Materialforschung als Innovationstreiber und Schlüsseltechnologie

Hinter den Kulissen der Rohstoff-Detektive

  • Das hier gezeigte Biopolymer besteht aus dem Milcheiweiß Kasein.Das hier gezeigte Biopolymer besteht aus dem Milcheiweiß Kasein.
  • Das hier gezeigte Biopolymer besteht aus dem Milcheiweiß Kasein.
  • Anke Domaske

Die weltweite Nachfrage nach neuen Materialien wächst. Dabei nimmt die Komplexität dieser sehr anspruchsvollen Wissenschaft immer weiter zu. In den letzten Jahren bestand Materialforschung hauptsächlich darin, bekannte Materialien neu zu kombinieren. Aufgrund der immer größer werdenden Rohstoffknappheit arbeiten immer mehr Experten an der Erforschung neuer Rohstoffquellen für innovative Materialien. Die Entwicklung neuer Materialien ist eine Herausforderung des 21. Jahrhunderts.

In diesem Sinne ist die Materialforschung heute immer noch eine Schlüsseltechnik und ein wichtiger Indikator für den gesellschaftlichen Fortschritt. Kunststoffe haben für die Produktentwicklung neuen Möglichkeiten aufgezeigt. Sie machen Produkte z.B. leichter, stabiler und auch energieeffizienter. Die Frage nach der Nachhaltigkeit gewinnt dabei immer mehr an Bedeutung. Der ökologische Fußabdruck ist für unsere Zivilisation zu einer entscheidenden Zukunftsfrage geworden.

Aus diesem Grund spielen Biokunststoffe eine immer größere Rolle. Diese zeigen eine rasante Entwicklung im Eigenschaftsprofil und neben dem biologischen Abbau bieten sie echte Mehrwerte für den Nutzer. Antibakteriell, antiallergisch, rückstandslose Auflösung oder schadstoff- und weichmacherfrei, sind Eigenschaften, die die Kunden bevorzugen und dafür auch gern mehr bezahlen.

Doch wie entwickelt man heute einen neuen Werkstoff? Wie beginnt man eine Materialentwicklung? Kann man überhaupt noch etwas Neues erfinden?
Viele Werkstoffe werden weiterentwickelt, die Eigenschaften verbessert, Prozesse optimiert und dem Stand der Technik angepasst. Aber ein völlig neues Material mit einer neuen Technologie zu entwickeln, ist eine komplexe Herausforderung. Dabei ist die Entwicklungszeit, die im Durchschnitt einige Jahre in Anspruch nimmt, ein wichtiger Faktor.

Die Herausforderungen der Materialforschung soll hier in einem Beispiel dargestellt werden:
Das Gründerteam von Qmilk startete 2011 mit der Idee, eine natürliche Textilfaser aus Milch herzustellen. Das Milchprotein Kasein wird aus Rohmilch gewonnen.

Dazu wird ein Nebenstoffstrom der Milchindustrie verwendet, der nicht als Lebensmittel verwendet werden darf. Mehr als 2 Mio. Tonnen Milch werden in Deutschland jährlich entsorgt. Seit dem Beginn hat sich das Portfolio von Textilfasern auf Granulat für Spritzguß- Extrusions- und Blasfolienanwendungen erweitert.

Die Geschichte des Kunststoffes begann vor 130 Jahren. Und es war das Kasein, welches den ersten Kunststoff lieferte. Die ersten Patente -Plastik aus Kasein- herzustellen wurden 1885 und 1886 in Deutschland und den USA angemeldet. 1897 entdeckte Adolf Spitteler das Kasein, als seine Katze im Labor eine Flasche Formaldehyd umkippte und in die Milchschale der Katze floss und dieses in eine hornartige Masse verwandelte. So wurde der erste Kunststoff entdeckt.

Das hier vorgestellte neue Biopolymer aus Milch ist ebenfalls sehr unkonventionell entstanden. Ein Handmixer und ein riesen Einkochthermometer für Marmelade waren die ersten Ausrüstungsgegenstände. Der alte Herstellungsprozess musste neu überdacht, weiterentwickelt und nachhaltiger gemacht werden. Die Mittel waren einfach und die Fläche für die Darstellung eines neuen Prozesses nicht größer als eine Tischplatte. Der „Proof of Principle" beweist in den Anfängen die Machbarkeit einer Idee. Fallen diese Ergebnisse positiv aus, kann über eine Skalierung nachgedacht werden. Die Prozesstechnologie entspricht dem modernsten Technologiestandard. Das bedeutet einerseits kompletter Verzicht z.B. auf Formaldehyd, weitere chemische Fällungsbäder und beste Energieeffizienz und Nachhaltigkeit.

Neues Material mit neuen Eigenschaften
Am Anfang standen ein kleines Budget und viel „Learning by doing" mit tollen Überraschungseffekten, um die Eigenschaften des neuen Werkstoffes zu erforschen. Denn Kasein ist ein besonderes Molekül. So sind bisher über 3000 Rezepturen entstanden. Dies spiegelt auch die vielfältigen Möglichkeiten wider.
Es können weiche Elastomere Shore A < 40 bis hin zu spröden Materialien Shore D < 80 hergestellt werden. Ein weiteres Beispiel für die Besonderheit des Biopolymers sind die hydrophilen Eigenschaften. Obwohl es eine sehr gute Wasseraufnahme besitzt, kann es als Laminierung auf Papier für wasserabweisende Effekte sorgen. Auch wenn das neue Material amorph bis teilkristallin ist, können daraus milchig klare Materialvarianten hergestellt werden.

Einordnung des neuen Materials in die bestehende Ordnung
Das neue Material muss seinen Platz zwischen den anderen Materialien erhalten. Es ist genau definiert: Thermoplaste sind Kunstoffe mit linearen Kettenlängen. Elastomere und Duroplaste besitzen Querverbindungen. Vor allem können Duroplaste, einmal in Form gebracht, nicht wieder neu verformt werden.

Aber auf das hier vorgestellte Biopolymer aus Milch trifft keine dieser Definitionen zu. Im Gegensatz zu früheren Kaseinpolymeren, die zu den Duroplasten gehörten, ist es ein thermoplastisches Material mit Quervernetzungen. Es kann aufgrund der Quervernetzungen nicht einfach zerfließen. Der Brandschutz ist höher als bei den Thermoplasten, da das Polymer bei Temperaturerhöhung nicht zu tropfen beginnt. Mit Copolymerisation können somit auch die Brandeigenschaften von bestehenden Polymeren wie LDPE und EVA verbessert werden. Das Material hat einen geringen Schrumpf unter Hitzeeinwirkung und neigt nicht zu elektrostatischer Aufladung. In Verarbeitungsprozessen kann auf Avivage verzichtet werden.

Auch ein MFI (Melt Flow Index) kann nur unter bestimmten Bedingungen gemessen werden. Er zeigt, wie sich das Material in einer Maschine verarbeiten lässt. Das Polymer besitzt keinen Schmelzpunkt und somit kann dieser auch nicht in einem DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) festgestellt werden. Das bedeutet aber, dass dieses Biopolymer auch nicht den bisherigen Definitionen der Kunststoffbranche entspricht. Dennoch kann das Material unter Druck, Temperatur und mechanischer Einwirkung in eine thermoplastische Masse geschmolzen und auf den üblichen Kunststoffmaschinen verarbeitet werden.

Doch neue Polymereigenschaften sind erklärungsbedürftig. Was eine große Herausforderung darstellt. Die Modifizierung bestehender Polymere wird bald ihre Grenzen erreicht haben, und neue Materialien brauchen neue Definitionen und Prüfmethoden. Die bestehenden Definitionen der Kunststoffgruppen müssen ergänzt werden.

Entwicklung von marktreifen Produkten
Mittlerweile stehen viele Endanwendungen im Folien und -Spritzgußbereich vor der Markteinführung. Da es aber noch keine DIN-Normen für den neuen Kunststoff gibt, ist auch hier Kreativität gefragt, um entsprechende Prüfwerte zu erhalten.

Die Plastifizierung und das Spritzverhalten musste neu angepaßt werden, da sich das Polymer in einem Prozessfenster von 80 - 140 °C verarbeitet, welches deutlich unter dem Temperaturprofil konventioneller Kunststoffe liegt. Dies ist für den Spritzgießer ein großer Vorteil, denn es können bis zu 30 % an Zykluszeiten eingespart werden. Zudem muss unser Polymer mit einer Grundfeuchte von 10 % nicht vorgetrocknet werden. Dadurch sind zusätzlich deutliche Einsparungen an Energie möglich.

Forschung mit klaren Zielen
Bei einer neuen Werkstoffentwicklung müssen die Ziele genau definiert sein. Der Anspruch bei diesem Biopolymer war es, ausschließlich Komponenten zu verwenden, die aus 100 % natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Der Prozess muss nachhaltig und umweltschonend sein. Des weiteren war ein Null-Abfall-Prozess ohne Nebenstoffströme ein bedeutendes Ziel. Mit diesen Rahmenbedingungen sollte eine Textilfaser entwickelt werden, die bei 60°C gewaschen werden kann. Außerdem sollte es antibakteriell und temperaturregulierend sein. Ziele stellen ist einfach, einige zu realisieren machbar, aber alle in einem Material zu vereinen, eine Herausforderung.

Kreativität auch in der Umsetzung
In der Materialwissenschaft gibt es sowohl schnelle „Quick and Dirty" als auch komplexe Analysemetoden, um die Werkstoffeigenschaften zu überprüfen. Ein Beispiel für schnelle Machbarkeitsstudien sind dabei Wasserbeständigkeitstests, bei denen man das Polymer einfach ins Wasser legt. Die wissenschaftlichen molekularen Untersuchen zur Bestimmung der Polymerkettenlänge werden erst danach durchgeführt. Diese Reihenfolge wurde auch hier eingehalten.

Nachdem sich der Prozess in einem Labormaßstab bewährt hat, geht es an die Skalierung. Das Gründerteam hat in den letzten Jahren viel Kreativität bewiesen, um Prozesse aus der Grundlagenforschung zu skalieren und zu stabilisieren. An einer Versuchsanlage wurde alles verbaut, was man sich so vorstellen kann. Beste Helfer in der Not: Powerknete, Bohrmaschine und unsere Bastler. Eine der größten Herausforderungen in der Materialforschung ist die Entwicklung stabiler und kontinuierliche Prozesse.

Letztlich wurde über 2 Jahre geforscht, um diesen reaktiven Produktionsprozess an einer Pilotanlage zu stabilisieren, bevor der Weg für eine Industrieanlage geebnet war. Vor allem reaktive Prozesse müssen kontrolliert werden, um eine kontinuierliche Qualität zu gewährleisten. Die Hürde der Umsetzung ist um ein vielfaches höher. Dennoch ist es aller Mühen wert, denn mit der Einsparung vieler Prozessschritte in der Produktion kann die Nachhaltigkeit verbessert werden.

"Waste is only waste if you waste it"
Das Recycling von Werk- und Wertstoffen ist in Deutschland zwar bereits weit entwickelt, dennoch besteht auf allen Ebenen Optimierungsbedarf und Innovationspotential. Die ökonomischen und ökologischen Potentiale werden noch nicht ausreichend genutzt. Bereits im Entwicklungsstadium neuer Produkte sollte das Recycling geplant werden. Die Sicherung von Roh- und Grundstoffen ist hierbei maßgeblich und unerlässlich. Aber das Beste ist es, wenn der Rohstoff für ein Produkt selbst ein Abfallstoff ist.

Hier war es besonders wichtig, einen Nebenstoffstrom der Milchindustrie zu verwenden und diesen seiner höchsten Verwertungsstufe zuzuführen und daraus nachhaltige Produkte zu entwickeln. Um den Abfallstoff in einen Rohstoff zu verwandeln, ist die Entwicklung einer neuen Technologie notwendig. Dieses Potential der Materialentwicklung existiert weltweit und ist noch nicht ausgeschöpft. Im besonderen Fall der Milch wird durch den Wegfall der Milchquote in 2014 tendenziell mehr Milch produziert. Das bedeutet mehr Rohstoff für noch mehr neue Materialien.

Fazit
Die Herausforderungen in den Materialwissenschaften sind umfassend und vielschichtig. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von kompetenten Wissenschaftlern und Ingenieuren ist unbedingt notwendig. Der Einsatz innovativer Materialien ist die Voraussetzung der Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen - dass komplexe Aufgaben, aber auch großartige Möglichkeiten, eine lebenswerte Zukunft gestalten. Deshalb bleibt die Materialentwicklung auf der Grundlage der Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz eine Schlüsseltechnologie der Zukunft.

Literatur
[1] Chemie als ein Innovationstreiber in der Materialforschung, Dechema: http://www.bunsen.de/bunsen_media/PP_Materialforschung_web-p-1066.pdf 
[2] A Handbook of Applied Biopolymer Technology: Synthesis, Degradation and Applications

Mehr Informationen zum Thema Polymere
Weiterer Artikel von Anke Domaske: Neue Textilfasern braucht das Land

Lebenslauf von Anke Domaske:
Dipl. Biol. Anke Domaske ist die Geschäftsführerin der Qmilch Deutschland GmbH. Sie gründete das Unternehmen 2011 mit der Idee eine Textilfaser aus Milch herzustellen, die aus 100% natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen besteht. Heute hat Sie eine Produktionslinie mit 1000 Tonnen Kapazität aufgebaut. Mittlerweile arbeiten 20 Mitarbeiter in dem Unternehmen.

Autor(en)

Kontaktieren

Qmilch
Göttinger Chaussee 12 -14
30453 Hannover
Telefon: +49 51137413059
Telefax: +49 51137455783

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.