Als die US-amerikanische Firma NCR Corporation 1953 ihr neues Durchschreibepapier zum Patent anmeldete, hatten die Erfinder wohl keine Vorstellung davon, wie erfolgreich sich ihre neue Technik verbreiten würde. Den Forschern war es gelungen, winzige mit Tinte gefüllte Kapseln herzustellen und in dünnen Schichten auf Papier aufzutragen. Unter dem Druck eines Kugelschreibers zerplatzten die Kapseln auf der Rückseite des Blattes. Die Tinte benetzte die zweite Seite. Das so genannte Reaktionsdurchschreibepapier schlug wie eine Bombe ein. Jahrelang hatten sich Büroangestellte die Fingerkuppen mit Kohlepapier beschmiert, wenn sie Formulare mit mehreren Durchschlägen ausfüllen mussten. Fortan flatterte strahlend weißes Papier durch die Schreibstuben, das die Handschrift auf beinahe wundersame Weise von Blatt zu Blatt kopierte. Innerhalb kurzer Zeit eroberte das Durchschreibepapier die Welt. Zahlreiche Forscher versuchten, das Verfahren nachzuahmen und entdeckten im Lauf der Zeit, dass sich weit mehr als Tinte umhüllen lässt. Inzwischen können Verfahrenstechniker viele Stoffe in winzigen Kugeln verpacken. Mikrokapseln heißen die kleinen Perlen, die Aromen, Dünge- oder Hautpflegemittel, Medikamente und sogar Mikroorganismen umschließen. Mikrokapseln sind so klein, dass sie mit dem bloßen Auge nicht als Kugeln erkennbar sind. In großen Mengen ähneln sie feinem Mehl oder Puderzucker. In der Regel haben die Kapseln einen Durchmesser von etwa zehn bis mehreren hundert Mikrometern (tausendstel Millimetern).
Obwohl Mikrokapseln schon seit einem halben Jahrhundert produziert werden, gehen Experten davon aus, dass der Markt in den kommenden Jahren explodieren wird. So erhält das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Golm bei Potsdam immer häufiger Anfragen von Industrieunternehmen, die bestimmte Stoffe verkapseln möchten – neue Herausforderungen für die Golmer Wissenschaftler. Die Fraunhofer-Forscher in Golm untersuchen große Molekülbausteine (Polymere), die sich zu Ketten oder Molekülnetzen verbinden. Diese Bausteine eignen sich besonders gut zur Herstellung von Mikrokapseln. Ein vielversprechendes polymeres Kapselmaterial ist beispielsweise Melaminharz, eine Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung. Um daraus Kugeln herzustellen, wird das Melaminharz in Wasser oder organische Lösungsmittel eingerührt. Anschließend wird der zu verkapselnde Stoff beigefügt. Durch Änderung des pH-Werts und Erhöhung der Temperatur verbinden sich die Melaminmoleküle. Sie vernetzen sich (polymerisieren) und nehmen Kugelgestalt an. Der im Wasser verteilte Stoff wird dabei automatisch umschlossen und das Wasser in einem anschließenden Trocknungsprozess verdampft. Mit einem ähnlichen Verfahren werden auch die Tintenkapseln für Durchschreibepapiere hergestellt.
Da die Melaminkapseln außerordentlich druckstabil sind, eignen sie sich für eine Reihe industrieller Verarbeitungsprozesse. Am IAP wurden Melaminkapseln beispielsweise mit Flammschutzmitteln wie Ammoniumpolyphosphat oder rotem Phosphor gefüllt. Die Kapseln lassen sich als Mini-Feuerlöscher in Kunststoffe wie Computergehäuse einbauen und könnten künftig die klassischen Brandhemmer – die halogenierten Kohlenwasserstoffe – ersetzen, bei deren Verbrennung oftmals Dioxine entstehen. Andere stickstoffhaltige Moleküle eignen sich als Verpackung für Düngemittel oder Insektizide. Der Vorteil der mikroskopisch kleinen Hülle liegt auf der Hand: Anders als bei konventionellem Dünger werden die Mineralien nicht schlagartig, sondern erst im Lauf der Zeit freigesetzt – zum Beispiel, wenn der Boden feucht wird. Aufgabe der Forscher ist es, die Eigenschaften der Kapseln für die jeweilige Anwendung maßzuschneidern. Soll der Dünger sehr langsam aus der Kapsel herausströmen, wählen die Forscher ein Polymer, das stark vernetzt ist und die Kugeloberfläche dicht verschließt. Sollen die Substanzen schneller frei werden, kommen Polymere zum Einsatz, die sich weniger stark verbinden. Je nachdem, ob der Wirkstoff in einen massiven Partikel gemischt oder nur von einer dünnen Hülle umgeben ist, unterscheiden die Forscher zwischen Mikrokugel und Mikrokapsel.
„Es gibt nichts, was sich nicht verkapseln lässt”, lautet der Tenor der IAP-Wissenschaftler. Letztlich kommt es darauf an, für einen bestimmten Stoff das richtige Verpackungs-Polymer zu finden, und meist sind die Experten in Golm dabei erfolgreich. Schließlich steht ihnen eine riesige Stoffauswahl zur Verfügung, denn sehr viele chemische Verbindungen lassen sich zu Mikrokapseln verarbeiten – natürliche Substanzen wie Gelatine, Zellulose oder Alginate etwa, synthetische Polymere wie Polyacrylate, Polyester oder Polyamide oder anorganische Substanzen wie Silikate. In der Regel verarbeiten die Wissenschaftler am IAP die Kapseln nicht im eigenen Haus weiter, sondern produzieren kleine Mengen von maximal ein paar Kilogramm für Testanwendungen in Industrieunternehmen. Ein Teil der Mikrokapseln wird nach Braunschweig zum Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) geschickt. Ein Schwerpunkt der IST-Forscher ist die galvanische Beschichtung von Metallen und Kunststoffen, und genau dort kommen die Potsdamer Perlen zum Einsatz – beispielsweise zum Schmieren von Maschinen. Die Idee: Mikrokapseln werden dem galvanischen Bad beigefügt. Im elektrischen Feld scheidet sich dann auf dem Metallbauteil nicht nur der gewünschte Überzug aus Kupfer oder Nickel ab, sondern zusätzlich eine Unmenge winziger, mit Öl gefüllter Mikrokapseln. Wo immer Metall auf Metall schleift, wird dann wohldosiert Öl frei, das die Flächen geschmeidig hält. Eine mögliche Anwendung sind Scharniere an Autotüren, an denen man sich leicht die Kleidung verschmutzt, wenn überschüssiges Öl herausläuft. Auch als Notschmiermittel lassen sich die eingebetteten Kapseln verwenden – etwa bei Werkzeugmaschinen. Ist die galvanische Schutzschicht abgenutzt, platzen die darunter liegenden Kapseln auf. Das Schmiermittel wird frei und verhindert, dass sich die Maschine wie bei einem Kolbenfresser festsetzt.
Bisher ist es schwierig festzustellen, wann die Schutzschicht einer Maschine abgenutzt und das Schneid- oder Presswerkzeug gegen ein neues Werkstück ausgetauscht werden muss. Normalerweise wird die Maschine gestoppt, um die Oberflächen zu überprüfen. Die Produktion steht still. Dank der Mikrokapseln kann man einen Verschleiß feststellen, während die Maschine läuft. Statt eines Notschmiermittels befinden sich unter der Schutzschicht Mikrokapseln mit Duftstoffen. Ist die Schutzschicht abgenutzt, werden die Kapseln zerstört, der Duftstoff entweicht. Eine speziell vom IST in Kooperation mit dem Hannoveraner Unternehmen WMA Airsense entwickelte elektronische Nase schlägt Alarm. Trotz der erfolgreichen Laborversuche gelangten bisher nur wenige IST-Verfahren in die industrielle Fertigung. Zum einen müssen die Kapseln noch optimiert werden, denn meist entweichen im Lauf der Zeit geringe Mengen des Inhalts und verschmutzen das galvanische Bad. Zum anderen tüfteln die Braunschweiger Ingenieure derzeit noch an den Strömungsverhältnissen in großen Tanks. Kurz vor der Anwendung im großen Stil steht derzeit ein anderes Mikrokapsel-Projekt, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird. In Zusammenarbeit mit dem Farben- und Lackhersteller Caparol, dem Anbieter von Wärmedämmsystemen und Wärmeputzen Heidelberger Maxit und dem Baustoffhersteller Sto haben Wissenschaftler des Ludwigshafener Chemiekonzerns BASF mit Wachs gefüllte Mikrokapseln entwickelt und hergestellt. Sie werden am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg getestet. Die wachshaltigen Partikel sollen das Raumklima verbessern und Räume kühl halten. Ziel ist es, die Kapseln Putzmaterialien und Anstrichen beizumischen und auf den Wänden zu verstreichen. Mit Wachs gefüllte Kapseln gehören zu den „Phase-Change-Materials”, die sich je nach Temperatur verflüssigen oder verfestigen. Erhöht sich die Raumtemperatur auf mehr als 24 Grad Celsius, beginnt das Wachs zu schmelzen. Es entzieht dem Raum Wärme und hält ihn kühl. Sinkt die Temperatur hingegen unter 24 Grad, verfestigt sich das Wachs wieder, gibt die gespeicherte Energie ab und wärmt so den Raum. Die Leistungsfähigkeit der Wachs-Mikrokapseln wird derzeit in den Labors des Freiburger Fraunhofer-Instituts und in mehreren Büroräumen getestet.
Auch die Alzenauer Firma Brace stellt Wachs-Kapseln her, die bereits seit einiger Zeit auf dem Markt sind, sich aufgrund ihrer UV-Empfindlichkeit aber nur für den Innenbereich eignen. Die Alzenauer Ingenieure haben sich vor Jahren ein Mikrokapsel-Verfahren patentieren lassen, das verblüffend einfach ist: Wie aus einem Brausekopf tropft die Flüssigkeit herab, so dass sich Mikropartikel bilden. Um exakt gleich große Tropfen zu erzeugen, wird der Brausekopf in kurzen Zeitabständen erschüttert. So reißen Tropfen mit identischem Durchmesser ab, die im freien Fall Kugelgestalt annehmen. Je nach Wirkstoff und Polymer lässt sich das Verfahren variieren, der Tropfen zum Beispiel während des freien Falls oder in einem Spezialbad mit Härtungsmittel härten. Um Kugeln zu füllen, wird der Brausekopf mit Spezialdüsen versehen, die zwei Öffnungen haben. Bei dieser Methode tropft aus der einen Düsenöffnung der Kapselinhalt. Aus der anderen fließt das Hüllmaterial und umschließt den Wirkstoff. Mit dieser so genannten Ringspaltdüse lassen sich beispielsweise ätherische Öle abfüllen. Was die Alzenauer Vertropfungsanlage auszeichnet, ist die Tatsache, dass dort Mikrokapseln und -kugeln mit nahezu identischen Durchmessern produziert werden können – so genannte monodisperse Partikel. Nach Ansicht von Experten ist das eines der wichtigsten Kriterien für die zukünftige Anwendung der vielseitigen Perlen – nicht zuletzt, weil viele Unternehmen Rohstoffe zur Herstellung ihrer High-Tech-Produkte immer genauer dosieren müssen. Dafür eignen sich die kleinen Kugeln sehr viel besser als herkömmliche fein gemahlene Pulver, die Bruchstücke unterschiedlicher Größe enthalten. Auch ein bei dem Chemie- und Pharmakonzern Bayer in Leverkusen entwickeltes Verfahren gestattet die Herstellung einheitlicher und fast gleich großer Mikropartikel. Bei der Wirbelschicht-Sprühgranulation wird eine wässrige Emulsion aus einem Trägermaterial und der zu verkapselnden Substanz rundum von heißer Luft umströmt und so gleichmäßig getrocknet. Auf diese Weise lassen sich etwa Granulate mit darin eingebettetem Alkohol produzieren, die als Aroma für Kuchen, Torten oder Fertiggerichte verwendet werden. Vorteil der mit dem Bayer-Verfahren gewonnenen Aromapartikel: Sie haben einen besonders hohen Alkoholanteil und sind sehr lange haltbar.
„Im letzten Jahr betrug der Umsatz für Produkte mit Mikrokapseln Schätzungen zufolge weltweit rund fünf Milliarden US-Dollar. Für die nächsten Jahre wird ein jährliches Wachstum zwischen fünf und sieben Prozent prognostiziert”, sagt Prof. Rolf Kümmel vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen. Kümmel hat sich mit den Golmer Experten und dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal bei Karlsruhe zur „ Wirtschaftsorientierten Allianz Mikrostrukturierte Kompositpartikeln” (WISA) zusammengeschlossen, um zu erforschen, welches Potenzial in den Kapseln steckt. Die Aufgabe der UMSICHT-Experten besteht darin, die Verkapselung so zu steuern, dass Kapseltypen mit bestimmten Eigenschaften entstehen. Dazu werden auch mathematische Modelle genutzt. In einem weiteren Schritt werden Verfahren entwickelt, mit denen sich die gewünschten Kapseln in großtechnischen Mengen herstellen lassen. Die Forscher in Pfinztal entwickeln dagegen eine altbewährte Mikroverkapselungstechnik weiter, bei der die Kapselsubstanzen durch Düsen in eine Reaktionskammer gesprüht werden. Dort umhüllen sie die Substanz, die den Kapselkern bildet und von einem Luftwirbel in Bewegung gehalten wird. Anders als bisher versprühen die Forscher am ICT aber nicht einfach eine Flüssigkeit, sondern eine Art Zwischenzustand von Gas und Flüssigkeit – ein „überkritisches Fluid”, das sich unter hohem Druck bildet. Darin lösen sich manche Materialien sehr viel besser als in einer normalen Flüssigkeit. Auf diese Weise können noch wesentlich kleinere Kapseln hergestellt werden als bislang. Kompakt
Mit Flammschutzmitteln gefüllte Melaminkapseln sollen herkömmliche Brandhemmer ersetzen, bei deren Verbrennung oft krebserregende Dioxine entstehen. Mit Wachs gefüllte Mikrokapseln können für ein besseres Klima in Büro- und Wohnräumen sorgen. Wichtig für industrielle Anwendungen sind neuartige Verfahren, mit denen sich Mikrokapseln in identischer Größe produzieren lassen.
Tim Schröder
