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Kunststoffe mit Kohlendioxid imprägnieren
Archiv | 08.01.2011 | Kohlendioxid gilt als Klimakiller Nummer 1. Doch das Gas hat auch positive Eigenschaften. Forscher imprägnieren jetzt sogar Kunststoffe mit komprimiertem CO2. Die Einsatzmöglichkeiten des neuen Verfahrens sind vielfältig – sie reichen von gefärbten Kontaktlinsen bis hin zu antibakteriell ausgestatteten Türklinken.
CO2 ist mehr als nur ein Abfallprodukt. Es lässt sich vielseitig
einsetzen. Die chemische Industrie verwendet das farblose Gas etwa zum
Herstellen von Harnstoff, Methanol und Salicylsäure. Harnstoff dient als
Düngemittel, Methanol als Kraftstoffzusatz. Salicylsäure ist
Bestandteil des Medikaments Aspirin.
Einen neuen Ansatz verfolgen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für
Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen: Sie
prüfen, ob sich Kohlendioxid zum Imprägnieren von Kunststoffen nutzen
lässt. Bei Temperaturen von 30,1 Grad Celsius und einem Druck von 73,8
bar geht CO2 in einen überkritischen Zustand über, in dem es ein
lösemittelähnliches Verhalten zeigt. Es eignet sich in diesem Zustand
als »Transportmittel«, um beispielsweise Farbe, Additive und
medizinische Wirkstoffe aufzulösen und in Polymere einzuschleusen. »Wir
pumpen flüssiges Kohlendioxid in einen Hochdruckbehälter mit den zu
imprägnierenden Kunststoffteilen und erhöhen Temperatur und Druck so
lange, bis das Gas den überkritischen Zustand erreicht. Anschließend
steigern wir den Druck. Bei 170 bar löst sich pulverförmiger Farbstoff
vollständig im CO2 auf und diffundiert mit dem Gas im Kunststoff. Dieser
Vorgang dauert nur wenige Minuten. Beim Öffnen des Hochdruckbehälters
entweicht das Gas aus der Oberfläche, die Farbe bleibt im Polymer. Sie
lässt sich auch nachträglich nicht mehr abwischen«, erläutert Dipl.-Ing.
Manfred Renner, Wissenschaftler am UMSICHT.
In Tests ist es den Forschern sogar gelungen, Polycarbonat mit
Nanopartikeln zu imprägnieren und antibakteriell auszustatten. Auf die
Oberfläche aufgebrachte E-Coli-Bakterien wurden bei den Versuchen im
institutseigenen Hochdrucklabor komplett abgetötet. Somit lassen sich
beispielsweise Türklinken hervorragend mit Nanopartikeln imprägnieren.
Auch Tests mit dem entzündungshemmenden Arzneistoff Flurbiprofen und mit
Siliziumdioxid waren erfolgreich. »Unser Verfahren eignet sich zum
Imprägnieren von teilkristallinen und amorphen Polymeren. Dazu zählen
etwa Nylon, TPE, TPU, PP und Polycarbonat. Auf kristalline Polymere
lässt es sich nicht anwenden«, schränkt Renner ein.
Das Verfahren birgt großes Potential, denn Kohlendioxid ist nicht
brennbar, nicht toxisch und kostengünstig. Es zeigt zwar ein
lösemittelähnliches Verhalten, hat aber nicht die Nebenwirkungen der
gesundheits- und umweltschädigenden Lösemittel, die beispielsweise beim
Lackieren verwendet werden. Auch sind lackierte Oberflächen schnell
beschädigt und nicht kratzbeständig. Konventionelle Verfahren, um
Kunststoffe zu funktionalisieren und zu imprägnieren, weisen zahlreiche
Nachteile auf. So können beim Spritzguss keine hitzeempfindlichen
Substanzen wie Brandschutzmittel und UV-Stabilisatoren ins Material
eingebracht werden. Viele Farben ändern sich, aus Purpurrot wird
Schwarz. »Mit unserer Methode lassen sich hochwertige Kunststoffbauteile
und Lifestyle-Produkte wie Handyschalen kundenspezifisch ändern. Der
Clou: Farbe, Additive und Wirkstoffe werden ohne den Einsatz von
aggressiven Lösemitteln umweltschonend weit unterhalb der
Schmelztemperatur in oberflächennahe Schichten eingebracht«, sagt
Renner. Das Verfahren biete sich etwa zum Färben von Kontaktlinsen an:
Man könne die Sehhilfen auch mit pharmazeutischen Wirkstoffen
anreichern, die über den Tag verteilt kontinuierlich ans Auge abgegeben
würden. Dies könne eine Alternative zur kurzfristigen Stoßtherapie mit
Augentropfen sein, wie sie beim Grünen Star angewendet wird. Das
Anwendungsspektrum der neuen Imprägnier-Methode ist sehr vielfältig.
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