Textination Newsline

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

„Jeder sollte darüber nachdenken, wo immer er kann, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche zu ersetzen, um unserer Zivilisation zu helfen zu überleben", sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können nicht warten. Wenn das Haus brennt und man beginnt, einen Brunnen zu graben, dann wird das nicht funktionieren. Es ist an der Zeit, das Haus zu löschen.“

Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Textilien verwenden, um neue Materialien zu schaffen. Die Technology Commercialization Services (TCS) der UConn haben für beide Technologien vorläufige Patente angemeldet.

Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktioneller Materialien zu konstruieren, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung stufenlos steuerbarer, ungiftiger Materialien.

„Die Chemie ist das Einzige, was uns in die Quere kommt“, so Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien herstellen, die so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder sind.“

Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.

Proteine haben „reaktive Gruppen“ auf ihrer Oberfläche, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Berührung kommen. Kumar und sein Team nutzten sein Wissen über die Funktionsweise dieser Gruppen, um Proteinmoleküle durch eine chemische Verbindung miteinander zu verknüpfen.

Bei diesem Prozess entsteht ein sogenannter Dimer - ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Anschließend wird das Dimer mit einem anderen Dimer zu einem Tetramer verbunden, und so weiter, bis ein großes 3D-Molekül entsteht. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten aufweisen.

Dank dieser innovativen 3D-Struktur kann sich das neue Polymer wie ein Kunststoff verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form verändern und falten. So kann das Material mit Hilfe der Chemie für eine Vielzahl von spezifischen Anwendungen maßgeschneidert werden.

Da Kumars Material aus Proteinen und einer biologisch verbindenden Chemikalie besteht, kann es im Gegensatz zu synthetischen Polymeren biologisch abgebaut werden, so wie es pflanzliche und tierische Proteine natürlich tun.

„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die Amidbindungen in ihnen aufspaltet“, sagt Kumar. „Sie verfügt über Enzyme, die diese Art von Chemie beherrschen. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Die gleichen Enzyme, die in der Biologie arbeiten, sollten also auch bei diesem Material funktionieren und es auf natürliche Weise abbauen.“

Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material innerhalb weniger Tage in saurer Lösung zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material im Boden vergraben, was das Los vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.

Sie haben gezeigt, dass das Material auf Proteinbasis eine Vielzahl von kunststoffähnlichen Produkten bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung von feuerfesten Dachziegeln oder höherwertigen Materialien wie Autotüren, Raketenspitzen oder Herzklappen verwendet werden.

Die nächsten Schritte für diese Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Flexibilität, sowie ihre Toxizität weiter zu testen.

„Ich denke, wir brauchen ein soziales Bewusstsein dafür, dass wir keine toxischen Substanzen in die Umwelt bringen dürfen“, sagt Kumar. „Das geht einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“

Kumars zweite Technologie beruht auf einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber nicht nur Proteine, sondern solche, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.

„Durch die sich schnell verändernde Modeindustrie entsteht jedes Jahr eine Menge Textilabfall“, sagt Kumar. „Warum sollten wir diese Abfälle nicht nutzen, um nützliche Materialien herzustellen - Abfall in Wohlstand umzuwandeln.“

Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien (Proteios, abgeleitet von den griechischen Originalwörtern) erwartet Kumar, dass die aus Proteinen und Naturfasern hergestellten Verbundmaterialien biologisch abbaubar sind, ohne toxische Abfälle zu produzieren.

Im Labor hat Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Gewebe-Verbundstoffen hergestellt, darunter kleine Schuhe, Tische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Bindemittel für die Proteine dienen, und nicht die Vernetzungschemikalien, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.

Die Querverbindung verleiht dem neuartigen Material die Festigkeit, die es braucht, um dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft sorgt für starke Materialien aus Proteinfasern.

Kumars Team hat zwar bisher nur mit Baumwolle gearbeitet, geht aber davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, jedoch ähnlichen chemischen Eigenschaften wie Baumwolle auch so verhalten würden.

„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Oberfläche des Materials“, sagt Kumar. „Wir nutzten diese Erkenntnis, um zu sagen: 'Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus? Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich."

Mit der Unterstützung von TCS sucht Professor Kumar derzeit nach Industriepartnern, um diese Technologien auf den Markt zu bringen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Michael Invernale unter michael.invernale@uconn.edu.

• Bcomp gewinnt BMW Group Supplier Innovation Award in der Kategorie "Newcomer des Jahres"

Am 17. November 2022 wurden in der BMW Welt in München die sechsten BMW Group Supplier Innovation Awards in sechs Kategorien vergeben: "Powertrain & E-Mobility", "Sustainability", "Digitalisation", "Customer Experience", "Newcomer of the Year" und "Exceptional Team Performance".

Bcomp gewann den BMW Group Supplier Innovation Award in der Kategorie Newcomer of the Year. Nach der erfolgreichen Zusammenarbeit mit BMW M Motorsport für den neuen BMW M4 GT4, bei dem die Naturfaserlösungen powerRibs™ und ampliTex™ von Bcomp in großem Umfang zum Einsatz kommen, und der kürzlich erfolgten Beteiligung von BMW iVentures an Bcomp als Lead-Investor in der Series-B-Runde ist diese Auszeichnung ein weiterer wichtiger Schritt und eine Anerkennung auf dem Weg zur Dekarbonisierung der Mobilität.

„Innovationen sind der Schlüssel zum Erfolg unserer Transformation hin zu Elektromobilität, Digitalisierung und Nachhaltigkeit. Mit unserer Preisverleihung würdigen wir Innovation und partnerschaftliche Zusammenarbeit mit unseren Lieferanten - gerade in herausfordernden Zeiten“, sagte Joachim Post, Mitglied des Vorstands der BMW AG, verantwortlich für Einkauf und Lieferantennetzwerk, bei der Preisverleihung in der BMW Welt in München.

BMW begann 2019 erstmals mit den Materialien von Bcomp zu arbeiten, als sie Hochleistungs-Naturfaserverbundwerkstoffe im BMW iFE.20 Formel-E-Auto einsetzten. Aus dem mit Flachsfasern verstärkten Kühlschacht entwickelte sich die Zusammenarbeit, und bald darauf wurden die proprietären ampliTex™- und powerRibs™-Naturfaserlösungen erfolgreich als Ersatz für ausgewählte Kohlefaserkomponenten in DTM-Tourenwagen von BMW M Motorsport eingesetzt. Solche Entwicklungen, die auch in andere Fahrzeugprogramme einfließen, unterstreichen die wichtige Rolle, die BMW M Motorsport als Technologielabor für die gesamte BMW Group spielt. Die jüngste Zusammenarbeit mit Bcomp zur Erhöhung des Anteils nachwachsender Rohstoffe beim Nachfolger des BMW M4 GT4 setzt dies fort.

Mit der Markteinführung des neuen BMW M4 GT4 wird er das Serien-GT-Fahrzeug mit dem höchsten Anteil an Naturfaser-Komponenten sein. Die Flachsfaserlösungen ampliTex™ und powerRibs™ von Bcomp finden sich im gesamten Innenraum auf dem Armaturenbrett und der Mittelkonsole sowie auf Karosserieteilen wie Motorhaube, Frontsplitter, Türen, Kofferraum und Heckflügel. Abgesehen vom Dach gibt es fast keine Bauteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), die nicht durch die nachwachsenden Hochleistungsflachsmaterialien ersetzt wurden. "Produktnachhaltigkeit gewinnt auch im Motorsport zunehmend an Bedeutung", sagt Franciscus van Meel, Vorsitzender der Geschäftsführung der BMW M GmbH.

Bcomp ist ein führender Anbieter von Lösungen für Naturfaser-Verstärkungen in Hochleistungsanwendungen vom Rennsport bis zur Raumfahrt.

Das Unternehmen begann 2011 als Garagenprojekt mit dem Ziel, leichte und dennoch leistungsstarke Skier zu entwickeln. Die bCores™ wurden eingeführt und erfolgreich von einigen der größten Namen im Freeride-Skisport übernommen. Die Gründer, promovierte Materialwissenschaftler der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), verwendeten Flachsfasern zur Verstärkung des Balsakerns und zur Verbesserung der Schersteifigkeit. Beeindruckt von den hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Flachsfasern begann die Entwicklung nachhaltiger Leichtbaulösungen für den breiteren Mobilitätsmarkt.

Flachs ist eine einheimische Pflanze, die in Europa natürlich wächst und seit Jahrhunderten Teil der Agrargeschichte ist. Sie benötigt sehr wenig Wasser und Nährstoffe, um erfolgreich zu wachsen. Zudem fungiert sie als Fruchtfolgepflanze und verbessert so die Ernteerträge auf bestehenden Anbauflächen. Weder beim Anbau noch bei der Verarbeitung der Flachspflanzen werden Chemikalien eingesetzt, die das Grundwasser verunreinigen könnten, die Ernte ist ein rein mechanischer Prozess. Nach der Ernte kann die gesamte Flachspflanze als Futtermittel oder zur Ölherstellung verwendet werden, und ihre Fasern werden vor allem für Heimtextilien und Kleidung genutzt. Die langen Fasern der Flachspflanze besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften und ein hervorragendes Dämpfungsverhalten im Verhältnis zu ihrer Dichte, wodurch sie sich besonders gut als natürliche Faserverstärkung für alle Arten von Polymeren eignen.

Die Ernte und Verarbeitung des Flachses erfolgen lokal in den ländlichen Gebieten, in denen er angebaut wurde. Die Verwendung von europäischem Flachs, den Bcomp über seine gut etablierte und transparente Lieferkette bezieht, ermöglicht es, die wirtschaftliche und soziale Struktur in den ländlichen Gebieten zu unterstützen, da für die Aufrechterhaltung der Flachsproduktion zahlreiche qualifizierte Arbeitskräfte erforderlich sind. Bei der Herstellung der technischen Produkte wie dem powerRibs™-Bewehrungsnetz investiert Bcomp in lokale Produktionskapazitäten in der Nähe seines Hauptsitzes in Freiburg, Schweiz, schafft so neue Arbeitsplätze und erhält das technische Know-how in der Region. Die Produktion ist so effizient wie möglich und mit minimalen Umweltauswirkungen und Abfällen aufgebaut.

Zur weiteren Stärkung der lokalen Wirtschaft ist Bcomp bestrebt, regionale Unternehmen für Aufträge zu engagieren. Da sich der Hauptsitz im Freiburger Stadtviertel "Blaue Fabrik" befindet, kann Bcomp sowohl von der Entwicklung eines nachhaltigen und vielfältigen Viertels profitieren als auch dazu beitragen.