Biobasierter Klebstoff mit Formgedächtnis

Ein Polymer mit Formgedächtnis, das noch dazu als Klebstoff taugt? Genau das haben Forscher am Leibniz-Institut für Katalyse entwickelt.

Ein Formgedächtnispolymer als Klebstoffalternative? Am Leibniz-Institut für Katalyse, kurz Likat, ist es gelungen einen Baustein für ein Polymer aus Abfällen der Holz- und Papierproduktion zu entwickeln. Dieses verfügt nicht nur über Klebeeigenschaften, sondern auch über eine Art Memoryeffekt. Das katalytische Verfahren dafür wurde von Bernhard Stadler, Chemiker am Likat, im Rahmen seiner Dissertation entwickelt.

Forscher des Industrie- und Konsumgüterherstellers Henkel erkunden derzeit, welche Potenziale das biobasierte Material auf dem Markt, etwa in der Klebstoffindustrie, hat. Die Arbeiten sind Teil des EU-Projektes „GreenSolRes“, das den Einsatz nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von Biochemikalien erforscht.

Langfristiges Ziel des Projekts ist die Umstellung chemischer Prozesse von erdöl- und erdgasbasierten Prozessen hin zu erneuerbaren Ressourcen. Die Fachwelt geht von etwa einem Dutzend sogenannter Plattform-Chemikalien aus, die sich biobasiert herstellen lassen und somit geeignet sind die Petrochemie zu ersetzen. Dazu zählt Lävulinsäure. Sie entsteht in hoher Ausbeute, wenn man etwa Holzabfälle mit Wasser und verdünnter Schwefelsäure auf 200 °C erhitzt.

Im Rahmen des EU-Projekts arbeitet Stadlers daran, Abkömmlinge der Lävulinsäure zu innovativen Materialien zu veredeln. Das gelingt dem Chemiker mittels Katalysatoren sowie neben der Lävulinsäure noch Wasserstoff und Vernetzungsmittel. Zunächst entsteht ein Zwischenprodukt, ein sogenanntes Diol (1,4-Pentandiol), das sich in einem weiteren Schritt zu einem Polyester verbindet. Endprodukt ist eine klare, zähe Flüssigkeit, die sich als Klebstoff eignet. Im ausgehärteten Zustand verhält sich das Material gummiartig.

Mit Hilfe der Forscher von Henkel gelang es auf der Basis von 1,4-Pentandiol ein Polymer herzustellen, das mit einem Formgedächtnis überrascht (ChemSusChem 2020, 13, 556, DOI: 10.1002/cssc.201902988). Es lässt sich zusammenrollen und behält diese Form unterhalb von 9 °C. Sobald es sich wieder auf Raumtemperatur erwärmt, entrollt es sich in seine ursprüngliche Form. Formgedächtnispolymere sind zwar bekannt, doch zeigt sich der Effekt bei ganz bestimmten Temperaturen, oft eher zwischen 60 und 70 °C. Bei diesen Effekten ist es allerdings wünschenswert, Schalttemperaturen möglichst flexibel einzustellen – je nach Verwendung beispielsweise im Bereich von Körpertemperatur oder typischen Kühltemperaturen. Dadurch ergeben sich Anwendungspotentiale in Medizin und Logistik bei der Kühlung von Gütern. Da es möglich ist, mit biobasiertem 1,4-Pentandiol in Polymeren verschiedene Schalttemperaturen einzustellen, könnte 1,4-Pentandiol ein zentraler bio-basierter Baustein werden.

„Die Industrie“, sagt Bernhard Stadler, „spürt am Markt ein wachsendes Bewusstsein in Klima- und Umweltbelangen und öffnet sich für biobasierte Produkte. Doch die sollen nicht einfach nur fossile Ressourcen ersetzen, sondern mit neuen Eigenschaften einen zusätzlichen Leistungsvorteil bringen.“ Der Klebstoff auf Basis von Lävulinsäure kann diesen gewünschten Nutzen bringen. Es ist das Ergebnis der engen Zusammenarbeit mit der Entwicklungsabteilung von Henkel, wie der Forscher betont. Für das Material und das Verfahren haben beide Partner ein gemeinsames Patent angemeldet. Henkel fertigt das Produkt zu Musterzwecken bereits im Kilogramm-Maßstab.

Das Projekt „GreenSolRes“ läuft seit 2017 und ist bis Ende 2020 anberaumt und wird mit 7,45 Mio. EUR gefördert. Insgesamt sechs Partner aus Industrie und Wissenschaft  aus vier Ländern beteiligen sich daran. Koordiniert wird das ganze von der RWTH Aachen.

In Kooperation mit Industriepartnern wird an der RWTH Aachen außerdem eine Anlage für die Produktion der Lävulinsäure optimiert. Die Aachener übernehmen auch das Lifecycle-Assessement. Denn das „grüne Verfahren“ soll möglichst komplett auf Basis erneuerbarer Rohstoffe stehen. De facto sei das noch nicht der Fall, sagt Bernhard Stadler, im Prinzip aber möglich.

db