Keratin aus Hühnerfedern lässt sich als kostengünstiges und zugleich multifunktionales Additiv für Lacke und Beschichtungen einsetzen. Forschende des Fraunhofer-Instituts IAP und des Fraunhofer-Instituts IPA gewinnen aus dem bislang kaum genutzten biogenen Reststoff einen funktionellen Füllstoff für die Lackindustrie.
Während mineralische Füllstoffe energieintensiv aus Sanden aufbereitet werden müssen, fällt das Ausgangsmaterial für die neue Lösung weltweit in großen Mengen an. In Laborversuchen erbrachte der gewonnene Stoff über die Funktion als Füllstoff hinaus eine Schutzwirkung gegen ultraviolette Strahlung, mikrobiellen Befall und Korrosion.
Ein Reststoff ersetzt energieintensiv aufbereitete Minerale
Lacke und Beschichtungen werden bislang häufig mit mineralischen Füllstoffen wie Silikaten und Carbonaten gestreckt, um ihr Volumen zu erhöhen, sie unempfindlicher zu machen und die Herstellungskosten zu senken. Diese Minerale stecken zwar massenhaft in vielen Sanden, doch bevor sie sich als Füllstoff verwenden lassen, muss der Sand gefiltert, gereinigt und unter hohem Energieaufwand chemisch umgeformt werden. Dieser Aufbereitungsschritt ist heute zu einem ernstzunehmenden Kostenfaktor geworden.
Auf der Suche nach einer günstigeren Alternative stießen die beiden Fraunhofer-Institute auf Hühnerfedern, einen biogenen Reststoff, der weltweit in gigantischen Mengen anfällt und bisher kaum verwendet wird. „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“, so der Chemiker.
Keratin schützt vor UV-Strahlung, Mikroben und Korrosion
Seine funktionellen Eigenschaften entfaltet das Protein, sobald es zu mikrofeinem Pulver gemahlen, mit Wasser vermischt und ausreichend dispergiert wird. Dann bildet sich eine milchige Flüssigkeit, die von Mikroorganismen nur sehr langsam zersetzt wird und in der sich die Partikel erst nach vielen Tagen absetzen. Daraus ergibt sich nicht nur ein kostengünstiger Füllstoff, sondern auch ein Grundstoff für Lacke mit erhöhter Stabilität gegen mikrobiellen Befall.
In Kombination mit geringen Zusätzen an Kupfersalzen oder Kupferpartikeln zeigte das Material in Laborversuchen zudem eine Schutzwirkung vor ultravioletter Strahlung. Damit könnte es Funktionen übernehmen, die bislang Titanoxid erfüllt, das ebenfalls antibakteriell wirkt und vor UV-Licht schützt, aber als möglicherweise krebserregend gilt.
Auch mit Bornitrid tritt Keratin in Wechselwirkung. Liegen Partikel beider Stoffe in einem Bindemittel vor, bilden sich geordnete Strukturen, die Beschichtungen mechanisch stabil und stoßfest machen. „Wasser braucht sehr lange, um in diese Schichten einzudringen. Dadurch wird seine quellende und korrosive Wirkung zurückgedrängt“, sagt Matthias Wanner vom Forschungsteam Lackchemische Anwendungstechnik am Fraunhofer IPA. „Damit wären keratinhaltige Lacke denkbar, die vor Rost schützen, zum Beispiel Pulverbeschichtungen für Zäune, Gartengeräte oder Outdoormöbel“, ergänzt Grigoriev. Für solche Pulverbeschichtungen wollen die Forscher künftig mit dem Unternehmen Enviral zusammenarbeiten, einem auf Pulverlacke spezialisierten Oberflächenveredelungsbetrieb aus dem brandenburgischen Niemegk.
Vom Labor in den industriellen Maßstab
Bevor Keratin in multifunktionalen Additiven zum Einsatz kommt, müssen die Hühnerfedern gereinigt und zu feinem Pulver verarbeitet werden. Dmitry Grigoriev und Matthias Wanner testeten dafür verschiedene Methoden. Chemische Verfahren liefern zwar vergleichsweise einfach große Mengen Pulver, doch das Protein büßt dabei einen Teil seiner Funktionalität ein.
Bessere Ergebnisse erzielen mechanische und mechanochemische Verfahren, bei denen Zirkonoxid-Kugeln die vorzerkleinerten Federn in einem Rüttler zu mikrofeinem Pulver zerstoßen. Im Labor entstehen so allerdings nur wenige Gramm. Um die mechanische Produktion in den industriellen Maßstab zu überführen, ist eine Zusammenarbeit mit der Zoz GmbH aus Wenden im Sauerland geplant, die Anlagen für die mechanische Verfahrenstechnik entwickelt und damit nanostrukturierte Hochleistungswerkstoffe herstellt.
Ziel der Projektpartner ist es, Abfallmengen und Kosten zu senken. Da sich Federn wegen ihres großen Volumens nur unwirtschaftlich transportieren lassen, soll eine eigens entwickelte Reinigungs- und Zerkleinerungsanlage die Federn direkt vor Ort reinigen und zu Nanopulver vermahlen, das anschließend recycelt oder weiterverarbeitet wird. Daraus ergeben sich eine ressourcenschonende Entsorgung, geringere CO2-Emissionen in der Logistik und niedrigere Produktionskosten für Lacke und Beschichtungen. Für Schlachthöfe eröffnet die Verwertung der Federn zugleich eine zusätzliche Einnahmequelle.
