Biobasierte Beschichtungen

Biobasierte Beschichtungen steigern die Nachhaltigkeit eines Produkts. Durch das Ersetzen fossilbasierter Inhaltsstoffe mit Hilfe biobasierter, nachhaltiger Rohstoffe lässt sich der ökologische Fußabdruck eines Produkts um ein Wesentliches verringern.

Mit der Veränderung einer Beschichtungsformulierung ergeben sich allerdings einige Herausforderungen:

1. Welche biobasierten Rohstoffe leisten ähnliche Funktionalitäten wie herkömmliche Inhaltsstoffe?
2. Welche Wechselwirkungen ergeben sich in einer Produktformulierung durch die Veränderung der Zusammensetzung?
   
3. Wie verändert eine biobasierte Beschichtung das Verarbeitungsverhalten eines Materials?

Unsere Beschichtungsexperten unterstützen Sie gerne bei der Lösung dieser Fragestellungen. Wir begleiten die Entwicklung Ihrer biobasierten Beschichtung von der Rohstoffauswahl bis hin zur fertigen Formulierung für Ihre spezifische Zielanwendung. Neben der Anpassung bestehender Formulierungen bieten wir auch produktspezifische Neuentwicklungen von biobasierten Beschichtungsformulierungen. Dabei haben wir sowohl die Verfügbarkeit der Rohstoffe und deren chemische und funktionelle Eigenschaften als auch das Verarbeitungsverhalten und die Veränderung der Materialeigenschaften des Zielproduktes im Blick.

In allen Stadien der Entwicklung führen wir eine Bewertung der Eigenschaften im Hinblick auf das Zielprodukt durch. Sämtliche Entwicklungsschritte stimmen wir auf die bei Ihnen vorliegenden Produktions- und Anwendungstechnologien ab.

Unser Fokus bei der Rohstoffauswahl liegt auf pflanzlichen Proteinen, Faserstoffen sowie Wachsen und Ölen als lipophile Komponenten mit ihren filmbildenden und hochfunktionellen Eigenschaften. Darüber hinaus können sekundäre Pflanzenstoffe einen großen Beitrag zur Funktionalisierung leisten.

Verwertung von Reststoffströmen

Bei der Auswahl der Rohstoffe betrachten wir die Verwertung von Reststoffen aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie unter Berücksichtigung ihrer Verfügbarkeit und Preise als weiteren Aspekt zur Steigerung der Nachhaltigkeit im Sinne der Bioökonomie. Sämtliche Stoffströme, die in diesen Branchen anfallen, enthalten funktionelle Inhaltsstoffe in hohen Mengen. Alternativ können unsere Entwicklungen auch mit dem Einsatz kommerziell verfügbarer Komponenten beginnen.

Prozessentwicklung zur Rohstoffgewinnung

Ergänzend zu unserem umfangreichen Rohstoffwissen forschen wir fortwährend an der Optimierung effizienter Verfahren zur Extraktion, Aufreinigung und Stabilisierung von pflanzlichen Inhaltsstoffen. Im Fokus der Entwicklung stehen neben den Extraktionsausbeuten die für die Zielanwendung des Extraktes notwendigen Funktionalitäten. Darüber hinaus berücksichtigen wir die Beschaffenheit der Rohstoffströme. Auf diese Weise gewinnen wir hochwertige Proteine, Faserstoffe, Pflanzenöle und sekundäre Pflanzenstoffe.

Bei der Verfahrensentwicklung arbeiten wir in wässrigem Medium oder mit organischen Lösungsmitteln. Besonders schonend ist der Einsatz von überkritischem CO₂. Die Extraktionen können sowohl im Perkulationsverfahren als auch im Immersionsverfahren und bei Bedarf explosionsgeschützt durchgeführt werden. Im Anschluss an die Gewinnung kann eine Aufbereitung der Extrakte mittels Filtration, Destillation und Konzentrierung erfolgen.

Nach der Prozessentwicklung im Labor und dem Scale up in unseren Pilotanlagen (300 l) produzieren wir gerne Anwendungsmuster für Sie und erheben Daten für eine wirtschaftliche Abschätzung.

Die Nutzung unserer Anlagen für firmeneigene Entwicklungen ist ebenfalls möglich. Dazu bieten wir Ihnen je nach Rohstoff oder Zielanwendung unterschiedliche Extraktionsanlagen:

Anlage zur Lösungsmittel-Basierten Extraktion

Anlage zur CO₂-Extraktion

Für einen erfolgreichen Einsatz biobasierten Inhaltsstoffe ist eine umfassende Charakterisierung der potenziellen Substituenten unerlässlich. Dies umfasst die qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung sämtlicher Rohstoffströme und Extrakte. Weiter werden die Extrakte im Hinblick auf ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften umfassend untersucht. Besonders die filmbildenden Eigenschaften liegen hier im Fokus.

Nach der Einarbeitung in die Produktformulierung werden die funktionellen Eigenschaften der Extrakte in der Zielanwendung geprüft. Diese anwendungsspezifische Charakterisierung umfasst beispielsweise die Ermittlung der Oberflächenwirkung, die Untersuchung von Barrierewirkungen oder die Bestimmung der Permeationseigenschaften.

Außerdem ermitteln wir Wechselwirkungen mit anderen Formulierungskomponenten und können bei Bedarf die zugrundeliegenden Mechanismen für vorliegende Interaktionen identifizieren. Darüber hinaus prüfen wir die Stabilität und das Lagerverhalten der Produktformulierung.

Bereits die Rohstoffauswahl und die Rohstoffgewinnung haben großen Einfluss auf die Funktionalität im anvisierten Zielprodukt. Zur Optimierung der gewünschten Funktionalität haben wir die Möglichkeit enzymatische, chemische und physikalische Modifikatoinsschritte durchzuführen. Durch die Anpassung der Polarität und der Partikelgröße kann zudem eine gute Löslichkeit oder Dispergierbarkeit der pflanzlichen Inhaltsstoffe im Zielmedium erreicht werden, was eine Grundvoraussetzung für die Stabilität im späteren Produkt ist.  

Proteine können beispielsweise mittels chemischer oder enzymatischer Hydrolyse in kleinere Einheiten gespalten werden. Neben der Änderung der Molekülgröße können auf diese Weise funktionelle Gruppen freigelegt werden, die die Funktionalität der Proteine im Zielmedium optimieren.

Durch das Anhängen von lipophilen Komponenten an Proteine mittels Veresterungsreaktionen können diese nicht nur in Wasser, sondern auch in unpolaren Zielmedien eingesetzt werden.

Entscheidend bei der Entwicklung der biobasierten Beschichtung ist die Einarbeitung der von uns entwickelten biobasierten Komponenten in Ihre Produktformulierung. Hier untersuchen wir, in welchen Wechselwirkungen die biobasierten Inhaltsstoffe mit anderen Komponenten im Zielmedium treten und wie sich diese auf die gewünschte Funktionalität auswirken. Weiter prüfen wir, welchen Einfluss bestimmte Arbeitsschritte in der Formulierungsherstellung auf die Funktionalität der biobasierten Beschichtungskomponenten haben.

Geringfügige Adaptionen des Herstellungsprozesses können die Funktionalität oft schon entscheidend beeinflussen und damit optimieren. Die funktionellen Eigenschaften werden in diesem Entwicklungsschritt nochmal iterativ angepasst und optimiert.

Bei der Entwicklung biobasierter Beschichtungsformulierungen bzw. bei der Substitution von fossilen Bestandteilen in Beschichtungen berücksichtigen wir u. a. die Maschinengängigkeit und das Verarbeitungsverhalten der jeweiligen Substrate zusammen mit der Beschichtung im gesamten Verarbeitungsprozess sowie die Stabilität der Beschichtung selbst und die Beständigkeit der Funktionalität.

Entwickelte Produktformulierungen können bei uns je nach Zielanwendung mit entsprechenden Auftragssystemen auf unterschiedliche Medien / Substrate adaptiert und so erste Anwendungsmuster erstellt werden. Hierfür stehen uns in den Bereichen Papierbeschichtung und Verpackung verschiedene Technologien zur Verfügung: Mit einem Lab-Coater können erste Beschichtungstests im DinA4-Maßstab realisiert werden. Den nächsten Skalierungsschritt zwischen Labormaßstab und Produktion führen wir an unserer Lackier- und Kaschieranlage durch. Hier erproben wir das Auftragsverfahren und klären Prozessparameter ab. Für Beschichtungen im Sprühverfahren können wir auch erste Sprühtests darstellen.

In anderen Applikationsfeldern wie in den Bereichen Farben und Lacke sowie Lasuren führen wir in enger Zusammenarbeit mit den Kunden / Auftraggebern ebenfalls Anwendungstest durch, die auf die speziellen, vom Kunden vorgegebenen Anforderungen und Kriterien ausgerichtet sind.
Applikationstests von biobasierten Inhaltsstoffen im Bereich Personal und Home Care fokussieren sich vor allem auf eine umfassende sensorische Bewertung dieser Produktgruppen.

Sämtliche Applikationstests können schon während der Entwicklung der jeweiligen finalen Beschichtungsformulierung iterativ genutzt werden, um erste Aussagen über die Verarbeitbarkeit, die materialverändernden Eigenschaften sowie die Stabilität oder den sensorischen Eindruck der Beschichtungen zu geben.

Nötige Prüfungen zu mechanischen Eigenschaften und Permeabilitätsmessungen können wir während der Entwicklung in unseren Laboren umsetzen. Auf Wunsch führen wir humantoxikologische Untersuchungen durch und charakterisieren auch das Verarbeitungsverhalten der neu entwickelten biobasierten Materialien wie z. B. die Maschinengängigkeit.