Kunststoff Nachhaltige Polyurethan-Produktion

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Polyurethane (PUR) stecken in vielen Produkten, wie in Polstermöbeln, in Schaum- oder Dämmstoffen, Fußböden, Lacken und sogar in medizinischen Katheterschläuchen. Allerdings wird bei der Herstellung giftiges Isocyanat eingesetzt. Fraunhofer-Forschende haben jetzt ein alternatives Produktionsverfahren mit unschädlichem Dicarbamat entwickelt.

Chemische Verbindungen der Art Isocyanat sind toxisch und lösen Allergien oder Asthma aus. In der chemischen Industrie werden sie allerdings vor allem für die Herstellung von PUR benötigt. Diese Kunststoffe sind extrem vielseitig und werden daher für zahlreiche Produkte verwendet. Im Endprodukt sind zwar keine Isocyanate mehr enthalten, aber in der Herstellung sind besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, um sie vom Menschen fernzuhalten und Gesundheitsgefahren zu vermeiden.Fraunhofer-Forschenden ist es nun im Projekt „CO2NIPU“ (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU) erstmals gelungen, Polyurethane ohne den Einsatz von Isocyanaten herzustellen.

Polyurethane aus Dicarbamaten besitzen identische Molekülstrukturen wie klassische PUR aus Isocyanaten. Deshalb lässt sich auf das bereits bestehende Know-how aufbauen, um die Materialeigenschaften zu erzielen, die für das Endprodukt oder die Anwendung gewünscht sind.

Dafür ersetzten Projektleiter Dr. Christoph Herfurth vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und sein Team Isocyanat durch das unbedenkliche Dicarbamat. Dieses Verfahren soll die Produktion von Kunststoffen einfacher und sicherer machen. Zudem müssen die Mitarbeitenden nicht besonders geschult werden, um sich vor der toxischen Substanz zu schützen. 
Weitere Vorteile: Es entstehen weniger Treibhausgas-Emissionen. Denn die Forschenden verwenden Kohlenstoffdioxid für die Produktion von Dicarbamat. Zudem entwickeln sie Recycling-Methoden, um gebrauchte PUR-Materialien weiterzuverwenden.Am Gemeinschaftsprojekt CO2NIPU waren neben den Fraunhofer IAP auch das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologien ICT, für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT beteiligt. Herfurth verweist auf die Vorzüge des innovativen Projekts: „Polyurethane aus Dicarbamaten besitzen identische Molekülstrukturen wie klassische PUR aus Isocyanaten. Deshalb lässt sich auf das bereits bestehende Know-how aufbauen, um die Materialeigenschaften zu erzielen, die für das Endprodukt oder die Anwendung gewünscht sind.“

Baukastensystem für die Materialeigenschaften

Die Forschenden haben das Verfahren in Richtung einer industriellen Umsetzbarkeit weiterentwickelt. Unterschiedliche Chemikalien werden in einem bestimmten Verhältnis gemischt, so entstehen die gewünschten Eigenschaften. Sogenannte Kettenverlängerer helfen, die Molekülgruppen zu vernetzen und sorgen für elastische oder klebende Eigenschaften. Polymerdiole machen den Kunststoff weich, das Dicarbamat als Isocyanat-Ersatz setzt den chemischen Prozess in Gang. Diese Chemikalien werden nach dem Mischen bei Temperaturen zwischen 180 und 190 Grad Celsius geschmolzen und gerührt. Nach dem Abkühlen testen die Expertinnen und Experten auf Merkmale wie Zugfestigkeit oder Elastizität.Isocyanate sind hochreaktiv, deshalb entstehen Polyurethane oft innerhalb weniger Minuten. Nutzt man weniger reaktive Dicarbamate, dauert der gleiche Prozess zwar sechs bis acht Stunden, dafür ist der Vorgang viel besser kontrollier- und steuerbar. Das reduziert Ausschuss und Qualitätsschwankungen in der Produktion.

Als erste Anwendung haben die Fraunhofer-Forschenden die Herstellung von biokompatiblen Katheterschläuchen in der Medizintechnik ins Visier genommen. Das Fraunhofer IFAM nutzt das variable Baukastensystem für die Entwicklung von Klebstoffen, um Kanülen an den Schlauch zu kleben.Die Technologie für die Produktion isocyanatfreier Polyurethane funktioniert mittlerweile nicht nur im Labor. „Wir sind inzwischen schon in der Lage, in unserem Technikum einige Kilogramm NIPU zu produzieren. Im nächsten Schritt können dann im Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ inSchkopau mehrere Hundert Kilo NIPU hergestellt werden“, sagt Herfurth.