Innovationen an der Schnittstelle zwischen Biologie und Technik

Die sogenannte „Biologisierung“ der Industrie bis hin zu damit verbundenen, veränderten Produkten und Produktionsmethoden schreitet mit großen Schritten voran. Dabei gilt es bislang verwendete Materialien durch neue Stoffe oder Verbundstoffe zu ersetzen. Aber auch der Aspekt der Ressourcen-Verknappung spielt zunehmend eine Rolle. Wer hier neue Möglichkeiten schafft und Innovationen zu bieten hat, wird zweifellos zu den Gewinnern der nächsten Jahrzehnte gehören.

Das Thema Elektromobilität und Autobau ist generell einer der Motoren dieser Entwicklung. Nur sehr leichte und doch gleichzeitig sichere, stabile Strukturelemente garantieren, dass neue (Elektro-)Automobile den Markt erobern können. Konstrukteure sehen sich vor der Aufgabe, die häufig immer noch recht schweren Metallteile durch Kunststoffe und Verbundstoffe zu ersetzen, um so Gewicht zu sparen und damit Reichweite zu erzielen.

Als deutlicher Nebeneffekt entstehen so Autos, die in der CO2-Bilanz klar vorne liegen und ihren „Carbon Footprint“ noch einmal nachdrücklich verkleinern können. Und was für die Auto-Industrie gilt, gilt noch mehr für die Luftfahrt-Industrie. Hier sind es die Organo-Bleche, die als plattenförmige oder wärmeverformbare Teile zum Einsatz kommen. Diese Werkstoffe sind Verbundstoffe aus synthetischen Fasern: Glas, Kohle und Aramidfasern werden zu thermoplastischen Kunststoffen verbunden.

Die Technische Universität Dresden hat Werkstoff-Alternativen entwickelt, die aus Biopolymer-Matrixen entstehen, die in eine Naturfaserstruktur integriert wurden. Die so entstandenen Werkstoffe basieren vollständig auf nachwachsenden Rohstoffen und weisen zum Teil sogar bessere Eigenschaften als bisher verwendete Materialien auf: Sie haben nicht nur ein geringeres Gewicht, sie splittern nicht, bilden auch keine scharfen Bruchkanten, sie dämpfen zudem Vibrationen, wirken damit schallabsorbierend und haben alles in allem sogar eine deutliche bessere Energie-Bilanz vorzuweisen.

Bei der Nachhaltigkeit liegen diese und ähnliche Verbundstoffe in vieler Hinsicht vorne. Eine sortenreine Trennung und damit eine hervorragende Rückführung in die Materialkreisläufe, machen sie gegenüber konventionellen Produkten zu klaren Gewinnern. Ein ernsthaftes Recyceln am Ende der Produktlaufzeit war bei bisherigen Produkten kaum gegeben.

Algen zeigen sich übrigens als besonders interessante Ressource. Eine sehr einfache Kultivierung, verbunden mit schnellem Wachstum und einer hohen Bindung von CO2 macht diese natürliche Rohstoffquelle zu einem der spannendsten Verbundstoffträger. Aktuell werden diese Alginate vor allem für medizinische Zwecke eingesetzt. Der größte Problempunkt ist dabei die durchaus schwankende Zusammensetzung der Algen – eine Produktion hochreiner Alginate, vor allem von definierter Qualität, wäre hier der entscheidende Schritt nach vorne. Wenn dies perfekt gelingt, lassen sich etwa Wundauflagen im industriellen Maßstab erstellen, in dem diese Fasern auf Textilmaschinen verarbeitet werden. Verschiedene Forschungs-Kooperationen arbeiten bereits seit 2013 daran die erforderliche Optimierung durch neuartige Biotechnologien zu erreichen.

Ein leistungsfähiger Verbundwerkstoff: Textilbeton mit neuen Eigenschaften

Zusätzliche Aufnahme von Zug- und Biegekräften durch Textilien und Verbundmethoden

Neuartige Fertigbauteile, besonders dünne Betonschichten in der Sanierung und zeitgemäße Möglichkeiten bei der Gestaltung im Bau bietet Textilbeton in seinen vielfältigen Varianten. Er verändert so Potenziale und Optionen für die Gestaltung mit dem traditionellen Werkstoff. Gegenüber der klassischen Bewehrung aus Stahl hat die textile Bewehrung den großen Vorteil nicht zu korrodieren. Der Wunsch nach immer tragfähigeren Bauwerken mit immer geringerem Materialaufwand führte letztlich zu der Entwicklung dieser Verbundwerkstoffe, die die positiven Eigenschaften verschiedener Materialien vereinen.

Der Stand der Technik mit Stahlbewehrung braucht eine Mindestdicke von 30 cm und ist nicht in der Lage Zugkräfte aufzunehmen. Ein moderne Gestaltung und Verarbeitung von Beton verlangt nach anderen Bewehrungselementen. Textilbeton – auch als Carbonbewehrung bekannt – ist ein leistungsfähiger Verbundwerkstoff, der aus einer mineralischen Matrix und einer darin eingebetteten textilen Bewehrung besteht.

Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit des Werkstoffes ist ein guter Verbund zwischen textiler Bewehrung und der Betonmatrix. Daher werden für den Textilbeton sehr fließfähige Feinbetone mit einem Korngröße von 5 mm eingesetzt. Durch die Kombination dieser beiden Komponenten werden die wesentlichen konstruktiven und architektonischen Eigenschaften des neuen Werkstoffs bestimmt.

Bis 2030 sollen bei Neubauten mindestens 20 Prozent der Stahlbewehrung durch Carbonbewehrung ersetzt werden können. Die leichten Bauteile aus Textilbeton können einen wichtigen Beitrag zum nachhaltigen Bauen leisten, in dem der Energieverbrauch und CO2-Emissionen reduziert und Ressourcen geschont werden. Momentan gilt die Zulassung allerdings nur, um Bauwerke aus Stahlbeton zu verstärken oder deren Tragfähigkeit zu verbessern.

Aktuelle Einsatzbereiche für den Textilbeton sind die Instandsetzung und Verstärkung alter Bausubstanz sowie die Erstellung von Fertigteilen mit neuen Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich bis dato nicht erreichter Dünnwandigkeit sowie freier Formbarkeit bei oberflächennahen Bewehrungen. Bisher ist Textilbeton bereits bei einzelnen Bauwerken zum Einsatz gekommen – unter anderem hat sich das Material bei einer Fußgängerbrücke für die Landesgartenschau in Oschatz bewährt.

Im Juni 2014 gab es nach umfangreichen Labortests des Deutschen Institut für Bautechnik in Berlin eine erste Freigabe für „Tudalit“-Verstärkungen, die vor allem dafür eingesetzt werden für Stahlbetonbauteile eine Biegeverstärkung in der Zugzone – bei vorwiegend ruhender Belastung – herzustellen. Das kommt besonders bei der Sanierung und Umnutzung von Gebäuden zum Tragen, wo ein hoher Verstärkungsgrad bei einer nur geringen Schichtdicke von 10 bis 20 mm und einer hohen Formbarkeit erreicht wird.

Smarte Textilien für ein perfektes Monitoring

Spezifische Eigenschaften von Textilien erlauben vielseitige Mensch-Maschine-Schnittstellen

Zusätzliche und neue, bisher kaum gekannte Eigenschaften von mehrschichtigen Textilien werden eine große Zukunft haben. Schon jetzt liegt allein der europäische Markt um die 600 Millionen Euro Umsatz (2013), während für den globalen Markt die Prognosen bei 3,5 Milliarden Euro bis 2020 liegen. Medizin, Sport, Schutzbekleidung und die Auto-Industrie sind dabei treibende Branchen.

Die Autohersteller setzen auf smarte Textilien zum Beispielen im Innenraum-Design, auch etwa bei leuchtenden Funktionen bis hin zur Versorgung von Kleinstaggregaten. Aber auch der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen zum Monitoring des Fahrzeuginsassen ist hier eine zukunftsweisende Einsatzmöglichkeit.

Technische Textilien und Coatings werden vor allem im boomenden Medizin- und Pflegebereich eine große Rolle spielen. Neben der Überwachung von Vitaldaten, können solche neuen Werkstoffe auch etwa Wundheilungsprozesse oder Bewegungsabläufe begleiten. Verbundene biochemische Sensoren messen dann zum Beispiel Körperflüssigkeiten und können damit von fern Auskunft über den Gesundheitszustand etwa bei pflegebedürftigen Menschen geben. Technische medizinische Produkte erhalten so Eigenschaften, die es bisher nicht gab und führen auf diese Weise gar zu bisher unbekannten Therapiekonzepten.

Der Schutz von Einsatzkräften in Katastrophenfällen oder auch im täglichen Einsatz bei Feuer und Unfallrettung ist weiterer wesentlicher Entwicklungsbereich für Textilen mit Eigenschaften, die die Erfassung von Vitalparametern erlauben. Dabei wird unter Umständen nicht nur die zu schützende Person überwacht, sondern gleichzeitig auch die Umgebung – was eine frühzeitige Warnung vor bedrohlichen, gar lebensgefährlichen Situationen für die Einsatzkräfte erlaubt.

Auch der Sport, speziell der Spitzensport, ist ein großes Feld für smarte Textilien. Dabei geht es – ähnlich wie im medizinischen-pflegerischen Bereich – um das Monitoring der Körperdaten und letztlich eine so zu erreichende Verbesserung der Leistungsparameter und eine klare Optimierung von Bewegungsabläufen. Hier entstehen Mensch-Maschine-Schnittstellen, die bisher nicht vorstellbar waren.

Weserland GmbH und Perlen Converting AG unterzeichnen einen Zusammenarbeits-Vertrag für den Einsatz von PERLAZID®

Neuer antiseptischer Zusatz bei technischen Textilien, Teppichen und Latexanwendungen.

perlazid logoAb Juni 2015 erweitert sich das Produkt-Portfolio von Weserland um eine ganze Reihe von Möglichkeiten, verschiedenste technische Textilien, Teppiche und Latexartikel mit einer dauerhaft antiseptischen Oberfläche zu versehen. Perlen erteilt dazu Weserland das Vorrecht für die Herstellung, Weiterverarbeitung und den Vertrieb antiseptischer Produkte. Perlen Converting AG stellt dafür eine geeignete Lösung unter dem Handelsnamen PERLAZID® bereit.

Wie funktioniert PERLAZID®? Silber ist bereits seit langem für seine antiseptische Wirkung bekannt. Wenn dies mit einem biokompatiblen Träger (Tricalciumphosphat, kurz: TCP) kombiniert wird, kann dieses System wie ein trojanisches Pferd wirken. Das mit Silber ausgestattete TCP wird von den Keimzellen aufgenommen (förmlich „gefressen“) und die Zellen dann von innen zerstört. Die ausgerüstete Oberfläche wird dadurch geschützt.

Das Besondere bei diesem Ansatz ist, dass dieses Antiseptikum bereits in eine Bindemittelmatrix eingebunden wird, um dauerhaft auf der Oberfläche des technischen Textils fixiert zu werden.

Bei dem innovativen Produkt der Perlen Converting AG werden Bakterien (E.Coli, S.Aureus, P.Aeruginosa) und Pilze (C.Albicans, A.Brasiliensis) innerhalb von 24 Stunden zu fast 100% eliminiert – eine Wirksamkeit gegen Viren konnte bisher nicht nachgewiesen werden.

Wie wird PERLAZID® verarbeitet? Je nach Kundenanforderung kann eine entsprechende wässrige Bindemittelmatrix ausgewählt werden. Die chemische Basis (Acrylat, Latex, Polyurethan usw.) ist zunächst uneingeschränkt bezüglich der Polymer-Type und Haptik bzw. Oberfläche. Das Aufbringen auf das technische Textil erfolgt mittels Imprägnierung oder – vorzugsweise – Beschichtung (Schaumapplikation, Pastenstrich, Pflatschen, Sprühen usw.) mit anschließender Trocknung, idealerweise im Trockenkanal.

Natürlich gibt es weitere silberbasierte Produkte im Markt, jedoch hat PERLAZID® klare Vorteile:

  • TCP als Träger des Wirkstoffs ist ein Naturprodukt, das auch zu fast 75 % im menschlichen Knochen zu finden ist. Dadurch kann die Einsatzkonzentration auf ungefähr 10 % der üblichen Silbermenge reduziert werden.
  • Der Wirkstoff migriert nicht, das heißt, der menschliche oder tierische Organismus nimmt den Wirkstoff nicht auf.
  • Die Wirksamkeit liegt aufgrund der oben beschriebenen Wirkungsweise deutlich höher als bei reinen Silber-Anwendungen.

Weitere Eigenschaften sind:

  • Resistenz im pH-Bereich zwischen 1,5 und 9,0
  • Wärmeresistenz bis zu +680 °C
  • Einsatzmenge ca. 1 – 2 g trocken/m²
  • Dauerhafte Wirksamkeit (bei Vliesstoffen bis zu fünf Jahren)
  • Biokompatibilität gemäß ISO 10993 nach Kapiteln 4, 5, 10 und 11
  • Der Wirkstoff ist praktisch wasserunlöslich; sollte Silber doch herausgelöst werden, erfolgt eine sofortige Reaktion mit in Luft und Wasser enthaltenen Schwefelverbindungen zu unlöslichem und ungefährlichem Silbersulfid.
  • Keine Hautirritationen