Polyurethan-Produktion ohne giftiges Isocyanat

Polyurethane (PUR) stecken in vielen Produkten, etwa in Polstermöbeln, in Schaum- oder Dämmstoffen, Fußböden, Lacken und sogar in medizinischen Katheterschläuchen. Bei der Herstellung dieser Kunststoffe kommt giftiges Isocyanat zum Einsatz. Um die Herstellung sicherer zu machen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP ein alternatives Produktionsverfahren mit unschädlichem Dicarbamat entwickelt.

Chemische Verbindungen der Art Isocyanat sind toxisch und lösen Allergien oder Asthma aus. Allerdings sind sie für die chemische Industrie noch unverzichtbar: Sie werden 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. Forschern des Fraunhofer-Instituts IAP ist es im Projekt »CO2NIPU« (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU) gelungen, Polyurethane ohne den Einsatz von Isocyanaten herzustellen.

Dicarbamat als Ersatz für Isocyanat

Dafür ersetzten Projektleiter Dr. Christoph Herfurth vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und sein Team Isocyanat durch das unbedenkliche Dicarbamat. Das Verfahren macht die Produktion von Kunststoffen einfacher und sicherer. Die Mitarbeiter müssen nicht besonders geschult werden, um sich vor der toxischen Substanz zu schützen. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Ausstoß von Treibhausgasen, da die Forscher Kohlenstoffdioxid zur Herstellung von Dicarbamat verwenden. Zudem entwickelten sie Recycling-Methoden, um gebrauchte PUR-Materialien weiterzuverwenden. Am Gemeinschaftsprojekt CO2NIPU waren neben dem 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 Forscher 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 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.

Kreislaufwirtschaft für die Kunststoffindustrie

Dicarbamate werden beim Projektpartner Fraunhofer UMSICHT mithilfe eines Hochdruckverfahrens hergestellt. Bei 50 bar Druck werden Methanol und das Treibhausgas CO₂ mit Diaminen zu Dicarbamaten synthetisiert. Das Fraunhofer ICT entwickelt Recycling-Verfahren für gebrauchte Polyurethane, beispielsweise aus alten Schaumstoffen, die dann wieder zu neuen PUR-Produkten verarbeitet werden. „Damit leisten wir einen Beitrag zum Ziel einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ohne Treibhausgasemissionen“, fasst Herfurth zusammen. Als erste Anwendung haben die Fraunhofer-Forscher 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 in Schkopau mehrere Hundert Kilo NIPU hergestellt werden“, sagt Herfurth.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP)