Nachhaltiges Flammschutzmittel aus Maisquellwasser
Bestimmte Phosphorverbindungen wirken äußerst effektiv gegen Brände und stecken daher in vielen Flammschutzmitteln. Das Problem: Phosphor ist ein endlicher Rohstoff, der Schätzungen zufolge in den nächsten 50 bis 300 Jahren aufgebraucht sein könnte. Ein Forschungsteam arbeitet daher im Projekt »ScaleAmP« (siehe unten) daran, Phosphor aus Maisquellwasser zu gewinnen – einem Nebenprodukt, das bei der Herstellung von Stärke entsteht. Die Forschenden der Fraunhofer-Institute für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI und für Angewandte Polymerforschung IAP entwickeln gemeinsam mit Partnern ein darauf basierendes Flammschutzmittel für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (Wood Plastic Composite, kurz WPC) und andere Biowerkstoffe.
Die im Maisquellwasser enthaltene extrahierbare Phytinsäure – auch Phytat genannt – ist eine natürliche Phosphorquelle, ein Speicher für Phosphor. Sie kommt in großen Mengen in Pflanzen wie Mais, Weizenkleie, Soja oder Reis vor. »Halogenhaltige, kommerzielle Flammschutzmittel sind zwar sehr effektiv, jedoch auch giftig und umweltschädlich. Im Sinne des Klimaschutzes und aufgrund von regulatorischen Vorgaben will die Industrie verstärkt auf nachhaltige phosphorbasierte Flammschutzmittel umstellen«, sagt Dr. Matthias Bischoff, Wissenschaftler am Fraunhofer WKI. »Wir unterstützen diesen Trend, indem wir die im Maisquellwasser enthaltene Phytinsäure als flammhemmenden Wirkstoff nutzbar machen und ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für das Flammschutzmittel im technischen Maßstab entwickeln.« Das Anwendungspotenzial und die Flammschutzeigenschaften demonstrieren die Forschungspartner beispielhaft an einem Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, der im Baugewerbe sowie in der Automobil- und Möbelindustrie verwendet wird.
Phytinsäure hat dank ihres hohen Phosphorgehalts ein hervorragendes Potenzial als Flammschutzmittel, besonders in Form von Ammonium-Phytaten. Das Molekül bildet bei Hitze eine isolierende Kohlenstoffschicht, die dem Feuer den Sauerstoff entzieht. Allerdings benötigt Phytinsäure für einen effektiven Flammschutz zwingend eine Stickstoffquelle, um eine synergistische Verbindung mit dem Phosphor einzugehen. Reine Phytinsäure ist nicht wirksam als Flammschutzmittel, hat einen sehr niedrigen pH-Wert, und ist damit nicht kompatibel mit den meisten Materialien.
Phytinsäure nachhaltig gewinnen
Die Herausforderung für die Forschenden bestand somit zum einen darin, mittels kostengünstiger Prozessschritte ein effizientes Aufreinigungsverfahren für die gut wasserlösliche Phytinsäure zu entwickeln. Den Forschenden des Fraunhofer IAP ist es gelungen, die Phytinsäure durch einfache verfahrenstechnische Schritte zu gewinnen. Durch Fest-Flüssig-Trennung und Veränderung des pH-Werts wurden Proteine und organische Säuren – die Hauptbestandteile des Maisquellwassers – abgetrennt. Zum anderen mussten die Forschenden herausfinden, welche Amine am besten im Zusammenspiel mit der Phytinsäure wirken, um die Flammhemmung zu bewerten. Hierfür untersuchten Bischoff und sein Team am Fraunhofer WKI mehr als 20 unterschiedliche Amine.
Biobasiertes Flammschutzmittel kann mit kommerziellem, nicht nachhaltigen Mittel konkurrieren
Die gewonnenen Ammonium-Phytate wurden durch Compoundierung in Prüfkörper aus WPC eingebracht. Um die Brandschutzwirkung der WPC-Prüfstäbe mit verschiedenen Ammonium-Phytat-Formulierungen in unterschiedlichen Anteilen zu untersuchen, führten die Forschenden Standardtests wie den UL-94-Brandschutztest und den Sauerstoffindex durch. Der Vergleich der WPC-Prüfstäbe gab anschließend Aufschluss über die Wirksamkeit der verschiedenen Ammonium-Phytat-Formulierungen. Das Ergebnis: Die beste der getesteten Ammonium-Phytat-Formulierungen wies eine ebenso gute Brandschutzwirkung auf, wie das kommerziell erhältliche Referenz-Flammschutzmittel.
Bislang gewinnen die Fraunhofer-Forschenden die Phytinsäure im 1‑Kilo-Maßstab, der nächste Entwicklungsschritt wäre die Herstellung im 100-Kilo-Maßstab. Darüber hinaus wollen sie neben dem Maisquellwasser auch andere Rohstoffquellen wie Reis oder Weizen erschließen und zudem das Aufreinigungsverfahren weiterentwickeln. »Das Zusammenspiel zwischen gesicherter Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, der Wirksamkeit als Flammschutzmittel und dem Preis ist entscheidend für das Potenzial im großtechnischen Einsatz«, resümiert Bischoff.