Projekt 13842/01

Biologisch abbaubare Werkstoffe für die Herstellung von planaren dickfilmstrukturierten Grundsensoren (Transducer) zur Schadstoffdetektion

Projektträger

Ingenieurbüro B. Hegewald (IBH)Spezialpräparate und Dickschichttechnik
Bahnhofstr. 3 a
01738 Klingenberg
Telefon: 035202/2015

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Hauptanteil der z. Zt. hergestellten Grundsensoren(Transducer) basiert weltweit auf dem Herstellungsverfahren Dickschichttechnologie. Auf einen planaren Grundkörper(Substrat) werden überwie-gend im Siebdruckverfahren funktionelle Strukturen aufgetragen, getrocknet und ausgehärtet. Dieses Gesamtsystem wird im Hinblick auf den exponentiell steigenden Markt für Schnelltests zunehmend zu einem Entsorgungsproblem. Das Vorhaben zielt auf die Erprobung und Optimierung biologisch abbaubarer Substratmaterialien in Verbindung mit recyclebaren umweltfreundlichen speziellen Beschichtungsmaterialien planarer dickschichtstrukturierter Grundsensoren (Transducer) für die quantitative amperometrische oder potentiometrische Indikation umweltrelevanter Schadstoffe.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben gliedert sich in die folgenden Arbeitsschritte:
1. Testung und Modifizierung biologisch abbaubarer Substratmaterialien
2. Entwicklung biologisch abbaubarer niedertemperaturhärtender siebdruckfähiger Präparate
3. Entwicklung und Optimierung des Grundsensor-Layouts
4. Testung der nach den Punkten 1...3 hergestellten und optimierten Grundsensoren auf ihre biologische Abbaubarkeit im UFZ/UbZ gemäß Lastenheft und einschlägiger Standards
5. Applikative Charakterisierung und Validilierung der Sensoren mittels elektrochemischer Untersuchungsmethoden bei SensLab Leipzig. Dabei werden die Sensoren sowohl als amperometrisches System zur direkten Detektion elektroaktiver Substanzen als auch als Transducer für Biosensoren auf ihre Eignung untersucht. Als Modellanalyte, für die die Sensoren beispielhaft modifiziert werden, sind Wasserstoffperoxid und Phenole vorgesehen.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurden in erster Linie alle geeignet erscheinenden biologisch abbaubaren Werkstoffe als Substratmaterial für planar strukturierte Sensorelemente getestet. Dabei konnten durch die sehr gute kooperative Zusammenarbeit mit der Projektgruppe im Umweltbiotechnologischen Zentrum Leipzig neueste Forschungsergebnisse bei der Entwicklung von biologisch abbaubaren Werkstoffen einfließen. Des weiteren sind an das Substratmaterial angepasste niedrig aushärtbare Polymer-Dickschichtpasten entwickelt worden, die alle technischen Anforderungen an einen Sensor für Schnelltests erfüllen und durchaus vergleichbar sind mit Sensoren, welche kommerzielle Trägermaterialien bzw. Polymerpasten verwenden. Abschließend kann resümierend festgestellt werden, dass erstmals die Möglichkeit besteht, die millionenfach anfallenden verbrauchten Sensorelemente nicht mehr als Sondermüll, sondern umweltfreundlich als biologisch abbaubares Material zu entsorgen.
Die Ergebnisse im Umweltbiotechnologischen Zentrum Leipzig haben gezeigt, daß die Geschwindigkeit des biologischen Abbaues(vor allem beim relativ dicken Substratmaterial) nicht ausreicht, um die Sensorelemente im normalen Kompostierbetrieb mitentsorgen zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt gemeinsam in Abstimmung mit den Projektpartnern.
Da dickschichtstrukturierte Sensorelemente größtenteils weltweit ähnlich aufgebaut sind, können die Ergebnisse weitestgehend für die überwiegende Zahl dieser Sensoren genutzt werden. Das heißt, Millionen von Sensorelementen würden nicht als Sondermüll anfallen, sondern als biologisch abbaubare Stoffe.
Für Firmen, die diese Technologie in ihre Produktion einführen möchten, ist eine entsprechende Beratung und Betreuung über die Laufzeit des Projektes hinaus notwendig.


Fazit

Die Vorgehensweise bei der Bearbeitung des Projektes hat sich aus jetziger Sicht bewährt.
Systematisch wurden die einzelnen Möglichkeiten der Auswahl der Substratwerkstoffe sowie der Bindemittel für Isolations- und Leitschichten untersucht. Durch die sehr gute Zusammenarbeit mit einer Projektgruppe im Umweltbiotechnologischen Zentrum Leipzig, die an der Entwicklung von PHB-Werkstoffen arbeitet, war es möglich, für das Substrat Materialien einzusetzen, die dem neuesten Stand der Forschung bei biologisch abbaubaren Werkstoffen entsprechen.
Bei den Isolations- und Leitschichten wurde die Zusammensetzung systematisch in Richtung eines schnelleren biologischen Abbaus optimiert. Das Hauptziel war die Entwicklung von biologisch abbaubaren Sensorelementen, die nicht als Sondermüll entsorgt werden müssen. Dieses Ziel wurde auf jeden Fall erreicht.Die weiteren Untersuchungen im Umweltbiotechnologischen Zentrum Leipzig haben gezeigt, daß beim biologischen Abbau(vor allem wegen der notwendigen Materialstärke) nicht die hohe Geschwindigkeit erreicht wird, dass auch eine Entsorgung im normalen Kompostierbetrieb erfolgen kann.
Die beim Projektpartner SensLab erfolgten Tests auf Einhaltung der technischen Parameter zeigten die volle Funktionsfähigkeit der Sensor-Prototypen im Vergleich zu herkömmlichen kommerziellen Sensoren.