Biobasiertes Flammschutzmittel aus Mais überzeugt im Brandtest

Forschenden des Fraunhofer WKI und des Fraunhofer IAP ist es gelungen, ein nachhaltiges Flammschutzmittel für Biowerkstoffe auf Basis von Maisquellwasser herzustellen.

Foto: Fraunhofer WKI

Ein nachhaltiges Flammschutzmittel auf Basis von Phytinsäure aus Maisquellwasser könnte dazu beitragen, problematische halogenhaltige Substanzen in Biowerkstoffen zu ersetzen. Im Forschungsprojekt ScaleAmP untersuchen das Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit Industriepartnern, wie sich der in einem Nebenprodukt der Stärkeproduktion enthaltene Phosphor für den Brandschutz nutzen lässt. Im Mittelpunkt stehen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, sogenannte Wood Plastic Composites (WPC).

Der Forschungsansatz hat zwei Ausgangspunkte. Einerseits gelten halogenhaltige Flammschutzmittel als ökologisch problematisch und gesundheitsgefährdend. Andererseits ist auch Phosphor, der Bestandteil zahlreicher Flammschutzmittel ist, ein endlicher Rohstoff. Nach Angaben der Fraunhofer-Gesellschaft könnte er Schätzungen zufolge in einem Zeitraum von 50 bis 300 Jahren aufgebraucht sein. Das Projekt ScaleAmP setzt deshalb bei einer Phosphorquelle an, die bereits in einem industriellen Prozess anfällt: Maisquellwasser entsteht als Nebenprodukt bei der Stärkeherstellung.

Nachhaltiges Flammschutzmittel nutzt Phosphor aus Maisquellwasser

Interessant ist Maisquellwasser wegen der darin enthaltenen Phytinsäure, die auch als Phytat bezeichnet wird. Sie dient Pflanzen als natürlicher Phosphorspeicher und kommt nicht nur in Mais, sondern unter anderem auch in Weizenkleie, Soja und Reis vor. Für die Forschenden eröffnet sich damit die Möglichkeit, eine pflanzliche Phosphorquelle für den Flammschutz von Biowerkstoffen zu erschließen.

Dr. Matthias Bischoff, Wissenschaftler am Fraunhofer WKI, erläutert den Hintergrund: „Halogenhaltige, kommerzielle Flammschutzmittel sind zwar sehr effektiv, jedoch auch giftig und umweltschädlich. Im Sinne des Klimaschutzes und aufgrund von regulatorischen Vorgaben will die Industrie verstärkt auf nachhaltige phosphorbasierte Flammschutzmittel umstellen“.

Bischoff beschreibt zugleich das Entwicklungsziel des Projekts: „Wir unterstützen diesen Trend, indem wir die im Maisquellwasser enthaltene Phytinsäure als flammhemmenden Wirkstoff nutzbar machen und ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für das Flammschutzmittel im technischen Maßstab entwickeln.“

Als Demonstrationswerkstoff verwenden die Projektpartner WPC. Solche Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe werden unter anderem im Baugewerbe sowie in der Automobil- und Möbelindustrie eingesetzt. Damit lässt sich die Wirkung der entwickelten Substanzen an einem Werkstoff untersuchen, für den Flammschutzeigenschaften in unterschiedlichen Anwendungen relevant sein können.

Warum Phytinsäure allein noch keinen wirksamen Flammschutz bietet

Der hohe Phosphorgehalt macht Phytinsäure für den Flammschutz interessant. Bei Hitze kann das Molekül eine isolierende Kohlenstoffschicht ausbilden. Diese Schicht schränkt die Sauerstoffversorgung des Brandes ein.

Allerdings reicht reine Phytinsäure für den vorgesehenen Einsatz nicht aus. Für einen wirksamen Flammschutz benötigt sie eine Stickstoffquelle, die mit dem Phosphor synergistisch zusammenwirkt. Hinzu kommt, dass reine Phytinsäure einen sehr niedrigen pH-Wert besitzt und deshalb mit vielen Materialien nicht kompatibel ist. Im Projekt werden daher insbesondere Ammonium-Phytate untersucht.

Damit stellte sich den Wissenschaftlern zunächst die verfahrenstechnische Frage, wie die gut wasserlösliche Phytinsäure möglichst effizient aus dem Maisquellwasser gewonnen und gereinigt werden kann.

Fraunhofer IAP entwickelt Verfahren zur Gewinnung der Phytinsäure

Die Forschenden des Fraunhofer IAP entwickelten dafür einen Prozess, der mit vergleichsweise einfachen verfahrenstechnischen Schritten arbeitet. Zunächst werden mittels Fest-Flüssig-Trennung und einer Veränderung des pH-Wertes Proteine und organische Säuren abgetrennt. Diese gehören zu den Hauptbestandteilen des Maisquellwassers. Auf diese Weise lässt sich die Phytinsäure für die weitere Verarbeitung gewinnen.

Die Aufbereitung des Ausgangsstoffs war jedoch nur ein Teil der Entwicklungsarbeit. Parallel musste geklärt werden, welche Stickstoffverbindungen zusammen mit der Phytinsäure die geeigneten Eigenschaften für den Flammschutz liefern. Bischoff und sein Team am Fraunhofer WKI untersuchten dazu mehr als 20 unterschiedliche Amine.

Aus den entsprechenden Kombinationen entstanden verschiedene Ammonium-Phytat-Formulierungen. Diese wurden anschließend durch Compoundierung in WPC-Prüfkörper eingebracht. Damit konnte untersucht werden, wie sich unterschiedliche Rezepturen und verschiedene Anteile der Flammschutzmittel auf das Brandverhalten des Verbundwerkstoffs auswirken.

WPC-Brandtests vergleichen Ammonium-Phytate mit Referenzprodukt

Für die Bewertung setzten die Wissenschaftler unter anderem den UL-94-Brandschutztest sowie Untersuchungen des Sauerstoffindex ein. Der UL-94-Test dient der Beurteilung des Brandverhaltens polymerer Werkstoffe, während über den Sauerstoffindex untersucht werden kann, welcher Sauerstoffanteil erforderlich ist, damit ein Material weiterbrennt.

Entscheidend war anschließend der Vergleich der unterschiedlich formulierten WPC-Prüfstäbe. Dabei zeigte sich nach Angaben der Fraunhofer-Gesellschaft, dass die wirksamste der getesteten Ammonium-Phytat-Formulierungen eine ebenso gute Brandschutzwirkung erreichte wie das kommerziell erhältliche Referenz-Flammschutzmittel.

Damit ist allerdings noch nicht geklärt, ob sich das Verfahren auch unter großtechnischen Bedingungen wirtschaftlich einsetzen lässt. Genau diese Frage rückt für die weitere Entwicklung in den Vordergrund.

Vom Kilogramm-Maßstab zur größeren Produktion

Bislang gewinnen die Fraunhofer-Forschenden die Phytinsäure im Maßstab von einem Kilogramm. Als nächster Entwicklungsschritt ist eine Übertragung auf einen 100-Kilogramm-Maßstab vorgesehen. Darüber hinaus soll die Rohstoffbasis erweitert werden. Neben Maisquellwasser kommen dafür beispielsweise Reis und Weizen infrage. Parallel dazu soll das Aufreinigungsverfahren weiterentwickelt werden.

Ob sich ein nachhaltiges Flammschutzmittel auf Phytatbasis später industriell durchsetzen kann, hängt damit nicht allein von seiner Brandschutzwirkung ab. Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials, Verarbeitungseigenschaften und Kosten müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Gerade biobasierte Rohstoffe können gegenüber etablierten erdölbasierten oder mineralischen Ausgangsstoffen wirtschaftliche Nachteile haben oder noch nicht in ausreichenden Mengen verfügbar sein.

Dr. Matthias Bischoff vom Fraunhofer WKI fasst diese Abwägung entsprechend zusammen: „Das Zusammenspiel zwischen gesicherter Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, der Wirksamkeit als Flammschutzmittel und dem Preis ist entscheidend für das Potenzial im großtechnischen Einsatz“.

ScaleAmP untersucht biobasierten Flammschutz für WPC

Das Forschungsprojekt ScaleAmP lief nach Angaben des Fraunhofer WKI vom 1. Januar 2025 bis zum 30. Juni 2026. Gefördert wurde es vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH), Projektträger war die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR).

An dem Projekt waren neben den beiden Fraunhofer-Instituten auch Industriepartner beteiligt. Cargill Deutschland stellte das Maisquellwasser bereit, Clariant Plastics & Coatings Deutschland die kommerziellen Referenz-Flammschutzmittel. Das Fraunhofer IAP übernahm die Gewinnung der Phytate aus dem Maisquellwasser. Das Fraunhofer WKI koordinierte das Projekt und war für Synthese und Erprobung der biobasierten Flammschutzmittel zuständig.

Der Ansatz verbindet damit zwei Fragestellungen der Werkstoffentwicklung: Zum einen soll ein problematischer Bestandteil konventioneller Flammschutzsysteme durch eine biobasierte Alternative ersetzt werden. Zum anderen wird untersucht, ob sich ein phosphorhaltiger Stoffstrom, der bereits als Nebenprodukt eines industriellen Prozesses anfällt, als Rohstoff für technische Anwendungen erschließen lässt. Die Brandtests mit WPC zeigen, dass dies grundsätzlich möglich ist. Der Schritt vom erfolgreichen Prüfkörper zu einem wirtschaftlich einsetzbaren Flammschutzmittel im technischen Maßstab bleibt jedoch Gegenstand der weiteren Entwicklung.