Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Im Rahmen des Endkonservierung von Fahrzeugen (aber auch Wei\u00dfer Ware, oder Werkzeugen u.v.a.m.) werden vom Hersteller unterschiedliche Ma\u00dfnahmen getroffen, um Oberfl\u00e4chen (vorwiegend lackierte) vor Besch\u00e4digungen (Transportsch\u00e4den, z.B. schlei\u00dfende Metallpartikel von Oberleitungen), umherspritzende Steinchen, Vogelkot, saurer Regen, salzhaltige Brisen aus dem Meer, usw.) auf dem Weg zum Kunden zu sch\u00fctzen.
\nZiel des Projektes war es, bis zum 31.12.2010 Schutzfilme – Schutzfolien und Schutzh\u00e4ute – als Alternative zu konventionellen Folien auf Mineral\u00f6lbasis bzw. tempor\u00e4ren Korrosionsschutzma\u00dfnahmen auf Basis \u00d6l\/Fett zu entwickeln, die die Anforderungen der Automobilindustrie erf\u00fcllen. Minimalziel war es, tempor\u00e4re Korrosionsschutzma\u00dfnahmen bzw. Folien f\u00fcr andere Bereiche (wie S\u00e4gebl\u00e4tter) mit minderer Anforderung als Automobile zu entwickeln. Es sollten ein oder mehrere Produktformulierungen entwickelt werden, deren Kernbestandteil aus nachwachsenden Rohstoffen stammen oder fermentativ hergestellt werden, die biologisch abbaubar und ggf. recyclingf\u00e4hig sind und bis auf Konservierungsstoffe keine oder nur geringe Toxizit\u00e4t aufweisen (fl\u00fcssige Produkte dieser Art m\u00fcssen vor biologischem Abbau durch Konservierungsmittel gesch\u00fctzt werden).<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1.\tErstellen eines Pflichtenheftes anhand der Anforderungsprofile der Industrie
\n2.\tEvaluierung der Eigenschaften kommerziell erh\u00e4ltlicher Kollagenfolien
\n3.\tGenerierung einer Grundrezeptur
\n4.\tEvaluierung geeigneter Vernetzer
\n5.\tEvaluierung notwendiger Additive zum Einstellen der geforderten Eigenschaften
\n6.\tHerstellung einer mind. 25-50 \u00b5m starken Folie auf senkrechten Fl\u00e4chen
\n7.\tEvaluierung geeigneter Applikationstechniken f\u00fcr hochviskose, faserhaltige Massen
\n8.\tVergleich der Eigenschaften von Folien aus der Endrezeptur mit einer konventionellen Plastikfolie
\n9.\tTesten der Lagerstabilit\u00e4t<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das maximale Projektziel, die Entwicklung einer Transportschutzfolie f\u00fcr den Automobilbereich auf Basis nachwachsender, biologisch abbaubarer Rohstoffe, konnte nicht erreicht werden, weil die extremen Anforderungen hinsichtlich der Witterungsbest\u00e4ndigkeit (Salzspr\u00fchtest nach DIN EN ISO 9227) nicht zu erf\u00fcllen waren. Es wurden jedoch umfangreiche Erfahrungen und Erkenntnisse im Umgang mit Kollagenmassen, bez\u00fcglich der Kollagenfolienherstellung und auch hinsichtlich der Optimierung der Wasserbest\u00e4ndigkeit und anderer Eigenschaften gewonnen, wie im Folgenden dargestellt werden soll.
\nZu Beginn des Projektes waren die chemischen Eigenschaften wie Permeabilit\u00e4t und Best\u00e4ndigkeit gegen\u00fcber Pr\u00fcfsubstanzen aus der Automobilindustrie von kommerziellen Kollagenfolien gepr\u00fcft worden. Hier zeigten sich eine ausgezeichnete Best\u00e4ndigkeit der Folien gegen\u00fcber unpolaren Substanzen und nur eine bedingte Best\u00e4ndigkeit gegen polare Substanzen wie Wasser. Anhand der Ergebnisse wurde deutlich, dass Optimierungen zur Verbesserung der Wasserbest\u00e4ndigkeit n\u00f6tig sein w\u00fcrden.
\nZun\u00e4chst wurde zur Festlegung der Kollagengrundmasse das Korrosionsverhalten von einer mit Salzs\u00e4ure anges\u00e4uerten Masse (Kollagenmasse A) mit der einer mit Milchs\u00e4ure anges\u00e4uerten Masse (Kollagenmasse B) verglichen. Die mit Salzs\u00e4ure anges\u00e4uerten Massen zeigten erwartungsgem\u00e4\u00df ein deutlich gr\u00f6\u00dferes Korrosionspotential als die mit Milchs\u00e4ure anges\u00e4uerten Massen, weswegen f\u00fcr alle weiteren Untersuchungen auf die “Milchs\u00e4uremasse” zur\u00fcck gegriffen wurde.
\nIn den sich anschlie\u00dfenden Untersuchungen wurde zun\u00e4chst ein geeignetes Verfahren f\u00fcr die Herstellung von Folien erarbeitet. Es zeigte sich, dass aus den Kollagenmassen mit einem Trockenkollagenanteil von 2-2,5% sowohl durch eine Spritzapplikation mittels einer Becherpistole als auch durch Gie\u00dfen stabile Folie erzeugt werden k\u00f6nnen. F\u00fcr letzteres Verfahren erwies sich eine vorangegangene Evakuierung der Massen in einem Vakuumtrockenschrank als unabdingbar, um die beim Homogenisieren mit einem Homogenisator eingebrachten Luftblasen wieder zu entfernen.
\nDie Optimierung der Rezeptur erfolgte im Anschluss schrittweise. Nach und nach wurden verschiedene Additive wie Vernetzer, Weichmacher, Haftmittel und Biozide zugesetzt und deren Einfluss auf die Eigenschaften der Folien beurteilt. Hierbei stand vor allem der Erhalt bzw. die Verbesserung der Wasserbest\u00e4ndigkeit der Folien im Vordergrund.
\nZun\u00e4chst wurde der geeignetste Vernetzer ermittelt. Hierzu wurden die Aldehyde Formaldehyd, Glutaraldehyd und Glyoxal bzw. Kombinationen dieser Vernetzer eingesetzt. Bei einer Vernetzerkonzentration von 10 % w\/w bezogen auf den Trockenkollagenanteil zeigte sich jedoch kein Unterschied zwischen den einzelnen Vernetzern hinsichtlich der erreichten Wasserbest\u00e4ndigkeit, so dass f\u00fcr die nachfolgenden Untersuchungen G2 (Glyoxal) ausgew\u00e4hlt wurde, da dieses die geringste Toxizit\u00e4t besitzt.
\nIm Anschluss daran wurde der Einfluss der Vernetzerkonzentration auf die Wasserbest\u00e4ndigkeit der Folien gepr\u00fcft. Es zeigte sich, dass Vernetzerkonzentrationen unter 10 % w\/w zu einer deutlichen Verringerung der Wasserbest\u00e4ndigkeit f\u00fchrten, weswegen die Vernetzerkonzentration f\u00fcr alle nachfolgenden Untersuchungen auf 10 % w\/w bezogen auf den Trockenkollagenanteil festgelegt wurde.
\nDurch Verwendung eines Weichmachers sollten die von sich aus sehr spr\u00f6den (wenig verformbaren) Folien flexibler gemacht werden. Untersuchungen hatten \u00fcberdies zuvor gezeigt, dass das oftmals in Kollagenfolien verwendete Glycerin aufgrund seiner guten Wasserl\u00f6slichkeit bei den Best\u00e4ndigkeitsuntersuchungen zu Problemen f\u00fchrte. Es sollte daher ein Weichmacher gefunden werden, der sich weniger leicht aus den Folien heraus l\u00f6sen l\u00e4sst. Hierzu wurden die Substanzen: Glycerin, Lecithin, Sorbit, Alginat, PEG 1, PEG 2 und Jojoba\u00f6l getestet. Lediglich Lecithin und Sorbit f\u00fchrten zu verbesserten Ergebnissen. Alle weiteren Folien wurden daher mit dem Weichmacher Lecithin (40% w\/w bezogen auf Trockenkollagen-Gehalt) hergestellt. Die Verminderung der Wasserbest\u00e4ndigkeit der Folien aufgrund der Zugabe des Lecithins machen weitere Recherchen und Untersuchungen notwendig.
\nDie Untersuchung der Haftfestigkeit der Kollagenmassen auf unterschiedlichen Materialien zeigte, dass Kollagen\u00fcberz\u00fcge auf Untergr\u00fcnden aus Stahl und Kunststoffen (PE, PP, PTFE und PET) ohne Zusatz von Haftmitteln nicht hafteten, w\u00e4hrend eine Haftung auf lackierten Oberfl\u00e4chen gegeben war, allerdings auch nicht sehr stark. Auf Glas hafteten die \u00dcberz\u00fcge jedoch sehr gut. Beil\u00e4ufig wurde bei den Untersuchungen eine Rezepetur entdeckt, die hervorragend auf Teflon haftete. Diese enthielt Sorbit als Additiv. Diese Erkenntnis k\u00f6nnte dazu ausgebaut werden, weitere hydrophobe Materialien auf ihre Beschichtbarkeit zu pr\u00fcfen und so weitere Anwendungsfelder zu generieren.
\nF\u00fcr die Optimierung der Haftfestigkeit auf lackierten Blechen wurden folgende Substanzen getestet: Gelatine, Methyl-PHB, Phthaldialdehyd und Caprolactam. Lediglich Gelatine konnte eine Verbeserung der Haftung rein visuell bewirken, die Schichten hielten jedoch der Gitterschnittpr\u00fcfung zur Beurteilung der Haftfestigkeit nicht ausreichend stand. Die zus\u00e4tzliche Verwendung von Glycerin brachte eine deutliche Verbesserung.
\nUm die Haltbarkeit der Kollagenmasse bei der Verabeitung zu erh\u00f6hen, wurden verschiedene f\u00fcr Lebensmittel zugelassene Konservierungsmittel getestet. Erwartungsgem\u00e4\u00df zeigte sich, dass dadurch der mikrobielle Befall verlangsamt werden konnte. W\u00e4hrend Massen ohne Konservierungsstoff unabh\u00e4ngig von einer Venetzung innerhalb von einer Woche bei einer Lagerung bei 25\u00b0C verschimmelt waren, konnte die Haltbarkeit durch Zugabe von K-Sorbat fast vervierfacht werden und Massen mit Methyl- bzw. Ethyl-PHB waren sogar mehr als 85 Tage frei von Schimmelbefall. Die Verwendbarkeit von abgelagerten Massen zur Folienherstellung muss noch gepr\u00fcft werden.
\nAuf Basis der gewonnen Erkenntnisse wurde eine sogenannte Endrezeptur festgelegt, mit der Folien “in Serie” produziert wurden, um ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften mit denen einer mineral\u00f6lbasierten Polyolefinfolie aus dem Transportschutzbereich der Automobilindustrie zu vergleichen.
\nZun\u00e4chste wurde die Foliendicke der Pr\u00fcfk\u00f6rper bestimmt, die aufgrund der Verwendung ungesiebter Massen und dem Trocknungsverfahren per Luft allerdings relativ gro\u00dfe Schwankungen zeigten.
\nDiese Folien wurden dann Bewitterungstests in einer Salzspr\u00fchkammer und Wechselklimakammer unterworfen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kollagenfolien ohne eine weitere Optimierung nicht f\u00fcr einen Au\u00dfeneinsatz mit Salzwasserkontakt geeignet sind. Bez\u00fcglich des Wechselklimas hielten die Folien zumindest kurzzeitig (7 Tage) der Bewitterung stand, die mechanischen Eigenschaften der bewitterten Folien sind jedoch je nach Anwendungsfall in weiteren Testreihen zu pr\u00fcfen. Die Polyolefinfolie erf\u00fcllte die Anforderungen komplett.
\nDie Permeabilit\u00e4ts- und Best\u00e4ndigkeitsuntersuchungen mit Pr\u00fcfl\u00f6sungen aus der Automobilindustrie zeigten, dass sowohl die Kollagenfolien als auch die Vergleichsfolie nicht vollst\u00e4ndig impermeabel bzw. best\u00e4ndig f\u00fcr die Pr\u00fcfsubstanzen waren. Inwieweit dies problematisch ist, m\u00fcsste in weiteren Versuchen evaluiert werden. Hinsichtlich der Kollagenfolien sind vor allem polare Substanzen bei h\u00f6heren Temperaturen problematisch, aber auch die Polyolefinfolie zeigte f\u00fcr den \u00d6lmix, Kraftstoffmix, das Scheibenklar und die Schwefels\u00e4ure einen Gewichtsverlust von bis zu 10%, was vermutlich dadurch zustande kam, dass sich die Klebstoffschicht der Folie l\u00f6ste, da an der Folie selbst keine Ver\u00e4nderungen beobachtet werden konnten. Die Lackoberfl\u00e4che von beschichteten Blechen war nach den Pr\u00fcfungen jedoch unver\u00e4ndert.
\nDie Ergebnisse der Weiterrei\u00dfpr\u00fcfung machten deutlich, dass zum Zerrei\u00dfen einer Folie aus Kollagen eine wesentlich geringere Kraft erforderlich ist als f\u00fcr Polyethylen- bzw. Polyolefinfolien. Die Kollagenfolien waren insgesamt deutlich spr\u00f6der, d.h. geringer verformbar. Bez\u00fcglich der Rei\u00dfkraft und der Zugfestigkeit der Kollagenfolien konnten \u00e4hnliche Gr\u00f6\u00dfenordnungen wie f\u00fcr die Polyolefinfolie erreicht werden, die lag jedoch mit 19 % nur bei 4 % der Bruchdehnungswerte der Polyolefinfolie. Doch nicht f\u00fcr alle Anwendungen sind hohe Dehnbarkeitswerte erforderlich.
\nWeder die Kollagenfolien noch die Polyethylenfolien zeigten eine ausreichende Haftfestigkeit bei den Gitterschnittpr\u00fcfungen. Die Kollagenfolien l\u00f6sten sich bereits beim Einbringen der Schnitte vom Untergrund ab, die Polyolefinfolie erst nach dem Abziehen des Pr\u00fcf-Klebebandes, allerdings wurde hier auch der Lack in gro\u00dfem Ma\u00dfe mit abgerissen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass hinsichtlich der Optimierung der Haftfestigkeit weitere Ma\u00dfnahmen erforderlich sind.
\nBei einer Temperaturbehandlung mit Extremtempereaturen zeigten beide Folien keine Dimensions\u00e4nderungen.
\nAbschlie\u00dfend wurde die enzymatische Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit der Folien getestet, da dies ein entscheidendes Argument gegen die Verwendung von Polylefinfolien ist. Die Abbaubarkeit konnte durch die Verwendung von Vernetzern in einem gewissen Rahmen variabel eingestellt werden. F\u00fcr stark vernetzte Folien muss das Verfahren jedoch noch weiter optimiert werden. Die Kollagenfolien waren jedoch unabh\u00e4ngig vom Vernetzungsgrad und etwaigen Konservierungsstoffen \u00e4u\u00dferst schnell (innerhalb von 2 Tagen!) kompostierbar. Die Untersuchungen haben somit best\u00e4tigt, dass es zul\u00e4ssig ist, bei den im Projekt generierten Kollagenfolien von biologisch abbaubaren Folien zu sprechen.
\nAusblick<\/p>\n
Auch wenn das Maximalziel, die Konservierung von Automobilen f\u00fcr den Transport, nicht vollst\u00e4ndig erreicht werden konnte, so wurden doch viele grundlegende Erfahrungen mit dem Werkstoff Kollagen bei der Folienherstellung gemacht, auf deren Basis sich weitere Untersuchungen anschlie\u00dfen k\u00f6nnten. So gibt es z.B. \u00dcberlegungen, in Analogie zur Gelatine Vernetzungsreagenzien aus der Fototechnik zur Erzeugung hoch wasserfester Schichten zu erzeugen. Auch k\u00f6nnte z.B. die Haftfestigkeit der Schichten z.B. durch die Verwendung von Muschelklebern eventuell verbessert werden. Auch bez\u00fcglich derzeit noch sehr hohen Trocknungszeiten f\u00fcr die Kollagenmassen mit dem nur sehr geringen Trockenkollagenanteil gibt es bereits \u00dcberlegungen. Diese beinhalten, dass mit abnehmendem Feuchtegehalt der Kollagenschichten die Trocknungstemperatur erh\u00f6ht werden k\u00f6nnte, da die Denaturierungstemperatur ebenfalls mit dem Trockenstoffgehalt ansteigt.
\nAu\u00dferdem wird die M\u00f6glichkeit gesehen, die Kollagenfolien, da eine Anwendung f\u00fcr den Au\u00dfenbereich derzeit noch fraglich ist, f\u00fcr Innenanwendungen beim Korrosionsschutz zu verwenden. Verschiedene Unternehmen haben Interesse an einer biologischen Schutzfolie bekundet. So werden bei der Firma Witzenmann LKW-Komponenten aus handels\u00fcblichem grauen Kugelgraphit f\u00fcr den Transport mit \u00d6len korrosionsgesch\u00fctzt. Aufgrund der offenporigen Struktur der Gu\u00dfteile ist es schwierig, die Bauteile vollst\u00e4ndig zu entfetten, was bei dem anschlie\u00dfenden Schwei\u00dfvorgang zu Fehlstellen f\u00fchren kann. Hier k\u00f6nnte ein Kollagen\u00fcberzug aus einer mit Phosphors\u00e4ure anges\u00e4urten Masse, die zus\u00e4tzlich eine Phosphatschicht auf der Metalloberfl\u00e4che erzeugt, Abhilfe schaffen.
\nAuch Rolls Royce sucht nach einer M\u00f6glichkeit, Ersatzteile im Rahmen der 50 Jahre umfassenden Ersatzteilgarantie vor Korrosion zu sch\u00fctzen. Trotz Lagerung im klimatisierten Innenraumbereich verrosten hier immer wieder Teile, was beim Entrosten. aufgrund enger einzuhaltender Tolleranzen ein Problem darstellt.
\nNeben diesen Anwendungsfeldern in der Automobilindustrie ist es auch denkbar, die nat\u00fcrlichen Eigenschaften des Kollagens, wie seine Unbest\u00e4ndigkeit gegen\u00fcber Wasser bzw. seine sehr gute Kompostierbarkeit, zu nutzen. Denkbare Einsatzfelder sind hier die Etikettierung von Mehrwegflaschen bzw. die Herstellung von Saatb\u00e4ndern mit diversen Zusatznutzen gegen\u00fcber den herk\u00f6mmlichen L\u00f6sungen. Bei der erstgenannten Anwendung w\u00fcrde sich der Abl\u00f6seprozess der Etiketten erheblich vereinfachen und umweltfreundlicher gestalten lassen. Saatb\u00e4nder aus Kollagen h\u00e4tten den Vorteil, dass sie im nassen Zustand deutlich rei\u00dffester w\u00e4ren als die herk\u00f6mmlichen Papierb\u00e4nder und \u00fcberdies w\u00e4re es m\u00f6glich, D\u00fcnger und andere Zus\u00e4tze wie Keimhilfsstoffe einzuarbeiten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes sind zahlreiche Publikationen entstanden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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