Wie können neue biobasierte und biohybride Materialien mit verbesserten Funktionalitäten schneller entwickelt werden? Dieser Frage gehen sechs Fraunhofer-Institute nach, die im Rahmen des Leitprojekts SUBI2MA zusammenarbeiten. Als Modell dient ein neuartiges biobasiertes Polyamid, das von Fraunhofer-Forschern entwickelt wurde. Seine besonderen Eigenschaften machen es zu einer vielversprechenden Alternative zu fossilen Kunststoffen. Demonstratoren aus den im Flaggschiffprojekt entwickelten sogenannten Caramiden wurden von den Forschern auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand auf der K-Messe in Düsseldorf vom 8. bis 15. Oktober 2025 vorgestellt.
Die Kunststoffindustrie befindet sich im Wandel: Erdölbasierte Materialien sollen zunehmend durch nachhaltige Alternativen ersetzt werden. Nachhaltigkeit allein reicht jedoch nicht aus – biobasierte Kunststoffe müssen mehr liefern. Im Rahmen des Vorzeigeprojekts SUBI2MA arbeiten Fraunhofer-Institute an einem Ansatz, um schneller neue Materialien zu entwickeln, die nicht nur umweltfreundlich, sondern auch funktional überlegen sind. Ihr Fokus liegt auf drei Hauptzielen: Weiterentwicklung neuer biobasierter Materialien, neuer Biohybridmaterialien und digitale Fast-Track-Entwicklung.
Biologische Bausteine mit funktionalen Vorteilen
Im Zentrum des biobasierten Werkstoffbereichs steht Caramid, ein neues voll biobasiertes Hochleistungspolyamid auf Basis von Terpenen. Terpene sind natürliche organische Verbindungen, die in vielen Teilen von Pflanzen wie Blättern, Blumen und Wurzeln vorkommen und die Hauptbestandteile von Harzen und ätherischen Ölen sind. Der beispielsweise in SUBI2MA verwendete Ausgangsstoff 3-Caren wird in großen Mengen als Nebenprodukt der Zellstoffherstellung hergestellt. Polyamide sind thermoplastische Hochleistungskunststoffe – und Caramid hebt diese Klasse auf ein neues Niveau.
Forscher der Straubinger Niederlassung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächentechnik und Biotechnologie IGB haben vor rund zehn Jahren sowohl Monomere – sogenannte Caranlactams – als auch die resultierenden Polymere Caramide entwickelt. "Im Projekt SUBI2MA konnten wir nun durch die gebündelte Expertise von sechs Instituten neu denken, die Caranlactams skalieren, die Caramide optimieren und gezielter für spezifische Anwendungen entwickeln", sagt Dr. Paul Stockmann vom Fraunhofer IGB.
Aufgrund ihrer besonderen chemischen Struktur haben Caramide außergewöhnliche thermische Eigenschaften, die sie für zahlreiche Anwendungen interessant machen: von Zahnrädern im Maschinenbau über Sicherheitsglas, Leichtbauplatten, Schäume und Schutztextilien bis hin zu chirurgischem Nahtmaterial. Monofile, Schäume und Kunststoffgläser wurden nun aus dem neuen Polyamid hergestellt. Neben der Hochtemperaturstabilität ist sie sehr vielseitig: „Während des Projekts wurde deutlich, dass die beiden Caranlactam-Monomere zu unterschiedlichen Caramiden mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften führen, erklärt der Forscher. "Caramid-S eignet sich aufgrund seiner halbkristallinen Struktur für Fasern, während Caramid-R aufgrund seiner sogenannten amorphen, unregelmäßigen Struktur für Schäume geeignet ist."
Eine weitere Eigenschaft ist die sogenannte Chiralität, eine räumliche Eigenschaft von Molekülen, in denen zwei Strukturvarianten existieren, die spiegelbildlich, aber nicht überlagert sind. Dies kann die physikalischen, chemischen oder biologischen Funktionen eines Materials beeinflussen. Im Falle von Caramid können somit Materialeigenschaften präziser eingestellt werden, beispielsweise für spezielle Anwendungen in der Medizintechnik oder Sensorik. "Durch die Integration biobasierter Bausteine in Hochleistungspolymere schaffen wir einen funktionalen Vorteil." Caramide sind daher nicht nur biobasiert, sondern zeigen sogar eine bessere Leistung als fossile Materialien, so Stockmann abschließend.
Biohybridmaterialien
Das zweite Ziel ist die Entwicklung neuer Biohybridmaterialien. Die Integration von funktionellen Biomolekülen gibt bekannte Materialien neue Funktionen. Anwendungsgebiete sind vielfältig: von biobasierten Flammschutzmitteln für Materialien bis hin zu Additiven oder Enzymen, die den Abbau von PET auf Erdölbasis beschleunigen. Faserverstärkte Materialien mit Biomaterialien und diagnostischen Werkzeugen wie neuartige Biosensoren stellen zusätzliche Anwendungsbereiche dar.
"Eine wichtige Funktion, die durch die Integration spezifischer Proteine ermöglicht wird, ist die Hydrophobierung von Materialien – die gezielte Modifikation einer Materialoberfläche, so dass sie Wasser abgibt", erklärt Ruben Rosencrantz, Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Solche wasserabweisenden Materialien werden z.B. in Arbeits- und Außentextilien oder medizinischen Anwendungen eingesetzt und könnten langfristig umweltschädliche Substanzen wie PFAS ersetzen.
Digitalisierung als Turbo für die Materialentwicklung
Aufgrund ihrer eigenen Erfahrung wissen die Forscher, dass die Materialentwicklung und Substitution noch lange dauern, und es ist oft völlig unklar, welche spezifischen Anwendungen ein Material am besten geeignet sein wird. Sie wollen dies mit ihrer dritten objektiven, schnellen Entwicklung ändern. Um dies zu erreichen, wird die Materialentwicklung digitalisiert: "Wir schaffen eine umfassende Labordatenbasis in einer simultan unterstützten und systematisch digitalisierten Weise", sagt Frank Huberth vom Fraunhofer-Institut für Materialmechanik IWM. "In dieser digitalen Wertschöpfungskette können durch die Verknüpfung mit datenbasierten Methoden und Simulationen Eigentumsprofile und Nachhaltigkeit früher geschätzt werden, wodurch Entwicklungszeiten für Materialien und Produkte deutlich beschleunigt werden." Konrad Steiner vom Fraunhofer-Institut für Industriemathematik ITWM ergänzt: "Mit digitalen Demonstratoren, beispielsweise für Schutztextilien und Reifen, können wir Entwicklungsschritte sparen und die Einflüsse und Leistung neuer Caramidfasern frühzeitig bewerten, ohne in einem zeitaufwendigen Prozess ein Textil oder einen kompletten Reifen produzieren und testen zu müssen."
Ausblick: Vom Labor zur Anwendung
Ein wesentlicher Treiber des Projektkonzepts war die starke interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den sechs beteiligten Fraunhofer-Instituten: IGB, IAP, IWM, ITWM sowie LBF (Institut für Struktur- und Systemreliabilität), ICT (Institut für Chemische Technologie) und ein externer Subunternehmer. Dies ermöglichte es, gemeinsam eine große Hürde zu überwinden – die Syntheseprozesse zu skalieren – und beide Monomere können nun im Kilogramm-Skala hergestellt werden. Die zusätzliche Finanzierung im Rahmen des Flaggschiffprojekts ermöglicht es nun, weitere industrielle Demonstranten in einigen Fällen direkt in Zusammenarbeit mit der Industrie zu testen. Die Monomeren sollen in Kürze einem assoziierten Industriepartner zur Verfügung gestellt werden, der das Basismaterial auf eigenen Einrichtungen für eine spezielle Anwendung verarbeiten wird. "Dies ist ein entscheidender Schritt in Richtung einer marktreifen Entwicklung von Caramiden", so Stockmann. "Das Projekt zeigt, wie die moderne Materialentwicklung funktionieren kann: biobasiert aus Seitenströmen, digital und interdisziplinären."
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