Thema des Monats: Januar 2015

Aromatisierte Polymere

Was duftende Kunststoffe uns sagen

Gerüche haben eine unmittelbare Wirkung auf unsere Wahrnehmung und unsere Entscheidungsfindung: Was gut riecht, kommt bekanntlich gut an. Nicht immer aber tut uns auch gut, was wohlriecht, und nicht immer schadet uns, was stinkt. Der nachfolgende Beitrag macht sogar, am konkreten Beispiel, das Gegenteil offenkundig.

Die Nase gereicht ihrem Besitzer nicht allein zur Zierde. Sie im Umkehrschluss als bloßes Riechorgan zu bezeichnen, wäre ebenfalls zu kurz gegriffen angesichts des einerseits äußerst komplizierten, wissenschaftlich bislang noch nicht vollständig entschlüsselten Riechprozesses, andererseits der mit ihr verbundenen psychologischen Komponente, die in vielen Redewendungen anklingt.

Die Nase und ihre Bedeutung

Von einer durchsetzungsfähigen Persönlichkeit ist die Rede, wenn alle nach jemandes Nase tanzen. Der neugierige Mensch steckt seine Nase in die Dinge anderer Leute, der Erfolgreiche hat sie im Feld der Wettbewerber weit vorn. Veralbert ist, wer an der Nase herumgeführt wurde; die Nase voll hat, wer von diesem oder jenem genug hat. Wir fallen auf die Nase, wenn etwas komplett misslingt oder kriegen vielleicht eins auf die Nase, sind wird zu weit gegangen. Und wenn es uns stinkt, rümpfen wir die Nase und wenden uns angewidert ab.

Ungeachtet ihrer metaphorischen Bedeutung erweist uns die Nase im realen Leben einen großen Dienst, etwa im Zuge von Bewertungsprozessen: Was gut riecht, kommt meist auch gut an. Das zielt auf Menschen ab ebenso wie auf all jene Dinge, die uns nähren, kleiden, pflegen, schmücken oder in irgendeiner Form nützlich sind: Gerüche können, kaum in die Nase gestiegen, wie kein anderer Sinneseindruck in uns ein neuronales Feuerwerk entfachen und Reaktionen von Ekel über Wohlgefallen bis hin zur Schnüffelsucht anstoßen.

Das Wissen um die Bedeutung olfaktorischer Einflüsse erweist sich in vielerlei Hinsicht als wertvoll. Hersteller von Konsumgütern setzen dieses Instrument virtuos ein, um die Karriere eines Produktes zu beflügeln und das Schicksal, als Ladenhüter im untersten Regal zu enden, abzuwenden: Wohlgeruch steigert die Wahrnehmung und Akzeptanz eines Produkts aufseiten der Verbraucher, hat damit folgerichtig eine verkaufsfördernde Wirkung – ungeachtet eventueller kultureller Unterschiede in der Beurteilung dessen, was gut riecht oder stinkt; Geschmäcker sind bekanntlich verschieden. Dieser Umstand erklärt den Einsatz von Aroma- und Duftstoffen in der Herstellung von Konsumgütern, die zwar den gleichen Produktnamen tragen, in Asien jedoch anders munden als in Mitteleuropa oder den Vereinigten Staaten von Amerika.

Auch die Spielzeugindustrie unterliegt der Versuchung, die Karriere ihrer Produkte durch den Einsatz olfaktorischer Lockstoffe zu beflügeln; ohne es auch nur ansatzweise zu verheimlichen, im Gegenteil. Vielfach wird sogar damit geworben, das diese Puppe nach Zimt riecht, jene nach Vanille; doch dazu später mehr. Allerdings besitzen manche Duftstoffe ein allergenes Potenzial, was nicht zu unterschätzen ist, insbesondere deshalb, weil ein Teil der Bevölkerung – in Deutschland sind es rund fünf Prozent – empfindlich auf Duftstoffallergene reagieren. Und was als Ingredienz in Kosmetika zugelassen ist, darf noch lang nicht einem Kinderspielzeug beigesetzt werden.

Kassenschlager oder Ladenhüter – der Nasenfaktor ist entscheidend

Duftstoffallergenen in parfümiertem Spielzeug auf der Spur

Bei Kindern gehören allergene Duftstoffe zu den Hauptursachen für Kontaktdermatitis, schildern Dr. Ines Masuck, Dr. Christoph Hutzler und Prof. Dr. Dr. Andreas Luch vom Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) in Berlin in ihrem Beitrag im Journal „Analytical Methods“ [1]. Die überarbeitete europäische Richtlinie zu Spielzeugsicherheit 2009/48/ EG [2] verbiete daher 55 Duftbestandteile, erlaubt jedoch bis zu 100 µg des Duftstoffes pro Gramm Material, wenn dies unter guten Produktionsbedingungen technisch unvermeidbar ist, berichten die BfR-Wissenschaftler.

Zu den verbotenen beziehungsweise nur begrenzt einsetzbaren aromaaktiven Verbindungen zählen zum Beispiel D-Limonen, Linalool, Benzylalkohol, Citronellol, Methylheptincarbonat, Geraniol, Citral, Hydroxycitronellal, Cinnamal, Anisylalkohol, Cinnamylalkohol, Eugenol, Isomethylionon , Isoeugenol, Lilial, Amylcinnamal, Farnesol, Lyral, Amylcinnamylalkohol, Hexylcinnamaldehyd, Benzylbenzoat, Benzylsalicylat, Benzylcinnamat und Cumarin. Auf der Verpackung einen Hinweis zu finden, ob dieser oder jener Stoff als Additiv Einsatz fand, sollte man nicht gefasst sein. Das heißt aber nicht im Umkehrschluss, dass nicht sein kann, was nicht sein darf. Es gilt die Regel: Holzauge sei wachsam. Mancher Hersteller, der sich nicht einer Qualitätsnorm unterordnet, neigt mitunter dazu, Produkte auch mit Verbotenem aufzupeppen.

Qualitätskontrollen wichtig für die Überwachung potenzieller Allergene

Es liegt im Interesse gerade der kleinen Verbraucher, das Risikopotenzial von Spielzeug zu überprüfen und zu bewerten – nicht nur, ob sich Kleinteile ablösen und verschluckt werden können oder durch chemische Zusätze die Gefahr einer Vergiftung besteht, sondern auch, ob ein allergologisches Potenzial besteht. Entscheidend sind hierfür Migrations- und Emissionsstudien, die im Fall von Duftstoffallergenen im Rahmen von Emissionskammermessungen durchgeführt werden. Da es sich bei Duftstoffen um natürlicherweise leicht-, mittel- oder schwerflüchtige Verbindungen handelt, neudeutsch als volatile organic compounds beziehungsweise semi-volatile organic compounds (VOC/SVOC) bezeichnet, bietet sich zudem die Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion (GC/MS) als Analyseninstrument der Wahl an, um rasch einen Überblick über verdächtige Produkte zu erhalten, die letztlich, einmal als allergen und gesundheitsbeeinträchtigend identifiziert, der Messkammeruntersuchung zugeführt und vorschriftsmäßig untersucht werden können.

Auswahl von Masuck et al. untersuchte Spielzeugpuppen. Quelle: Masuck et al.

Vorsicht vor parfümierten Puppen

Die Qualitätskontrolle von Kinderspielzeug ist zwingend erforderlich wenn nicht gar alternativlos, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, dass sich heutzutage via Internet Waren aus allen Teilen der Welt ordern lassen, die mitunter jedoch alles andere als gemäß der hierzulande geltenden hohen Qualitätsstandards angefertigt wurden. Das zeigt auch ein Experiment von Masuck et al.

In einem Internetshop bestellten die BfR-Wissenschaftler fünf verschiedene parfümierte Spielzeugpuppen. Eine Puppe habe nach süßer Vanille gerochen, die anderen sollten laut Verheißung auf der Verpackung nach Popcorn, Erdbeere und Veilchen riechen, auf jeden Fall „unterschied sich der Geruch aller untersuchten Puppen von dem typischen, eher künstlichen Plastikgeruch“, beschreiben Masuck et al. Wobei an dieser Stelle die Frage zulässig und sinnvoll erscheint: Wie riecht Kunststoff oder Plastik?

Vergleichbarkeit von Qualitätskontrollen sicherstellen

Bei ihrer Analyse stießen die Wissenschaftler auf verbotene Substanzen wie Cumarin, Zimtalkohol beziehungsweise Cinnamylalkohol und Amylzimtaldehyd. Ferner wurden allergene Duftstoffe wie Benzylbenzoat detektiert in Mengen, die eine Deklaration auf der Verpackung vonnöten gemacht hätte. Ebenfalls gefunden wurden D-Limonen und Linalool, allerdings erst, als die Wissenschaftler ein anderes Extraktionsverfahren eingesetzt hatten, was den Schluss zu lässt, dass auch die Ergebnisse einer Qualitätskontrolle sowie das zugrundeliegende Analyseverfahren kritisch in Augenschein genommen und mit anerkannten und gesicherten, sprich validierten Verfahren verglichen werden sollten.

Auf den Punkt gebracht lässt, liebe Eltern, Großeltern, Tanten und Onkel, die Sie den lieben Kleinen eine Freude machen wollen, folgende Faustformel anwenden: Finger weg von parfümiertem Spielzeug! Es ist mit Vorsicht zu behandeln und gehört im Zweifel nicht in Kinderhände, sondern auf den Müll – spätestens dann, wenn Kopfschmerzen, Übelkeit oder unerklärliche Hautreaktionen im Umgang mit Spielzeug auftreten. Ähnlich sollte man mit Fahrradhelmen umgehen, die urplötzlich beginnen, unangenehm zu riechen. Das hat allerdings eine ganz andere Ursache …

Foto: Felizitas Gemetz, ©: Fraunhofer IWM

Duftnote für mehr Sicherheit

Fahrradhelme sollen den Kopf des Trägers schützen. Doch nur einwandfreie Helme halten im Notfall, was sie versprechen. Daher empfiehlt es sich, den Kopfschutz nach einiger Zeit auszutauschen. Aber wer erneuert schon gerne auf Verdacht seine teure Ausrüstung?

Gewissheit schaffen soll ein neues Verfahren, das Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen entwickelt haben:

Bilden sich in Polymerwerkstoffen kleine Risse, beginnen diese zu riechen. Größere Risse stinken geradezu. Verantwortlich für den ausströmenden Geruch sind Duftöle, die in Mikrokapseln verschlossen und im Polymer eingebettet sind. Eine Beschädigung des Helmmaterials, etwa durch einen Aufprall, führen zu einer Rissbildung im Polymer, erklärt Christof Koplin, Wissenschaftler am IWM, wobei die im Polymer eingebetteten Mikrokapseln aufbrechen und das darin enthaltene Duftöl mit der entsprechenden olfaktorischen Wirkung austritt. Dies ist ein guter Zeitpunkt, den Helm zu entsorgen.

Fahrradhelme sind in allen Varianten erhältlich: Es gibt Modelle zum Falten, mit blinkendem Rücklicht oder mit iPhone-Display. Künftig werden sich Radler Helme kaufen können, die – einmal beschädigt – anfangen zu riechen. Ein neues Verfahren sorgt dafür, dass Duftöle ausströmen, wenn sich in Kunststoffen Risse bilden. Der beschädigte Helm setzt Duftstoffe frei. Rechts unten: die aufgerissene Mikrokapsel.

Additive müssen den Produktionsprozess unbeschadet überstehen

Die winzigen Duftölkapseln bestehen aus einem Siliziumkern, der mit dem Öl getränkt ist, ummantelt mit einer Schicht Melaminformaldehydharz, das die Kapseln geruchsdicht verschließt und vor der mechanischen Belastung, die im Verlauf der Weiterverarbeitung auftritt, schützt. Diese regelrechten Duftbomben werden einer Masse aus Polypropylen beigemischt, die im Spritzgussverfahren unter hohem Druck, namentlich bis zu 100 bar, und Temperauren von 200 bis 300 °C in die endgültige Bauteilform gebracht werden. Im Fall des Fahrradhelms handelt es sich dabei um eine Folie, die am Kopfschutz befestigt wird.

Die Entwicklung eines solchen olfaktorischen Sicherheitsindikators ist alles andere als trivial. Um festzustellen, bei welchen Belastungen die winzigen, 1 bis 50 Mikrometer großen Kapseln aufbrechen, unterziehen die Wissenschaftler am Fraunhofer IWM das Material zahlreichen Belastungstests, um die Druck-, Biege- und Beugetauglichkeit zu messen. Nur dann, wenn sich die Kapseln kurz vor dem Bruch des Bauteils öffnen und die Duftstoffe austreten können, stufen die Experten die Tests als erfolgreich ein. „Unsere Methode der Geruchsdetektion bietet mehrere Vorteile. Sie ermöglicht nicht nur den rechtzeitigen Austausch sicherheitskritischer Polymerbauteile. Durch die ausströmenden Duftstoffe können auch Beschädigungen erkannt werden, die außerhalb des Sichtbereichs liegen“, schildert Koplin.

Ungeahnte Anwendungsmöglichkeiten ausgemacht

Das Verfahren der Fraunhofer-Forscher eignet sich, im Übrigen, nicht nur für alle schwer auf Defekte zu testenden Sicherheitsbauteile wie Fahrrad-, Motorrad- oder Bauhelme. Damit ließe sich zum Beispiel auch die einwandfreie Funktionstauglichkeit von Druckschläuchen, wie sie unter anderen etwa als Waschmaschinenzuleitungen Verwendung finden, überwachen, die bekanntlich verdeckt und nur schwer zugänglich verbaut sind. Geruchssensoren könnten auch Kunststoffrohre für die Wasser- und Gasversorgung auf kritische Risse überwachen, da sie ausströmende Duftstoffe über weite Entfernungen hinweg registrieren. Das sich für ihre Innovation ein Markt finden lässt, davon sind die Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute überzeugt, und das nicht ohne Grund, schließlich werden die Geruchsdetektion bereits bei beschichteten Bauteilen aus Metall eingesetzt, sagt Koplin. Bei den Kunststoffen und Polymermaterialien, die in zahlreicher Form und Fülle und in den unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung kommen, steht man gerade am Anfang.

Die vergleichsweise einfache Regenerierbarkeit der Membranadsorber eröffne zudem weitere Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel um die extrahierten "Mikroverunreinigungen" wieder verwerten zu können. Deshalb sei ihre Technologie, ist das IGB überzeugt, auch interessant für die Rückgewinnung wertvoller Edelmetalle oder seltene Erdmetalle (Seltene Erden), hierzu gehören die chemischen Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) und die Lanthanoide – insgesamt also 17 Elemente, die für Mobiltelefone, Computer, Solaranlage und andere zukunftsweisende Technologie wichtig sind, von denen es auf der Erde allerdings immer weniger natürliche Ressourcen finden lassen. Experten sind der Meinung, viele Seltene Erdmetalle hätten sich in den Ozeanen angereichert, allerdings sei es noch zu kostspielig, "Wasserbau" zu betreiben. Vielleicht ändert sich das mit Einführung einer neuen Membranadorber-Technik unter Verwendung hochleistungsfähiger Polymere.
Apropos Praxis: Am 16. und 17. März 2015 findet in an der Universität Kassel, Kurt-Wolters-Straße 3, 34109 Kassel, der 17. Workshop „Odour and Emissons of Plastic Materials“ statt, ausgerichtet vom Institut für Werkstofftechnik/Kunststofftechnik der Universität Kassel. Weitere Details zum Workshop, das Programm und die Anmeldeformalitäten erfahren unter www.ifw-kassel.de sowie bei uns auf www.k-online.de in unserer Rubrik „Apropos K“.

Quellen

[1] I. Masuck, C. Hutzler, A. Luch, Screening of fragrances in scented toys: a comparative study of different headspace techniques coupled to GC-MS, Anal. Methods, 2013, 5, 508
[2] Überarbeitete europäische Richtlinie zu Spielzeugsicherheit 2009/48/ EG [http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2009:170:0001:0037:de:PDF]
[3] Fraunhofer Institut Umsicht, Presseinformation
Guido Deußing

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