Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Multifunktionelle Schichten auf unterschiedlichsten Materialien

ORMOCER^®-Materialien gehören zur Gruppe der anorganisch-organischen Hybridpolymere und wurden bereits vor über 30 Jahren am Fraunhofer ISC entwickelt. Für viele verschiedene Anwendungen werden sie bis heute stets weiter optimiert. Sie bilden eine eigene Stoffklasse und werden nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. ORMOCER^®-Materialien vereinen die Vorteile von anorganischen (Glas- oder Keramik)  und organischen (Polymere) Materialien in einem neuen, hybriden Werkstoff.

Hierdurch sind sie z. B. als extrem belastbare, dabei aber auch überaus flexible Schutzschichten einsetzbar. Die Wissenschaftler am Fraunhofer ISC sind dadurch die in der Lage, maßgeschneiderte Synthese, sowie die Funktionalisierung und Weiterverarbeitung der ORMOCER^® -Materialien nach kundenspezifischen Anforderungen zeitnah kommerziell verfügbar anzubieten.   

ORMOCER^® ist kein klassisches Komposit-Material. Die einzelnen Komponenten werden kovalent und irreversibel miteinander verknüpft. Die dadurch entstehende parallele Netzwerkbildung eines organischen UND eines anorganischen Netzwerks ist für die herausragenden Eigenschaften der Materialien verantwortlich.

Während der Synthese (Sol-Gel-Prozess) wird durch die gezielte Hydrolyse und Kondensation von organisch modifizierten Silicium-Alkoxiden ein anorganisches Netzwerk aufgebaut. Zusätzlich ist eine Co-Kondensation mit anderen Metallalkoxiden (Ti-, Zr-, Al-Alkoxide) möglich. Außerdem können die organischen Gruppen der Silicium-Alkoxide zu einer organischen Funktionalisierung des anorganischen Netzwerkes beitragen und so zusätzliche Funktionen in das Material bringen.

Der Weg zu neuen kompostierbaren Verpackungsmaterialien

Bei der Weiterentwicklung der klassischen ORMOCER^®- hin zu bioORMOCER^®-Materialien haben wir uns an der Natur orientiert. Schachtelhalme und Kieselalgen bauen ihre Gerüststrukturen aus bioorganischen und silikatischen Bausteinen auf und dienen damit als Vorbild für die Synthese der bioORMOCER^®-Formulierungen. Analog dazu bauen wir in das Netzwerk der klassischen ORMOCER^®-Matrix Biomoleküle ein. Diese können pflanzlichen Ursprungs sein (z. B. Cellulose basierend), aber auch tierischen Ursprung haben, wie beispielsweise Chitosan.

Das Besondere bei der Einbindung der Biomoleküle ist, dass diese nicht nur als Additiv eingearbeitet werden, sondern kovalent an die Matrix angebunden werden. So kann garantiert werden, dass die Eigenschaften der ORMOCER^®-Materialien erhalten beziehungsweise sogar verbessert werden.

Die erhaltenen bioORMOCER^®-Schichten sind nicht nur teilweise biobasiert, sondern sind auch bioabbaubar. Die eingebundenen Biomoleküle kann man als Sollbruchstellen sehen, durch die das Netzwerk leichter und schneller angegriffen wird.

Da der Fokus der Anwendung im Bereich der Verpackung liegt, wurden auch Komposttests durchgeführt. Nach industriellen Bedingungen (ISO 14855-1:2013) konnte der Zerfall von applizierten Schichten und auch von einzeln analysierten Schichten bestätigt werden.

Der biologische Abbau ist für viele Anwendungen, z. B. auch im medizinischen Umfeld interessant. Hierfür sind die biobasierten Moleküle jedoch oft nicht geeignet was Qualität und Reinheit anbelangt. Aus diesem Grund können auch bioORMOCER^®-Formulierungen hergestellt werden, die Polycaprolactone-triol (PCL-T) als Biokomponenten enthalten. Dieses ist zwar fossilbasiert, kann aber dennoch kovalent an die ORMOCER^®-Matrix angebunden werden und ist analog zu den z. B. Cellulosen ebenfalls bioabbaubar.