Vom Baum zum Strukturschaum

29.11.2017

Am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS wurden in einem Verbundforschungsprojekt des Spitzenclusters BioEconomy Kunststoffe aus Biomasse entwickelt. Entstanden sind nachhaltige Biopolymere auf Basis von Tallöl, die als Bodenbeläge und Strukturschaumstoffe Anwendung im Haus- und Möbelbau finden können.

Biopolymere nachwachsende Rohstoffe BioEconomy
© Fraunhofer IMWS

Ausgangsstoffe für biobasierte Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen

Unzählige Produkte des täglichen Lebens werden aus Erdöl hergestellt. Doch der Rohstoff ist eine endliche Ressource. Um den industriellen Bedarf langfristig zu befriedigen und dabei das Klima zu schonen, müssen Alternativen auf Basis nachwachsender Rohstoffe gefunden werden, die fossile Rohstoffe in der Zukunft ersetzen können.

Im gerade abgeschlossenen Forschungsvorhaben »Effimat« haben sechs Projektpartner gemeinsam an einer solchen Lösung gearbeitet: das Fraunhofer IMWS, das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP sowie die Unternehmen Miltitz Aromatics, Hennecke Polyurethane Technology, BARiT Kunstharz und Belagstechnik sowie ö_Konzept. Ihr Ziel war es, Biopolymere für Bodenbeläge und Schaumstoffe und darauf abgestimmte Verarbeitungstechnologien zu entwickeln. Solche Produkte werden bisher auf Erdöl-Basis produziert. Im Projekt gelang es, sie aus Tallöl herzustellen, das als Nebenprodukt bei der Herstellung von Zellstoff aus Holz anfällt.

Der Ansatz des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Clusterprojektes bestand in der ganzheitlichen Nutzung des Rohstoffs Holz. So wollten die beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen neue Spielräume für innovative Substitutionswerkstoffe schaffen, die mit vergleichbaren oder vollkommen neuen Eigenschaften konventionelle Werkstoffe ersetzen. Ausgangspunkt für diese Bemühungen war das Stoffgemisch Tallöl, auf dessen Basis sich mittels verschiedener synthetischer Aufbereitungsstufen hochwertige Reaktivharzsysteme herstellen lassen. Zusammen mit einer Vernetzerkomponente können diese zu äußerst festen Kunststoffmaterialien ausgehärtet werden, die sich beispielsweise für den Einsatz im Bauwesen eignen.

Die Kombination von Tallöl mit einem kalthärtenden Vernetzer war hierbei ein völlig neuer Ansatzpunkt auf dem Gebiet der biobasierten Kunststoffe. Mit der Rückführung des Nebenproduktes Tallöl in den Produktionskreislauf konnte entlang der Nutzungskaskade von Holz ein weiterer stofflicher Nutzungsschritt etabliert und das Wertschöpfungspotenzial erhöht werden.

Für die Herstellung tallölbasierter Schaumstoffhalbzeuge im industriellen Maßstab haben die Projektpartner außerdem ein besonderes Hochdruckverschäumungsverfahren erprobt, bei dem das Harzgemisch mit einem speziellen Mischkopf in eine entsprechende Werkzeugform gefüllt und unter Expansion eines Treibgases aufgeschäumt wird. Dazu mussten zunächst hochwertige Harzgemische gewonnen und ein geeigneter Anhydrid-Härter entwickelt werden. Bei den anschließenden umfangreichen Materialtests wurden zahlreiche Stoff- und Härterkombinationen auf ihre Eigenschaften hin charakterisiert sowie verschiedenste Formmassen und Strukturschäume im Labormaßstab gefertigt. Auf Basis dieser Testergebnisse konnten parallel das Aufschäumen der Harzgemische im industriellen Maßstab und der konkrete Einsatz in Form von bioharzgebundenen Bodenbelägen erprobt werden. Das Fraunhofer IMWS hat dabei Formmassen und Schäume für den industriellen Werkstoffeinsatz hergestellt und diese mechanisch, thermomechanisch und morphologisch charakterisiert.

Im Rahmend des Projektes sind hochwertige Kunstharzsysteme für vielfältige Anwendungen entstanden, die je nach Anforderung und Verarbeitung modifiziert werden können. »Die Vorteile der neuartigen Kunstharzsysteme liegen nicht nur im biogenen Ursprung der verwendeten Ausgangsstoffe, sondern auch in einem insgesamt energieeffizienteren Herstellungsverfahren, da in der Verarbeitung pflanzenölbasierte Strukturschaumstoffe bei niedrigeren Temperaturen schneller aushärten«, sagt Nicole Eversmann, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS. Auch was die gesundheitliche Verträglichkeit anbelangt, können Kunstharzsysteme punkten. Derzeit sind die pflanzenölbasierten Kunststoffe hauptsächlich für Nischenprodukte wie (Schutz-)Verpackungen oder Fahrradhelme einsetzbar. Außerdem eignet sich die Werkstoffklasse auch für den Haus- und Möbelbau.

Kunststoff Tallöl Biomaterial Strukturschaumstoff BioEconomy
© Fraunhofer IMWS

Im Projekt haben Forscherinnen und Forscher Proben aus Kunststoff hergestellt, der auf Tallöl basiert, und dabei verschiedene Härter getestet.