Forschungsprojekte

Der globale Klimawandel führt zu spürbaren Veränderungen in unserer Umwelt. Unter anderem in Griechenland ist dies hautnah zu erleben: Hitze und Trockenheit führten in der Region um Athen immer wieder zu verheerenden Waldbränden. Von den ehemals grünen Waldgebieten der Gemeinde Kaisariani ist so nicht mehr viel übriggeblieben. Die Kommune, NGOs und freiwillige Jugendliche planen daher eine gemeinsame Aktion zur Rekultivierung. Mit Unterstützung des Forschungsfonds für nachhaltige Entwicklung beteiligt sich hieran auch die FH Aachen. Im Rahmen einer Abschlussarbeit soll die Wirkung von nachhaltigen biobasierten Hydrogelen als wasserspeichernde Bodenhilfsstoffe auf das Pflanzenwachstum vor allem im frühen Stadium der Entwicklung untersucht werden. Mit dem Ziel, den Auswirkungen des Klimawandels auch mit wissenschaftlichen Methoden zu begegnen, wird in diesem Projekt gemeinsam und über Ländergrenzen hinweg gepflanzt und gearbeitet – vor Ort und im Labor. Wissenschaftlich begleitet und unterstützt wird das Team von den externen Experten Dr. Heiner Hoogen und Dr. Oliver Bens.

Projektförderung Forschungsfonds für Nachhaltigkeit der FH Aachen, Spiros Alexopoulos (FH Aachen, Solar-Institut Jülich), Markus Biel, Hamid Chayeb, Jürgen Pettrak, Dominik Schmitz (FH Aachen, IAP), Heiner Hoogen (Firma Hoogen, Landwirtschaftsbetrieb), Oliver Bens (Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches Geo-Forschungszentrum)

Projekttitel: "Nachhaltige Hydrogele zur Wiederaufforstung." | 2022 - 2023 | Kontakt: Prof. Dr. S. Alexopoulos, Prof. Dr. J. Pettrak, Prof. Dr. M. Biel | gefördert durch den Nachhaltigkeitsfond der FH Aachen

In der Fès-Meknès-Region in Marokko spielt die Landwirtschaft eine große Rolle. Die Produktion von Olivenöl steht hier im Fokus, um die Nutzung und Aufbereitung von daraus anfallenden Reststoffen zu adressieren. Neben dem Einsatz von festen Rückständen zur Nutzung in Bodenadditiven werden flüssige – Polyphenol-haltige Rückstände – genutzt. Polyphenole sind als Antioxidantien und Verbindungen mit antimikrobiellen Eigenschaften wertvolle Substanzen. Die Arbeiten des IAP in diesem Teilprojekt beinhalten die Entwicklung von β-Cyclodextrin-modifizierten Materialien (Polymeren und funktionalisierte Tonminerale) zur Abtrennung von Polyphenolen aus wässrigem Medium. Neben deren Aufnahme ist auch die Rückgewinnung vom entsprechenden Material wichtig für deren weitere Nutzung.

Aufgrund von Auswirkungen des Klimawandels und Wasserknappheit in ariden Regionen – wie in diesem Fall die Fès-Meknès-Region in Marokko – sind innovative Ansätze notwendig, um landwirtschaftliche Industrie langfristig zu stärken. Außerdem soll in Hinblick auf eine Kreislaufwirtschaft eine stoffliche Verwertung von anfallenden Reststoffen aus landwirtschaftlicher Produktion erprobt werden. Im Teilprojekt „Entwicklung standortgerechter Bodenhilfsstoffe sowie neuer Materialien zur Aufbereitung kommunaler Abwässer und Rückstände aus der Landwirtschaftsproduktion“. steht u. a. die Entwicklung von Hydrogel-basierten Bodenverbesserern im Fokus. Neben Wasser- und Nährstoffspeicher ist der Einsatz von nachhaltigen biobasierten polymeren Hydrogelen eine wichtige Anforderung an die am IAP entwickelten Materialien.

Projekttitel: "I-WALAMAR - Entwicklung standortgerechter Bodenhilfsstoffe sowie neuer Materialien zur Aufbereitung kommunaler Abwässer und Rückstände aus der Landwirtschaftsproduktion." | 1.7.2019 - 30.6.2022 (Verlängerung bis 31.12.2022) | Kontakt: Prof. Dr. M. Biel, Dr. D. Schmitz | Projektpartner: Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen (FiW) e. V., Bonn International Center for Conversion (BICC), Universität Hohenheim (UHOH): Institut für Agrartechnik, Palaterra Betriebs- und Beteiligungsgesellschaft mbH, inno agri GmbH, SEBA Hydrometrie GmbH & Co. KG, University of Moulay Ismail (UMI), Ecole Nationale d’Agriculture (ENA), OLEA Food, IAV, RADEM | gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (CLIENT II-Projekt)

Ziel des Vorhabens ist die Ertüchtigung der am Markt verfügbaren, biobasierten und biologisch abbaubaren Polymilchsäure (PLA) zur breiten und kosteneffizienten Verwendung als recyclingfähiges Verpackungsmaterial für Lebensmittel. Für Verpackungen müssen biobasierte Kunststoffe charakteristische und vom Verpackungsgut abhängige Eigenschaften aufweisen - z.B. eine spezifische Barrierefunktion gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff und hinreichende mechanische und thermische Stabilität. Diese Faktoren korrelieren letztlich mit der notwendigen Materialstärke und damit mit dem Materialeinsatz bei der Herstellung. Gleichzeitig ist neben technischer Performance auch die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen in Bezug auf die Lebensmittelverträglichkeit der verwendeten Stoffe und zunehmend auch die Recyclingfähigkeit des Produktes zu berücksichtigen. In der vorgeschlagenen Konzeptphase sollen Nanokomposite aus Polymilchsäure und Schichtsilikaten hergestellt und optimiert, ihre Eigenschaften in Bezug auf Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeit sowie ihre mechanische Stabilität untersucht und zur Anbahnung einer Industriekooperation an geeignete Partner bemustert werden. Schichtsilikate kommen in der Natur vor und verlängern vor allem in exfolierter, nanostrukturierter Form den Diffusionsweg kleiner Teilchen durch ein Polymer. Dies macht sich durch eine erhöhte Sperrwirkung des Polymers bemerkbar. Um dabei einer Versprödung der Polymermatrix entgegenzuwirken, sollen zusätzlich biobasierte, höhermolekulare Weichmacher mit struktureller Ähnlichkeit zum Polymer hergestellt und vor allem in Bezug auf ihre Migrationstendenz und Fähigkeit zur Stabilisierung der Nanokomposite getestet werden. Desweiteren sollen explorative Ansätze zu nachhaltigen intelligenten Verpackungen bearbeitet werden, um beispielsweise über Cyclodextrine bzw. biobasierte Hydrogele als Träger Oxidationsschutz oder Feuchtigkeitsspender einzubringen.

Projekttitel: "Barriere-PLA - Entwicklung eines nachhaltigen biobasierten und biologisch-abbaubaren Polymilchsäure (PLA)- Polymers als geeignetes Verpackungsmaterial mit optimierten Barriereeigenschaften." | 1.11.2022 - 31.10.2023 | Kontakt: Prof. Dr. M. Biel | gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Projektträger: Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Ziel ist die Herstellung nachhaltiger Superabsorber zum Einsatz in Windeln bzw. als Bodenverbesserer in der Landwirtschaft trockener Regionen. Hierzu soll Alginsäure aus Braunalgen durch eine neuartige Kombination biotechnologischer und chemischer Methoden vernetzt, und ein stabiles Hydrogel definierter Quellkinetik erhalten werden. Im Erfolgsfall kann der auf fossilen Rohstoffen basierende, biologisch nicht abbaubare Marktstandard Polyacrylat durch eine nachhaltige Alternative ersetzt werden.

Projekttitel: "Rohstoffe aus dem Meer - nachhaltige Superabsorber auf Basis von Alginsäure." | 2021 - 2022 | Kontakt: Prof. Dr. J. Bongaerts, Prof. Dr. P. Siegert, Prof. Dr. M. Biel | K2-Projekt der FH Aachen

Obwohl mehrere erfolgreiche Anwendungen der Benchtop-Kernresonanzspektroskopie (NMR) in der quantitativen Analyse von Gemischen existieren, bleibt die Möglichkeit der Übertragung von Kalibrierungen, insbesondere zwischen Hoch- und Niederfeld-NMR, weitgehend unerforscht. Dies ist insbesondere bei den aufwändigen multivariaten Kalibrationen relevant, da hierfür große Probensätze vermessen werden müssen. Unsere Studie untersucht zum ersten Mal die Kalibrierungsübertragung von Molekülmassenregressionen (Mw) von Lignin zwischen Hochfeld- (600 MHz) NMR und Benchtop-NMR Geräten (43 und 60 MHz). Um den Kalibrationstransfer von einem 600 MHz-NMR auf ein 43 und ein 60 MHz NMR zu untersuchen, wurde ein Satz von mehr als 60 Organosolv-Ligninproben verwendet. Für die zu übertragende Kalibration wurde das Massenmittel der Molekülmasse (Mw) der Ligninen regressiert. Für die Übertragung werden die Piecewise Direct Standardization (PDS), die Kalibrierungsübertragung basierend auf der kanonischen Korrelationsanalyse (CCA) und die Übertragung mit der Extreme Learning Machine Auto-Encoder-Method (TEAM) verwendet. Trotz des immensen Auflösungsunterschieds zwischen Hochfeld- und Niederfeld-NMR Geräten zeigen die Ergebnisse, dass der Kalibrierungstransfer von Hoch- zu Niederfeld bei der Molekulargewichtsanalyse möglich ist und Validierungsfehler nahe der ursprünglichen Kalibrierung erreicht werden können (1,2-mal höhere quadratische Mittelwertfehler (RMSE)). Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für Anwendungen der Benchtop-NMR, bei denen vorhandene Kalibrierungen von teuren Hochfeldinstrumenten auf günstigere Benchtopgeräte übertragen werden können, was Kosten spart.

Projekttitel: "Kalibrationstransfer zwischen hoch- und niedrigauflösenden NMR-Spektroskopien: Bestimmung der Molekülmasse von Lignin." | 2021 | Kontakt: Prof. Dr. Y. Monakhova | K2-Projekt der FH Aachen

Aloe vera (Echte Aloe) ist eine der weltweit meistkultivierten Sukkulentenspezies, und ihre Extrakte finden breite Anwendung als Kosmetikum, Lebensmittel oder Pharmazeutikum. Kürzlich haben wir eine quantitative Methode basierend auf Protonen-Kernresonanzspektroskopie (1H NMR) entwickelt, um Mono- und Polysaccharide, organische Säuren, Konservierungsstoffe und zusätzlich einige anorganische Kationen zu bestimmen.

Moderne hochauflösende NMR-Spektrometer sind jedoch sowohl in der Anschaffung als auch in Wartung und Betrieb sehr kostenintensiv. Als Alternative bieten sich günstigere spektroskopische Methoden wie Nahinfrarot- (NIR), Infrarot (IR)- und Niederfeld-NMR-Spektroskopie an. Bei diesen Methoden ist die Signalüberlappung das Hauptproblem, welches eine breitere Anwendung zur Analyse komplexer Proben (wie Pflanzenextrakte) erschwert. Um mit diesen Herausforderungen umzugehen, können verschiedene multivariate Techniken für deskriptive/ explorative Aufgaben sowie zur Regression verwendet werden.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines alternativen analytischen Ansatzes zur ganzheitlichen Quantifizierung von Aloe vera-Extrakten, bei dem Daten aus mehreren analytischen Methoden kombiniert werden: Niederfeld-NMR (43-80 MHz), IR und NIR Spektroskopie. Die Eignung jeder einzelnen Analysemethode für die Naturproduktkontrolle von Aloe vera wird mit Hilfe multivariater Regressionstechniken (Partial Least Squares Regression, PLS) untersucht. Darüber hinaus werden fortgeschrittene Methoden wie die gemeinsamen Komponenten und spezifische Gewichtsanalyse (ComDim) für die kombinierte Modellierung von 1H-NMR-Spektroskopie, MIR-Spektroskopie und NIR-Daten eingesetzt.

Projekttitel: "Simultane Anwendung chemometrischer Analysen von verschiedenen spektroskopischen Messtechniken am Beispiel von Aloe Vera- Extrakten." | 2022 | Kontakt: Prof. Dr. Y. Monakhova | K2-Projekt der FH Aachen

Weltweit fallen jährlich etwa 13,5 Millionen Tonnen Altreifen an, die meist thermisch verwertet werden. Schlüsselschritt für die Etablierung einer nachhaltigen Kautschuk-Kreislaufwirtschaft ist die Entwicklung einer Technologie zur erneuten Verarbeitbarkeit von Gummi-Abfällen (Devulkanisation). Im aktuellen Projekt wird Kautschuk mit Hilfe bio-/chemischer Methoden devulkanisiert und dessen Recyclingfähigkeit untersucht.

Projekttitel: "Re-Tire: Kautschuk-Recycling durch gezielte Devulkanisation von Reifenabfällen mittels (bio-)chemischer-Methoden." | 2022 - 2023 | Kontakt: Prof. Dr. J. Bongaerts, Dr. D. Grefen, Prof. Dr. J. Pettrak, Prof. Dr. P. Siegert | K2-Projekt der FH Aachen

Ziel des Projektes ist es, die Eigenschaften von Hochleistungspolymeren mit denen von Elastomeren zu kombinieren, sodass Multimaterialbauteile - mittels 3D Druck - daraus hergestellt werden können. Die Modifikation der Polymere soll durch gezielte Auswahl, Additivierung & Blending erfolgen, um im Anschluss die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Als Anwendung dienen z. B. individualisierte Prothesen, deren Tragekomfort und Festigkeit durch die Werk-stoffkombination signifikant verbessert werden soll.

Projekttitel: "Entwicklung angepasster Polymere für den Multimaterialeinsatz im Additive Manufacturing." | 2022 - 2023 | Kontakt: Prof. Dr. Y. Zhang (FB3), Prof. Dr. S. Bremen (FB8) | K2-Projekt der FH Aachen

Das Forschungsvorhaben richtet sich auf die Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher und REACH-konform flammgeschützter EPDM/Gewebe-Verbünde, die im Schienenverkehr für Faltenbälge als Verbindung von Wagons eingesetzt werden sollen. Da solche Verbünde einer hohen dynamischen Belastung unterliegen, werden gegenüber dem Stand der Technik (notwendige Mengen ≥50 wt%) nur minimale Mengen an Zusatzstoffen eingesetzt und so die vorteilhaften Eigenschaften von EPDM möglichst wenig beeinflusst. Für die Lösung des Problems werden Cyclophosphazen-basierte Bausteine in Kombination mit nano-SiO2 eingesetzt. Aufgrund ihrer synergistischen Wirkung werden Mengen von max. 15 wt% für einen optimalen Flammschutz hinsichtlich Brandausbreitung, Wärmefreisetzung sowie Rauchgasdichte und -toxizität angestrebt. Ein solcher Ansatz kann nur in Verbindung mit der Entwicklung geeigneter EPDM-Formulierungen erfolgen. In diese wird die Flammschutzausrüstung in Form besonders weicher Polyphosphazenteilchen (niedriger Tg) homogen, d. h., mit guter Mischbarkeit eingebracht und, mit dem Ziel hoher dynamischer Belastbarkeit und der Vermeidung von Migrationseffekten die reaktive Einbindung in das Elastomer angestrebt. Auftragung und Anbindung an die textilen Träger sowie die Prüfung der Brand- und Verbundeigenschaften vervollständigen den Lösungsansatz.Ein hohes Transferpotential der Ergebnisse ist durch die Auswahl der Bausteine für den Flammschutz sowie der Elastomer-Formulierung aus vorrangig kommerziell verfügbaren, bereits über REACH zugelassenen Bausteinen gegeben. Der Nutzen für KMU als Basisunternehmen in allen Bereichen der Wertschöpfungskette für Faltenbälge (FSM, Kautschukmischungen, EPDM/Textilverbünden) liegt in der Festigung und Erweiterung der Markposition in über den Schienenverkehr hinausgehenden Anwendungen wie flexible Personenübergänge in der Flughafentechnik, in Bussen, Straßenbahnen etc., aber auch im Maschinenbau, der Architektur oder der Fördertechnik (Transportbänder).

Projekttitel: "Neue, REACH-konform flammgeschützte EPDM/Gewebe-Verbünde mit hoher dynamischer Belastbarkeit (Flammschutz Faltenbalg)." | 1.10.2018 - 30.09.2020 (Verlängerung bis 31.3.2021) | Konatkt: Prof. Dr. U. Pankoke, Dr. D. Grefen | Projektpartner: DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien | gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Projektträger: Arbeits­gemeinschaft industrieller Forschungs­vereinigungen (AiF) (IGF – Industrielle Gemeinschafts­forschung)

Im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojektes wurde seitens des Projektpartners Bareiss Prüfgerätebau GmbH ein Rheometer mit geschlossenem Kammersystem entwickelt, welches als erstes Gerät weltweit die Möglichkeit bietet, vollständige und unendliche Rotationen durchzuführen. Diese Geräteentwicklung ermöglicht erstmals eine Messung der Verarbeitbarkeit von Gummimischungen. Dies wird durch die Kombination aus Rotation der unteren Kammer bei sehr hoher Motordynamik möglich. Dadurch entstehen in der Messkammer Scherraten die an die im Produktionsprozess vorherrschenden Scherraten heranreichen bzw. diese abbilden und deren Ergebnisse, die transiente Viskosität, ihrerseits wiederrum als Eingangsgröße für Simulationen herangezogen werden können.

Natürlich wurde das Gerät entsprechend entwickelt, dass alle Testmethoden herkömmlicher Rheometer durchführbar sind und die sehr hohe Abtastrate eine perfekte Grundlage für die Fouriertransformation bildet. Im Weiteren wurden seitens des IAP Referenzmaterialien aus dem Bereich der Kautschuke, Kautschukmischungen und thermoplastischen Werkstoffe zur Ermittlung der Fließeigenschaften und des Vulkanisationsverhaltens entwickelt. Mit den entwickelten Referenzmaterialien wurden die Leistungsgrenzen des Standardrheometers ermittelt. Hierzu wurden unterschiedlichste Prüfverfahren (dynamisch/statisch) erarbeitet, getestet und bewertet. Gleichzeitig wurden mit den Referenzmaterialien Prüfspezifikationen entwickelt, die die Basis für zukünftige Standardtests darstellen und den Vergleich des neuen Rheometers zum Standard-RPA ermöglichen. Darüber hinaus wurden Stoffgleichungen zur Beschreibung des Fließverhaltens der Materialien entwickelt und entsprechende Masterkurven (Zeit-Temperatur-Superposition) zur Erweiterung des Schergeschwindigkeitsbereiches hin zu verarbeitungsrelevanten Geschwindigkeiten erstellt.

Bei dem entwickelten Gerät handelt es sich um das RPA ultra.

Projekttitel: "Entwicklung von prüfsensitiven Materialien (Kautschuke, Thermoplaste), Erarbeitung von Messverfahren zur Ermittlung von Stoffgleichungen in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit, Druck, Messungen, Modellierung und Erprobung im Spritzgussprozess." | 1.11.2020 - 31.10.2022 | Kontakt: Prof. Dr. U. Pankoke, Dr. D. Grefen | Projektpartner: Bareiss Prüfgerätebau GmbH | gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Projektträger: Arbeits­gemeinschaft industrieller Forschungs­vereinigungen (AiF) (ZIM-Kooperationsprojekte)

Neuartige Pyrolyseprozesse liefern Füllstoffe, die im Labormaßstab mechanisch wie chemisch so aufbereitet und in ihren Eigenschaften angepasst werden, dass eine vollwertige Substitution der aus fossilen Rohstoffen gewonnene (Furnace-)Ruße möglich ist. Neben umfassender Charekterisierung werden Aufbereitungsstrategien, die den Einsatz als Verstärkerfüllstoff ermöglichen entwickelt. Darüber hinaus führen wir chemische Modifizierung an den Füllstoffen durch, was beispielsweise Einarbeitung oder Funktionalität optimiert. Nach Rezepturentwicklungen sollen daraus neue Produkte generiert werden - Gummimischungen sowie neue daraus hergestellte Produkte und Anwendungen (FDA, KTW konform), basierend auf sehr reinen, PAK-freien Füllstoffen.

Projekttitel: "Mechanische und chemische Aufbereitung und Charakterisierung des Pyrolyserußes im Labormaßstab und Rezepturentwicklung zur Substitution kommerzieller Ruße und für neue Applikationen (FDA, KTW)" | 1.02.2023 - 31.01.2025 | Kontakt: Prof. Dr. Y. Zhang, Dr. D. Grefen | Projektpartner: MOCO Maschinen- u. Apparatebau GmbH & Co. KG, K.U.K.T. GmbH | gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Projektträger: Arbeits­gemeinschaft industrieller Forschungs­vereinigungen (AiF) (ZIM-Kooperationsprojekte)