Was heute meist als Abfall endet, könnte künftig zum Bestandteil von Schutzlacken werden. Forschende zweier Fraunhofer-Institute untersuchen, wie sich Keratin aus Hühnerfedern für Beschichtungen nutzen lässt. Das Protein könnte dabei mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen: Es dient als Füllstoff, kann Beschichtungen widerstandsfähiger machen und möglicherweise sogar deren Schutzwirkung gegen UV-Strahlung und Korrosion verbessern.
Noch befindet sich die Technologie im Forschungsstadium. Die bisherigen Laborergebnisse zeigen jedoch, welches Potenzial in einem Rohstoff steckt, der bislang kaum genutzt wird.
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Ein Abfallstoff mit überraschenden Eigenschaften
Lacke und Beschichtungen enthalten neben Bindemitteln und Farbpigmenten häufig sogenannte Füllstoffe. Sie erhöhen das Volumen, beeinflussen die Materialeigenschaften und helfen dabei, Herstellungskosten zu senken. Verwendet werden dafür meist mineralische Stoffe wie Silikate oder Carbonate.
Diese Rohstoffe sind zwar weit verbreitet, müssen jedoch aufwendig aufbereitet werden. Die Gewinnung, Reinigung und Weiterverarbeitung verursachen Kosten und benötigen Energie.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart haben deshalb nach Alternativen gesucht. Fündig wurden sie bei einem Material, das weltweit in großen Mengen anfällt: Hühnerfedern.
„Hühnerfedern eignen sich nicht für Bettdecken oder Daunenjacken und nur eine sehr kleine Menge wird zu einem Mehl verarbeitet und an Großvieh verfüttert“, sagt Dmitry Grigoriev vom Fraunhofer IAP. „Der allergrößte Teil verrottet auf Mülldeponien oder wird verbrannt. Dabei enthalten Federn Keratin, ein robustes Strukturprotein mit interessanten Eigenschaften.“
Keratin kennen die meisten Menschen vor allem aus Haaren und Fingernägeln. Auch Federn bestehen zu einem großen Teil aus diesem widerstandsfähigen Protein.
Keratin könnte mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen
Für ihre Versuche reinigen die Forschenden die Federn und vermahlen sie zu einem sehr feinen Pulver. Wird dieses mit Wasser vermischt und ausreichend verteilt, entsteht eine milchige Suspension.
Dabei zeigte sich, dass Mikroorganismen das Material vergleichsweise langsam abbauen. Dadurch könnte Keratin künftig nicht nur als kostengünstiger Füllstoff dienen, sondern auch dazu beitragen, Beschichtungen widerstandsfähiger gegen mikrobiellen Befall zu machen.
Darüber hinaus untersuchten die Forschenden die Wechselwirkung von Keratin mit verschiedenen Zusatzstoffen. Besonders interessant waren Versuche mit Kupferverbindungen. Hier zeigte sich eine Schutzwirkung gegen ultraviolette Strahlung.
Dadurch könnte Keratin künftig Aufgaben übernehmen, die heute häufig von Titandioxid erfüllt werden. Der Stoff wird seit Jahrzehnten in Lacken, Farben und Beschichtungen eingesetzt und schützt unter anderem vor UV-Strahlung. Gleichzeitig wird immer wieder nach alternativen Materialien gesucht, die ähnliche Eigenschaften bieten.
Schutzschild gegen Wasser und Rost
Auch bei der Korrosionsbeständigkeit könnte Keratin eine Rolle spielen. In den Versuchen kombinierten die Forschenden das Protein mit Bornitrid. Dabei handelt es sich um einen keramischen Hochleistungswerkstoff, der unter anderem für seine hohe chemische Beständigkeit bekannt ist.
Gemeinsam können beide Stoffe innerhalb einer Beschichtung geordnete Schichtstrukturen ausbilden. Diese wirken wie eine zusätzliche Barriere gegen eindringende Feuchtigkeit.
„Wasser braucht sehr lange, um in diese Schichten einzudringen. Dadurch wird seine quellende und korrosive Wirkung zurückgedrängt“, erklärt Matthias Wanner vom Fraunhofer IPA.
Genau darin sehen die Forschenden ein mögliches Anwendungsfeld. „Damit wären keratinhaltige Lacke denkbar, die vor Rost schützen, zum Beispiel Pulverbeschichtungen für Zäune, Gartengeräte oder Outdoormöbel“, ergänzt Grigoriev.
Sollte sich die Technologie im industriellen Maßstab umsetzen lassen, könnten Hühnerfedern künftig tatsächlich indirekt auf Gartenzäunen landen – als Bestandteil einer schützenden Pulverbeschichtung.
Vom Labor in die industrielle Fertigung
Bis dahin sind allerdings noch einige technische Hürden zu überwinden. Die Forschenden testeten unterschiedliche Verfahren, um Keratin aus den Federn zu gewinnen. Chemische Methoden liefern vergleichsweise hohe Ausbeuten, können jedoch die gewünschten Materialeigenschaften teilweise beeinträchtigen.
Bessere Ergebnisse erzielten mechanische und mechanochemische Verfahren. Sie erhalten die Funktionalität des Keratins besser, lassen sich bislang jedoch nur im kleinen Maßstab einsetzen.
Um die Produktion zu skalieren, wollen die Forschenden künftig mit der Zoz GmbH aus dem Sauerland zusammenarbeiten. Das Unternehmen entwickelt Anlagen für die mechanische Verfahrenstechnik und verfügt über Erfahrung bei der Herstellung feiner Hochleistungswerkstoffe.
Federn direkt am Entstehungsort verarbeiten
Eine weitere Herausforderung ist der Transport. Hühnerfedern sind leicht und voluminös. Der Transport über größere Entfernungen verursacht daher vergleichsweise hohe Kosten.
Deshalb verfolgen die Projektpartner einen anderen Ansatz. Die Federn sollen möglichst direkt dort verarbeitet werden, wo sie anfallen. Spezielle Anlagen könnten die Federn reinigen und anschließend zu feinem Keratinpulver vermahlen.
Dadurch ließen sich mehrere Probleme gleichzeitig lösen:
- geringere Entsorgungskosten
- weniger Transportaufwand
- niedrigere CO₂-Emissionen
- zusätzliche Einnahmequellen für Schlachthöfe
- neue Rohstoffe für die Lack- und Beschichtungsindustrie
Gemeinsam mit dem Oberflächenveredelungsunternehmen Enviral aus Brandenburg wollen die Forschenden die Technologie nun weiterentwickeln.
