Ziel der Entwicklung
Der Einsatz biobasierter Polymere ist mittlerweile nicht mehr nur ein Trend, sondern wird in Zeiten knapper werdender erdölbasierter Ressourcen und dem Bestreben, Klimaneutralität zu erreichen, zur Notwendigkeit. Aktuelle Entwicklungen im Bereich von Beschichtungssystemen richten sich auch deshalb einerseits verstärkt auf den Einsatz biobasierter Polymere und andererseits auf die Realisierung oder Verbesserung bestimmter Funktionalitäten.
Ein für den Einsatz in Beschichtungen interessantes Biopolymer stellt Chitosan dar. Es wird durch Deacetylierung von Chitin gewonnen, der zweithäufigsten biologischen Verbindung in der Natur. Chitin kommt in zahlreichen Pilzarten und Insekten vor, vor allem jedoch in den Schalen aquatischer Krustentiere wie Krabben und Garnelen. Chitosan besitzt zudem von Natur aus antibakterielle und fungizide Eigenschaften, was es für den Einsatz in funktionalen Beschichtungen zusätzlich attraktiv macht.
Ziel des Projekts war es, Chitosan gezielt chemisch zu modifizieren, um dem Biopolymer neue oder verbesserte Funktionen zu verleihen, insbesondere flammhemmende und antimikrobielle Eigenschaften. Hierfür sollten sowohl anorganische (Nano)partikel als auch organische niedermolekulare und makromolekulare Substanzen als funktionelle Komponenten genutzt werden. Die so modifizierten Chitosanverbindungen sollten anschließend in geeignete Beschichtungsformulierungen integriert und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bewertet werden.
Vorteile und Lösungen
Chitosan wurde erfolgreich mit unterschiedlichen funktionellen Komponenten modifiziert, darunter antimikrobiell wirksame Metalle und Metalloxide, flammhemmende Phosphate sowie hydrophobe Fettsäuren. Die Syntheseprozesse wurden hinsichtlich Ausbeute, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit optimiert, sodass größere Produktmengen in konsistenter Qualität hergestellt werden konnten.
In biologischen Wirksamkeitstests zeigte das funktionalisierte Chitosan eine deutliche Hemmung des Wachstums verschiedener Mikroorganismen, darunter E. coli, S. aureus, P. aeruginosa und Hefen. Neben den erwarteten Effekten der metallhaltigen Modifikationen erwiesen sich auch die phosphorbasierten Komponenten als überraschend antimikrobiell aktiv.
Für den Einsatz in Beschichtungssystemen konnten sowohl reines als auch modifiziertes Chitosan in wässrige Formulierungen überführt werden. Im Zuge der Formulierungsoptimierung erwies sich eine angepasste verfahrenstechnische Aufbereitung als geeignet, stabile und homogene Suspensionen bereitzustellen. Die daraus resultierenden Systeme ermöglichten die Applikation gleichmäßiger und qualitativ ansprechender Beschichtungen.
Sowohl reines als auch phosphathaltig modifiziertes Chitosan zeigte im Kleinbrennertest, der das Entzündungs- und Abbrandverhalten unter definierter Flammeneinwirkung bewertet, flammhemmende Eigenschaften.
Beschichtungen mit Chitosan bzw. funktionalisiertem Chitosan erfüllten die wesentlichen Anforderungen an Holzbeschichtungen, insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Witterungsbeständigkeit. Sie erreichten ein Niveau, vergleichbar mit herkömmlichen transparenten Systemen. Weitere Verbesserungen könnten durch die Kombination mit Pigmenten erzielt werden.
Die Formulierungen ließen sich zudem zuverlässig mit industriellen Applikationsverfahren wie dem Spritzauftrag verarbeiten. Auch eine technische Trocknung mittels Konvektionstrockner oder IR-Strahlern führte zu keinen Einschränkungen. Damit besitzen Chitosan-basierte Beschichtungen wirtschaftliches Potenzial: Sie sind industriell herstellbar, bieten zusätzliche Funktionen wie Flammhemmung und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für Holzprodukte.
Zielgruppe und Zielmarkt
Vom Einsatz funktionalisierter Chitosane auf holzbasierten Substraten profitieren alle Akteure entlang der Wertschöpfungskette: Unternehmen der Chitosangewinnung, Hersteller von Lacken und Farben, die holzverarbeitende Industrie, das ausführende Handwerk sowie das DIY Segment. Durch die Integration von Chitosan entstehen neuartige Beschichtungssysteme mit antimikrobiellen und flammhemmenden Eigenschaften, die den steigenden Anforderungen an ökologische und leistungsfähige Produkte entsprechen.
Für Lack- und Farbenhersteller bedeutet dies die Erweiterung ihres Portfolios um moderne Funktionsbeschichtungen. Die Holz- und Möbelindustrie profitiert von einem verbesserten Schutz des Werkstoffs, wodurch Holz langlebiger und vielseitiger einsetzbar wird. Im Innenraum ermöglichen Chitosan-basierte Systeme hygienisch wirksame Oberflächen, die besonders in Küchen, öffentlichen Einrichtungen oder im medizinischen Umfeld gefragt sind.
Die entwickelten funktionalisierten Chitosane und die zugehörigen Formulierungsstrategien werden gemeinsam mit Industriepartnern erprobt und für die Praxis aufbereitet. Musterformulierungen und anwendungsorientierte Empfehlungen erleichtern die direkte Integration in bestehende Produktionsprozesse.
Daraus ergeben sich klare wirtschaftliche Potenziale: neue Marktchancen im Bereich nachhaltiger Funktionsbeschichtungen, die Erweiterung bestehender Produktportfolios um biobasierte Alternativen, eine steigende Nachfrage nach Chitosan-Derivaten sowie Wettbewerbsvorteile durch Lösungen, die ökologisch überzeugen und langfristig regulatorische Anforderungen erfüllen.