Aufgrund der ökologischen Bedenken und toxikologischen Gefahren halogenhaltiger Flammschutzmittel sucht die Werkstoffentwicklung intensiv nach nachhaltigen Alternativen. Im Projekt „ScaleAmP“ entwickeln Forschende der Fraunhofer-Institute für Holzforschung (WKI) und für Angewandte Polymerforschung (IAP) gemeinsam mit Partnern ein biobasiertes, phosphorhaltiges Flammschutzmittel auf Basis von Maisquellwasser. Zielanwendung sind Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (Wood Plastic Composite, WPC) sowie weitere Biowerkstoffe, da die fossilen Phosphorressourcen stark begrenzt sind.
Die im Maisquellwasser – einem Nebenprodukt der Stärkeherstellung – enthaltene Phytinsäure (Inositolhexakisphosphat) dient als natürlicher Phosphorspeicher. „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“, sagt Dr. Matthias Bischoff. „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.“
Wirkungsspezifisch erweisen sich insbesondere Ammonium-Phytate als hocheffektiv: Unter Thermoforcing bildet das Molekül eine isolierende Intumeszenz- bzw. Kohlenstoffschicht aus, die den Sauerstoffzutritt unterbindet. Da reine Phytinsäure aufgrund ihres sauren pH-Werts und fehlender Stickstoffsynergien materialinkompatibel und unwirksam ist, erfordert das System eine gezielte Funktionalisierung mit geeigneten Aminen.
Präparation, Formulationsscreening und Brandanalytik
Die präparative Herausforderung bestand in der Entwicklung einer kostengünstigen Aufreinigung der wasserlöslichen Phytinsäure aus der komplexen Matrix. Das Team am Fraunhofer IAP trennte störende Hauptbestandteile wie Proteine und organische Säuren mittels Fest-Flüssig-Trennung und pH-Wert-Modulation ab. Zur Optimierung der Flammhemmung evaluierten Bischoff und sein Team am Fraunhofer WKI systematisch mehr als 20 unterschiedliche Amine bezüglich ihrer Synergie mit der Phytinsäure.
Die synthetisierten Ammonium-Phytat-Formulierungen wurden anschließend via Compoundierung in WPC-Prüfkörper eingearbeitet. Die brandschutztechnische Validierung der Prüfstäbe erfolgte über standardisierte Brand- und Analysenumgebungen wie den UL-94-Test sowie die Bestimmung des kritischen Sauerstoffindexes (LOI). Dabei erzielte die optimierte Ammonium-Phytat-Formulierung eine äquivalente Brandschutzwirkung wie ein kommerzielles, synthetisches Referenz-Flammschutzmittel.
Derzeit erfolgt die Isolation im 1-kg-Maßstab; die Skalierung auf einen 100-kg-Ansatz sowie die Erschließung alternativer Rohstoffquellen (Reis-, Weizenkleie) und die Prozessoptimierung befinden sich in der Entwicklung. „Das Zusammenspiel zwischen gesicherter Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, der Wirksamkeit als Flammschutzmittel und dem Preis ist entscheidend für das Potenzial im großtechnischen Einsatz“, resümiert Bischoff.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI (09/2026)