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Nachrichten aus der Chemie: Herr Greindl, Sie haben — seit Sie im Jahr 1992 bei der BASF anfingen — fast die ganze Zeit ihrer Karriere mit dem Molekül zu tun, dass jetzt als Trilon M vermarktet wird.
Thomas Greindl: Das stimmt. Es gab zwar ein paar mehrjährige Unterbrechungen — aber tatsächlich machte ich die tolle Erfahrung, das Produkt von der Entwicklung, über die Produktion und bis hin zu Marketing- und Vertrieb zu begleiten.
Nachrichten: Sie waren schon beim ersten Brainstorming dabei. Was war das Thema?
Greindl: Die Aufgabe damals im Jahr 1992 hieß, einen biologisch abbaubaren Komplexbildner als Alternative zu Phosphat zu entwickeln. Im Screening haben wir schnell ein paar Leitideen gefunden: Nötig war ein kleines Molekül mit bestimmten Substitutionsmustern. Und schon Ende des Jahres hatten wir Methylglycindiessigsäure als heißen Kandidaten identifiziert. Synthese, Testung — das zog sich eine Weile, deshalb gingen die ersten Patente zu Trilon M, wie wir das Molekül tauften, erst im Jahr 1993 raus.
Nachrichten: War Marktreife ein Ziel beim Projekt?
Greindl: Ja, wenngleich die Zielstellung zunächst eine andere war. Es galt, das Arbeitsgebiet Komplexbildner, in dem die BASF schon seit 50 Jahren tätig ist, zu stützen und für kommende Herausforderungen mit einem leicht abbaubaren Produkt vorzubereiten. Also war biologische Abbaubarkeit eine der Kernfragen für meine Suchforschung. Aber eines war uns schon zu Beginn klar: Strukturen von eher akademischem Wert kamen nicht in Betracht. Eine Alternative zu Phosphat wäre nur möglich, wenn wir es schaffen, eine großvolumige Industriechemikalie zu entwickeln.
Nachrichten: So wie bei den Zeolithen, die bereits Anfang der 1990er Jahre in Textilwaschmitteln die Phosphate ersetzten?
Greindl: Das stimmt, die waren aber für die maschinelle Geschirrreinigung nicht einsetzbar. Allerdings waren Geschirrspülmaschinen damals noch weit weniger verbreitet als heute, nur ein Zehntel des Phosphats gingen über diese Schiene ins Abwasser. Textilwaschmittel sind heute fast gänzlich phosphatfrei; maschinelles Geschirrreinigen trägt dagegen wesentlich zum Phosphateintrag bei.


<h2>Regulierung oder nicht</h2>
Nachrichten: Hatten Sie damals darauf gesetzt, dass eine regulatorische Lösung für Phosphat in Geschirrspülmitteln kommt?
Greindl: Wir waren davon überzeugt. Deshalb haben wir mit Blick auf Kosten und Machbarkeit alternative Synthesewege entwickelt. So konnten wir in bestehenden Anlagen schnell Markteinführungsmengen und später in einer optimierten Anlage große Volumina herstellen. Die Geschirrspülmittelhersteller haben wohl auch schon mit einer frühen Regulierung gerechnet. Wir waren praktisch vom ersten Tag an in intensiven Kundengesprächen. Im Jahr 1996 standen wir bereits vor einer relativ großen Markteinführung. Aber die Regulierung kam nicht, es gab also keine Verpflichtung, Phosphat in Geschirrspülmittel zu ersetzen. Und vor die Alternative gestellt “Billiges Produkt mit Phosphat versus etwas teureres Produkt mit Methylglycindiessigsäure” — da war die Entscheidung unserer potenziellen Kunden eindeutig.
Nachrichten: Ohne regulatorische Unterstützung haben Sie aber trotzdem weitergemacht.
Greindl: Ja, meine zweite Stelle bei der BASF war dann ab dem Jahr 1996 in der Produktion, in der wir die erste Kleinanlage für Trilon M in Betrieb genommen haben.
Nachrichten: Zweifler im Management gab es keine?
Greindl: Sicher doch. Der Glaube an den wirtschaftlichen Erfolg war zwischendurch fast weg. Aber zum Glück gab es im Markt immer noch Interesse. Und so fanden sich auch stets einige überzeugte Leute in der Geschäftseinheit, die uns den Rücken gestärkt haben. Wir selbst waren überzeugt, dass nicht sehr viel Besseres zu finden sei als unser Produkt. Gleichzeitig waren wir überzeugt, dass phosphathaltige Geschirrspülmittel irgendwann unter regulatorischen Druck geraten würden.
Nachrichten: Es war also nur eine Frage der Zeit?
Greindl:Ja. Phosphat ist ja nicht nur ein Umweltthema. Mittlerweile wird auch die Frage nach der Phosphatverfügbarkeit gestellt. Zwischenzeitlich war Phosphat richtig teuer. Das alles hat natürlich auch das Kundeninteresse stets wachgehalten.
Nachrichten: Sie selbst haben sich dann entschieden, ins Marketing zu gehen.
Greindl: Ja, ich wollte Kunden sehen und mit ihnen reden, um zu verstehen, wie wir mehr aus Trilon M machen können. Ich bin dann ins Produktmanagement gewechselt und war in einer Marketingfunktion in den USA.
Nachrichten: Und während der ganzen Zeit köchelte das Trilon-M-Geschäft noch so vor sich hin …
Greindl: Das Geschäft war da, aber es war klein und wirklich nicht strategisch. Wir haben vor allem mit dem Mittelstand gearbeitet. Bei Mittelständlern hat man häufig direkt Kontakt bis in die Geschäftsleitungsebene, weil es diese Zwischenebenen wie in einem großen Konzern gar nicht gibt. Und da gab es doch ein paar umweltbewusste Mittelständler, die gesagt haben: Unsere Kunden suchen ökologischere Produkte. Macht was!
Nachrichten: Und so kamen Sie zu den ersten größeren Geschäften?
Greindl: Die ersten Geschäfte im Mehrere-hundert-Tonnen-Maßstab fanden ihren Einsatz in industriellen Reinigern für z. B. Autowaschanlagen von Tankstellenketten. Das war damals — so um die Jahre 2003, 2004 herum — ein echter Sprung.


<h2>Ersatzstoff oder Mehrwert</h2>
Nachrichten: Bietet Trilon M gegenüber Phosphat einen Mehrwert? Oder ist er ein bloßer Ersatzstoff?
Greindl: Es ist zu einem großen Teil eine Alternative, hat aber auch Vorteile in der Belags- und Fleckentfernung. Das kann Phosphat nicht. Trilon M bietet dem Formulierer auch sehr viel mehr Möglichkeiten — etwa konzentrierte Flüssig-Formulierungen. Eine flüssige phosphathaltige Formulierung ist nämlich kaum machbar, weil sie keine konzentrierten klaren Lösungen hinbekommen. Der größte Mehrwert für den Kunden ist aber, dass er einen Nachhaltigkeitsclaim machen kann.
Nachrichten: Ab 2007 waren Sie dann wieder hier in Ludwigshafen für das Trilon-M-Marketing zuständig.
Greindl: Ja, und langsam sahen wir dann auch die Phosphatregulierung näher kommen, die Diskussionen bei den Behörden wurden intensiver. Auch Großkunden meldeten Interesse an Trilon M. Ich war ja schon von Anfang an dabei und wusste, worum es geht und so konnte ich direkt in der neuen Funktion in das Thema einsteigen. Im Jahr 2010 gingen wir dann hier in Ludwigshafen mit einer Großanlage in Betrieb. Wir konnten den Vorstand überzeugen, dass dieses Risiko — immerhin ein Kapazitätssprung um ein Vielfaches — Sinn ergibt.
Nachrichten: Überraschenderweise waren es schließlich die USA — genauer gesagt 16 US-Bundesstaaten — die mit der Phosphatregulierung vorpreschten. Die EU will ab 2017 folgen. Gute Nachrichten für die BASF, die folgerichtig die Trilon-M-Kapazitäten ausbaut.
Greindl: Ja, ab jetzt geht es ab wie eine Rakete.
Nachrichten: Aber sind Geschirrspülmittel nicht eigentlich ein konservativer Markt?
Greindl: Ja und nein. Von Produzentenseite: Nein. Die Produktlebenszyklen betragen etwa zwei bis drei Jahre, und dann kommt etwas Neues: neue Verpackung, neue Formulierung und manchmal sogar neue Chemie. Gerade, wenn sie eine starke etablierte Marke haben, müssen sie stets den Reiz des Neuen setzen. Aber sie müssen ihn behutsam setzen, denn der Markt auf der Konsumentenseite ist sehr konservativ. Waschen und reinigen macht man so, wie man es zu Hause gelernt hat und vertraut auch den Marken, die man kennt.
Nachrichten: Formulieren Sie auch Produkte im Kundenauftrag?
Greindl: Nein, Formulierungen sind das Feld unserer Kunden, jedoch arbeitet man heute häufig mit dem Kunden gemeinsam an der Problemlösung.
Nachrichten: Wie lang sind die Entwicklungszeiträume?
Greindl: Da wir mittlerweile über Trilon M schon ziemlich viel wissen, kann das recht schnell gehen. Aber selbst einfache Reformulierungen bei Großkunden dauern mindestens ein Jahr, denn der Kunde muss seine ganzen Prozesse umstellen und muss vor allem eine robuste Qualitätsanalytik und Logistik aufbauen. Und auch die konkrete Umstellung im Verkaufsregal ist ein Kraftakt.
Nachrichten: Man bekommt den Eindruck, dass Ihnen die Sorgen des Kunden genauso wichtig sind wie die Verkaufszahlen von Trilon M?
Greindl: Ja — beide Aspekte sind untrennbar verknüpft. Ich komme aus einem kleinen Bäckerei-Mittelstandsbetrieb, bin praktisch schon kundennah aufgewachsen. Chemie ist mein Talent und meine Passion. Aber dass ich Chemie mit der realen Welt verbinden kann, ist für mich das Wichtigste. Mein Vater hat immer gesagt, wenn er den ganzen Tag über geschafft hatte, es sei seine schönste Motivation, wenn morgens die Regale voll sind und abends leer. Und wissen Sie was? Im Prinzip ist es in einem großen Chemiekonzern genauso.

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“Ich wollte Kunden sehen”

Nachrichten aus der Chemie: Herr Greindl, Sie haben — seit Sie im Jahr 1992 bei der BASF anfingen — fast die ganze Zeit ihrer Karriere mit dem Molekül zu tun, dass jetzt als Trilon M vermarktet wird. Thomas Greindl: Das stimmt. Es gab zwar ein paar mehrjährige Unterbrechungen — aber tatsächlich m...

Die Lehre, die sich mit der Reibung und den daraus resultierenden Effekten des Abriebs und der Schmierung beschäftigt, ist die Tribologie. Tribologische Prozesse sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung: Verschleiß durch Reibung kostet die deutsche Volkswirtschaft mehrere Milliarden Euro jährlich.1
Phänomenologisch beschrieben ist die Reibung schon seit den ersten wissenschaftlichen Arbeiten von Leonardo da Vinci vor über 500 Jahren. Charles Coulomb formulierte die klassischen Reibungsgesetze. Die Unabhängigkeit der Reibung von der Auflagefläche und ihre lineare Zunahme mit der Auflagekraft, beschrieben durch den Reibungskoeffizienten, sind verblüffend einfache Gesetze für ein physikalisch so komplexes Phänomen. Eine wichtige Rolle für die beobachtete makroskopische Reibungskraft spielen physikalische (Struktur, Schwingungszustände), chemische (Materialzusammensetzung, Tribochemie) und mechanische (Härte, Rauheit) Eigenschaften der Oberflächen — aber auch die Substanzen zwischen den Reibpartnern (Schmiermittel, Verunreinigungen).
Insbesondere auf kleiner Skala gibt es teils deutliche Abweichungen von den empirischen Gesetzen, sodass eine Beschreibung nur über den Reibungskoeffizienten allein nicht ausreicht.


<h2>Reibung auf atomarer und molekularer Ebene</h2>
Reibung setzt sich aufgrund der Rauheit und Heterogenität der Oberflächen aus mehreren Einzelbeiträgen zusammen. Für Grundlagenuntersuchungen ist es daher notwendig, den Kontakt so einfach wie möglich zu halten (Abbildung 1). Auf der atomaren und molekularen Ebene nutzt die Nanotribologie Einzelkontaktexperimente, weshalb die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) der Forschung wesentliche Impulse gab. Ein einzelner und wohldefinierter Kontakt wird bei dieser Untersuchungsmethode hergestellt, indem eine ultrascharfe AFM-Spitze auf ein atomar flaches und gut charakterisiertes Substrat, etwa einen Einkristall, gesetzt wird. Das AFM misst die Reibungskräfte, wenn die Spitze über die Oberfläche fährt, mit atomarer Empfindlichkeit. Ein weiteres Instrument zur Messung von Reibungskräften auf der Nano- und Mikrometerskala ist der Oberflächenkraftapparat (surface force apparatus, SFA). In diesem Aufbau werden atomar flache Glimmerplättchen mit einer Kontaktfläche von etwa 1 μm2 gegeneinander verschoben.
Um mikroskopische Reibungsprozesse aufzuklären, ist es nötig, die Umgebungsbedingungen genau zu kennen. Technisch relevante Prozesse spielen sich weitgehend an Fest-flüssig-Grenzflächen ab. Unter Umgebungsbedingungen bildet sich auf nahezu jeder Oberfläche ein dünner Wasserfilm, der Ladungen separiert. Daher sind in viele Reibvorgänge auch elektrochemische Prozesse involviert. Nanotribologische Untersuchungen unter elektrochemischer Kontrolle bieten neben der exakten Charakterisierung der Grenzfläche einen Vorteil: Die gegeneinander gleitenden Oberflächen lassen sich durch eine Änderung des Elektrodenpotenzials in situ modifizieren.


<h2>Schaltbare Reibung in wässrigen Elektrolyten</h2>
 In einem seiner Patente aus dem Jahr 1875 beschreibt bereits Thomas Edison, wie er den Einfluss der Elektrochemie auf die Reibung zur Verbesserung der Telegrafie nutzbar machen wollte.2 Dafür zog er die Zersetzung eines Oberflächenoxids in Betracht. Umgesetzt wurde seine Idee indes bis heute in keiner technischen Anwendung. Dabei beeinflussen oxidative Vorgänge, die durch das Potenzial der Elektrode hervorgerufen werden, tatsächlich den Reibungskoeffizienten deutlich.3—5 Als Grund dafür gilt die sich verändernde Oberflächenmorphologie.
Untersuchungen an Platinoberflächen in schwefelsaurer Lösung belegten, dass nicht das Potenzial selbst die Ursache für eine Änderung der Reibung zwischen zwei Oberflächen ist, sondern die Art und Struktur von Oberflächen und Adsorbaten.6 So beeinflusst auch die spezifische Adsorption von Anionen an Stufenkanten oder auf Terrassen die Reibeigenschaften signifikant.7—9
Allerdings war und ist es problematisch, wässrige Elektrolytlösungen zu verwenden. Aufgrund der elektrolytischen Zersetzung des Wassers ist eine elektrochemische Kontrolle der Reibung bei vielen industriell wichtigen, aber unedlen Materialien wie Magnesium, Aluminium oder Stahl nicht oder nur eingeschränkt möglich.


<h2>Ionische Flüssigkeiten als Hochleistungsschmierstoffe</h2>
Ionische Flüssigkeiten sind besonders stabil gegen Oxidation und Reduktion und bieten so ein großes elektrochemisches Fenster für potenzialinduzierte Oberflächenmodifikationen. Für tribologische Anwendungen sind ionische Flüssigkeiten aufgrund ihres hohen Preises im Moment jedoch nur in Spezialfällen geeignet.
Ionische Flüssigkeiten bilden vor glatten, insbesondere geladenen Oberflächen zunächst diskrete Lagen aus Anionen und Kationen aus.10,11 Diese Lagen erinnern an die Schichtstrukturen in etablierten festen Schmierstoffen wie Graphit oder Molybdändisulfid. Bei Annäherung einer AFM-Spitze an eine glatte Oberfläche in einer ionischen Flüssigkeit sind die einzelnen Lagen deutlich in Form von Abstandsplateaus erkennbar (Abbildung 2, S. 621).
Elektrochemisch lässt sich die Ausbildung und Anordnung dieser Strukturen über die Kontrolle des Potenzials der Substratoberfläche beeinflussen. Die unterschiedliche chemische Beschaffenheit der Ionen führt zu einer unterschiedlichen Beeinflussung der Reibung. Kationen mit Alkylketten zeigen dabei gute Schmiereigenschaften, wohingegen Anionen tendenziell höhere Reibungskräfte erzeugen.12
Tribologisch interessant sind die kontrollierbaren Lagenstrukturen auch deshalb, weil diese Lagen den Kontakt zu tragen vermögen.13 Durch Variation der Auflagekraft sind verschieden viele Lagen zwischen Spitze und Oberfläche stabilisierbar, wodurch sich der Reibungskoeffizient einstellen lässt. Mit ionischen Flüssigkeiten lassen sich also unmittelbar die Eigenschaften des Schmiermittels elektrochemisch variieren. Dagegen gelingt in wässrigen Elektrolyten die Reibungskontrolle nur über die elektrochemische Veränderung der Substratoberfläche.


<h2>Schaltbarkeit auf größerer Skala</h2>
Die auf der mikroskopischen Skala gezeigte Kontrollierbarkeit von Reibungskräften durch das Elektrodenpotenzial hat ein breites Anwendungspotenzial. Um vom Einzelkontaktexperiment zur industriellen Nutzbarkeit zu gelangen, bedarf es der Ausweitung der Laborergebnisse auf technische Proben. Auf größeren Skalen ist Rauheit nicht vermeidbar, ebenso wie eine extrem hohe Reinheit des Elektrolyten nicht wirtschaftlich ist. Einen ersten Schritt des Up-Scalings zeigt die Reibungsänderung nach Oxidation eines technischen Kupferblechs (Abbildung 3). Die elektrochemisch induzierte Veränderung des Reibungskoeffizienten ist deutlich größer als dessen Variation aufgrund der Rauheit.


<h2>Fazit</h2>
Die Nanotribologie klärt Mechanismen auf, die wichtig sind, um tribologische Vorgänge in miniaturisierten Systemen zu verstehen. Reibungskräfte aktiv in situ zu kontrollieren, bietet eine Chance für Anwendungen. Insbesondere ionische Flüssigkeiten werden sich ihren Stellenwert als Hochleistungsschmierstoffe für spezielle Anwendungen erobern. Bereits heute lässt sich die Wirksamkeit im Labormaßstab belegen.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Mit elektrochemischen Methoden lässt sich das Reibungsverhalten zweier Oberflächen variieren.
In klassischen, wässrigen Elektrolyten kontrolliert eine durch das Elektrodenpotenzial hervorgerufene Oberflächenmodifikation die Reibung; in ionischen Flüssigkeiten sind die Eigenschaften des Schmiermittels nach Bedarf einstellbar.
Maßgeschneiderte zukünftige Schmierstoffe passen das Reibverhalten in situ nach Wunsch an.


Florian Hausen forscht im Rahmen eines DFG-Forschungsstipendiums an der Universität Oxford im Arbeitskreis von Susan Perkin. Er studierte Chemie an der Universität Bonn und fertigte seine Promotion am Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken an. Seine Forschungsinteressen liegen in der grundlegenden Analyse der Schaltbarkeit von Haft- und Reibungskräften an Fest-flüssig-Grenzflächen durch elektrochemische Methoden sowie der Aufklärung der zugrunde liegenden Oberflächenprozesse. <a href="mailto:florian.hausen@chem.ox.ac.uk">florian.hausen@chem.ox.ac.uk</a> Roland Bennewitz ist Leiter des Programmbereichs Nanotribologie am Leibniz-Institut für Neue Materialien und Honorarprofessor für Physik an der Universität des Saarlandes. Seine Forschungsinteressen liegen in der Aufklärung der molekularen Mechanismen von Reibung und Verschleiß sowie Beiträgen zur Entwicklung neuer tribologischer Materialien. <a href="mailto:roland.bennewitz@inm-gmbh.de">roland.bennewitz@inm-gmbh.de</a>



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