Holzmöbel tragen Beschichtungen, die mit Nanopartikeln verstärkt werden. Auch in Druckfarben kommen Nanopartikel zum Einsatz. Die winzig kleinen Teilchen – ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter – besitzen im Verhältnis zu ihrem Volumen eine extrem große Oberfläche. Das kann ihre chemische Reaktivität stark erhöhen. In der richtigen Mixtur verbessern sie die Eigenschaften der Produkte, zum Beispiel machen sie beständiger gegenüber UV-Strahlen. Auch lassen sich Farbschichten viel dünner auftragen.
Nanopartikel führen zu gewünschten Eigenschaften
Das Projekt „EcoNanoForce – Biobasierte nano-verstärkte Beschichtungen“ erforscht, wie man die vielfach verwendeten erdöl-basierten Nanopartikel in der industriellen Produktion ersetzen kann. Dabei haben die Forschenden Nanopartikel aus nachwachsenden Rohstoffen im Blick. Damit wollen sie auch Druckfarben biologisch abbaubar machen, damit diese etwa auf Verpackungsfolien kompostierbar sind.
„Bislang gibt es keine biologisch abbaubaren Tinten, die sich im breiten kommerziellen Einsatz etabliert haben“, erklärt der Projektleiter von EcoNanoForce Felipe Wolff-Fabris. Er steht dem Europäischen Zentrum für Dispersionstechnologien (EZD) vor und vertritt die deutschen Partner im Rahmen der Fördermaßnahme Bioökonomie International. Mit im Boot ist zudem das Instituto SENAI in Brasilien. Beide Partner sind anwendungsorientierte Forschungsinstitute mit direktem Praxisbezug.
Das EZD im Fichtelgebirge ist ein interdisziplinäres Forschungs- und Innovationszentrum, dessen Know-how die Herstellung und Charakterisierung von Dispersionen ist. „Das EZD, eine Einrichtung des Kunststoff-Zentrums SKZ, ist ein privates, nicht gewinnorientiertes Unternehmen, das im Auftrag der Industrie forscht“, erklärt Materialwissenschaftler Wolff-Fabris. „Deutschland ist stark in der chemischen Industrie und zählt zu den führenden Standorten für Lacke sowie für erdöl- und bio-basierte Polymere, die in Beschichtungen und Tinten eingesetzt werden.“ Das Land Brasilien sei für das Forschungsprojekt ein idealer Partner, denn es verfügt über umfangreiche Holzvorkommen und eine große Papier- und Holzindustrie.
Reststoffe für Nanopartikel
Das Instituto SENAI verwendet Reststoffe und Abfallströme aus der Papierindustrie. Aus Cellulose und Lignin entstehen nach einer chemischen und physikalischen Aufbereitung sowie Zerkleinerungsprozessen Nanopartikel, die dann nach Deutschland geliefert werden. Diese sind „fast fertig“, erklärt der Ingenieur Wolff-Fabris, denn sein Institut bereite sie nun für Dispersionen auf. Eine Dispersion ist ein Gemisch aus Stoffen, die sich nicht ineinander lösen und keine chemische Verbindung eingehen. Bekannte Beispiele sind Zahnpasta, heiße Schokolade, Sonnenschutzcreme oder Autolacke.
Die Forschungsarbeit besteht darin, die Partikel in die Druckfarben und Beschichtungen so einzubringen, dass diese bestimmte Funktionalitäten erhalten. Die Tinten und Beschichtungen bestehen wiederum aus zehn bis 15 Einzelkomponenten. Die Herausforderung ist: „Wir müssen die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Komponenten verstehen.“
„Wir sind schon ziemlich weit“, zieht Wolff-Fabris für das bis Ende des Jahres laufende Projekt Bilanz. In Bezug auf die Holz-Beschichtungen habe man schon abgeschlossen. „Wir erreichen heute bereits vielfach eine bessere Performance als herkömmliche erdöl-basierte Beschichtungen. So erweist sich die am Institut neu entwickelte Beschichtung bei Holz abriebfester und sie bietet einen besseren UV-Schutz.
Mit der BMFTR Fördermaßnahme „Bioökonomie International” sollen internationale Partnerschaften im Bereich Forschung, Entwicklung und Innovation auf- und ausgebaut werden. Dadurch wird Forschung zu den globalen Herausforderungen Klimawandel, Ernährungssicherung sowie Umwelt- und Ressourcenschutz stärker vernetzt. Gleichzeitig erschließen die Partnerschaften Innovationspotenziale und treiben biobasierte Lösungen voran. Dabei berücksichtigen die Projekte technologische Souveränität, ökonomische Wertschöpfung und die Schaffung von Arbeitsplätzen für gesellschaftlichen Wohlstand. Die Fördermaßnahme Bioökonomie International läuft seit 2013 mit jährlichen Ausschreibungen.
Im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie International 2022“ fördert das BMFTR die SKZ – KFE gGmbH, eine gemeinnützige Gesellschaft, mit einer Fördersumme von knapp 275.000 Euro. Das Forschungsprojekt „EcoNanoForce – Biobasierte nano-verstärkte Beschichtungen“ besitzt eine Laufzeit von drei Jahre und begann im Januar 2024. Das übergeordnete Ziel besteht darin, umweltfreundliche Beschichtungen und Tinten mit industrieller Anwendbarkeit zu entwickeln.
Kurzlebige, biologisch abbaubare Verpackungsfarben
Bei den Verpackungstinten, die auch biologisch abbaubar sein sollen, laufen letzte Untersuchungen, eine Basisentwicklung für Druckfarben liegt vor. Als letzten Schritt werde man eine Lebenszyklusanalyse vornehmen. Mit dieser wissenschaftlichen Methode misst das Projekt die Umweltwirkungen über die gesamte Lebensdauer: von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und Nutzung bis hin zum Recycling oder der Entsorgung. Die Farben sollen eine kurze Lebensdauer besitzen, damit sie sich zusammen mit biologisch abbaubaren Folien rasch rückstandsfrei zersetzen und nicht als Mikroplastik Böden und Gewässer verunreinigen. Damit würden sie sich laut Wolff-Fabris insbesondere für Verpackungen von Lebensmitteln oder den in der Landwirtschaft eingesetzten Folien eignen.
Die Industrie, etwa ein Farbhersteller, zeigt bereits Interesse an der Entwicklung. „Unser Ziel ist ein Technologietransfer, bei dem am Ende Hersteller die bio-basierten Nanopartikel für ihre Produkte verwenden“, sagt der Wissenschaftler. Für das BMFTR hat der Technologietransfer einen hohen Stellenwert. Indem Forschungsergebnisse in die Anwendung gelangen, stärkt die Wissenschaft Deutschlands Wettbewerbsfähigkeit und technologische Souveränität und steigert die Wertschöpfung.
Ein Gastbeitrag von Ulrike Roll, Projektträger Jülich
