Am Leibniz Institut für Katalyse (LIKAT) wurde ein biologisch basierter Klebstoff mit Gedächtnis entwickelt. Der Gedächtnis-Effekt ist temperaturabhängig und Schalttemperaturen lassen sich flexibel einstellen. Unter anderem sind Anwendungsgebiete in Medizin und Logistik möglich.
Das katalytische Verfahren für den Klebstoff mit Gedächtnis wurde von LIKAT-Chemiker Bernhard Stadler im Rahmen seiner Dissertation entwickelt. Der Dissertant ist Teil des EU-Projektes GreenSolRes, das den Einsatz nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von Biochemikalien erforscht.
Forschende gehen von etwa einem Dutzend sogenannter Plattform-Chemikalien aus, die sich biologisch basiert herstellen lassen und somit geeignet sind die Petrochemie zu ersetzen. Eine dieser Chemikalien ist die Lävulinsäure. Sie entsteht in hoher Ausbeute, wenn man zum Beispiel Holzabfälle mit Wasser und verdünnter Schwefelsäure auf 200 Grad erhitzt. Eine chemische Reaktion, die ist seit hundert Jahren bekannt ist.
Katalytisches Verfahren
Stadlers Aufgabe im Projekt GreenSolRes ist es, Abkömmlinge der Lävulinsäure zu innovativen Materialien zu veredeln. Das gelingt dem Chemiker mittels Katalysatoren sowie Lävulinsäure, Wasserstoff und Vernetzungsmittel. Im katalytischen Verfahren entsteht zunächst 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 dem Dissertanten ein Polymer auf der Basis von 1,4-Pentandiol herzustellen. Überraschend daran war das Formgedächtnis (ChemSusChem 2020, 13, 556, DOI: 10.1002/cssc.201902988). Das Polymer lässt sich zusammenrollen und behält diese Form unterhalb von neun Grad Celsius. Sobald es sich wieder auf Raumtemperatur erwärmt, entrollt es sich in seine ursprüngliche Form.
Flexibel schaltbar
Polymere mit Formgedächtnis sind zwar bekannt, doch zeigt sich der Effekt bei ganz bestimmten Temperaturen und diese liegen meist zwischen 60 und 70 Grad Celsius.
Mit biologisch basiertem 1,4-Pentandiol in Polymeren können verschiedene Schalttemperaturen eingestellt werden. Der Gedächtniseffekt ist also flexibel herbeizuführen und das Material kann zum Beispiel im Bereich von Körpertemperatur oder typischen Kühltemperaturen verwendet werden. Diese Eigenschaft macht 1,4-Pentandiol zu einem vielversprechenden biologisch basierten Baustein – und eröffnet Anwendungspotentiale in Medizin und Logistik.
Biologisch basiert
Die Industrie öffnet sich für biologisch basierte Produkte, weil sich am Markt ein wachsendes Bewusstsein für Klima- und Umweltbelange abzeichnet, weiß Stadler. Diese Produkte sollen aber nicht einfach nur fossile Ressourcen ersetzen, sondern mit neuen Eigenschaften einen zusätzlichen Leistungsvorteil bringen. Der Klebstoff auf Basis von Lävulinsäure bringt diesen erwünschten Nutzen.
Möglich wurde dies durch die enge Zusammenarbeit mit der Entwicklungsabteilung von Henkel, so Stadler. Beide Partner haben für das Material und das Verfahren ein gemeinsames Patent angemeldet. Henkel fertigt das Produkt zu Musterzwecken bereits im Kilogramm-Maßstab. Gleichzeitig erforscht die Entwicklungsabteilung die Marktpotenziale des biologisch basierten Materials – etwa im Sektor Klebstoff.
GreenSolRes
GreenSolRes läuft noch bis Ende 2020. Das länderübergreifende Projekt vereint sechs Partner aus Industrie und Forschung in vier Ländern. Die Koordination des Projekts obliegt der RWTH Aachen. Darüber hinaus wird an der RWTH Aachen in Kooperation mit Industriepartnern eine Anlage für die Produktion der Lävulinsäure optimiert. Die Aachener übernehmen auch das Lifecycle-Assessement. Denn das grüne Verfahren soll möglichst komplett auf Basis biologischer Rohstoffe stehen. Das sei de facto noch nicht der Fall, im Prinzip aber möglich, sagt Stadler.
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