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 präsentierten die Forscher am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand auf der K-Messe in Düsseldorf vom 8. bis 15. Oktober 2025.
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 teilkristallinen 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 überlagernd 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 funktioneller Biomoleküle gibt bekannten Materialien neue Funktionen. Die Einsatzgebiete sind vielfältig und reichen von biobasierten Flammschutzmitteln für Materialien bis hin zu Additiven oder Enzymen, die den Abbau von PET auf Erdölbasis beschleunigen. Faserverstärkte Materialien, die Biomaterialien und diagnostische Werkzeuge wie neuartige Biosensoren enthalten, stellen weitere Anwendungsgebiete 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 abstößt", erklärt Ruben Rosencrantz, Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Solche wasserabweisenden Materialien werden beispielsweise in Arbeitsschutz- und Outdoor-Textilien oder medizinischen Anwendungen eingesetzt und könnten langfristig umweltschädliche Stoffe wie PFAS ersetzen.
Digitalisierung als Turbo für die Materialentwicklung
Aus eigener Erfahrung wissen die Forscher, dass Materialentwicklung und -substitution noch lange dauern und es oft völlig unklar ist, für welche spezifischen Anwendungen ein Material am besten geeignet ist. Sie wollen dies mit ihrem dritten Ziel, der schnellen Entwicklung, ändern. Dafür wird die Materialentwicklung digitalisiert: „Wir schaffen simulationsgestützt und systematisch digitalisiert eine umfassende Labordatenbank, sagt Frank Huberth vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. "Innerhalb dieser digitalen Wertschöpfungskette können durch die Verknüpfung mit datenbasierten Methoden und Simulationen Eigenschaftsprofile und Nachhaltigkeit früher geschätzt werden, wodurch sich die Entwicklungszeiten für Materialien und Produkte deutlich beschleunigen." Konrad Steiner vom Fraunhofer-Institut für Industriemathematik ITWM ergänzt: „Mit digitalen Demonstratoren, zum Beispiel für Schutztextilien und Reifen, können wir Entwicklungsschritte einsparen und die Einflüsse und Leistungen neuer Caramidfasern frühzeitig bewerten, ohne ein Textil oder einen kompletten Reifen zeitaufwendig produzieren und testen zu müssen.
Outlook: Vom Labor zur Anwendung
Wesentlicher Treiber des Projektkonzepts war die starke interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den sechs beteiligten Fraunhofer-Instituten: IGB, IAP, IWM, ITWM sowie LBF (Institut für strukturelle Haltbarkeit und Systemzuverlässigkeit), ICT (Institut für Chemische Technologie) und einem externen Subunternehmer. Dadurch konnte eine große Hürde – die Skalierung der Syntheseprozesse – gemeinsam überwunden werden und beide Monomere können nun im Kilogramm-Maßstab hergestellt werden. Zusätzliche Fördermittel im Rahmen des Vorzeigeprojekts ermöglichen es nun, weitere industrietaugliche Demonstratoren zu testen, teilweise direkt in Kooperation mit der Industrie. Die Monomere sollen in Kürze einem assoziierten Industriepartner zur Verfügung gestellt werden, der das Grundmaterial auf eigenen Anlagen für eine spezifische Anwendung verarbeiten wird. "Dies ist ein entscheidender Schritt, um die marktreife Entwicklung von Caramiden voranzutreiben", schließt Stockmann. "Das Projekt zeigt, wie moderne Materialentwicklung funktionieren kann: biobasiert aus Sidestreams, digital und interdisziplinär."
