Hier wird an biobasierten Polyurethanschäumen geforscht

In dem von der EU geförderten Projekt Biomat forschen Wissenschaftler aus acht Nationen an der Entwicklung nachhaltiger Schaumstoffe und Verbundwerkstoffe mit einem hohen Anteil nachwachsender Rohstoffe. Geleitet wird das Projekt von Prof. Dr. Gregor Grun und Prof. Dr. Sergiy Grishchuk, Hochschule Kaiserslautern, Fachbereich Angewandte Logistik- und Polymerwissenschaften. Ziel ist es, die bei der Herstellung von Schaumstoffen und Verbundwerkstoffen entstehenden Treibhausgase um 30 bis 50 % zu senken und mehr als die Hälfte des eingesetzten Materials durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Dieses Forschungsvorhaben erfordert zahlreiche Versuche mit verschiedenen neuen Rohstoffen in unterschiedlichsten Formulierungen, um das jeweilige Schäumungsverhalten, die Haltbarkeit sowie weitere Eigenschaften der Produkte zu untersuchen.

Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten und insbesondere die althergebrachten „Bechertests“ zu vermeiden, wurde 2022 eine Hennecke Labfoam am Campus Pirmasens der Hochschule Kaiserslautern in Betrieb genommen.

Neue Rezepturen auf einer herkömmlichen Blockschaumanlage zu entwickeln und zu testen, ist ein ressourcenintensives Unterfangen. Die Labfoam bildet – vereinfacht gesagt - den Reaktivteil (Nassteil) einer kontinuierlichen Produktionsanlage im Kleinen nach und ermöglich dadurch  Versuchsreihen mit geringen Austragsmengen. Trotzdem erzielt sie Ergebnisse, die in ihrer Qualität nahezu denen einer kontinuierlichen Produktionsanlage entsprechen. Dabei kommen Hochdruck-Dosierpumpen sowie Mischtechnik von Hennecke zum Einsatz. Darüber hinaus ist jede einzelne Dosierlinie für die Verarbeitung eines anwendungsspezifischen Rohstoffspektrums ausgelegt, sodass eine ebenso große Bandbreite an möglichen Versuchsreihen realisiert werden kann. Mit minimalem Rohstoffeinsatz können so präzise die Ergebnisse einer hochskalierbaren industriellen Produktion simuliert und getestet werden.

Am Campus Pirmasens werden nun die Materialeigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Biopolyolen untersucht – auch im konkreten Auftrag von Industrieunternehmen. „Biopolyole werden vorzugsweise aus organischem Abfall gewonnen“, erklärt Prof. Dr. Gregor Grun. Dabei kann es sich um Fettsäuren, Triglyceride, Zucker oder andere geeignete organische Reststoffe handeln. Allerdings sind viele dieser Materialien derzeit noch schwierig kommerziell zu beziehen.

Eine besondere Herausforderung beim Einsatz von Biopolyolen ist zudem, dass sie aus sekundären Hydroxylgruppen bestehen und daher vergleichsweise langsam reagieren. Gleichzeitig muss auf die geringe Fließfähigkeit vieler Biopolyole geachtet werden, für welche die Labfoam jedoch hervorragend geeignet ist, da sie für Viskositäten bis zu 35.000 mPas ausgelegt ist. Neben der Gewinnung von Biopolyolen wird in der Polymer-Fachabteilung in Pirmasens unter anderem auch an der Synthetisierung von Biopolyestern geforscht, um möglichst kompostierbare Materialien herzustellen oder das Recycling von Polyurethanschäumen zu verbessern.

Dass die Wahl der Universität auf die Laboranlage Labfoam fiel, hat mehrere gute Gründe. Besonders wichtig waren dem Forscherteam die Automatisierbarkeit, die voneinander unabhängigen Dosierlinien und die individuell einstellbaren Parameter für die bis zu 25 verschiedenen Rohstoff-Komponenten. „Ein besonderer Pluspunkt der Labfoam ist zudem die patentierte Novaflex-Technologie zur Herstellung von CO₂-getriebenen Schäumen, die den Verzicht auf umwelt- und gesundheitsschädliche Treibmittel ermöglicht und bei Laboranlagen einzigartig ist“, betont Prof. Dr. Sergiy Grishchuk. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten finden auf weniger als zehn Quadratmetern ausreichend Platz.

Die Anlagensteuerung über die Foamware ist identisch mit der Bedienung von kontinuierlichen Produktionsanlagen. „Mit wenigen Klicks können wir neue Rezepturen mit unterschiedlichsten Komponenten und Additiven erstellen, an die Maschine senden und mit den Tests beginnen“, berichtet Philipp Haag, Doktorand im Team und einer der Labfoam-Bediener. Gegenüber dem Mischen von Hand bedeutet dies einen erheblichen Vorteil in Bezug auf Genauigkeit, Zeitersparnis, Rohstoffverbrauch und Qualität des Schaums.

Bereits jetzt ist es möglich, Weichschaum mit einem biobasierten Anteil von rund 65 % herzustellen, ohne Qualitätseinbußen hinnehmen zu müssen. „Ein weiterer entscheidender Aspekt der Labfoam ist, dass sie sich nicht auf die Herstellung von Weichschäumen beschränkt“, ergänzt Prof. Sergiy Grishchuk. Grund genug für die Forscher, auch den Einsatz von organischen Materialien in halbweichen PU-Schäumen oder in Hartschäumen zu untersuchen, wie sie zum Beispiel zur Isolierung in Bauelementen mit Sandwichstruktur verwendet werden. „Ich kann mir auch vorstellen, dass andere Arten von Prepolymeren, zum Beispiel Epoxid-Prepolymere, in der Anlage verarbeitet und untersucht werden“, berichtet Prof. Sergiy Grishchuk.

Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojektes werden die Studenten auf dem Gebiet der Polymerchemie ausgebildet und ihnen die Möglichkeit gegeben, sich an der Anlage mit industrienahen Prozessen vertraut zu machen.

Quelle: Hennecke