraus, dass die Bauteile in werkstoffreine Komponenten zur weiteren werkstofflichen Nutzung demontiert werden können. Vor diesem Hintergrund ist das Thema der recyclinggerechten Konstruktionskonzepte zur Demontage von Werkstoffverbünden am Lebensende oder für eine notwendige Reparatur während der Betriebsdauer von Bedeutung. Quelle Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Mehr Science

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25.07.2023

Kunststoffbauteile mit längerer Lebenszeit - Mikrokapseln ermöglichen selbstschmierende Kunststoffe

Selbstschmierende Kunststoffe sollen künftig den Verschleiß von Bauteilen drastisch reduzieren. Bild: Shutterstock/asharkyu 10.05.2021 23 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs können auf Reibungsverluste zurückgeführt werden. Bauteile mit reduzierter Reibung stellen daher einen wichtigen Beitrag dar, um Ressourcen zu schonen und Klimaschutzziele zu erreichen. Bei Kunststoffen kann geringere Reibung auch Mikroplastik in der Umwelt reduzieren. Mit der Entwicklung schmierstoffgefüllter Mikrokapseln für Kunststoffe unterstützen das Potsdamer Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg diese Ziele. Ihre selbstschmierenden Kunststoffe erzielen bis zu 85 Prozent weniger Verschleiß. Seit März 2021 wird das erfolgreiche Forschungsvorhaben für zwei Jahre fortgeführt. Ob bei Schiebetüren, Laminat , Zahnrädern aus Kunststoff oder anderen beweglichen Bauteilen – es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Materialien Reibung ausgesetzt sind. Kunststoffhersteller integrieren daher manchmal feste Schmierstoffe in Kunststoffe, um den Verschleiß von Bauteilen zu verringern. Jedoch gibt es nur eine relativ geringe Anzahl an festen Schmierstoffen, die für die Kunststoffverarbeitung geeignet sind. Bei flüssigen Schmierstoffen gibt es hingegen eine deutlich größere Bandbreite, teilweise mit höherer Effektivität. In einer Kooperation ist es den beiden Forschungseinrichtungen gelungen, flüssige Schmierstoffe so zu verkapseln, dass sie als Funktionsstoffe in Polymere eingebracht werden und später im Bauteil alle Vorteile einer Flüssig-Schmierwirkung entfalten können. 85 Prozent weniger Verschleiß "Wir haben es geschafft, mit flüssigem Schmierstoff gefüllte Mikrokapseln des Fraunhofer IAP über einen Doppelschneckenextruder in Thermoplaste einzuarbeiten. Die Herausforderung dabei war, dass die Wände der Kapseln bei der Verarbeitung hohe Temperaturen überstehen müssen, ohne sich zu öffnen. Erst wenn bei dem späteren Bauteil Reibung entsteht, dürfen die Kapseln aufbrechen und den Schmierstoff freisetzen. Das Bauteil schmiert sich dann sozusagen selber", erklärt Moritz Grünewald, Forscher in der Gruppe Materialentwicklung am Kunststoff-Zentrum SKZ. "Unsere Reib- und Verschleißuntersuchungen zeigten an Kunststoff-Stahl-Paarungen einen Rückgang des Verschleißes von bis zu 85 Prozent. Bauteile halten somit deutlich länger und erzeugen weniger Mikroplastik." Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird das Materialsystem für mögliche Anwendungen weiter optimiert. Der Fokus der Entwicklung liegt nun auf verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften der selbstschmierenden Kunststoffe. Verstärkung selbstschmierender Kunststoffe Durch den zusätzlichen Einsatz von Verstärkungsstoffen wie Fasern, sollen die selbstschmierenden Kunststoffe mechanisch belastbarer werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens untersuchen die Forscherinnen und Forscher, welcher Fasertyp sich dazu am besten eignet und wie die Mikrokapseln optimal an die Kunststoffmatrix angebunden werden können. Außerdem sollen die Kapseln auch in höher schmelzende Kunststoffe eingebracht werden, um die technischen Einsatzmöglichkeiten weiter zu steigern. Dazu werden in enger Zusammenarbeit der Projektpartner noch stabilere Kapselwandmaterialien entwickelt. "Die Herausforderung besteht vor allem darin, dass die Kapseln erst beim Reibkontakt in der finalen Anwendung aufbrechen dürfen. Bringen wir aber zusätzlich Fasern ein und erhöhen die Temperaturen, steigen die Belastungen auf die Kapseln schon während des Mischprozesses", so Dr. Alexandra Latnikova, Spezialistin für Mikroverkapselung am Fraunhofer IAP. Ihr Team am Fraunhofer IAP entwickelt die Kapselsysteme. Großes Interesse der Kunststoffindustrie Zahlreiche Anfragen aus der Industrie verdeutlichen den Bedarf an neuartigen Kunststoffen, die mit optimierten Reib- und Verschleißeigenschaften ausgestattet sind. Die Mikroverkapselungstechnologie hat dabei große Vorteile für die Firmen: die große Bandbreite an flüssigen und hochentwickelten Schmierstoffen können nun als sich selbst freisetzende, interne Schmiermittel genutzt werden. Begleitet wird das Projekt von einem Ausschuss, in dem Firmen aus allen Bereichen der Kunststoffindustrie, Schmierstoffhersteller und Mikroverkapseler vertreten sind. Das Projekt ist für weitere Partner offen. Quelle Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP Mehr Science

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25.07.2023

Umweltfreundliche Kunststoffprodukte aus Bioabfällen

Bioabfälle aus der Lebensmittelindustrie sollen einer natürlichen Wiederverwendung zugeführt werden. Foto: PantherMedia / stokkete (YAYMicro) 01.04.2021 Gibt es im Supermarkt bald Verpackungen mit Bioabfällen oder Landwirtschaftsfolien mit Kaffeesatz? Am Institut für angewandte Biopolymerforschung der Hochschule Hof (ibp) möchte eine Nachwuchsforschergruppe den Einfluss natürlicher Strahlung und biogener Reststoffe auf die Eigenschaften und Struktur von Biopolymeren erforschen. Damit könnten diese Biokunststoffe in Zukunft für eine nachhaltige Produktwirtschaft interessant werden. Unter anderem sollen Bioabfälle aus der Lebensmittelindustrie und Forstwirtschaft in die Biokunststoffmischungen eingesetzt und so einer natürlichen Wiederverwendung zugeführt werden. Am Anfang steht eine ernüchternde Zahl: Lediglich 0,4% der weltweiten Kunststoffprodukte bestehen aus Biokunststoffen, d.h. Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. Der Grund hierfür liegt in der noch teilweise komplexen Produktion, den gering-verfügbaren Mengen und dadurch vergleichsweise höheren Preisen. Zudem verhindern derzeit auch die technischen Eigenschaften der Biopolymere ihren flächendeckenden Einsatz in der Industrie. Das nachhaltig zu ändern, hat sich nun eine fünfköpfige Nachwuchsforschergruppe um den Forschungsgruppenleiter Dr. Mirko Rennert vorgenommen. Ab März 2021 beginnt unter dem Namen "EISBiR" ("Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Eigenschaften und Verarbeitung von Biokunststoffen sowie biogener Roh- und Reststoffen als funktionale Füll- und Verstärkerstoffe ") ein Projekt, das auf seinem Feld echte Grundlagenforschung betreiben möchte: "Die Nutzung biogener Ressourcen anstelle fossiler Rohstoffe zur Herstellung stabiler Biokunststoffprodukte ist eine zentrale Herausforderung der Bioökonomie. Wir möchten die Eigenschaften der nachwachsenden Rohstoffe so verändern, dass auf unnötige Chemikalien verzichtet werden kann und Produkte, unabhängig Ihrer Lebensdauer wieder einer Kreislaufwirtschaft zugeführt werden können. Dafür nehmen wir uns natürliche Vorbilder, wie die Schalen von Obst und Gemüse, die mit nur wenigen Inhaltsstoffen effektive Wirkungen und Produktschutz ermöglichen", so Dr. Mirko Rennert. Dabei setzt man auf zwei unterschiedliche Wege: Die Wissenschaftler möchten einerseits den bereits vielfältig genutzten Einfluss von ionisierender Strahlung untersuchen, um so die innere Struktur der Biokunststoffe zu verändern: "Ionisierende Strahlung kann gezielt auf die innere Vernetzung oder Abbau der Kunststoffketten wirken. Diese Vernetzung entscheidet zum Beispiel darüber, wie biegsam oder wie hart ein Kunststoff ist. Wir möchten im Rahmen umfangreicher Versuchsreihen herausfinden, wie stark diese Eigenschaften durch Bestrahlung modifizierbar sind, um sie für technische Anwendungen nutzen zu können. Auch UV-Licht gehört dazu und wird untersucht, damit Anwendungen im Freien durch Sonneneinstrahlung nicht vorzeitig versagen", ergänzt der stellvertretende Forschergruppenleiter David Krieg. Der Vorteil einer solchen Technik läge auf der Hand: Die Eigenschaften eines Biokunststoffes aus demselben Rohstoff könnten gezielt für verschiedene Anwendungen eingestellt werden. Dadurch ließe sich der Einsatz unnötiger Füllstoffe verhindern und die Biokunststoffe könnten einer natürlichen Wiederverwendung im Sinne der Kreislaufwirtschaft zugeführt werden. Ein zweiter Schwerpunkt des beginnenden Forschungsvorhabens ist die Untersuchung biogener Reststoffe als natürliche Additive: "Ziel ist es die Änderung der Eigenschaften auch durch eine pflanzenbasierte Ergänzung der Biokunststoffe zu erreichen. Die Inhaltsstoffe aus Rindenmulch stellen nicht nur eine guten Winterschutz für Böden dar, sondern können auch die Lebensdauer von Biokunststoffen verlängern, so wie die Rinde den Baum vor Witterung schützt", sagt Dr. Mirko Rennert. Der biologische Kreislauf wäre damit geschlossen und auch hier ergäben sich positive Effekte für den Preis der umweltfreundlichen Biokunststoffe: "Biologische Reststoffe fallen als günstiger Abfallstoff an oder müssen sogar kostenpflichtig entsorgt werden. Diese sinnvoll Biokunstoffen zuzufügen, könnte den Preis der aktuell noch teuren Biopolymere reduzieren und einen Einsatz in der Industrie attraktiver machen." Das Projekt "EISBiR" findet unter der Trägerschaft der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) statt. Das Projekt wird zunächst für 3 Jahre vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert und bei einer erfolgreichen Evaluation um zwei weitere Jahre verlängert. Die mögliche Gesamtfördersumme beläuft sich auf ca. 2 Mio. EUR. Quelle Hochschule Hof Mehr Science

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25.07.2023

ProQuIV optimiert Produktion von Vliesstoffmasken

Quelle: jirkaejc 09.01.2023 Die Produktion von Infektionsschutzkleidung ist material- und energieintensiv. Fraunhofer-Forschende haben nun eine Technologie entwickelt, die bei der Produktion von Vliesstoffen hilft, Material und Energie zu sparen. Auf Basis einer mathematischen Modellierung steuert ein Digitaler Zwilling wesentliche Prozessparameter der Herstellung. Neben der Verbesserung der Maskenherstellung eignet sich die Lösung ProQuIV auch dazu, die Produktionsparameter für andere Anwendungen der vielseitig einsetzbaren technischen Textilien zu optimieren. Die Hersteller können so flexibel auf Kundenwünsche und Marktveränderungen reagieren. Die Vliesstoffe für die FFP-2-Masken müssen nach DIN mindestens 94 Prozent der Aerosole, Partikel oder Viren filtern. Copyright: Freudenberg Performance Materials Infektionsschutzmasken aus Vlies sind nicht erst seit der Corona-Pandemie millionenfach verbreitet und gelten als simpler Massenartikel. Doch ihre Herstellung stellt hohe Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit des Produktionsprozesses. Der Vliesstoff in der Maske muss bei der FFP-2-Maske nach DIN mindestens 94 Prozent, bei der FFP-3-Variante sogar 99 Prozent der Aerosole herausfiltern. Gleichzeitig muss die Maske ausreichend Luft durchlassen, damit der Mensch noch gut atmen kann. Viele Hersteller suchen nach Wegen, die Herstellung zu optimieren. Außerdem soll die Produktion flexibler werden, so dass Unternehmen in der Lage sind, die vielseitig verwendbaren Vliesstoffe für ganz unterschiedliche Anwendungen und Branchen zu bearbeiten und zu liefern. Nun hat das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mit ProQuIV eine Lösung vorgestellt, die beides leistet. Das Kürzel ProQuIV steht für "Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen". Die Grundidee: Prozessparameter der Herstellung werden bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs charakterisiert und diese wiederum mit Eigenschaften des Endprodukts, beispielsweise einer Schutzmaske, in Verbindung gesetzt. Diese Modellkette verknüpft alle relevanten Parameter mit einer Bildanalyse und bildet einen Digitalen Zwilling der Produktion. Mit dessen Hilfe lässt sich die Vliesstoffherstellung in Echtzeit überwachen, automatisch steuern und somit das Optimierungspotenzial nutzen. Dr. Ralf Kirsch aus der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation und Teamleiter Filtration und Separation erklärt: "Mit ProQuIV benötigen die Hersteller insgesamt weniger Material und sparen Energie. Dabei ist die Qualität des Endprodukts jederzeit gewährleistet." Aussteller & Produkte rund um Digitalisierung CAD-Systeme Simulationssoftware Qualitätssicherungssoftware (SPC/SQC) Wartungssoftware Geräte & Software für Produktionsleitsysteme (MES) Vliesherstellung mit Hitze und Luftströmung Vliesstoffe für Filtrationsanwendungen werden im sogenannten Meltblown-Prozess hergestellt. Dabei werden Kunststoffe wie Polypropylen geschmolzen, durch Düsen getrieben und kommen in Form von Fäden heraus, den sogenannten Filamenten. Diese werden auf zwei Seiten von Luftströmen erfasst, die sie mit annähernder Schallgeschwindigkeit nach vorne treiben und gleichzeitig verwirbeln, bevor sie auf ein Auffangband fallen. So werden die Fäden nochmals dünner. Die Dicke der Filamente liegt im Mikrometer- oder sogar Sub-Mikrometer-Bereich. Durch Abkühlung und Zugabe von Bindestoffen bildet sich der Vliesstoff. Je besser Temperatur, Luft- und Bandgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt sind, desto gleichmäßiger sind am Ende die Fasern verteilt und desto homogener erscheint das Material dann bei der Prüfung im Durchlichtmikroskop. Hier lassen sich hellere und dunklere Stellen ausmachen. Fachleute sprechen von Wolkigkeit. Das Fraunhofer-Team hat eine Methode entwickelt, um einen Wolkigkeits-Index anhand von Bilddaten zu messen. Die hellen Stellen besitzen einen niedrigen Faservolumenanteil, sind also nicht so dicht und weisen eine niedrigere Filtrationsrate auf. Dunklere Stellen haben ein höheres Faservolumen und daher eine höhere Filtrationsrate. Andererseits führt der in diesen Bereichen erhöhte Luftwiderstand dazu, dass sie einen geringeren Anteil der Atemluft filtern. Der größere Anteil strömt durch die offeneren Bereiche, die eine geringere Filterwirkung haben. Die Durchlichtaufnahme aus dem Mikroskop zeigt die Verteilung der Fasern im Vliesstoff. Copyright: Fraunhofer ITWM Produktionsprozess mit Echtzeit-Steuerung Die Durchlichtaufnahmen aus dem Mikroskop dienen bei ProQuIV für die Kalibrierung der Modelle vor dem Einsatz. Die Expertinnen und Experten analysieren den Ist-Zustand der Textilprobe und ziehen daraus Rückschlüsse, wie die Anlage optimiert werden kann. So könnten sie beispielsweise die Temperatur erhöhen, die Bandgeschwindigkeit senken oder die Stärke der Luftströme anpassen. "Ein wesentliches Ziel unseres Forschungsprojekts war, zentrale Parameter wie Filtrationsrate, Strömungswiderstand und Wolkigkeit eines Materials miteinander zu verknüpfen und darauf basierend eine Methode zu generieren, die alle Variablen im Produktionsprozess mathematisch modelliert", sagt Kirsch. Der Digitale Zwilling überwacht und steuert die laufende Produktion in Echtzeit. Kleine Abweichungen der Anlage, wie etwa eine zu hohe Temperatur, werden in Sekunden automatisch korrigiert. Die Simulationssoftware bildet den Zusammenhang zwischen der Steuerung des Meltblown-Prozesses und der Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs ab. Copyright: Fraunhofer ITWM Schnelle und effiziente Herstellung "Es ist dann nicht notwendig, die Produktion zu unterbrechen, Materialproben zu nehmen und die Maschinen neu einzustellen. Wenn die Modelle kalibriert sind, kann sich der Hersteller darauf verlassen, dass der Vliesstoff, der vom Band läuft, die Spezifikationen und Qualitätsnormen einhält", erklärt Kirsch. Mit ProQuIV wird die Produktion deutlich effizienter. Es gibt weniger Ausschuss beim Material, und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Hersteller schnell neue Produkte auf Vliesbasis entwickeln können. Dazu müssen lediglich die Zielvorgaben in der Modellierung geändert und die Parameter angepasst werden. So können produzierende Unternehmen flexibel auf Kundenwünsche oder Markttrends reagieren. Was logisch klingt, ist in der Entwicklung komplex. Die Werte für Filtrationsleistung und Strömungswiderstand steigen nämlich keineswegs linear an und verhalten sich auch nicht proportional zum Faservolumenanteil. Eine doppelt so hohe Filament-Dichte bedeutet also nicht, dass auch Filtrationsleistung und Strömungswiderstand doppelt so hoch sind. Das Verhältnis zwischen den Parametern ist wesentlich komplexer. "Genau deshalb ist die mathematische Modellierung so wichtig. Sie hilft uns, das komplexe Verhältnis zwischen den einzelnen Prozessparametern zu verstehen", sagt Fraunhofer-ITWM-Forscher Kirsch. Dabei kommt den Forschenden ihre langjährige Expertise bei Simulation und Modellierung zugute. Weitere Anwendungen sind möglich Der nächste Schritt besteht für das Fraunhofer-Team darin, den Atemwiderstand der Vliesstoffe für den Menschen bei gleicher Schutzwirkung zu reduzieren. Möglich wird dies durch die elektrische Aufladung der Fasern. Das Prinzip erinnert an die Arbeitsweise eines Staubwedels. Durch die elektrische Ladung zieht das Textilgewebe winzigste Partikel an, die andernfalls durch die Poren schlüpfen könnten. Die Stärke der elektrostatischen Ladung wird hierfür als Parameter in die Modellierung integriert. Die Fraunhofer-Forschenden beschränken sich bei der Anwendung der Methode keineswegs nur auf Masken und Luftfilter. Ihre Technologie lässt sich ganz allgemein in der Produktion von Vliesstoffen einsetzen, beispielsweise auch bei Stoffen für die Filtration von Flüssigkeiten. Auch die Herstellung von schalldämmenden Vliesstoffen lässt sich mit ProQuIV-Methoden optimieren. Quelle Fraunhofer-Gesellschaft Mehr Science

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25.07.2023

Biobasierte Flammschutzmittel für Bio-Kunststoffe in der Elektrotechnik und Elektronik

Flammgeschützter Biokunststoff könnte zu Bauteilen für Elektrotechnik und Elektronik verarbeitet werden, beispielsweise mittels Spritzguss (Bio-Granulat) und additiver Fertigung (Bio-Filamente). Copyright: Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau 06.02.2023 Forschenden des Fraunhofer WKI und des Fraunhofer IAP sind mit Industriepartnern erste Erfolge in der Entwicklung von biobasierten Flammschutzmitteln in Bio-Kunststoffen gelungen. Damit könnten künftig Kunststoffe in der Elektronik und Elektrotechnik eingesetzt werden, die zu 100 Prozent aus biobasierten Materialien bestehen. Die Verarbeitung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts mittels Compoundierung, Spritzguss und additiver Fertigung getestet. Damit Bio-Kunststoffe auch im Bereich der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt werden können, müssen sie, wie herkömmliche Kunststoffe, hohe Flammschutzvorgaben erfüllen. Bisher gibt es noch keine biobasierten Flammschutzmittel, die für die Herstellung von Bio-Kunststoffen verwendet werden. Hier setzte ein Forschungsprojekt der Fraunhofer-Institute WKI und IAP gemeinsam mit Industriepartnern an. Ein Fokus lag darauf, ein halogenfreies Flammschutzmittel zu entwickeln, das möglichst in geringer Einsatzmenge und daher mit geringen Kosten eingesetzt werden kann. Außerdem wurde der Einsatz von bereits verfügbaren Flammschutzmitteln in der Compoundierung mit unverstärkten und mit Holzpartikeln verstärkten Biopolymeren getestet. "Um unser Ziel zu erreichen, Bio-Verbundwerkstoffe für die Elektrotechnik und Elektronik zu entwickeln, die möglichst zu 100 Prozent biobasiert sind, mussten wir unseren Fokus zunächst auf die Entwicklung von neuen, biobasierten Flammschutzmitteln legen. Es wurden Synthesen halogenfreier Flammschutzmittel auf Basis von biobasierten Alkoholen und phosphorhaltigen Verbindungen durchgeführt. Anschließend haben wir zahlreiche Versuche zur Compoundierung mit Polymilchsäure (PLA) als Matrixpolymer durchgeführt", erläutert Dr. Arne Schirp, Projektleiter am Fraunhofer WKI, das Vorgehen. Aussteller & Produkte rund um Rohstoffe & Hilfsstoffe Thermoplaste Thermoplastische Elastomere Harze & Compounds Schaumstoffe & Vorprodukte Füllstoffe Zu allen Ausstellern in dieser Kategorie Neu getestet: Elektronenstrahlvernetzung bindet Flammschutzmittel an PLA Für einen optimalen Flammschutz ist die homogene Verteilung der Flammschutzmittel in der Biopolymermatrix aus PLA notwendig. Die Kopplung mit der Biopolymermatrix sollte durch die speziell entwickelten, reaktiven Flammschutzmittel erreicht werden. Als neues Verfahren für die Anbindung der Flammschutzmittel an die Matrix wurde die Elektronenstrahlvernetzung eingesetzt. Dies ist ein nicht-thermischer Prozess, der zur Behandlung von Kunststoffen vielfach genutzt wird, für Bio-Kunststoffe bisher jedoch noch wenig Anwendung findet. Die Eigenschaften der Polymere werden hier modifiziert, indem über die Strahlendosis kontrollierbare Vernetzungs- und Kopplungsreaktionen angestoßen werden. In den Versuchen, auch beim Industriepartner BGS Beta Gamma Service, erwies sich ein Additiv als wirkungsvoll, bei dem nachweislich die Vernetzungsreaktion des PLA den Abbau durch den Elektronenstrahl überwiegt. Auch weitere Additive wurden umfangreich getestet. Die Ergebnisse verbessern den Kenntnisstand über die zum Teil erstmalig eingesetzten Additive sowie die Prozesse in der Kunststoffverarbeitung und die Auswirkungen der Bestrahlung. Bei der Synthese halogenfreier, neuartiger Flammschutzmittel auf Basis von biobasierten Alkoholen und phosphorhaltigen Verbindungen erwies sich der Fokus auf die Herstellung vollveresterter Phosphate als vielversprechend. Nach Optimierungsversuchen konnte eine Compoundierung mit PLA realisiert werden, aus der eine Rezeptur zur Herstellung von flammgeschützten PLA-Compounds entwickelt wurde. Entflammbarkeitstests gemäß UL94 ergaben eine sehr gute Klassifizierung (V-0) bei einer Prüfkörperdicke von 1,6 mm. Erprobung herkömmlicher Flammschutzmittel: Compoundierung mit PLA und PBS Im Projekt konnte beim Industriepartner Hager Electro unter anderem ein Tunnelschieber aus flammgeschütztem Polybutylensuccinat (PBS) als Technologie-Demonstrator hergestellt werden. Copyright: Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau Die Forschenden am Fraunhofer WKI und Fraunhofer IAP führten des Weiteren Versuche zur Compoundierung unverstärkter und mit Holzpartikeln verstärkter Biopolymere mit halogenfreien, aktuell verfügbaren Flammschutzmitteln durch. Sie konnten feststellen, dass diese für PLA und biobasiertes Polybutylensuccinat (PBS) als Basispolymere verfahrenstechnisch gut einsetzbar sind. In der Verarbeitung von PLA ist die Verwendung eines beheizbaren Werkzeugs erforderlich, um hohe Kristallinitäten und somit hohe Wärmeformbeständigkeiten in den Bauteilen zu erreichen. Neben einer guten Flammschutzwirkung ist die Wärmeformbeständigkeit ein wichtiges Kriterium für die Anwendung. Es gelang dem Team, Formulierungen für PLA und PBS zu entwickeln, die die Anforderungen an den Flammschutz in den Zielanwendungen weitgehend erfüllen und im Spritzguss sowie mit additiver Fertigung verarbeitet werden können. Dies wurde mit verschiedenen Tests nachgewiesen, darunter UL94, Glühdrahttest und Prüfung der Kriechstromfestigkeit. Die Verarbeitungsergebnisse im Spritzgussverfahren bei den beteiligten Industriepartnern stimmen sehr optimistisch. Technische, flammgeschützte Komponenten und Bauteile wie Tunnelschieber für Schaltkästen und Aufbewahrungsboxen aus dem Logistikbereich konnten unter produktionsnahen Bedingungen hergestellt werden. Für die PBS-basierten Materialien liegen die Zykluszeiten in einem vergleichbaren Bereich zu den heute eingesetzten petrobasierten Kunststoffen. Bei den Versuchen mit einer Zugabe von Holzpartikeln konnten die Forschenden außerdem zeigen, dass diese einen positiven Einfluss auf die Flammschutz-Performance aufweisen. Die Wärmefreisetzungsraten wurden durch Holzzugabe deutlich reduziert. Gleichzeitig kam es jedoch zu einer Verkürzung der Entzündungszeitpunkte. Für holzfaserverstärkte, flammgeschützte und auskristallisierte PLA-Compounds konnte eine maximale Wärmeformbeständigkeit von 140 °C bis 160 °C nachgewiesen werden. Erprobung von Flammschutzmitteln in der Compoundierung mit Bio-PA Darüber hinaus entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler flammgeschützte Formulierungen auf Basis von Bio-Polyamiden (PA) für den Spritzguss. Die Formulierungen erfüllten die Klassifizierung V-0 (1,6 mm Dicke) im UL94-Test und im Vergleich zu Referenzmaterialien weitgehend die Anforderungen hinsichtlich des Glühdrahttests und für die Kriechstromfestigkeit (CTI). Die Vernetzbarkeit von drei flammgeschützten Bio-PA-Typen wurde erstmals in der Elektronenbestrahlung untersucht. Es zeigte sich, dass der Bio-PA-Typ PA6.10 am besten vernetzbar ist und der Bio-PA-Typ PA11 am wenigsten. Die Forschenden konnten auch hier nachweisen, dass die Zugabe von Holzpartikeln einen positiven Einfluss auf die Flammschutz-Performance ergibt. Wie bei den Versuchen mit PLA und PBS waren die Wärmefreisetzungsraten durch Holzzugabe reduziert, bei einer gleichzeitigen Verkürzung der Entzündungszeitpunkte. Die Bestrahlung bewirkte bei fast allen PA-basierten Formulierungen eine Erhöhung der Zugfestigkeit und des Zug-E-Moduls sowie eine Reduzierung der Kerbschlagzähigkeit. "Die Formulierungen auf Basis von Bio-PA wurden bisher nur im Kleinmaßstab im Messkneter und Minispritzguss verarbeitet. Es besteht also weiterer Forschungsbedarf, um herauszufinden, wie die Verarbeitung auf Doppelschneckenextrudern und im Spritzguss gelingt. Auch sollte eine Optimierung der flammgeschützten, PA-basierten Compounds im Hinblick auf die gesamte Bandbreite an Anforderungen aus dem Bereich Elektrotechnik und Elektronik erfolgen", resümiert Schirp. Quelle Fraunhofer-Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI Mehr Science

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25.07.2023

Mikroplastik filtern wie ein Riesenmanta

Bionische Innovation für saubere Gewässer Exklusiv für K-Mag Mikroplastik ist mittlerweile in vielen Bereichen zu finden, auch in Gewässern wie den Weltmeeren; Copyright: envato 26.03.2025 Sich die Natur als Vorbild zu nehmen, um konkrete Probleme in der Wissenschaft zu lösen, ist nicht neu. So wurde der Klettverschluss dank der Klettpflanze und der Lotus-Effekt dank der selbstreinigenden Lotuspflanze entwickelt. Es lohnt sich somit, mit offenen Augen durch die Natur zu gehen! Dies taten Forschende auch unter der Meeresoberfläche – und stießen auf den Riesenmanta. Dies taten Forschende auch unter der Meeresoberfläche – und stießen auf den Riesenmanta. Seine Kiemen sollen bei der Filterung von Mikropartikeln helfen. K-Mag sprach mit Tim Robertino Baumann , der sich in seiner Promotionsarbeit mit diesem spannenden Thema befasst. Tim Robertino Baumann; Copyright: Pollmeier/HSBI Herr Baumann, Sie haben ein Filtersystem (weiter-)entwickelt, das auf einem Konzept beruht, das von Riesenmantas inspiriert ist und welches Mikroplastik effektiv filtern soll. Was genau macht dieses Prinzip so effektiv, und wie haben Sie es für die Mikroplastikfiltertechnologie adaptiert? Tim Robertino Baumann: Der Ernährungsmechanismus der Rochen beruht auf der Querstromfiltration an den Kiemenreusen. Im Vergleich zu den sogenannten Kuchenfiltrationen, bekannt vom Kaffeesatz im Kaffeefilter, bilden sich keine Rückstände oder Verstopfungen. Es ist außerdem ein rein passiver Prozess, der allein durch die Bewegung der Rochen im Wasser stattfindet. Je schneller die Bewegung, desto besser in der Regel die Filtration. Um den Mechanismus für die Mikroplastikfiltration anzupassen, ist eigentlich nicht viel zu tun. Wichtig ist, dass die Dimensionen des Filters zu der Größenordnung der Partikel passen. Prinzipien der Natur haben schon häufig bei der Entwicklung moderner Technik geholfen. Vermutlich würde es den Rochen gefallen, zur Säuberung ihrer natürlichen Umwelt beizutragen. Copyright: envato Innovative Mikroplastik-Filterung ohne Verstopfung Inwiefern unterscheidet sich Ihr System von den bereits etablierten Mikroplastikfiltern? Baumann: Die Art und Weise der Filtration macht den Mechanismus effektiv. Die Filter besitzen keine mechanischen Verschleißteile, sind inert gegenüber Verstopfungen (außer gegen Partikel die Größer sind als der Kanal) und werden effizienter, je höher der Durchsatz ist. Im Vergleich zu anderen mikrofluidischen Systemen bietet unser Filtrationssystem den Vorteil, dass es komplett passiv funktioniert und einen großen Durchsatz von 20ml/min bietet. Innovativ ist der Filter vor allem dadurch, dass er lediglich 60µm hoch und an den breitesten Stellen 200µm weit ist. Damit besitzt der Filter ein Volumen von gerade einmal 0,2µl. In einer Kartusche von einem Liter finden je nach Anordnung 400 oder mehr einzelne Filter Platz, was einer Durchflussmenge von bis zu 8 l/min entspricht. Sie haben beschrieben, dass die ersten Monate der Forschung besonders herausfordernd waren. Was waren die größten Hürden, und wie haben Sie sie überwunden? Baumann: Die größte Hürde war das Arbeiten außerhalb des Bekannten. Im klassischen mikrofluidischen Laboralltag arbeitet man mit möglichsten geringen Drücken und Geschwindigkeiten. Da der Filter jedoch auf hohe Geschwindigkeiten angewiesen ist, werden aktuell auch hohe Drücke benötigt. Durch die Arbeit mit 6 bis 10 bar Betriebsdruck mussten Lösungen für Probleme gefunden werden, die im Labor in dieser Form nicht vorkommen, bspw.: Die feste und dauerhafte Verklebung der Anschlüsse mit einem Kleber der wasserbeständig ist, nicht in den Filter fließt und zeitgleich Silikon und Metall verklebt. Die Ermittlung einer geeigneten Betriebsmethode. Mittlerweile hat sich ein 50ml Gefäß mit verschraubter Edelstahlkappe und Druckanschluss als die beste Option herausgestellt. Die Gewährleistung der Festigkeit des Guss-Materials. Laborstandard ist hierbei PDMS, ein Silikon, welches nicht für solche Drücke ausgelegt ist. Zurzeit wird versucht, es mit Glasfasern zu verstärken. Meist werden solche Hürden kleinschrittig überwunden. Die Lösung eines Problems bringt dann leider oft ein Nächstes mit sich. Damit daraus keine Sackgassen wird, geht man wie im echten Leben zu einer bestimmten Stelle zurück und denkt neu. Die Tinte im Chip lässt den Aufbau des Filters deutlicher erkennen. Copyright: P. Pollmeier/HSBI Mikroplastikfilterung. Copyright: P. Pollmeier/HSBI Das Ergebnis der Experimente im direkten Vergleich: Im linken Behälter befindet sich der Waste, also das Wasser mit Mikroplastikpartikeln. Rechts: sauberes, klares Wasser. Copyright: P. Pollmeier/HSBI Zukunftspläne: Effizienz steigern und neue Einsatzbereiche erschließen Aktuell kann Ihr Filter rund 81 % der Mikroplastikpartikel entfernen. Welche Verbesserungen planen Sie, um die Effizienz weiter zu steigern? Baumann: Wir planen Verbesserungen durch verschiedene Ansätze. Das größte Potential bietet eine stetige Anpassung der Filterstruktur. Durch Simulationen im Vorfeld können wir den voraussichtlichen Effekt ziemlich genau evaluieren. Eine andere Möglichkeit bietet die Rezirkulierung beziehungsweise Aneinanderreihung mehrere Einzelfilter: Filtern drei Filter hintereinander jeweils 81% ist das Ergebnis eine Reinigungsleistung von 99,31%. Synthetische Kleidung gilt als einer der Hauptverursacher von Mikroplastik in Gewässern. Sehen Sie eine Möglichkeit, Ihr Filtersystem direkt in der Textilindustrie einzusetzen, z. B. in Produktionsprozessen oder Waschmaschinen, um Mikroplastik schon frühzeitig abzufangen? Baumann: Durch die Einfachheit sowie der variablen Größe und Durchflussmenge, kann unser Filtersystem auf spezifische Anforderungen angepasst werden. Somit ist eine direkte Anwendung also durchaus denkbar. Bis dahin brauchen wir allerdings noch Zeit für Forschung und Weiterentwicklung. Sie sind auch als Technologiescout im InCamS@BI tätig. Welche Rolle spielt der Wissenstransfer von der Forschung in die Industrie bei der Entwicklung nachhaltiger Lösungen? Baumann: Der Wissenstransfer ist neben Forschung und Lehre die dritte Säule der Universität Bielefeld und der Hochschule Bielefeld. Ziel ist es, den Austausch von Ideen und Innovationen zwischen Hochschulen, Unternehmen und Gesellschaft zu stärken oder überhaupt erst zu starten. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen, die auf der Suche nach Partnern für die nachhaltige Umstellung ihrer Produktion sind, bieten Kooperationen mit Transferprojekten wie InCamS@BI deshalb einen absoluten Mehrwert. Zusammen lassen sich oft nachhaltige Lösungen anstoßen. Welche nächsten Schritte planen Sie für Ihr Filtersystem, und welche Meilensteine möchten Sie in den kommenden Jahren erreichen? Baumann: Pläne und Ideen gibt es einige. Im Mittelpunkt für dieses Jahr stehen aber vorerst weitere Grundlagenforschungen, wie Bestimmung der Größen-, Material- oder Formsensibilität gegenüber den Mikropartikeln. Ebenso wollen wir den Durchsatz erhöhen und den benötigten Druck reduzieren. Der Forschung von Tim Robertino Baumann liegen zwei Veröffentlichungen zugrunde: Divi et al. haben die Art und Weise der Feststoff-Flüssigkeit Separation bei den Rochen untersucht und es im Labor umgesetzt. Hier geht es zum Artikel . Clark et al. sind einen Schritt weitergegangen und haben den Mechanismus im Zusammenhang mit Mikroteilchen Separation untersucht. Die Veröffentlichung ist hier zu finden. Simone Ernst (Redaktion K-Mag) Mehr rund um Science

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25.07.2023

Fraunhofer-Forschende entwickeln recyclingfähigen, faserverstärkten Werkstoff aus 100 Prozent biobasierter Polymilchsäure

Die neuartigen biobasierten PLA-Fasern des Fraunhofer IAP machen es möglich, einen Faserverbundwerkstoff komplett aus PLA herzustellen, der leicht recycelt werden kann. Foto: Fraunhofer IAP 17.05.2021 "Verpackungen aus biobasierten Kunststoffen haben sich längst etabliert. Wir unterstützen jetzt die Weiterentwicklung dieser Materialien für neue Einsatzbereiche. Wenn der Markt künftig pflanzlich basierte Werkstoffe auch für technisch anspruchsvolle Aufgaben wie etwa den Fahrzeugbau anbietet, kommt die Bioökonomie einen entscheidenden Schritt voran," erklärte Uwe Feiler, Parlamentarischer Staatssekretär bei der Bundesministerin für Ernährung und Landwirtschaft, heute in Potsdam. Anlass war die Übergabe eines Zuwendungsbescheides an das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP . Das Fraunhofer IAP will ein Verbundmaterial entwickeln, das vollständig aus biobasierter Polymilchsäure (PLA) besteht und sich im Vergleich zu herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen deutlich besser recyceln lässt. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert die Entwicklung von Biowerkstoffen im Rahmen des Förderprogramms Nachwachsende Rohstoffe intensiv. Aktuell laufen über 100 Vorhaben, die eine große Bandbreite an Themen abdecken: vom im Meer abbaubaren Kunststoff bis zu naturfaserverstärkten Leichtbauteilen für den Automobilsektor. Die Vorhaben werden von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, dem für das Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe zuständigen Projektträger des BMEL, betreut. Einfacheres Recycling von Faserverbundkunststoffen Übergabe des Zuwendungsbescheides (v.l.: Prof. Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP; Uwe Feiler, Parlamentarischer Staatssekretär BMEL; Dr. André Lehmann, Leiter Fasertechnologie am Fraunhofer IAP; Prof. Johannes Ganster, Leiter Biopolymere am Fraunhofer IAP). Foto: Fraunhofer IAP/Till Budde PLA gehört zu den besonders vielversprechenden biobasierten Werkstoffen. Der weltweite Markt für dieses Polymer wächst jährlich um rund 10 Prozent. PLA kommt u. a. auch als Matrix in faserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Bei diesen mechanisch belastbaren Kunststoffen sind Verstärkungsfasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Im Projekt des Fraunhofer IAP stehen nun diese Verstärkungsfasern im Fokus: "Wir entwickeln unsere PLA-Fasern weiter, um diese gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft in den Industriemaßstab zu überführen. Diese Fasern eignen sich hervorragend zur Verstärkung von PLA-Kunststoffen. Der so entstehende, sich selbst verstärkende Einkomponenten-Verbundwerkstoff verspricht große Vorteile beim Recycling. Da die Faser und die Matrix aus PLA chemisch identisch sind, sind aufwändige Trennschritte nicht nötig", erklärt Dr. André Lehmann, Experte für Fasertechnologie am Fraunhofer IAP. Neuartige PLA-Fasern und -Folien sind thermisch stabiler Bislang stand diesem Ansatz die relativ geringe Temperaturbeständigkeit von herkömmlichem PLA im Wege. Technische Fasern lassen sich am wirtschaftlichsten im Schmelzspinnverfahren herstellen. Das Team des Fraunhofer IAP verwendet nun thermisch stabilere Stereokomplex-PLA (sc-PLA) für die Fasern. Der Begriff Stereokomplex bezeichnet dabei eine spezielle Kristallstruktur, die die PLA-Moleküle bilden können. Sc-PLA-Fasern besitzen einen um 40 – 50 °C höheren Schmelzpunkt und überstehen damit den Einarbeitungsprozess in eine Matrix aus herkömmlichem PLA. Im Projekt entwickeln und optimieren die Forscherinnen und Forscher einen Schmelzspinnprozess für sc-PLA-Filamentgarne. Partner in diesem Arbeitspaket ist die Trevira GmbH, Hersteller technischer und textiler Faser- und Filamentgarnspezialitäten, die u. a. von Automobilzulieferern und Objektausstattern nachgefragt werden. Als zweites ist die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für sc-PLA-verstärkte Flachfolien geplant. An dieser Aufgabe beteiligt sich der internationale Klebeband-Hersteller tesa SE, der die Eignung der sc-PLA-Folien als Klebefolie prüfen wird. In einem dritten Arbeitspaket wird das Fraunhofer IAP die Filamente schließlich im Doppelpultrusionsverfahren zu einem Granulat verarbeiten, das sich zum Spritzguss eignet. Biobasierte Lösungen für Automobil- und Textilindustrie Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Dr. André Lehmann sind sicher, dass der selbstverstärkte PLA-Werkstoff viele neue Anwendungsgebiete erobern kann. Schon heute signalisieren die Automobil- und die Textilindustrie Interesse an biobasierten Materialien, die sich zudem auch besser recyceln lassen. Preislich wäre PLA hier schon jetzt wettbewerbsfähig, nun soll das Material auch technisch fit für die neuen Aufgaben gemacht werden. Professor Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP, sagt: "Die stetig wachsende Nachfrage der Industrie nach nachhaltigen Lösungen unterstreicht, wie wichtig die Entwicklung biobasierter und zugleich hoch leistungsfähiger Materialien ist. Mit unserer Forschung treiben wir zudem den Aufbau einer nachhaltigen und funktionierenden Kreislaufwirtschaft aktiv voran und begrüßen die Unterstützung durch den Bund daher sehr." Informationen zum Vorhaben stehen auf fnr.de unter dem Förderkennzeichen 2220NR297X zur Verfügung. Quelle Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP Mehr Science

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25.07.2023

Kunststoffe der Zukunft werden dank chemischen Recyclings viele frühere Leben haben

Polymerwerkstoffe in Satelliten, Autos und elektronischen Geräten werden zukünftig vielleicht in ihrem zweiten, 25. oder 250. Leben sein Quelle: Fahroni 01.12.2022 Neue Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder, die in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht wurden, beschreiben, wie langlebige Kunststoffe (Duroplaste), die in der Luft- und Raumfahrt und in der Mikroelektronikindustrie weit verbreitet sind, chemisch in ihre Grundbausteine zerlegt werden können und dann wieder der ursprüngliche Werkstoff hergestellt werden kann. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von reparablen und vollständig recycelbaren vernetzten Polymeren. Das Recycling dieser Kunststoffe stellt eine besondere Herausforderung dar, da diese auch unter extremer Hitze und anderen rauen Bedingungen formstabil und beständig sind. Die Studie zeigt, wie diese Kunststoffe immer wieder abgebaut und neu hergestellt werden können, ohne die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verlieren. "Wir denken über verschiedene Möglichkeiten nach, chemische Bindungen aufzubrechen und schauen dabei über den Tellerrand", erläutert Wei Zhang, Hauptautor der Studie und Leiter des Fachbereichs Chemie. "Unsere chemischen Methoden können zur Entwicklung neuer Technologien und Materialien beitragen sowie zur Lösung der bestehenden Kunststoffkrise." Die Ergebnisse deuten ebenfalls darauf hin, dass es auch für andere Kunststoffe und ihre chemischen Strukturen möglich ist, die chemischen Bindungen vollständig zu spalten und wiederherzustellen. So könnten mehr Kunststoffe des täglichen Lebens in einer Kreislaufwirtschaft hergestellt werden. Aussteller und Produkte rund ums Recycling Recyclinganlagen Separier- & Sortiersysteme für Abfälle Zerkleinerungsmaschinen (Brecher, Zerfaserer, Mahlanlagen) Aufbereitungsanlagen Rezyklate Detailaufnahme von recyceltem Kunststoff. Quelle: Patrick Campbell / University of Colorado Boulder Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Kunststoffe in fast allen Industriezweigen und Lebensbereichen allgegenwärtig, da sie äußerst praktisch, funktionell und billig sind. Doch ein halbes Jahrhundert später, nach einer exponentiell gestiegenen Nachfrage und Produktion, stellen Kunststoffe ein großes Problem für die Gesundheit des Planeten und der Menschen dar. Die Herstellung von Kunststoffen erfordert große Mengen an Öl und die Verbrennung von fossilen Brennstoffen. Einwegprodukte aus Kunststoff verursachen jedes Jahr Hunderte von Millionen Tonnen Abfall, der in Form von Mikroplastik auf Mülldeponien und in den Ozeanen landet und sich sogar im menschlichen Körper ansammelt. Recycling ist daher in diesem Jahrhundert der Schlüssel zur Verringerung der Umweltverschmutzung durch Kunststoffe und der Emissionen fossiler Brennstoffe. Bei den herkömmlichen Recyclingverfahren werden die Polymere mechanisch zu Pulver zerkleinert, verbrannt oder durch bakterielle Enzyme aufgelöst. Ziel ist, das zerkleinerte Material für andere Zwecke verwenden zu können. Beispiele hierfür sind Schuhe aus recycelten Gummireifen oder Kleidung aus recycelten Plastikflaschen. Zwar handelt es sich dabei nicht mehr um das ursprüngliche Material, aber es wird Abfall vermieden. Was wäre jedoch, wenn man ein neues Produkt aus demselben Material herstellen könnte, wenn das Recycling nicht nur ein zweites Leben für Kunststoffe ermöglichen würde, sondern ein sich wiederholendes Verfahren wäre? Genau das ist Zhang und seinen Kollegen gelungen: Mit einer umkehrbaren Reaktion konnten sie sowohl die chemischen Bindungen eines speziellen Hochleistungspolymers aufbrechen als auch neue bilden. Die direkt vom Glassubstrat abgezogene PCN-Folie weist eine hohe Transparenz und Flexibilität auf. Quelle: Zepeng Lei "Diese Reaktion ist gleichzeitig dynamisch und umkehrbar, sodass die Bindung neu gebildet werden kann", so Zhang. "Dabei verfolgen wir einen neuen Ansatz, um dasselbe Polymerrückgrat von zwei verschiedenen Startpunkten aus zu erhalten". Dies erfolgt, indem das Polymer ("poly" bedeutet "viele") in einzelne Monomere, seine Moleküle, zerlegt wird – ein Konzept der reversibel-dynamischen Reaktion. Insbesondere neu an der jüngsten Methode ist, dass damit nicht nur neue Polymerwerkstoffe hergestellt werden können, die wie Legosteine einfach zusammengesetzt, zerlegt und immer wieder neu zusammengesetzt werden können, sondern dass die Methode auch auf bestehende, besonders schwer zu recycelnde Polymere angewendet werden kann. Diese neuen chemischen Methoden sind bereits marktreif und können in derzeitige industrielle Produktionsverfahren integriert werden. "Für das zukünftige Design und die Entwicklung von Kunststoffen kommt es nicht nur darauf an, neue Polymere zu entwickeln, sondern das Wissen, wie man ältere Polymere umwandelt, upcycelt und recycelt, wird von erheblicher Bedeutung sein", so Zhang. "Mit unserem neuen Ansatz können wir viele neue Werkstoffe herstellen, darunter einige mit ähnlichen Eigenschaften wie die in unserem Alltag gegenwärtigen Kunststoffe." Das Recycling von Kunststoffen in geschlossenen Kreisläufen ist von der Natur inspiriert, Pflanzen, Tiere und Menschen sind gleichermaßen Teil eines planetarischen Kreislaufsystems, so Zhang. "Warum sollten wir unsere Materialien nicht auf die gleiche Weise herstellen können?" Quelle University of Colorado Boulder Mehr Science

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25.07.2023

Silikonschwamm spürt unbekannte Bakterien auf

Team des KIT entwickelt einen Chip, der mikrobielle dunkle Materie in der Luft, im Wasser und im Boden einfängt – neues Werkzeug für die Biotechnologie und Medizin Copyright: RossHelen 23.01.2023 Von unserem Darm bis hin zum Meeresgrund: Mikroorganismen bevölkern nahezu jeden Lebensraum, sei er auch noch so feindlich. Für die Biotechnologie birgt die Vielfalt ihrer Überlebensstrategien großes Potenzial. Die Mehrheit dieser Organismen ist jedoch unbekannt, weil sie sich nicht kultivieren lassen. Um diese "Mikrobielle Dunkle Materie" besser nutzbar zu machen, hat ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun einen "Schwamm" aus porösem, formbarem Silikon entwickelt. Eingebettet in einem Chip saugt sich das Material mit den Mikroorganismen aus der Umgebung voll – die dann für die weitere Forschung zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse wurden in ACS – Applied Material and Interfaces publiziert. "Es ist erstaunlich, dass noch niemand daran gedacht hat, medizinisches Silikon für die bakterielle Ansiedlung zu nutzen", meint Christof Niemeyer, Professor für chemische Biologie am Institut für Biologische Grenzflächen-1 des KIT. Dabei lägen die Vorteile auf der Hand: Das spezielle Polymer, das auch beispielsweise für Brustimplantate verwendet wird, interagiere nicht mit seiner Umwelt, sei dafür leicht modifizierbar, langlebig und kostengünstig. Auch er und sein Team seien nur über Umwege darauf gekommen, die Ergebnisse hätten ihre Erwartungen aber übertroffen, so der Chemiker. "Das Material ist in der Lage, die Mikroorganismen aus der Umgebung aufzunehmen, ganz gleich, wie feucht oder trocken diese ist. Die Voraussetzung dafür: Das Silikon musste zu einer porösen schwammartigen Struktur verarbeitet werden", erläutert er. Die schwammähnliche Struktur des Chips (in grau) wurde mit Salzkristallen erzeugt. Die roten Mikroorganismen besiedeln sie im Labor innerhalb weniger Tage. Copyright: Institut für Biologische Grenzflächen-1, KIT Besonders viele unterschiedliche Bakterien "gefangen" Im Laufe mehrerer Experimente zeigte sich: Der Silikonschwamm fängt in seinen zahlreichen Löchern ein besonders breites Spektrum an Mikroorganismen ein. Das Team konnte damit etwa in der trockenen Luft einer Hühnerfarm Mitglieder der Actinobacteriota identifizieren. Das Spannende daran: Genau diese Mikroorganismen werden in der Herstellung von Antibiotika gebraucht. Sie können zudem beispielsweise auch Stoffe produzieren, die bei bestimmten Krebserkrankungen helfen könnten. "Wenn wir mit dem Schwamm neue Bakterien einfangen, können die zum Beispiel für neue Impulse in der Biomedizin genutzt werden", schätzt Niemeyer ein. Ähnliches passierte nach dem Eintauchen des Silikonschwamms in einem Zuchtbecken für Zander. Im Vergleich zu einem konventionellen Material, das schon auf dem Markt ist, fanden die Forschenden unter anderem sehr viele Bakterien, welche zu der noch wenig erforschten Candidate Phyla Radiation gehören. "Diese Mikroorganismen machen etwa 70 Prozent der mikrobiellen dunklen Materie aus, da sie bislang nicht kultivierbar sind" erläutert Professorin Anne-Kristin Kaster, die mit ihrem Team am Institut für Biologische Grenzflächen-5 des KIT die eingefangenen Mikroorganismen mit modernster Sequenziertechnik analysierte. Silikonschwamm mit Tafelsalz hergestellt Das Team bewies auch, dass der Schwamm ausgewählte Bakterien anreichern kann, wenn er entsprechend präpariert wird. Beispielsweise wurden Mikroorganismen, die Glyphosat verarbeiten, mit diesem Pestizid in den Schwamm "geködert". Auch beim Kontakt mit Bodenproben wurde das poröse Material von Mikroben in wenigen Tagen kolonisiert. Um das medizinische Silikon für Mikroorganismen bewohnbar zu machen, mussten die Forschenden das Material neu verarbeiten. Das Team mischte dem Polymer Tafelsalz bei, das dann wieder aufgelöst wurde. So entstanden kleine Löcher, verbunden durch feine Gänge: die gewünschte schwammartige Struktur. Um diese für die Anwendungen einsetzen zu können, haben die Forscherinnen und Forscher dann einen "Chip" geformt. Diese kleine Einheit besteht aus demselben Silikon wie der Schwamm, aber in seiner homogenen, nicht porösen Form. "Praktisch dabei ist, dass der Silikonchip – als Kombination von Schwamm und Chip – mit Standardmethoden sehr einfach hergestellt werden kann, in nahezu beliebiger Größe und Stückzahl", so Niemeyer. "Am Ende hat man ein robustes Forschungswerkzeug, das praktisch in jeder Umgebung eingesetzt werden kann. Alles deutet darauf hin, dass dieser Chip sehr gut für die systematische Untersuchung von mikrobieller Dunkler Materie geeignet ist und auch interessante Möglichkeiten für die Kultivierung von bisher nicht kultivierbaren Mikroorganismen eröffnet." Die Hauptautorinnen und -autoren haben den Silikonchip zum Patent angemeldet. Originalpublikation Ahmed E. Zoheir, Laura Meisch, Marta Velaz Martín, Christoph Bickmann, Alexei Kiselev, Florian Lenk, Anne-Kristin Kaster, Kersten S. Rabe, und Christof M. Niemeyer: Macroporous Silicone Chips for Decoding Microbial Dark Matter in Environmental Microbiomes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022. DOI: 10.1021/acsami.2c15470 Quelle Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Mehr Science

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25.07.2023

Produktentwicklung im One-Stop-Shop von Alpla

Interview mit Norman Häusler, Director Corporate Product Development, ALPLA Werke Alwin Lehner GmbH & Co KG Exklusiv für K-MAG Copyright: ALPLA 02.08.2022 Wer mit viel Ausdauer an einem Produktdesign arbeitet, kann kaum den Tag erwarten, an dem er oder sie es tatsächlich in den Händen hält. Alpla lässt diesen Wunsch im österreichischen Hard noch schneller Wirklichkeit werden. Hier können Kundinnen und Kunden ihre Ideen realisieren und das STUDIOa im besten Falle schon mit einem Produktmuster verlassen. Welche Technologien dafür zum Einsatz kommen und wie die Entwicklung eines Produkts abläuft, erklärt Norman Häusler im Interview mit dem K-MAG. Herr Häusler, was gab den Anlass, das STUDIOa zu entwickeln? Norman Häusler. Foto: ALPLA Norman Häusler: Seit Jahrzehnten stehen wir unseren Kundinnen und Kunden zur Seite, wenn es darum geht, ein Produkt von der ersten Idee über die Entwicklung bis hin zur Produktreife zu führen. Dabei zeichnet uns neben unserem technischen Know-how insbesondere auch unsere Designkompetenz aus. Mit dem STUDIOa haben wir nun einen innovativen Raum geschaffen, in welchem wir diesem gestalterischen Aspekt noch stärker Rechnung tragen, um gemeinsam mit unseren Kundinnen und Kunden nachhaltige Verpackungslösungen aus Kunststoff mit einem eigenständigen Design effektiv und in kurzer Zeit zu realisieren. Von welchen Technologien profitieren Ihre Kundinnen und Kunden bei der Produktentwicklung im STUDIOa? Häusler: Ziel eines Workshops ist es, dass die Kundin oder der Kunde eine möglichst realistische Vorstellung von der Verpackung am Point of Sale erhält und idealerweise gleich mit einem fertigen Muster die Heimreise antritt. Dazu bedienen wir uns unterschiedlicher Verfahren, beispielsweise aus dem Bereich Modelling & Simulation, und arbeiten zusätzlich mit computergestützten Medien wie Virtual Reality und Augmented Reality. Auch ein leistungsstarker 3D-Drucker steht zur Verfügung. Wie läuft die Entwicklung eines neuen Produkts im Studio ab? Häusler: Bei der Entwicklung eines Produkts geht es in erster Linie um die enge Zusammenarbeit zwischen funktionsübergreifenden Teams auf Seiten der Kundinnen und Kunden und auf unserer Seite. Dazu ist es wichtig, dass Expertinnen und Experten aus unterschiedlichsten Disziplinen wie der Entwicklung, der Fertigung, dem Werkzeugbau, der Fülllinie oder dem Marketing an einen Tisch kommen und es auch zu Entscheidungen kommt. Dies ermöglicht schnelle Feedbackschleifen, um den Entwicklungsprozess anzukurbeln. Dabei bieten wir unterschiedlichste Pakete, vom ersten Entwurf bis zum fertigen Produkt. Mit Virtual Reality werden die entworfenen Produkte für die Kundinnen und Kunden noch realistischer erlebbar. Foto: ALPLA Welches Feedback erhalten Sie von Ihren Kundinnen und Kunden? Häusler: Was wir jetzt schon sagen können ist, dass unsere Kundinnen und Kunden sehr gut auf das Angebot ansprechen. Wir haben ausgesprochen positives Feedback während der Eröffnung und auch schon auf die ersten durchgeführten Workshops erhalten. Nicht zuletzt drückt sich das auch in vermehrten Anfragen nach gemeinsamen Terminen aus. Oder anders ausgedrückt: Das STUDIOa ist bereits sehr gut gebucht! Wie will Alpla auch in Zukunft Veränderungen in der Kunststoffindustrie anstoßen? Häusler: Seit Gründung des Unternehmens im Jahr 1955 ist Innovation Teil unserer DNA. Dazu gehört, sich auf immer neue Gegebenheiten und Erfordernisse des Markts einzustellen. Schon immer war das Thema Speed to Market wichtig und ist immer noch von zentraler Bedeutung. Darüber hinaus ist die Entwicklung nachhaltiger Verpackungen in aller Munde, sei es durch Einsparungen auf der Materialseite, die Steigerung des Recyclinganteils oder die Konzeption perfekt wiederverwertbarer Verpackungen. Dabei gilt es nicht aus den Augen zu verlieren, dass nur die perfekte Kombination aus Ästhetik und Funktionalität den Unterschied am Point of Sale ausmacht. Kyra Molinari (Redaktion K-MAG) Mehr Science

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25.07.2023

BASF und THOR GmbH bekämpfen gemeinsam Feuer

Copyright: ABBPhoto 03.08.2022 BASF und die THOR GmbH bündeln ihr Know-how im Bereich der halogenfreien Flammschutzmittel, um Kunden eine umfassende Lösung zu bieten, die die Leistung bestimmter Kunststoff-Compounds verbessert und strenge Brandschutzanforderungen erfüllt. Flammschutz ist ein wesentliches Element für Kunststoffbauteile oder -komposite, die häufig im Transport- und Bauwesen sowie im Haushalts- oder Industriesektor eingesetzt werden, da eine unbeabsichtigte Hitze- und Flammeneinwirkung zu schweren Schäden führen und Menschenleben gefährden kann. Das weltweit wachsende Nachfrage aus der Bau- und Automobilindustrie in Verbindung mit strengeren Brandschutznormen wird die Nachfrage nach nachhaltigen Flammschutzmitteln erheblich beeinflussen. Die Experten der Thor GmbH und BASF aus dem Bereich Kunststoffadditive arbeiten bereits seit vielen Jahren gemeinsam an der Entwicklung anspruchsvoller Lösungen, die die anspruchsvollen Anforderungen an Flammschutzmittel erfüllen. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von Alternativen zu halogenhaltigen Additiven. Kombinierte Expertise im Bereich Flammschutzmittel ermöglicht es, Kunden und Endverbraucher über die synergistischen Vorteile des halogenfreien Flammschutzmittels Flamestab® von BASF in Verbindung mit den Phosphonaten der AFLAMMIT®-Technologie von THOR für Polyolefine. Quelle: BASF Beide Unternehmen sind aktive Mitglieder der Phosphorus, Inorganic and Nitrogen Flame Retardants Association PINFA und arbeiten bei der Entwicklung nachhaltiger Polymersysteme, die einer Entzündung und Brandausbreitung während ihrer Lebensdauer standhalten, eng zusammen. Die kombinierte Expertise im Bereich Flammschutzmittel ermöglicht es, Kunden und Endverbraucher über die synergistischen Vorteile des halogenfreien Flammschutzmittels Flamestab ® von BASF in Verbindung mit den Phosphonaten der AFLAMMIT ® -Technologie von THOR für Polyolefine - eine in der Regel anspruchsvolle Flammschutzanwendung - zu informieren. "Eine sorgfältige und umfassende Bewertung einer Additivlösung ist unerlässlich, um die Zeit bis zur Markteinführung zu verkürzen," bestätigt Armin Eckert, BU-Leiter Performance Chemicals, THOR GmbH. "Je genauer unsere Formulierungsvorschläge den Anforderungen der Endverbraucher entsprechen, desto geringer sind die Entwicklungsdauer und Kosten für unsere Kunden. Bei THOR arbeiten wir kontinuierlich an der Verbesserung unserer Flammschutzmittel und ihrer Leistung in den gewünschten Kunststoffverbindungen. Je nach Marktanforderung steht eine Vielzahl an Brandschutznormen zur Verfügung, um unsere selbst entwickelten Flammschutzformulierungen zu testen. Aber auch unseren Kunden und Projektpartnern wie BASF, die uns neu formulierte Kunststofffolien sowie geformte oder extrudierte Proben zur Bewertung zur Verfügung stellen, bieten wir diesen Service an." "Es ist eine echte Herausforderung, einem Kunststoffbauteil eine hohe Brandsicherheit zu verleihen und gleichzeitig mechanische Eigenschaften und Lichtbeständigkeit zu erhalten", erklärt Dr. Achim Sties, Senior Vice President, Performance Chemicals Europe, BASF. "Die technischen Experten bei BASF arbeiten hart an Lösungen, die den Anforderungen unserer Kunden gerecht werden. Wir nutzen unsere große Erfahrung und unser Netzwerk, um kosteneffiziente und nachhaltige technologische Lösungen anzubieten. Gemeinsam mit THOR konzentrieren wir uns auf technische Kombinationen, die es Formulierern und Verarbeitern erleichtern, den erforderlichen Flammschutz zu erreichen und in einem komplexen Norm- und Prüfumfeld erfolgreich eine Zertifizierung zu erlangen." BASF SE THOR GmbH Mehr Science

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25.07.2023

Recycelbar, reparierbar und robust: Neues Epoxidharz für die Kreislaufwirtschaft

Interview mit Dr. Wenyu Wu Klingler, Wissenschaftlerin, Empa Empa-Labor "Advanced Fibers" und Dr. Sabyasachi Gaan, Gruppenleiter, Empa-Labor "Advanced Fibers" Exklusiv für K-MAG Copyright: rawf8 02.11.2023 Epoxidharze werden in Kombination mit Glas- oder Kohlenstofffasern zur Herstellung von Bauteilen für Flugzeuge, Autos, Züge, Schiffe und mehr verwendet. Die faserverstärkten Kunststoffe auf Basis von Epoxidharzen haben hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften, sind leichter als Metall, aber bisher nicht recycelbar. Empa-Forschende haben nun den ersten feuerfesten Kunststoff auf Epoxidharzbasis entwickelt, der genau dies ermöglicht. Im Interview mit dem K-MAG sprechen Dr. Wenyu Wu Klingler und Dr. Sabyasachi Gaan vom Empa-Labor "Advanced Fibers" über den neuen Kunststoff, dessen Vorteile und die chemischen Prozesse zu dessen Herstellung. Für das neuartige Epoxidharz wird eine gute Rezyklierbarkeit und Feuerfestigkeit angegeben. Quelle: Empa Können Sie mir etwas über den neuen Kunststoff erzählen, den Sie gemeinsam entwickelt haben? Wenyu Wu Klingler: Es gibt zwei Arten von Kunststoffen: Thermoplaste und Duromere. Thermoplastische Kunststoffe können geschmolzen und verformt werden. Im Gegensatz dazu werden Duromere fest, wenn sie ausgehärtet sind. Epoxidharz ist ein Duromer und bis zu einer bestimmten Temperatur sehr robust und normalerweise nicht recycelbar. Bei unserer Arbeit wird die Bindung, die das Molekül innerhalb der ausgehärteten Epoxidpolymerketten bildet, durch den Einsatz einer speziellen Phosphorchemie reversibel, das heißt sie kann unter bestimmten Bedingungen gebrochen und wieder neu geknüpft werden. Dadurch wird die Vernetzung der Polymerketten gelockert, sodass sie "erweicht/geschmolzen" und neu geformt werden können. So kann es nach Gebrauch wieder repariert werden. Das von uns entwickelte Material hat eine Phosphorfunktionalität, was bedeutet, dass es auch feuerfest und mechanisch widerstandsfähig ist. Was war für Sie der spannendste Aspekt der Entwicklung? Sabyasachi Gaan: Als wir anfingen, mit Epoxidharz zu arbeiten, untersuchten wir dessen Entflammbarkeit. Es war nicht unser primäres Ziel, es recycelbar zu machen. Wir haben viel Erfahrung in der Entwicklung von Brandschutzmaterialien und nutzten das reaktive Monomer, um flammhemmende Epoxidmaterialien zu entwickeln. Wir stellten dann fest, dass das Material beim Erhitzen weich zu werden schien, und begannen, die Recyclingfähigkeit des Materials zu untersuchen. Wir änderten die Konzentration des Monomers und konnten es nicht nur flammhemmend, sondern auch recycelbar machen. Warum war die Entwicklung von recycelbarem Epoxidharz bisher eine Herausforderung? Klingler: Das Besondere an unserer Entwicklung ist, dass wir die Recyclingfähigkeit gewährleisten, ohne dass die mechanische Leistung und die Brandsicherheit darunter leiden. Es gibt andere Gruppen, die auf diesem Gebiet arbeiten, aber es ist schwierig, Machbarkeit, Skalierbarkeit, Materialleistung und Recyclingfähigkeit gleichzeitig zu erreichen. Unser Material bietet mit einem einfacheren Ansatz eine sehr ausgewogene Leistung. Gaan: Epoxidharze enthalten Bindungen, die nicht gebrochen werden können. Und für das Recycling braucht man Bindungen, die gespalten und wieder neu gebildet werden können. Duromere bestehen aus Vernetzungen, und um sie recycelbar zu machen, muss man die starken Bindungen der Duromere durch schwache und reversible Bindungen ersetzen. Sie sind Teil eines größeren Konzepts namens "kovalente anpassungsfähige Netzwerke". Die Herausforderung besteht darin, von einem System mit ausschließlich starken Bindungen zu einer Mischung aus starken und schwachen Bindungen überzugehen. Je nachdem, welche Art von schwachen Bindungen man einsetzt, muss man sich mit anderen Herausforderungen auseinandersetzen, z. B. mit einem Verlust an mechanischer Leistung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es schon immer eine Herausforderung war, die Chemie mit der Leistung des Materials über einen längeren Zeitraum in Einklang zu bringen. Wofür ist Ihr recycelbares Epoxidharz besonders geeignet und wofür nicht? Klingler: Es eignet sich für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die im Verkehrswesen, in der Luftfahrt, im Bauwesen und in anderen Bereichen eingesetzt werden können, in denen die Brandsicherheit ein wichtiges Anliegen ist. Darüber hinaus kann es auch für die Beschichtung von Holz verwendet werden. Es handelt sich um eine transparente, selbstheilende und schützende Beschichtung, die zudem brandsicher ist. Darüber hinaus können solche Materialien auch in gedruckten Schaltungen verwendet werden, wo am Ende der Lebensdauer Edelmetalle durch Ablösen zurückgewonnen werden können. Auch fortgeschrittene Materialien, die Thermoplaste und solche Vitrimere in strukturellen Anwendungen kombinieren, könnten von Interesse sein. Wir haben nicht ein einzelnes Material für einen bestimmten Zweck entwickelt. Die Flammfestigkeit, die Recyclingfähigkeit und die Reparierbarkeit ermöglichen es, das Material je nach Verwendungszweck zu optimieren. Wie tragen Sie mit Ihrer Entwicklung zu einer nachhaltigeren Kunststoffindustrie bei? Gaan: Die meisten Duromere werden entweder deponiert oder verbrannt. Dabei geht das gesamte Material, einschließlich sehr wertvoller Ressourcen, verloren. Was wir anbieten, ist ein neues Material, das durch thermomechanische Verfahren, Selbstheilung und chemisches Recycling recycelt werden kann. Unser Traum ist es, alle Komponenten, die für den Aufbau des duromeren Materials verwendet werden, zu zerlegen und jede einzelne Komponente wiederzugewinnen und wiederzuverwerten, um so eine Kreislaufwirtschaft zu schaffen. Wir bieten dies an, wobei wir auch die Funktionalität des Materials berücksichtigen. Andere Forschungsgruppen haben ebenfalls recycelbare Duromere entwickelt, befassen sich aber nicht gleichzeitig mit dem Brandschutz. Wir heben uns dadurch ab, dass wir beides in einer Lösung und für viele Anwendungen anbieten. Dies ist sehr wichtig, da bei der Verwendung an öffentlichen Orten immer ein Brandschutz erforderlich ist. Haben Sie irgendwelche zukünftigen Projekte geplant, von denen Sie mir erzählen können? Klingler: Derzeit arbeiten wir an einem Projekt, bei dem wir einen naturfaserverstärkten Verbundwerkstoff für verschiedene Anwendungen, einschließlich verschiedener Transportbereiche, entwickeln wollen. Gaan: In einem weiteren Projekt arbeiten wir auch an faserverstärkten Kunststoffen (Glas und Kohlenstoff). Die von uns entwickelte Chemie ist vielseitig, und wir hoffen, dass wir dieselbe Idee auch auf andere Arten von Duromeren übertragen können, z. B. auf Polyurethane, die auch für Beschichtungen und Klebstoffe verwendet werden, und auf ungesättigte Polyester, die hauptsächlich zur Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Sarah Dietsche (Redaktion K-MAG) Mehr rund um Science

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