Chemie für nachhaltige Baustoffe

Das Lehr- und Forschungsgebiet konzentriert sich auf drei zentrale Forschungsthemen sowie ergänzende analytische Methoden, die gemeinsam die Grundlage für innovative Entwicklungen im Bereich der polymeren Materialien bilden.

🌱 Biobasierte Materialien:

Die Natur stellt eine beeindruckende Vielfalt an Stoffen in großen Mengen bereit, von denen viele bislang wenig bis ungenutzt bleiben. Jeder dieser Stoffe weist eine einzigartige Kombination an Eigenschaften auf, die ein enormes Potenzial für die Entwicklung neuer Materialien bergen. Dennoch werden zahlreiche dieser Ressourcen entweder thermisch verwertet oder unter erheblichem Aufwand deponiert, anstatt sie nachhaltig in die Wertschöpfungskette zu integrieren.

Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung innovativer Methoden zur rohstofflichen und werkstofflichen Nutzung biogener Reststoffe. Dabei konzentrieren wir uns auf Materialien, die von der Natur in großen Mengen produziert, jedoch bislang kaum als Rohstoffe genutzt werden und nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Zu unseren Hauptquellen zählen Geflügelfedern, Krabbenschalen, Insektenpanzer und Gräser. Durch gezielte chemische Verfahren werden diese Rohstoffe so aufgeschlossen, modifiziert und weiterverarbeitet, dass sie wirtschaftlich nutzbar werden. Dies eröffnet nicht nur neue Anwendungsmöglichkeiten, sondern verbessert auch die CO2-Bilanz und unterstützt die Transformation hin zu einer auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Gesellschaft.

Ein Beispiel für die effiziente Verwertung biogener Reststoffe ist die Verwendung von Chitosan, das aus Abfällen der Lebensmittelindustrie gewonnen wird. Wir konnten den erfolgreich den Einsatz von Chitosan zur Beschichtung und Verklebung von Holz nachweisen. Holz erlebt aufgrund des steigenden Umweltbewusstseins eine Renaissance, benötigt jedoch Schutz vor Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Verunreinigungen. Neben dem Schutz vor Feuchtigkeit und UV-Strahlung bietet unsere Chitosanitaconat-Beschichtung auch eine erhöhte Feuerbeständigkeit. Unbehandeltes Holz brennt nach der Entzündung meist vollständig ab, selbst ohne kontinuierliche externe Hitzezufuhr. Unsere neue Beschichtung hingegen macht das Holz widerstandsfähiger gegenüber Flammen. Bereits eine einzige Schicht der Beschichtung verringert die Brennrate um ein Drittel. Mehrere Schichten führen dazu, dass das Holz selbstständig erlischt, sobald die externe Flamme entfernt wird. Als Klebstoff erreicht unsere Chitosanformulierung mühelos die Festigkeiten von kommerziellen Holzleimen. Auch unter erhöhtem Feuchtigkeitseinfluss blieben die Verklebungen stabil.

Ein weiteres Beispiel sind unsere Ergebnisse mit Proteinhydrolysaten aus Geflügelfederabfällen zur Herstellung flammhemmender Faserplatten. Mit diesen Proteinen imprägnierte Holzfasern zeigen eine signifikant verringerte Zersetzungsrate im Bereich zwischen 300 und 450 °C, gemessen durch thermogravimetrische Analyse. Die Endverbrennung der imprägnierten Fasern verschiebt sich um 50 °C in den Bereich von 450 bis 500 °C und erfolgt schrittweise, anstatt sofort wie bei unbehandeltem Holz. Bereits bei einem Proteingehalt von ca. 10 Gew.-% sind die im Nassverfahren hergestellten Platten selbstverlöschend und zeigen nur minimale Nachglut. In Dreipunkt-Biegetests widerstanden diese Faserplatten Belastungen von bis zu 15 N/mm², was der DIN EN 622-Norm für kommerzielle, formaldehydgebundene Faserplatten entspricht. Dies belegt, dass die recycelten Proteinhydrolysate nicht nur eine beeindruckende flammhemmende Wirkung besitzen, sondern auch als vollständig nachhaltiges Bindemittel für eine neue Generation ökologischer Faserplatten eingesetzt werden können. Da diese Platten ausschließlich aus natürlichen Materialien bestehen, können sie nach ihrer Nutzung geschreddert und kompostiert werden.

Ansprechpartner: Nils Münstermann, Paul Marten, Fabian Weitenhagen, Lena Schmitz

Kategorien: Chitosan, Keratin, Polykondensationsharze

💧 Gele:

Die Erhaltung und Sanierung bestehender Bauwerke stellt eine zentrale Herausforderung im modernen Bauwesen dar. Konventionelle Methoden erfordern oft einen tiefgreifenden Eingriff in die Bausubstanz und sind mit erheblichem Materialaufwand sowie hohen Kosten verbunden. Hydrogele sind dreidimensionale, wasserquellbare Polymernetzwerke und bieten hier eine ressourcenschonende Alternative. Sie sind vielseitig anpassbar und werden daher bereits erfolgreich in der Industrie genutzt.

Neben der Feuchteregulierung eignen sich Hydrogele auch zur Sanierung von Stahlbeton, der durch Carbonatisierung und Chlorideintrag geschädigt werden kann. Hochalkalische Hydrogele bieten hier einen innovativen Ansatz, da sie mittels Ionenaustauschmechanismen Carbonationen aus dem Porengefüge entfernen und durch Hydroxidionen ersetzen, wodurch der ursprüngliche alkalische Schutz des Betons wiederhergestellt wird. Ihre elektrische Leitfähigkeit macht sie zudem als Kopplungsmedium für elektrochemische Verfahren wie die elektrochemische Chloridentfernung (Electrochemical Chloride Extraction, ECE) nutzbar. Durch gezielte Anpassung ihrer rheologischen Eigenschaften können sie an vertikalen Flächen, in Hohlräumen oder in feinen Rissen appliziert werden, ohne unkontrolliert abzulaufen. Ein weiterer Vorteil liegt in ihrer reversiblen Anwendung: Nach Abschluss des Sanierungsprozesses lassen sich die Gele rückstandslos von der Oberfläche entfernen.

Aktuelle Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, die ionischen Austauschprozesse gezielt zu steuern, um die Effizienz der Hydrogele in der Bauwerkserhaltung weiter zu verbessern. Zudem wird an der Optimierung der Wasserdampf- und Feuchtesorptionseigenschaften für unterschiedliche klimatische Bedingungen gearbeitet. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung skalierbarer Herstellungs- und Applikationsprozesse, um Hydrogele in großflächigen industriellen Anwendungen wirtschaftlich einsetzbar zu machen.

Durch die Integration von Hydrogel-Technologien in das Bauwesen ergeben sich neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Bauwerkserhaltung und -sanierung. Die gezielte Modifikation ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften erlaubt eine flexible Anpassung an spezifische Anwendungsbereiche und eröffnet damit neue Perspektiven für den ressourcenschonenden Umgang mit bestehenden Bauwerken.

Ansprechpartner: Prof. Oliver Weichold

Kategorie: Gele

⚡ Ionenleitfähige Polymere:

Elektrisch und ionisch leitfähige Polymermaterialien auf der Basis von Polyethylenglykol und Lithiumsalzen spielen nicht nur in der Energiewirtschaft eine zentrale Rolle, sondern haben auch in der Bauindustrie ein großes Potential. Die elektrischen Eigenschaften bilden die Basis unserer anwendungsorientierten Materialentwicklung mit dem aktuellen Fokus auf elektrochromen Detektoren und Polymersensoren in ihrer Anwendungen zur Detektion von Betonstahlkorrosion.

Innerhalb des Schwerpunkts „Ionenleitfähige Polymere“ liegt für uns Chemiker die Hauptarbeit im Bereich präparative und angewandte Polymerchemie und wir nutzen die Methoden der „klassischen“ chemischen Strukturaufklärung, wie z. B. NMR, IR oder DSC. Daneben bedienen wir uns typischer elektronischer Messverfahren, Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie. Im Sinne des interdisziplinären Technologietransfers übertragen wir chemische Sachverhalte auf Probleme aus dem Ingenieurbereich und stellen leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung des lösungsorientieren Strategiepools.

Ansprechpartner: Prof. Oliver Weichold

Kategorie: Ionenleitfähige Polymere

🧪 Analytik: