Chemie und Sensorik

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Materialemissionen und Innenraumluftqualität

Der Mensch hält sich die überwiegende Zeit des Tages in Innenräumen auf. Bauwerke und Bauprodukte müssen trotz der Vielfalt der eingesetzten Stoffe möglichst gesundheits- und umweltverträglich sein. Die Emissionseigenschaften von Bauprodukten werden nach anerkannten Verfahren und Normen (AgBB, ISO 16000 Reihe) geprüft. Kommt es bei Nutzern zu Beeinträchtigungen des Wohlbefindens, so kann eine Analyse von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und Partikelemissionen in Innenräumen einen Hinweis auf bauliche Ursachen oder Quellen für Auslöser der Beschwerden geben. Im Bedarfsfall wird die Innenraumluft auch auf geruchsaktive organische Verbindungen hin analysiert. Um diese Stoffe zu identifizieren und zu quantifizieren, wird eine Kombination aus klassischer VOC-Analytik mit Methoden der Aromachemie (Gaschromatographie-Olfaktometrie, kurz GC-O oder auch GC-Sniffing genannt) angewendet. Ziel ist es vor allem, Emissionsquellen zu lokalisieren und Ursachen für meist unangenehme Störgerüche zu beseitigen.
Die Geruchscharakteristika von Baustoffen, technischen Materialien und Werkstoffen oder auch von Gebäude- und Fahrzeuginnenräumen (Automobil, Flugzeug) werden mittels eines Probandenkollektivs gemäß nationaler und internationaler Normen sowie industrieller Richtlinien bewertet.

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Luftreinigungssysteme und funktionale Oberflächen

Im Rahmen der Energieeinsparung werden Gebäude zunehmend luftdichter und der hygienisch notwendige Luftaustausch immer geringer. Zur Aufrechterhaltung guter Luftqualität untersuchen und verbessern wir die Effektivität von Luftreinigungssystemen, wie Filter, Adsorber oder (photo-)katalytisch ausgerüstete Oberflächen und Bauteile, zur Reduktion von VOCs, Geruchsstoffen, Aerosolen und Stäuben. Neben luftreinigenden Funktionen können Oberflächen und Bauteile auch anders funktionalisiert werden. Superhydrophobe und Schmutz abweisende Oberflächen mit dauerhafter Wirkung tragen dazu bei, im Außenbereich Oberflächen besser vor Wasser und Schmutz zu schützen.

Neue Analyseverfahren, Schadensfallanalytik

Für verschiedenste Fragestellungen, Zielkomponenten und Umgebungsbedingungen werden eigene Analyseverfahren entwickelt. Eine hauseigene Methode erlaubt z. B. die schnelle und genaue Identifizierung und Quantifizierung von über 80 flüchtigen aminoiden Verbindungen mittels Hochleistungsflüssigchromatographie, gekoppelt mit einem Triple-Quad-Massenspektrometer (HPLC-MS-MS). Da anerkannte und genormte Prüfverfahren häufig zu zeitaufwendig sind für die Untersuchung von Schadensfällen oder die Produktentwicklung, entwickeln wir neue Kurzzeitverfahren z. B. auf Basis der Thermoextraktion zur schnellen Bestimmung von Emissionen und zur Charakterisierung von Materialveränderungen. Aktuell sind mit Wasser auslaugbare Stoffe das Ziel neu zu entwickelnder Analysen- und Bewertungsverfahren.
Die Ursache für Schäden am Bau lässt sich vielfach nicht am Gebäude selbst finden. Durch die Prüfung von schadhaften Bauprodukten im Labor können Ursachen der Bauschäden ermittelt und Empfehlungen für deren zukünftige Vermeidung gegeben werden. Für die umfassende Charakterisierung von Materialien  stehen u. a. REM-EDX, IR-/UV-Spektrometer, DTA, TGA und DSC zur Verfügung.

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Ökologie und Dauerhaftigkeit

Gebäude sollen ökonomisch und ökologisch nachhaltig sein. Viele Bauprodukte sind heute mit biologisch aktiven Zusatzstoffen ausgerüstet, um mikrobiellen Bewuchs zu verhindern oder zu verzögern. Ausmaß und Auswirkungen der Freisetzung von Wirkstoffen und Additiven für die Umwelt werden im Freilandversuch unter realen Klimabedingungen oder im Laborexperiment nach DIN EN 16105 und FprCEN/TS 16637-2 (DSLT) untersucht. Die Ergebnisse fließen bei den Herstellern in die Produktenwicklung und in die nationale und europäische Normung ein.
Neben der Dauerhaftigkeit von Baustoffen, ist die Energieeffizienz der Gebäude ein wichtiges Kriterium. Das Fraunhofer IBP leistet in diesem komplexen Umfeld Unterstützung bei der Entwicklung von öffentlichen und privatwirtschaftlich organisierten Zertifizierungssystemen.

Geruchs- und Geschmacksanalytik

Neue Materialien und Bauprodukte können u. U. einen unangenehmen Geruch verbreiten. Derartige Fehlgerüche werden nach dem Konzept der molekularen Sensorik aufgeklärt. Die im Produkt enthaltenen bzw. vom Produkt emittierten geruchsaktiven Verbindungen werden mittels Gasphasenextraktion oder Lösungsmittelextraktion gewonnen und mittels Gaschromatographie-Olfaktometrie (GC-O) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert. Durch Verdünnungsexperimente wird eine Wichtung der Geruchsstoffe vorgenommen und deren chemische Struktur aufgeklärt. Auf dieser Basis können Aussagen über die Herkunft der Geruchsstoffe aus den Rohprodukten und deren Bildungswege während der Produktion getroffen und somit Herstellungsprozesse optimiert werden.
Die Struktur geschmacksaktiver Substanzen beispielsweise in Trinkwasser, das durch Kunststoffleitungen transportiert oder in Kunststoffbehältern aufbewahrt wurde, wird identifiziert. Diese Stoffe migrieren entweder aus der Kunststoffmatrix heraus oder entstehen erst durch den Kontakt mit Wasser. Der Einfluss von Umgebungsbedingungen, wie z. B. Druck auf die Geruchs- und Geschmackswahrnehmung, wird untersucht.

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Luftqualitätsüberwachung, Sensorik

Auf Basis der Kenntnis der Zusammensetzung von Emissionen (VOCs und geruchsaktive Verbindungen) im Innenraum werden geeignete Sensoren entwickelt, die bestimmte Luftkomponenten detektieren und quantitativ erfassen können – idealerweise solche Verbindungen, die mit der menschlichen Empfindung schlechter Luftqualität einher gehen (Indikator-Verbindungen). Die daraus resultierenden Signale können zielgerichtet eingesetzt werden, um die Luftqualität anzuzeigen und in die Steuerung von Lüftungssystemen einzugreifen (demand-controlled ventilation).
Der Fermentationsprozess in gängigen Biogasanlagen verläuft derzeit weitestgehend ungeregelt. Anhand sensortechnologisch erfassbarer Indikatorverbindungen, die bei der anaeroben Gärung entstehen und anhand derer Aussagen über den Verlauf des Gärprozesses getroffen werden können, soll der Prozess überwacht werden. Sensoren werden zur Detektion bestimmter Zielgase weiterentwickelt, um die Sensorsignale zur Steuerung des Fermentationsprozesses einzusetzen.