Vom Baum zum Strukturschaum

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 Projekt haben Forscherinnen und Forscher ein schäumbares Reaktivharz auf Basis von Tallöl, welches als Nebenprodukt bei der Herstellung von Zellstoff aus Holz anfällt, entwickelt (© Fraunhofer IMWS)

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 und 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.

Tallöl als Ausgangspunkt

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

Die Kombination von Tallöl mit einem kalthärtenden Vernetzer war hierbei ein 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.

Spezielles Hochdruck-Verschäumungsverfahren erprobt

Für die Herstellung tallölbasierter Schaumstoffhalbzeuge im industriellen Maßstab haben die Projektpartner außerdem ein besonderes Hochdruck-Verschäumungsverfahren 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 verschiedene 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.

Energieeffiziente Herstellung

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.

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.