Werkstoffe mit kleinen Zeitzündern

Mit ihrem ausgeprägten Eigenschaftsprofil werden Mikrokomposite auf Dauer sogar die Massenchemikalien in den Hintergrund drängen“, behauptet Jürgen Bertling vom Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen. Schon heute sind sie in vielen Produkten als Arzneimittel, Katalysatoren, Füllstoffe, Additive, als Düngemittel, Keramiken oder Pigmente im Einsatz. So schließt man Medikamente in Mikrokapseln ein, damit sie den Transport durch den Körper bis hin zum Krankheitsherd unbeschadet überstehen und erst dort den Wirkstoff freigeben. Auf Plättchen fixierte Farbpigmente erzeugen bei einer bestimmten Teilchengrößenverteilung wirkungsvolle Farbeffekte in Autolacken. Mikrokapseln in Durchschreibepapieren geben auf Druck den Farbstoff frei.
Die Nachfrage nach neuen Werkstoffen, Keramiken und Supraleitern, aber auch nach effektiveren Produktions- und Applikationstechniken beschleunigen die Entwicklung von dispersen Feststoffen. Diese sogenannten Kompositpartikel oder Mikrokomposite lassen sich auf ihre Anwendung hin maßschneidern und mit definierten Eigenschaften hinsichtlich Größe, Korngrößenverteilung, Oberflächenstruktur und stofflicher Zusammensetzung versehen. Die Wirkstoffe bettet man in Kapseln oder Hohlkugeln ein oder zieht sie auf Trägermaterialien auf. Die Partikelgröße selbst liegt je nach Einsatzbereich zwischen einigen hundert Mikrometern und wenigen Nanometern. Mit der Strukturierung der Partikel werden gezielt Eigenschaften wie etwa Wirkstofffreisetzung, Riesel- und Fließverhalten oder Löslichkeit, Festigkeit sowie spezielle Farbeffekte eingestellt.
„Disperse Feststoffe müssen heute Anforderungen erfüllen, die weit über ihre chemische Zusammensetzung hinausgehen“, erklärt Dr. Michael Schönherr von der BASF auf dem Workshop „Herstellung und Anwendung maßgeschneiderter disperser Feststoffe“, den das Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen kürzlich organisierte. Die Produktformulierung umfaßt dabei längst nicht mehr nur Rohstoffe und Additive, sondern auch das Produktionsverfahren. Denn Parameter wie Teilchengröße, Oberflächenstruktur und Teilchengrößenverteilung werden sowohl über das Verfahren, als auch über die Reaktionsbedingungen Druck, Temperatur, Konzentration und Fluiddynamik eingestellt.
Durch das Verkapseln gelangt die Substanz aber nicht nur sicher ans Ziel, auch der Faktor Zeit gewinnt dadurch ganz neue Bedeutung. So geben Düngemittelkapseln den Wirkstoff nur langsam frei, die Pflanzen erhalten damit über einen längeren Zeitraum hinweg eine gleichmäßige Menge Dünger. „Bei dieser Anwendung braucht man auch nur 1/4 bis 1/8 der sonst üblichen Menge, und man muß nicht mehr so häufig düngen“, schwärmt Bertling. Wie und wann der Wirkstoff freigesetzt wird, hängt dabei von der Struktur und der Vernetzungsdichte ab.
Mit der Mikroverkapselung von Polymeren lassen sich zudem Pharmazeutika, Dünger, Aromastoffe oder Katalysatoren aufbereiten. „Das erfolgt dann entweder durch reaktive Verfahren wie die Polymerisation oder durch nicht reaktive Verfahren wie die Sprühtrocknung, Lösemittelverdampfung und die Aussalzverfahren“, erklärt Dr. Gerald Rafler vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung. Eingesetzt werden Polyacrylamid, aliphatische Polyester und biologisch abbaubare Polyester und für die Polymerisationsverfahren Aminoharze oder Polyurethane. In der Medizin sorgen bisher meist Polymilchsäuren dafür, daß Zytostatika, Antibiotika, Steroide und Impfstoffe fixiert werden.
Kompositpartikel lassen sich gut mischen. Deshalb nutzt man sie für die Herstellung von Hochleistungskeramik und Supraleitern, wo man auf eine homogene Verteilung der Komponenten nicht verzichten kann. Eine Produktionsvariante ist die Kristallisation aus überkritischen Fluiden. Sie erfolgt erheblich schneller als aus einer reinen Flüssigkeit die Teilchen haben eine definierte Form und Größe ohne Lösemitteleinschlüsse und weisen eine annähernd ideale Verteilung der Komponenten auf. „Durch die Variation des Drucks läßt sich die Struktur hervorragend beeinflussen“, erklärt Dr. Andreas Weber vom Fraunhofer-Institut Umsicht.
Immer wichtiger werden magnethaltige Partikel in der medizinischen Analytik für die Zellseparation, die DNA- und Protein-Reinigung oder für Retroviren-Tests. In diesen Kompositpartikeln sind kleine Magnetite in einer Umhüllung aus Dextranen (Polysacchariden) eingeschlossen, die durch kleine Silikate stabilisiert wird. „Die Oberfläche ist so gestaltet, daß die Partikel spezifische Strukturen binden können“, erklärt Dr. Joachim Teller, Geschäftsführer der Firma micro caps in Rostock. Nach der Reaktion der Mikrokomposite mit dem Protein oder der DNA wird der neugebildete Komplex im Magnetfeld abgetrennt.
Trotz der schon recht vielfältigen Ansätze besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf, um die Prozesse der Partikelbildung nachzuvollziehen. „Bei der Modellierung der Partikelbildung gibt es noch viel zu tun“, beschreibt Prof. Rolf Kümmel, Bereichsleiter Umwelttechnik am Fraunhofer-Institut Umsicht, die Aufgaben für die nächste Zukunft. Auch fehle noch für viele Anwendungen die Korrelation zwischen den Produktionsparametern und den gewünschten Eigenschaften der Mikrokomposite.
ALMUTH JANDEL
Durch die Beschichtung verändern sich die Eigenschaften der zuvor unbehandelten Quarzpartikel.
Mikrokomposit von Harnstoff und Chloramphenicol.
Auf das Farbenspiel von Effektlacken setzt vor allem die Autoindustrie. Je nach Kundenwunsch ist allerdings eine aufwendige Individuallackierung notwendig.