Chemie > chemie&more - Gefahrstoffe verpacken – Chemikaliensicherheit erhöhen

chemie&more - Gefahrstoffe verpacken – Chemikaliensicherheit erhöhen

Molekular verkapselt

von Dr. Volker Schäfer

Sicherheit in der Chemie ist nicht erst seit Inkrafttreten der EU-Verordnung REACH in aller Munde. Die Schäfer-Additivsysteme GmbH hat sich mit der Verbesserung der Sicherheit im Umgang mit Gefahrstoffen, insbesondere von Aminen, beschäftigt. Mit der Entwicklung einer Technologie zur „Verclusterung“ von Aminen hat sie ein Verfahren entwickelt, das den Umgang in Produktionsprozessen deutlich erleichtert. Organo-Zink-Cluster zur reversiblen Fixierung von Aminen eröffnen viele Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in der Gummiindustrie oder in der Schmierstoffindustrie.

In der metallorganischen Chemie ist die Bildung von Zink-Clustern nichts Neues [1]. Die Tatsache, dass Zink-Koordinationsverbindungen Hohlräume aufweisen können, in denen Sauerstoff koordinativ gebunden sein kann, ist seit langem bekannt [2]. Ausgehend von dem Stand der Wissenschaft und motiviert durch die EU-Chemikalienverordnung setzte die Schäfer-Additivsysteme GmbH sich zum Ziel, technische Anwendungen durch neue Organo-Zink- Cluster zu schaffen. Die im Journal für praktische Chemie 1995 beschrieben Zink- Cluster bildeten die Grundlage der Entwicklungsarbeiten (Abb. 1, 2). Warum sollte der Sauerstoff in den Zink- Clustern nicht auch durch andere Atome oder Moleküle zu ersetzen sein? Aus dieser Fragestellung heraus resultierte die Aufgabenstellung, geeignete Zink-Cluster zu finden bzw. zu entwickeln, die in der Lage sind, auch Amine reversibel zu binden. Erreicht wurde dies durch den Einsatz hochmolekularer ungefährlicher organischer Zinkverbindungen, die mit Hilfe spezieller Katalysatoren in der Lage sind, Amine in ihren Hohlräumen schon bei Raumtemperatur einzubauen (Abb. 3). Durch die besonderen Bindungsverhältnisse der Amine in den Zink-Clustern lassen sich diese auf Wunsch wieder freisetzen und können dann ihre spezifische Wirkung entfalten. Durch die „Verkapselung“ verschwinden jedoch einige störende oder gefährliche Eigenschaften der Amine. So ist zum Beispiel der Dampfdruck des im „Käfig“ gebundenen Amins deutlich kleiner als der des freien Amins. Die Folge ist ein deutlich reduziertes toxikologisches Potenzial. Der vielen Aminen eigene typische Fischgeruch verschwindet durch die Verkapselung vollständig. Mit dieser Maßnahme erhöht sich die Arbeitssicherheit im Umgang mit den Substanzen erheblich. Nach Wiederfreisetzung, beispielsweise durch einfache Temperaturerhöhung, zeigen die Amine wieder ihre typischen und spezifischen Eigenschaften.

Verbesserung der Arbeitshygiene

Die neue Technologie bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ein Anwendungsgebiet ist Herstellung von technischen Gummiartikeln. Derzeit basieren ein großer Teil der Vulkanisationsmittel, die in der Kautschuk verarbeitenden Industrie eingesetzt werden, auf sekundären Aminen, die gesundheitsgefährdende und umweltbelastende Eigenschaften aufweisen. Gesundheitsgefährdend wirken vor allem Vulkanisationsbeschleuniger aus der Gruppe der Dithiocarbamate und Thiurame. Während der Vulkanisation können als kanzerogen bekannte Nitrosamine entstehen. Bislang ist es nicht in allen Anwendungen gelungen, die für den Vulkanisierungsvorgang wichtigen Additive durch gleichwertige, weniger gesundheitsschädliche Katalysatoren zu ersetzen. Im Metallkäfig verpackte primäre Amine, von denen bekannt ist, dass sie keine Nitrosamine bilden können, werden bereits erfolgreich in ersten Anwendungen eingesetzt. Neben so weiter verbesserter Arbeitshygiene und erhöhter Sicherheit eröffnet diese Technologie aber auch die Möglichkeit, weitere, neue Vulkanisationsmittel auf Basis primärer Amine für die Gummiindustrie zu entwickeln. Auch in der Klebstoffindustrie ist der Einsatz der neuen Technologie zur Verbesserung der Arbeitshygiene denkbar: Epoxidhärter, die die Polymerisatrion von Epoxiden (Harzen) initiieren, basieren vorwiegend auf Aminen. Dies sind häufig giftige und ätzende Stoffe, die auch Allergien auslösen können. Denkbar wäre hier der Einsatz von verkapselten „Härtersystemen“, die das Amin erst bei höherer Temperatur, zum Beispiel bei der Heißverklebung, freisetzen, wie in Abb. 4 dargestellt. Zu diesem Anwendungsgebiet laufen derzeitig bereits Erfolg versprechende Versuche.

Säurefänger in der Schmierstoffindustrie

Ein weiteres Anwendungsgebiet „verkapselter“ Amine ist die Schmierstoffindustrie. Neben dem erhöhten Sicherheitsaspekt wird hier die Eigenschaft ausgenutzt, dass wasserlösliche Amine durch die „Verkapselung“ im Käfig öllöslich werden und somit auch als Säurefänger in Ölen eingesetzt werden können. Die Säure fangenden Zink-Cluster sind nun in der Lage, die infolge von Alterungsprozessen gebildeten Säuren im Öl zu neutralisieren und damit Metallteile vor Korrosion zu schützen. Gleichzeitig werden Ablagerungen ölunlöslicher Verbindungen durch Dispergierung verhindert. Amin-Cluster eignen sich besonders zur Stabilisierung von pflanzlichen Schmierstoffen, die bekanntermaßen besonders oxidationsanfällig sind und korrodierende Wirkungen entfalten.

Neue Einsatzfelder durch Geruchsneutralisation

Die Vermeidung der Geruchsprobleme durch die Nanoverkapselung von Aminen eröffnet weitere Anwendungsbereiche: Flüchtige Amine zeigen in der Verarbeitung einen ausgeprägten und störenden Fischgeruch. Dieser Geruch verschwindet durch den Einsatz von Organo-Zink-Clustern gänzlich. Der Umgang mit Aminen in der Herstellung wird damit nicht nur ange angenehmer. Der Einsatz von aminhaltigen Alterungsschutzmitteln besonders in geruchsproblematischen Anwendungen, wie zum Beispiel Klebstoffen oder Duftölen, wird damit denkbar. Diese Produkte bleiben dadurch wesentlich länger haltbar und bedeuten damit eine Kostensenkung für den Hersteller und Verbraucher. Dies sind nur einige Anwendungsfelder, die sich durch die Möglichkeit der „Verpackung“ von Aminen in Organo-Zink-Cluster eröffnen. Hinsichtlich steigender Sicherheitsanforderungen in der chemischen Produktion kann davon ausgegangen werden, dass technologische Ansätze wie der beschriebene langfristig verstärkt eingesetzt werden.

Literatur
[1] Chian Sing Lai, Yu Xian Lim, Timothy C. Yap and Edward
R.T. Tiekink, Cryst EngComm, 2002, 4(99), 596-600
[2] A.J. Burn, G.W.Smith, J. J.Chem. Soc., Chem. Comm. 17
(1965) 394
[3] W.Radig, Th.Dimmig, A.Lehmann, R.Krüger und V.Schäfer,
J. prakt. Chem.337 (1995) 647-654