Seit Jahren suchen Forschende nach Alternativen zu halogenierten Flammschutzmitteln, die erhebliche Umwelt- und Gesundheitsrisiken bergen. Ein vielversprechender Ansatz kommt nun aus überraschender Richtung: aus Maisquellwasser. Forschende des Fraunhofer-Instituts gewinnen aus diesem Nebenprodukt der Stärkeproduktion Phytinsäure – eine natürlich vorkommende, phosphorreiche Verbindung – und entwickeln daraus ein wirksames Flammschutzmittel für Biomaterialien.
Phosphorverbindungen gelten in der Flammschutztechnik als besonders wirksam, da sie Brände effektiv unterdrücken können. Phosphor selbst ist jedoch eine endliche Ressource: Schätzungen zufolge könnten die weltweiten Vorkommen innerhalb der nächsten 50 bis 300 Jahre erschöpft sein. Diese Knappheit ist der Ausgangspunkt für das Projekt ScaleAmP (siehe unten), in dem ein Forschungsteam daran arbeitet, Phosphor aus Maisquellwasser statt aus geförderten Rohstoffen zu gewinnen. Das Team aus Wissenschaftler*innen des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP entwickelt gemeinsam mit Industriepartnern ein Flammschutzmittel für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC) und weitere Biomaterialien.
Im Zentrum der Forschung steht Phytinsäure, auch Phytat genannt, die in großen Mengen in Pflanzen wie Mais, Weizenkleie, Sojabohnen und Reis vorkommt.
„Kommerzielle halogenierte Flammschutzmittel sind zwar hochwirksam, aber auch giftig und umweltschädlich. Um Klimaschutz und regulatorische Anforderungen gleichermaßen zu erfüllen, treibt die Industrie den Umstieg auf nachhaltige, phosphorbasierte Flammschutzmittel voran," sagt Matthias Bischoff, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer WKI. „Wir unterstützen diesen Trend, indem wir die in Maisquellwasser enthaltene Phytinsäure als Wirkstoff für Flammschutzmittel nutzen und ein kostengünstiges Verfahren zu deren Herstellung im technischen Maßstab entwickeln."
Vom Nebenprodukt zum brandhemmenden Werkstoff
Um das Potenzial des Flammschutzmittels zu demonstrieren, testen die Forschungspartner es in einem Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff – einem Material, das breite Anwendung im Bauwesen sowie in der Automobil- und Möbelindustrie findet.
Der hohe Phosphorgehalt macht Phytinsäure zu einem vielversprechenden Flammschutzmittel, insbesondere in Form von Ammoniumphytaten. Unter Hitzeeinwirkung bildet das Molekül eine isolierende Kohlenstoffschicht, die dem Feuer die Sauerstoffzufuhr entzieht. Allein ist Phytinsäure jedoch wirkungslos: Sie benötigt eine Stickstoffquelle, um mit Phosphor eine synergistische Verbindung einzugehen. Zudem weist reine Phytinsäure einen sehr niedrigen pH-Wert auf, wodurch sie mit den meisten Materialien nicht kompatibel ist.
Nachhaltige Gewinnung und Aufreinigung von Phytinsäure
Eine der zentralen technischen Herausforderungen bestand darin, ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Aufreinigung von Phytinsäure zu entwickeln – schwierig vor allem wegen ihrer hohen Wasserlöslichkeit. Forschende am Fraunhofer IAP lösten dieses Problem mit einer Reihe einfacher Verfahrensschritte: Durch Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten sowie gezielte pH-Wert-Anpassung gelang es ihnen, die Phytinsäure von den Proteinen und organischen Säuren zu isolieren, die den Großteil des Maisquellwassers ausmachen. Eine zweite Herausforderung bestand darin, herauszufinden, welche Amine sich am besten mit Phytinsäure kombinieren lassen, um die Flammschutzwirkung zu optimieren – eine Fragestellung, der Bischoff und sein Team am Fraunhofer WKI anhand von mehr als 20 verschiedenen Aminen nachgingen.
Biobasierte Leistung auf Augenhöhe mit konventionellen Produkten
Die gewonnenen Ammoniumphytate wurden zu Prüfkörpern aus WPC-Material verarbeitet. Um die Wirksamkeit unterschiedlicher Ammoniumphytat-Formulierungen und -Mischungsverhältnisse zu bewerten, führten die Forschenden standardisierte Brandprüfungen durch, darunter den UL-94-Brennbarkeitstest und die Bestimmung des Grenzsauerstoffindex, und verglichen die Ergebnisse der verschiedenen Formulierungen miteinander. Die leistungsstärkste Formulierung erreichte dabei eine mit einem kommerziell erhältlichen Referenzprodukt vergleichbare Flammschutzwirkung.
Bislang hat das Team Phytinsäure im Maßstab von einem Kilogramm hergestellt. Als nächster Schritt ist eine Skalierung auf 100 Kilogramm geplant, ergänzt durch Bestrebungen, neben Maisquellwasser weitere Rohstoffquellen wie Reis oder Weizen zu erschließen und das Aufreinigungsverfahren weiter zu verfeinern.
„Ob sich das Verfahren für den industriellen Maßstab eignet, hängt vom Zusammenspiel aus zuverlässiger Verfügbarkeit, einfacher Verarbeitbarkeit, Flammschutzwirkung und Preis ab," so Bischoff.
Über das Projekt ScaleAmP
Laufzeit: 1. Januar 2025 – 30. Juni 2026
Gefördert durch: Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH)
Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)
Projektpartner:
- Cargill Deutschland GmbH (Bereitstellung von Maisquellwasser)
- Clariant Plastics & Coatings (Deutschland) GmbH (Bereitstellung von Referenz-Flammschutzmitteln)
- Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP (Gewinnung von Phytaten aus Maisquellwasser)
- Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI (Koordination; Synthese und Testung biobasierter Flammschutzmittel)
Quelle: Fraunhofer WKI
