Industrie + Technik

Prof.Dr.

<p>Die wenigen Chemie-Start-ups ringen um Finanzierung und Exitstrategien. Währenddessen entwickelt sich die Chemieindustrie anscheinend prächtig, ohne großartig innovativ zu sein.</p>
<p>Die chemische Industrie braucht keine Start-ups. Diesen Eindruck vermittelt die Branche. Die wenigen Zahlen, die es gibt, schwanken zwischen 16 und 50 Unternehmensgründungen pro Jahr bei insgesamt mehr als 3000 Chemieunternehmen; zum Vergleich: Im Jahr 2018 gab es 15 Biotechgründungen bei insgesamt etwa 650 Biotechunternehmen.</p><p>Die chemisch-pharmazeutische Industrie ist die drittgrößte in Deutschland, hinter Automobil- und Maschinenbau. Allerdings investierte die chemische Industrie im Jahr 2016 durchschnittlich nur 5 % ihres Umsatzes in Innovationen und lag damit auf dem siebten Platz hinter der pharmazeutischen (18 %), der Elektro-, Messtechnik- und Optik-Industrie (13 %), dem Automobilbau (10 %), dem Schiff-, Bahn- und Flugzeugbau (9 %), der Elektrotechnikindustrie (8 %) sowie dem Maschinenbau (6 %).</p><p>In Medizin und Gesundheitswesen wurden dem Start-up-Monitor 2018 zufolge 8,5 % aller deutschen Start-ups gegründet. Chemische Start-ups dagegen verschwinden in einem Block aus Chemie, Pharma und Biologie mit insgesamt 2,7 % (Abbildung unten).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/i3gPDRmRW2WH2ra9ICLQ"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Branchenzuordnung deutscher Start-ups im Jahr 2018. Quelle: Deutscher Start-Up Monitor 2018</figcaption></figure>
<h2>Genügend Potenzial vorhanden</h2><p>Man könnte nun meinen, dass eine Industrie, die einen so hohen Anteil ihres Umsatzes in Innovationen investiert wie die Pharmaindustrie, keine Start-ups braucht und eine, die relativ wenig in eigene Innovationen investiert, sich diese aus Start-ups besorgt. Das Gegenteil ist der Fall.</p><p>Seit Jahrzehnten investieren Pharmaunternehmen in Gründungen und eröffnen damit für Frühphaseninvestoren eine zusätzliche Möglichkeit, aus dem Investment auszusteigen. Solch ein Exitkanal ist ein Schlüsselfaktor für eine erfolgreiche Start-up-Szene.</p><p>Anders die Chemieindustrie: Die etablierten Unternehmen scheinen sich nur selten für Start-ups zu interessieren, und wenn, dann legen sie eigene Accelerator-Programme auf und fördern das Intrapreneurship, also unternehmerisches Verhalten der Mitarbeiter im eigenen Hause. Seit einigen Jahren beteiligen sich Unternehmen wie BASF, Evonik, Altana und Lanxess am High-Tech-Gründerfonds, was die Zahl der Chemie-Start-ups jedoch nicht erhöht hat.</p><p>Es mangelt nicht an Menschen und qualifizierter Forschung, die Gründungen begünstigen. Am 31. Dezember 2017 studierten in Deutschland 19 923 Menschen einen chemischen Studiengang im Bachelor, 8523 im Master, und 9814 promovierten.<sup>1)</sup></p><h2>Satt und zufrieden</h2><p>Die entscheidende Frage ist, wozu die chemische Industrie mehr Start-ups braucht. Es geht ihr gut. Sie wächst seit Jahren. Sie verkauft seit Jahrzehnten dieselben Produkte mit wachsender Nachfrage. Sie ist die drittgrößte Industrie Deutschlands, sogar die Mitarbeiterzahlen steigen in Deutschland seit einiger Zeit wieder.</p><p>Während die Chemie-Start-ups um Finanzierung und Exitstrategien ringen, entwickelt sich die Chemieindustrie, ohne großartig innovativ zu sein, anscheinend prächtig. Start-ups sind dabei nur lästig. Sie sind klein, unterschätzen häufig die Herausforderung, einen Prozess vom Labor- in den Produktionsmaßstab zu bringen, und brauchen mehr Zeit und damit mehr Geld als geplant.</p><p>Solange Erdöl billig ist, gibt es offenbar nicht genügend Anreiz, sich als Industrie um potenzielle und kleine Innovatoren und Unternehmer zu kümmern. Man ist sich selbst genug.</p><h2>Problemlöser und -verursacher</h2><p>Die Perspektive der Gesellschaft ist eine andere als die der chemischen Industrie. Während diese einer der großen Treiber für Lösungen in fast jedem Problembereich der Menschheit ist, ist sie gleichzeitig einer der großen Problemverursacher. So wandelt die chemische Industrie Erdöl in Kunststoffe um, die dann in einer Größenordnung von 8 Mio. Tonnen pro Jahr in den Meeren landen.</p><p>Der Eintrag von FCKW, Mikrokunststoffen, hormonähnlichen organischen Molekülen und anderem hat Folgen für die Umwelt und damit für uns Menschen, die wir noch lange nicht vollständig erfassen können. Dass wir bisher unbekannte Materialien in die Ökosysteme der Welt eintragen, deren Abbaubarkeit im Bereich von hunderten von Jahren liegt, ist kurzsichtig und potenziell gefährlich.</p><p>Innovationen werden mehr denn je gebraucht. Gründer, die ein Risiko eingehen und sich schnell bewegen, waren immer ein entscheidender Faktor bei der Lösung kleiner und großer Probleme. So sind schließlich alle großen deutschen Unternehmen der chemischen Industrie entstanden.</p><h2>Karrierewege zeigen</h2><p>Ja, wir brauchen Start-ups in der chemischen Industrie. Nur woher sollen sie kommen?</p><p>Das Gründungsklima war noch nie besser in Deutschland. Es gibt Frühförderprogramme an Hochschulen, Entrepreneurship-Studiengänge, Technologietransferstellen, den High-Tech-Gründerfonds, billige Gründerkredite von der Bank KfW und anderes. Dennoch sind die Gründerzahlen in der chemischen Industrie klein (Abbildung oben).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/UmKztMlJRyiDdNcGnfHg"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Chemie-Start-up-Gründungen in Deutschland seit dem Jahr 1990. Quelle: BCNP Consultants</figcaption></figure>
<p>Gründer zu werden, scheint für Chemiker kein Karriereweg zu sein. Die wenigsten denken überhaupt daran. Förderprogramme und Technologietransferstrategien richten sich an die wenigen, die eine Vorstellung davon haben, was gründen bedeuten kann. Dagegen gibt es bisher nur wenige Formate, die sich an die Mehrheit derjenigen richten, für die Gründer sein jenseits ihres Horizonts liegt.<sup>2)</sup></p><p>Nur wenigen Universitäten und Forschungseinrichtungen gelingt der Spagat zwischen akademischer Forschung und deren Übersetzung in Geschäftsmodelle und Start-ups.</p><p>In den chemischen Fächern deutscher Universitäten schlummert wissenschaftliches Potenzial, um heutige und künftige Probleme zu lösen. Wenn wir es nutzen wollen, müssen wir Programme auflegen, die es Studierenden früh in ihrem Studium ermöglichen, das „Gründen“ und „Gründer sein“ auszuprobieren und als Alternative zu einer Industriekarriere zu erfahren.</p><h2>Quergelesen</h2><p>Die Tradition, Risiken einzugehen und sich schnell auf äußere Umstände einzustellen, hat große Chemieunternehmen hervorgebracht.</p><p>Förderprogramme sollten nicht nur die ansprechen, die sich vorstellen können, Gründer zu werden, sondern auch die, für die Gründer sein jenseits ihres Horizonts liegt.</p><p>Studierende sollten früh im Studium eine Gründerkarriere durchdenken und als Alternative zur Industriekarriere kennenlernen.</p><h2>Der Autor</h2><p>Stephan Haubold ist Studiendekan für Wirtschaftschemie und Mintrepreneurship der Hochschule Fresenius in Idstein (HSF). Seit Januar ist er zudem wissenschaftlicher Leiter des Competence Center for Entrepreneurship Frankfurt Rhein/Main der HSF. Er promovierte in Hamburg in Chemie. <a href="mailto:stephan.haubold@hs-fresenius.de">stephan.haubold@hs-fresenius.de</a></p><div><img src="https://media.graphcms.com/kBklMXSaRXGZ7SNwTmmJ">

</div><p></p>
<ul><li>
<sup>1 </sup>Chemiestudiengänge in Deutschland, Statistische Daten, GDCh</li><li>
<sup>2 </sup>Z.B. „Idee sucht Gründer“ der Hochschule Fresenius im Rahmen des CCE Frankfurt Rhein/Main</li></ul>


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Wir brauchen keine Start‐ups. Oder?

Die wenigen Chemie-Start-ups ringen um Finanzierung und Exitstrategien. Währenddessen entwickelt sich die Chemieindustrie anscheinend prächtig, ohne großartig innovativ zu sein. Die chemische Industrie braucht keine Start-ups. Diesen Eindruck vermittelt die Branche. Die wenigen Zahlen, die es gib...

<p>3-D-Druck kombiniert mit einer Atmosphärendruck-Gasphasenabscheidungsquelle erlaubt, Beschichtungen mit funktionellen Gruppen auf Polymerbauteilen aufzutragen. Hierdurch lässt sich die Adhäsion steuern.</p>
<p>Schmelzbeschichtung (fused deposition modeling, FDM) ist das am meisten genutzte 3-D-Druckverfahren.<sup>1)</sup> Hiermit lassen sich thermoplastische Polymere verarbeiten, die in der Regel als Filament vorliegen und in einem Extruder aufgeschmolzen werden. Der 3-D-Druckvorgang entspricht einem schichtweisen Ablegen der Polymerschmelze.</p><p>Für viele Einsatzgebiete eines Bauteils sind die Oberflächeneigenschaften entscheidend. Hydrophile oder hydrophobe Oberflächen etwa werden mit Wasser benetzt beziehungsweise lassen es abperlen. Bestimmte chemische Gruppen fördern zudem, dass Materialien wie Lacke, Kleber oder andere Beschichtungen haften.<sup>2)</sup></p><p>Für medizinische Implantate ist eine bestimmte Oberflächenchemie, etwa durch Aminogruppen, für das Zellwachstum auf der Implantatoberfläche vorteilhaft.<sup>3)</sup> Metallische Oberflächen reflektieren das Licht, schirmen elektrische Felder ab und leiten Strom sowie Wärme. Das ist nutzbar für dekorative Zwecke, zur elektrostatischen Abschirmung, als Leiterbahnen oder zur haptischen Modifikation der gedruckten Polymeroberfläche. Chemisch inerte Oberflächen oder mechanisch resistente Schichten können Bauteile zudem vor entsprechenden Beanspruchungen schützen.</p><h2>Parallel drucken und beschichten</h2><p>Um die Oberflächeneigenschaften zu beeinflussen, gibt es verschiedene Beschichtungstechniken. Vor allem Beschichtungsverfahren aus der Gasphase wie chemische Gasphasenabscheidung, Aufdampf- oder Sputterdepositionsprozesse bieten eine Vielfalt an Beschichtungsmaterialien.</p><p>Die meisten dieser Verfahren sind für planare Bauteiloberflächen ausgelegt und finden unter Niederdruckbedingungen, also unterhalb des Atmosphärendrucks statt. Für dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten oder Überhängen, wie sie mit einem 3-D-Drucker leicht herstellbar sind, eignen sie sich oft nicht.</p><p>Einen Ausweg bietet die Kombination eines FDM-3-D-Druckers mit einer punktförmigen Beschichtungsquelle, die sich parallel zum Druckvorgang betreiben lässt. Unser Ansatz hierzu ist ein Atmosphärendruckplasmajet. In diesem wird eine dielektrisch behinderte Gasentladung unter Atmosphärendruck gezündet. Der von uns eingesetzte Plasmajet nutzt Argon als Prozessgas und Stickstoff als Schutzgashülle.</p><p>Werden der Gasentladung schichtbildende Gasmoleküle (Präkursoren) zugeführt, so zerfällt ein Teil von ihnen im Plasma in Fragmente. Diese kondensieren in der Umgebung des Jets und scheiden sich auf Oberflächen als Schichten ab. Besitzen die Präkursorgasmoleküle in diesem plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) bestimmte funktionelle Gruppen – etwa Amino-, Carboxyl- oder Epoxygruppen –, so bleibt abhängig von der Prozessführung ein Teil der Gruppen in der Beschichtung erhalten. Diese lassen sich für Folgereaktionen auf der Oberfläche nutzen.</p><h2>Belegen und eindringen</h2><p>Mit dem Ansatz, Plasmajet und 3-D-Druck zu kombinieren, ist es möglich, die Oberfläche nach Abschluss einer Drucklage oder des gesamten Drucks zu beschichten. Dafür wurden verschiedene Präkursoren zur Erzeugung unterschiedlicher Oberflächenfunktionalitäten untersucht:</p><p>Mit Hexamethyldisiloxan und Tetramethylsilan lassen sich hydrophobe Beschichtungen mit Wasserkontaktwinkeln von bis zu 110° abscheiden.</p><p>(3-Aminopropyl)trimethoxysilan (APTMS) bildet Schichten mit nukleophilen Gruppen wie Aminen und Iminen. Ihre Dichte an der Oberfläche des beschichteten Bauteils lässt sich durch Derivatisieren mit 4-(Trifluoromethyl)-benzaldehyd und Vermessen des Absorptionspeaks der C-CF<sub>3</sub>-Schwingung im Infrarotspektrum bestimmen.<sup>4,5)</sup></p><p>Die Dichte der nukleophilen Gruppen lässt sich durch ein Pulsen der elektrischen Leistungszufuhr des Plasmajets erhöhen. Dadurch entstehen Zeitspannen, in denen die Präkursorgasmoleküle nicht weiter aufgebrochen werden und sich als Schicht abscheiden. Die organische Struktur und damit die funktionellen Gruppen bleiben besser erhalten. Allerdings reduziert sich die Beschichtungsrate proportional zur Leistungszufuhr. Die APTMS-Beschichtung dringt in poröse Polymerstrukturen aus Polypropylen mindestens 10 mm tief ein bei 300 µm Filamentdurchmesser und 1000 µm Filamentabstand (ähnlich Abbildung links).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/p3DHGt2TDaUjgGyafJCg"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Plasmajet bei der Beschichtung einer 3-D-gedruckten Gerüststruktur. Fotos: Fraunhofer IST</figcaption></figure>
<p>Durch eine Prozessgasmischung aus den Präkursoren Maleinsäureanhydrid (MSA) und Vinyltrimethoxysilan (VTMOS) im Trägergas Argon lassen sich Schichten mit Carboxylgruppen abscheiden. Die Gaszusammensetzung beeinflusst die Stabilität der abgeschiedenen Schichten in wässrigen Medien. Zu viel MSA macht die Schichten wasserlöslich, zu viel VTMOS reduziert die Zahl elektrophiler Gruppen. Die Beschichtung wurde durch Färben mit Methylenblaulösung nachgewiesen. Derartige Beschichtungen dringen zirka 5 mm in die genannten Polymerstrukturen ein (Abbildung rechts).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/GMMTeacRSyMEvrlblnKT"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Mit Methylenblaulösung gefärbte Beschichtung auf einer 3-D-gedruckten Gerüststruktur.</figcaption></figure>
<h2>Thermische Aspekte</h2><p>Der Beschichtungsvorgang durch den Plasmajet belastet das zu beschichtende Bauteil thermisch kaum. Betrieben wird der Plasmajet mit einer elektrischen Leistung von zirka 15 Watt, die sich auf einen Gesamtgasstrom von 25 Standardliter pro Minute verteilt. Hieraus ergeben sich maximale Gastemperaturen von zirka 50 °C.</p><p>Geht man davon aus, dass während des 3-D-Drucks gleich hohe oder höhere Substrattemperaturen vorliegen, so ergibt sich keine zusätzliche thermische Belastung.</p><p>Wird die Substrattemperatur von von 20 °C auf 100 °C erhöht, nimmt die Beschichtungsrate für HMDSO, APTMS und MSA-VTMOS um bis zu 50 Prozent ab.</p><p>Die Ergebnisse der Arbeit wurden im EU-Projekt FAST (<a href="https://project-fast.eu" target="_blank">project-fast.eu</a>) durch das „Horizon 2020 research and innovation programme” der EU (Grant agreement No 685825) gefördert.</p><h2>Die Autoren</h2><p>Thomas Neubert entwickelt und optimiert Atmosphärendruckplasmaprozesse zur Oberflächenbehandlung und -beschichtung am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) in Braunschweig. Der promovierte Physiker ist dort seit 2003 wissenschaftlicher Mitarbeiter. Jochen Borris ist Geschäftsfeldleiter für Life Science und Umwelt am IST in Braunschweig. Der promovierte Chemiker arbeitet dort seit dem Jahr 2002. Kristina Lachmann leitet die Arbeitsgruppe Oberflächenchemie am IST in Braunschweig. Die promovierte Chemikerin arbeitet dort seit dem Jahr 2009.</p><h2>Quergelesen</h2><p>Ein Plasmajet lässt sich in einen 3-D-Drucker integrieren, denn die Parameter Temperatur, Druck, Geschwindigkeit beider Prozesse sind kompatibel.</p><p>Damit sind Plasmapolymerschichten mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen herstellbar, auch innerhalb eines Bauteils.</p><p>Denkbare Anwendungsergebnisse sind lokale Oberflächenenergieveränderungen, leitfähige Strukturen oder vertikal verstärkte Bindungskräfte innerhalb eines 3-D-gedruckten Bauteils oder zwischen verschiedenen 3-D-gedruckten Materialien.</p>
<ul><li>
<sup>1 </sup><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://de.statista.com/statistik/daten/studie/760408/umfrage/meistgenutzte-3d-druck-technologie/" target="_blank">https://de.statista.com/statistik/daten/studie/760408/umfrage/meistgenutzte-3d-druck-technologie/</a></ext-link></li><li>
<sup>2 </sup>M. Thomas, K. L. Mittal, Atmospheric Pressure Plasma Treatment of Polymers: Relevance to Adhesion, Wiley-Scrivener, 2013</li><li>
<sup>3 </sup>A. M. C. Barradas, K. Lachmann, G. Hlawacek et al., Acta Biomat. 2012, 8, 2969–2977</li><li>
<sup>4 </sup>C.-P. Klages, A. Grishin, Plasma Process. Polym. 2008, 5, 359–367</li><li>
<sup>5 </sup>C.-P. Klages, S. Kotula, Plasma Process. Polym. 2016, 13, 1213–1223</li></ul>


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