Industrie & Technik

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<p>Einen Turnschuh, dessen Obermaterial ohne Kunststoffe auskommt, der vollständig biologisch abbaubar ist und dabei leichter als herkömmliche Modelle – das verspricht Adidas mit dem „Futurecraft-Biofabric-Schuh“. Der Sportartikelhersteller verwendet für den im November 2016 vorgestellten Prototypen Biosteel-Fasern aus Spinnenseide. Wann der Schuh auf den Markt kommt, hat Adidas allerdings offen gelassen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/Kr5EGJiSYianiZDE3dig"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Prototyp des „Futurecraft-Biofabric-Schuhs“ von Adidas. Das Obermaterial besteht aus Spinnenseide und ist daher biologisch abbaubar. <named-content>Foto: Hannah Hlavacek / Adidas</named-content></figcaption></figure>
<p>Das Material für den neuen Turnschuh hat das junge Martinsrieder Biotechunternehmen Amsilk entwickelt. Mitgegründet hat es Thomas Scheibel. Der Proteinchemiker forscht im Fiberlab am Lehrstuhl für Biomaterialien der Universität Bayreuth daran, Spinnenseide biotechnisch herzustellen.</p><h2>Fasern aus dem Fermenter</h2><p>Spinnen kann man nicht so einfach züchten wie den Maulbeerspinner Bombyx mori. Der produziert die Seide, aus der Kleidung hergestellt wird. Im Gegensatz zu ihm sind Spinnen Einzelgänger und fressen sich in Gefangenschaft gegenseitig auf. Scheibels Team stellt die Spinnenseide deswegen biotechnisch in Escherichia Coli her [Nachr. Chem. 2008, 56, 516]. Dafür mussten die Wissenschaftler zunächst einige Hindernisse überwinden.</p><p>Besondere Schwierigkeiten verursachte der unterschiedliche genetische Code von Spinnen und Bakterien. E. Coli interpretiert die Erbinformation anders als die Spinne, aus der sie stammt – die Forscher mussten die verwendeten Gensequenzen für den Gebrauch im Bakterium anpassen.</p><p>Die biotechnische Herstellung bietet Vorteile gegenüber der Spinnenzucht: Die Qualität des Seidenproteins ist immer gleich. Außerdem können Ingenieure die Produktion in Fermentern theoretisch beliebig nach oben skalieren, so dass auch Mengen der Seide im Tonnenmaßstab zugänglich sind.</p><h2>Von der Universität ins eigene Unternehmen</h2><p>Nachdem Thomas Scheibel im Jahr 2004 die ersten Ergebnisse publiziert hatte, häuften sich die Anfragen von Interessenten aus der Industrie, „etwa 50 bis 200 Anfragen pro Jahr“, berichtet er. Scheibel, damals noch Habilitand an der TU München, wurde schnell klar, dass das die Kapazitäten seiner Arbeitsgruppe überschritt. Deshalb lag für ihn die Idee nah, „die Produktion auszulagern in eine Firma“.</p><p>In den nächsten Jahren nahm Scheibel mit seinem Mitarbeiter Lin Römer an Businessplanwettbewerben teil. Bei Science4Life erreichten sie im Jahr 2006 den zweiten Platz. Im Oktober 2008 gründeten die Wissenschaftler das Unternehmen Amsilk als Spin-off der TU München.</p><p>Im Tagesgeschäft von Amsilk ist Thomas Scheibel mittlerweile nicht mehr aktiv. Er konzentriert sich als Professor am Lehrstuhl für Biomaterialien in Bayreuth auf die Grundlagenforschung. Mit seiner Arbeitsgruppe erschließt er neue Materialien und prüft, wie man sie in der Industrie anwenden könnte. Als Gesellschafter und Strategieberater ist er aber weiterhin an der Firma beteiligt.</p><h2>In mehreren Schritten vom Protein zum Turnschuh</h2><p>Die Produktion der Seidenfasern verläuft in mehreren Schritten. Zunächst stellt ein Dienstleister für Amsilk das Seidenprotein in Pulverform her. Daraus produziert das Biotechunternehmen unter anderem Produkte für Kosmetika. Um aus dem Pulver Fasern zu machen, haben die Wissenschaftler von Amsilk eine Spinnmaschine konstruiert. Aus einer Lösung des Seidenproteins spinnt sie theoretisch endlose Filamente, die den Fasern der Spinne gleichen.</p><p>Im Jahr 2013 stellt Amsilk das gesponnene Material unter dem Namen Biosteel der Öffentlichkeit vor. Die Fasern sind ähnlich belastbar und zugfest wie die Fäden der Gartenkreuzspinne Araneus diadematus. Das Material ist nicht nur leicht und biologisch abbaubar, sondern auch sehr elastisch.</p><p>Amsilk steht seit seiner Gründung im Kontakt mit möglichen Anwendern der Spinnenseide, so auch mit Adidas. Als Amsilk die Biosteel-Fasern auf den Markt brachte, war der Zeitpunkt für eine Kooperation günstig. „Adidas legt momentan den Schwerpunkt auf Recycling, denn es gibt so viel Plastik“, berichtet Scheibel. „Da hat unser Material genau ins Konzept gepasst.“</p><p>Die Fasern produziert Amsilk bisher selbst; das Unternehmen hat die Produktion nicht an Dienstleister ausgelagert. Das Wissen um die Herstellung der Fasern vergleicht Scheibel mit dem über die geheime Rezeptur von Coca Cola: „Die Herstellung der Fasern ist eine Schlüsseltechnologie von Amsilk. Da muss man sich gut überlegen, wem man das gibt“.</p><h2>Neue Produktideen</h2><p>Das junge Biotechunternehmen plant bereits, weitere Materialien zu entwickeln. Als nächstes sollen feste und steife Seidenfasern her. Dafür produziert Thomas Scheibels Team im Fiberlab Seidenproteine aus der Florfliege in E. coli. Sie arbeiten dabei im kleinen Maßstab. „So bis zu einem Gramm ist für uns an der Universität interessant“, sagt der Proteinchemiker. Für die Maßstabsvergrößerung in der Verfahrenstechnik arbeiten sie mit Wissenschaftlern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Berlin zusammen. Wo das neue Material zuerst eingesetzt werden soll, steht noch nicht fest.</p><p>Alissa Götzinger ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.</p>

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Turnschuhe aus Spinnenseide

undefined Einen Turnschuh, dessen Obermaterial ohne Kunststoffe auskommt, der vollständig biologisch abbaubar ist und dabei leichter als herkömmliche Modelle – das verspricht Adidas mit dem „Futurecraft-Biofabric-Schuh“. Der Sportartikelhersteller verwendet für den im November 2016 vorgestellten...

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<p>Um Korrosion zu verhindern, sind Produkte mit Materialien beschichtet, die als Barriere für Wasser und Wasserdampf wirken. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen die Atmungsaktivität einer Schicht erwünscht ist. In beiden Fällen ist der relevante Materialkennwert die Wasserdampfpermeation. Meistens geht es hierbei um die Wasserdampfdurchlässigkeit von Kunststoffen, also von Folien, Kleb- und Dichtstoffen, Lacken und Beschichtungen, Membranen sowie Textilien.</p><p>Wie die Wasserdampfdurchlässigkeit zu erfassen ist, regeln zahlreiche Normen. Viele Verfahren arbeiten gravimetrisch. Diese erfordern – abhängig von der Wasserdampfdurchlässigkeit des Materials – Messzeiten von einigen Tagen bis zu mehreren Wochen. Ein Verpackungsmaterialhersteller hatte sich an die Jenaer Industrieforschungseinrichtung Innovent gewandt mit der Frage, ob die Wasserdampfdurchlässigkeit auch innerhalb von wenigen Stunden messtechnisch erfassbar sei.</p><h2>Wasserdampfdurchlässigkeit</h2><p>Um kurze Prüfzeiten zur Untersuchung der Wasserdampfpermeation zu erreichen, hat Innovent, Jena, eine Spezialmesszelle entwickelt, die sowohl sehr geringe als auch sehr hohe Permeationsraten messen kann.</p><p>Die Messzelle besteht aus zwei Prüfräumen, die durch die Materialprobe getrennt werden (Abbildung 1). Das Probenmaterial kann einfach in die Messzelle eingebracht und die Zelle gasdicht verschlossen werden. Auf der Retentatseite wird beispielsweise eine relative Luftfeuchte von 90 Prozent eingestellt. Über ein Nadelsystem wird die Permeatseite mit trockenem Stickstoff gespült. Ein Gasfluss überführt den diffundierten Wasserdampf in das Analysengerät.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/E8ROc36QTOM1guRDk201"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Aufbau der Permeationsmesszelle. mit Retentatseite (unten) und Permeatseite (oben), von der ein Gasstrom den Wasserdampf in die Analysenzelle leitet.</figcaption></figure>
<p>Die Wasserdampfpermeation wird mit der klassischen Wasserbestimmungsmethode nach Karl Fischer gemessen. Mit der Messanordnung sind bereits wenige Mikrogramm Wasser reproduzierbar zu bestimmen. Bei der Wassergehaltsbestimmung an Feststoffen nach Karl Fischer wird die Nachweisempfindlichkeit über die Probeneinwaage gesteuert. Bei der Messung der Wasserdampfpermeation sind Messzeit und die Prüffläche dafür entscheidend. Die ermittelte Wassermenge wird dann in Gramm bezogen auf einen Quadratmeter und 24 Stunden angegeben. Zur Bestimmung der Wasserdampfpermeation dienen Proben mit einer Prüffläche von 9 cm<sup>2</sup>, 33 cm<sup>2</sup> oder 102 cm<sup>2</sup>.</p><p>Die Wasserdampfdurchlässigkeit ist zwischen 0,005 g·(m²·24 h)<sup>–1</sup> und 100 000 g·(m²·24 h)<sup>–1</sup> bestimmbar. Die Messzeit beträgt bei hoher Wasserdampfdurchlässigkeit 5 min, bei sehr niedriger Durchlässigkeit 60 min. Die maximal messbare Probendicke beträgt 1 mm. Größere Probendicken wurden bereits gemessen, erfordern jedoch Anpassungen des analytischen Verfahrens.</p><p>Durch die Konstruktion der Messzelle lässt sich diese sowohl an einem Einzelmessplatz als auch in Kombination mit einem automatischen Probengeber betreiben. Ein Ringversuch, bei dem die Wasserdampfdurchlässigkeit unterschiedlicher Folien nach DIN ISO 15106–3 bestimmt wurde, zeigte die Leistungsfähigkeit des Messverfahrens. Außerdem wurden für mehrere Folienmaterialien die Ergebnisse sowohl mit denen der klassischen Wägemethode als auch mit denen anderer handelsüblicher Geräte verglichen.</p><p>Die Messung einer 20-µm-Polyethylenfolie mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von 1,7 g·(m²·24 h)<sup>–1</sup> dauert mit der Wägemethode mehr als fünf Tage. Ein kommerzielles Gerät brauchte 600 Minuten und die Innovent-Messzelle 60 Minuten. Die hohe Nachweisempfindlichkeit der nachgeschalteten Analysentechnik macht die kurzen Messzeiten der Innovent-Messzelle möglich.</p><p>Abbildung 2 zeigt die Wasserdampfpermeationsraten für verschiedene Kunststoffe.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/lOd4Ca65SbiEYOHuAhUz"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Vergleich der Wasserdampfdurchlässigkeit (WDD) 6 μm dicker Folien der Kunststoffe nachchloriertes Polyvinylchlorid (PVC-C), Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid (PI) und Polycarbonat (PC).</figcaption></figure>
<h2>Beschichtungen untersuchen</h2><p>Für Folien, Membranen und Textilien ist messtechnisch geeignetes Probenmaterial leicht verfügbar. Für die Untersuchung von Klebstoffen, Dichtstoffen und Vergussmassen sowie von Lacken und Beschichtungen müssen entsprechende Proben erst hergestellt werden. Das Probenmaterial muss riss-, loch- und porenfrei sein. Wenn sich aus chemisch härtenden oder physikalisch trocknenden Systemen keine freistehenden Filme herstellen lassen, besteht die Möglichkeit, nichtselbsttragende Filme herzustellen; diese erfordern ein Trägermaterial. Bei der Auswahl hilft die Orientierung an der Prüfnorm DIN EN ISO 7783:2012–02 „Beschichtungsstoffe – Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit – Schalenverfahren“. Demnach muss das Trägermaterial eine Wasserdampfdurchlässigkeit von mindestens 240 g·(m<sup>2</sup>·24 h)<sup>–1</sup> haben.</p><p>Sowohl die selbsttragenden wie auch die nicht selbsttragenden Probenfilme stellt Innovent mit Techniken wie Rakeln, Spincoating und Gießen her. Die Schichtdicken des so angefertigten Probenmaterials betragen je nach Prüfaufgabe und Material wenige Mikrometer bis zwei Millimeter. Nach Härtung oder Trocknung der Probenfilme werden diese bei Normklima konditioniert und im Anschluss in die Messzelle eingebaut.</p><h2>Korrosionsursache Wasserdampf</h2><p>Aufgrund von Testergebnissen zur Alterungs- und Witterungsbeständigkeit von beschichteten Bauteilen und Fügeverbunden rückte die Wasserdampfdurchlässigkeit als Prüfkriterium von Lackierungen und Beschichtungen in den Blick. Ausgangspunkt war die Annahme, dass Blasenbildung auf lackierten Oberflächen und Korrosion in abgedichteten Sensoren nur dann möglich sind, wenn Wasser an die Metallflächen gelangt. Je mehr Wasser zur Verfügung steht, um so deutlicher sind Korrosionserscheinungen zu beobachten. Um diese Vermutung zu bestätigen, wurden mit verschiedenen Lacksystemen 1000-Stunden-Kondenswassertests durchgeführt (nach DIN EN ISO 6270–2CH) und danach der Blasengrad bewertet (nach DIN EN ISO 4628–2). Parallel dazu wurde die Wasserdampfdurchlässigkeit der ausgehärteten Lackfilme bestimmt.</p><p>Für beide Untersuchungen haben wir Lackproben mit Trockenschichtdicken von 40 μm hergestellt. Abbildung 3 fasst exemplarisch für zwei Lacksysteme die Ergebnisse dieser Untersuchung zusammen. Sie belegen den Zusammenhang zwischen Blasenbildung und Wasserdampfdurchlässigkeit des Lackfilms. Somit können wir vor der zeitintensiven Standardkorrosionsprüfung schnell die Wasserdampfdurchlässigkeit mehrerer Lacksysteme vergleichen und die Systeme, die sich am besten eignen, für die nächsten Tests auswählen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/CSbSFE19RfiaEBGfBBEB"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Einfluss der Wasserdampfdurchlässigkeit von Lacken auf Blasenbildung.</figcaption></figure>
<p>Zusätzlich zeigt die Variation der Aushärtungsbedingungen und Trocknungszeiten, wie Fertigungsparameter die Wasserdampfdurchlässigkeit der Lacksysteme beeinflussen. Die Ergebnisse der Bewitterung geben Auskunft über den Einfluss von Umweltbedingungen.</p><h2>Lacksystem und Durchlässigkeit</h2><p>Für den besonders starken Korrosionsschutz dürfen auch heute noch lösungsmittelbasierte Lacksysteme eingesetzt werden. Abbildung 4 zeigt die Wasserdampfdurchlässigkeiten von lösungsmittelbasierten Korrosionsschutzlacken wie einem Epoxidharzsystem (EP) und einem Polyurethansystem (PUR) im Vergleich zu einem wasserbasierten Korrosionsschutzlack auf Polyurethanbasis. Dieses Beispiel zeigt, wie die Wasserdampfdurchlässigkeit eines Lacks seine Korrosionsschutzwirkung beeinflusst. Zudem bedingt die Rezeptierung des Lacks dessen Wasserdampfdurchlässigkeit.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/Dj4iv8KiRIK0CkEPyGVS"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Werte für die Wasserdampfdurchlässigkeit zweier lösungsmittelbasierte Lacke (EP, PUR) und eines wasserbasierten Polyurethanlacks, Schichtdicke jeweils 40 μm.</figcaption></figure>
<p>Bei den untersuchten Lackfilmen ist ein linearer Zusammenhang zwischen Dicke (d) und Wasserdampfpermeation (WDD) zu beobachten (Abbildung 5). Demgegenüber besteht bei Kunststofffolien eine Potenzfunktion als funktionaler Zusammenhang zwischen Foliendicke und Wasserdampfpermeation.<sup>1)</sup></p><figure><img src="https://media.graphcms.com/EXznkIJUSmGEFEjgT5vn"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Einfluss der Schichtdicke auf die Wasserdampfdurchlässigkeit von Lackfilmen.</figcaption></figure>
<p>Lacksysteme mit höherer Wasserdampfdurchlässigkeit haben eine geringere Korrosionsschutzwirkung. Hierzu wurde als weitere Korrosionsprüfmethode der neutrale Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 angewandt. Der EP-Korrosionsschutzlack zeigt erst nach über 1000 Stunden Korrosionserscheinungen, während die untersuchten PUR-Acryl-Lacke im Test keine 168 Stunden standhielten.</p><h2>Andere Anwendungen</h2><p>Mit der Permeationsmesszelle lässt sich nicht nur Wasserdampfpermeation bestimmen. In Kombination mit anderen nachweisempfindlichen Analysenmethoden lässt sich ebenso der Stofftransport von Ionen wie Chlorid und Sulfat sowie von organischen Verbindungen wie Aromastoffen, Lösungsmitteln oder Additiven untersuchen.</p><p>Annett Hartmann, Jahrgang 1971, hat Chemie studiert und promoviert. Sie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin bei beim Industrieforschungsinstitut Innovent in Jena für Lacke sowie Beschichtungs-, Kleb- und Dichtstoffe.  Stefan Schwedat, Jahrgang 1982, ist Diplomingenieur (FH) für physikalische Technik und wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Innovent für Materialprüfung und Spezialmesstechnik. Katrin Pawlik, Jahrgang 1966, hat Chemie studiert und promoviert. Sie leitet den Bereich Analytik &amp; Werkstoffprüfung bei Innovent. Ihre Arbeitsgebiete sind Kunststoff- und Oberflächenanalytik. <a href="mailto:kp@innovent-jena.de">kp@innovent-jena.de</a></p><h2>Quergelesen</h2><p>Wasserdampfdurchlässigkeit wird häufig gravimetrisch bestimmt, die Messungen dauern Tage bis Wochen.</p><p>Mit einer Spezialmesszelle lassen sich die Prüfzeiten für Filme bis 1 mm Dicke auf Minuten bis eine Stunde verkürzen.</p><p>Lacke und Beschichtungsmaterialien werden für die Messung, falls erforderlich, auf ein Trägermaterial mit ausreichend großer Wasserdampfdurchlässigkeit aufgetragen.</p>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup>K. Oberbach, H. Saechtling, Kunststoff-Taschenbuch 28. Auflage, Carl-Hanser-Verlag, München Wien, 2001.</li></ul>


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