Im Projekt CO2NIPU ist es Fraunhofer-Forschenden erstmals gelungen, ein alternatives Produktionsverfahren für Polyurethan ohne den Einsatz von giftigem Isocyanat zu entwickeln. Statt der bislang unverzichtbaren, toxischen Stoffgruppe kommt dabei ein unbedenkliches Dicarbamat zum Einsatz, das den chemischen Prozess initiiert und eine kontrollierbare Herstellung ermöglicht.
Polyurethane sind aus zahlreichen Alltags- und Industrieprodukten nicht wegzudenken – von Polstermöbeln über Schaum- und Dämmstoffe bis hin zu Lacken, Fußböden und medizinischen Katheterschläuchen. Obwohl Isocyanate im fertigen Polyurethan chemisch nicht mehr enthalten sind, gelten sie während der Herstellung als hochreaktiv und toxisch, weshalb umfangreiche Schutzmaßnahmen notwendig sind. Das neue Verfahren eröffnet hier eine sichere und zugleich nachhaltigere Alternative.
Dicarbamat ersetzt Isocyanat
Isocyanate sind für die klassische Herstellung von Polyurethan bislang unverzichtbar, gelten jedoch als toxisch und können Allergien oder Asthma auslösen. Ihre hohe Reaktivität sorgt zwar dafür, dass Polyurethane häufig innerhalb weniger Minuten entstehen, stellt aber zugleich hohe Anforderungen an Arbeitsschutz und Anlagentechnik. Genau hier setzt das Projekt CO2NIPU an, indem es ein alternatives Produktionsverfahren ohne diese Stoffgruppe etabliert.
Projektleiter Dr. Christoph Herfurth vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und sein Team ersetzen Isocyanat durch das unbedenkliche Dicarbamat. „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“, erläutert Herfurth. Damit bleibt die Werkstoffbasis erhalten, während das Produktionsverfahren für Polyurethan sicherer gestaltet wird.
Baukastensystem für maßgeschneiderte Polyurethane
Für die industrielle Umsetzung haben die Forschenden das Verfahren als variables Baukastensystem weiterentwickelt. Unterschiedliche Chemikalien werden in definierten Verhältnissen kombiniert, um gezielt Eigenschaften einzustellen. Sogenannte Kettenverlängerer vernetzen die Molekülgruppen und beeinflussen elastische oder klebende Merkmale, Polymerdiole sorgen für weiche Materialeigenschaften, während das Dicarbamat als Isocyanat-Ersatz den chemischen Prozess startet.
Nach dem Mischen werden die Komponenten bei Temperaturen zwischen 180 und 190 Grad Celsius geschmolzen und gerührt. Nach dem Abkühlen prüfen die Expertinnen und Experten Eigenschaften wie Zugfestigkeit oder Elastizität. Im Unterschied zu hochreaktiven Isocyanaten reagieren Dicarbamate langsamer: Der Herstellungsprozess dauert sechs bis acht Stunden. Diese verlängerte Reaktionszeit ermöglicht jedoch eine bessere Kontrolle und Steuerbarkeit, was Ausschuss und Qualitätsschwankungen in der Produktion reduziert.
CO2-Nutzung und Recycling für Polyurethan
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der nachhaltigen Rohstoffbasis. Beim Projektpartner Fraunhofer UMSICHT werden Dicarbamate mithilfe eines Hochdruckverfahrens hergestellt. Bei 50 bar reagieren Methanol und das Treibhausgas CO2 mit Diaminen zu Dicarbamaten. Die Nutzung von Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff trägt dazu bei, Treibhausgas-Emissionen zu verringern.
Parallel dazu entwickelt das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologien ICT Recyclingverfahren für gebrauchte Polyurethane, etwa aus alten Schaumstoffen. Diese sollen wieder zu neuen PUR-Produkten verarbeitet werden. „Damit leisten wir einen Beitrag zum Ziel einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ohne Treibhausgasemissionen“, fasst Herfurth zusammen. Die isocyanatfreie Herstellung von Polyurethan wird so mit einem geschlossenen Materialkreislauf verknüpft.
Pilotproduktion von Polyurethan im Technikumsmaßstab
Als erste Anwendung nehmen die Fraunhofer-Forschenden biokompatible Katheterschläuche für die Medizintechnik in den Blick. Polyurethane kommen hier unter anderem bei Infusionsschläuchen zum Einsatz. Das neue Produktionsverfahren ermöglicht es, diese Produkte in hoher Qualität ohne giftiges Isocyanat herzustellen.
Auch das Fraunhofer IFAM nutzt das Baukastensystem zur Entwicklung von Klebstoffen, mit denen Kanülen an Schläuche geklebt werden. Die Technologie funktioniert inzwischen nicht nur im Labor: Im Technikum können bereits einige Kilogramm NIPU produziert werden. Im nächsten Schritt sollen im Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau mehrere Hundert Kilogramm NIPU hergestellt werden. Damit erreicht das Produktionsverfahren für Polyurethan einen Pilotmaßstab und rückt näher an eine industrielle Anwendung.
