Polyurethanschäume sind in vielen Alltagsgegenständen vorhanden. Eine in der
Chemical Engineering Journal veröffentlichte Studie zeigt, wie man ähnliche Schäume ohne die Verwendung von Isocyanaten herstellen kann.
Polyurethanschäume werden häufig zur Isolierung von Gebäuden, zur Herstellung von Matratzen oder zum Schutz von Objekten während des Transports verwendet. Ihre leichte, mit kleinen Blasen gefüllte Struktur verleiht ihnen ausgezeichnete Isoliereigenschaften. Für ihre Herstellung verwenden die Industrieunternehmen in der Regel zwei Hauptbestandteile: ein Polyol und ein Polyisocyanat.
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Wenn diese beiden Substanzen reagieren, bilden sie ein festes Netzwerk aus Molekülen, das das Gerüst des Schaums bildet. Gleichzeitig reagieren die Isocyanate auch mit Wasser und produzieren Kohlendioxid. Dieses Gas erzeugt die Blasen, die das Material aufschäumen lassen, während das Polymer aushärtet.
Isocyanate spielen also zwei wesentliche Rollen: Sie sind an der Bildung des festen Materials beteiligt und produzieren einen Teil des Gases, das den Schaum erzeugt. Diese Verbindungen sind jedoch auch für ihre Toxizität bekannt, bevor sie reagiert haben, insbesondere für Haut und Atemwege. Ihre Verwendung wird daher zunehmend reglementiert.
Um eine Alternative zu finden, untersuchten Forscher des Institut Charles Sadron (CNRS) in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen SOPREMA eine andere chemische Reaktion, die sogenannte Aza-Michael-Reaktion. Sie basiert auf der Reaktion zwischen zwei Arten von Molekülen, einem Amin und einem Acrylat.
Diese beiden Flüssigkeiten reagieren leicht miteinander, ohne Lösungsmittel oder Katalysator. Ihre Reaktion bildet nach und nach ein festes Netzwerk von Polymeren, das in seiner Funktion mit dem von Polyurethanschäumen vergleichbar ist. Der Vorteil ist, dass keine Isocyanate erforderlich sind.
Diese Reaktion erzeugt jedoch kein Kohlendioxid. Um die für einen Schaum charakteristischen Blasen zu bilden, verwenden die Forscher daher ein Treibmittel namens Cyclopentan. Unter dem Einfluss der Wärme der chemischen Reaktion verdampft dieser Stoff und erzeugt die Hohlräume im Material.
Die ganze Herausforderung besteht nun darin, zwei Phänomene zu synchronisieren. Die chemische Reaktion muss genug Wärme freisetzen, um das Treibmittel verdampfen zu lassen, aber nicht zu schnell, damit die Struktur Zeit hat, auszuhärten und die Blasen einzuschließen.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein zweistufiges Herstellungsverfahren. Sie beginnen mit einer Vorreaktion mit einem Aminüberschuss. Dieser Schritt ermöglicht eine bessere Kontrolle der Viskosität der Mischung, der Reaktionsgeschwindigkeit und der erzeugten Wärme.
Durch die Anpassung dieses ersten Schritts gelang es dem Team, einen starren Schaum herzustellen, der nach starker Komprimierung bis zu 95 % seiner Höhe zurückgewinnen kann. Die erhaltene Struktur weist überwiegend offene Zellen auf.
Die Isolierleistung ist immer noch etwas geringer als die der besten handelsüblichen Schäume. Die Forscher sind jedoch der Ansicht, dass eine Optimierung der inneren Struktur und der Treibmittel diese Ergebnisse verbessern könnte.
Dieser Ansatz zeigt, dass es möglich ist, starre Polymerschaumstoffe ohne die Verwendung von Isocyanaten herzustellen. Langfristig könnte sie die Produktion von Isoliermaterialien ermöglichen, die sicherer für die Gesundheit und nachhaltiger sind.
Quelle: Chemical Engineering Journal