Nachhaltige Polyurethan-Produktion ohne giftiges Isocyanat

Ein Forschungsteam der Fraunhofer‑Institute hat ein neues Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen entwickelt, das auf giftiges Isocyanat verzichtet.

Bei der Herstellung von Polyurethanen kommt bislang das giftige Isocyanat zum Einsatz. Fraunhofer‑Forschende haben nun ein alternatives Verfahren entwickelt, das auf dem unbedenklichen Dicarbamat basiert. Isocyanate gelten als toxisch und können Allergien oder Asthma auslösen. Sie werden jedoch weiterhin für die Produktion von Polyurethanen (PUR) benötigt, die in vielen Anwendungen vorkommen, etwa in Polstermöbeln, Schaum‑ und Dämmstoffen, Fußböden, Lacken oder medizinischen Katheterschläuchen. Im Endprodukt sind Isocyanate zwar nicht mehr enthalten, doch in der Herstellung sind besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Im Projekt "CO2NIPU" (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU) ist es dem Team um Projektleiter Christoph Herfurth vom Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gelungen, Polyurethane ohne den Einsatz von Isocyanaten herzustellen. Dafür ersetzten die Forscher Isocyanat durch Dicarbamat. Das Verfahren soll die Produktion von Kunststoffen vereinfachen und sicherer machen, da keine besonderen Schutzmaßnahmen gegen die toxische Substanz mehr nötig sind. Nach Angaben der Beteiligten entstehen zudem weniger Treibhausgasemissionen, weil Kohlenstoffdioxid für die Herstellung von Dicarbamat genutzt wird. Parallel entwickeln die Forschenden Recyclingmethoden, um gebrauchte PUR‑Materialien weiterzuverwenden.

Am Gemeinschaftsprojekt waren neben den Fraunhofer IAP auch das Fraunhofer Institut für Chemische Technologien ICT, das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und das Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT beteiligt. Polyurethane aus Dicarbamaten besitzen laut Projektteam identische Molekülstrukturen wie klassische PUR aus Isocyanaten. Dadurch kann vorhandenes Know‑how genutzt werden, um gewünschte Materialeigenschaften zu erzielen.

Baukastensystem für die Materialeigenschaften

Das Verfahren wurde in Richtung industrieller Umsetzbarkeit weiterentwickelt. Verschiedene Chemikalien werden in definierten Verhältnissen gemischt, um bestimmte Eigenschaften zu erzeugen. Sogenannte Kettenverlängerer vernetzen Molekülgruppen und beeinflussen Elastizität oder Klebeigenschaften. Polymerdiole machen den Kunststoff weich, während Dicarbamat als Isocyanat‑Ersatz den chemischen Prozess startet. Die Mischung wird bei Temperaturen zwischen 180 und 190 °C geschmolzen und gerührt. Nach dem Abkühlen prüfen die Fachleute Merkmale wie Zugfestigkeit oder Elastizität.

Da Isocyanate hochreaktiv sind, entstehen Polyurethane üblicherweise innerhalb weniger Minuten. Dicarbamate reagieren langsamer, sodass der Prozess sechs bis acht Stunden dauert. Dies soll jedoch eine bessere Steuerbarkeit ermöglichen und Ausschuss sowie Qualitätsschwankungen reduzieren.

Kreislaufwirtschaft für die Kunststoffindustrie

Dicarbamate werden beim Projektpartner Fraunhofer UMSICHT mithilfe eines Hochdruckverfahrens hergestellt. Bei einem Druck von 50 bar werden Methanol und das Kohlenstoffdioxid mit Diaminen zu Dicarbamaten synthetisiert. Das Fraunhofer ICT entwickelt parallel Recyclingverfahren für gebrauchte Polyurethane, etwa aus alten Schaumstoffen, die 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 prüfen die Forscher biokompatiblen Katheterschläuchen für die Medizintechnik. Das Fraunhofer IFAM nutzt das modulare Baukastensystem für die Entwicklung von Klebstoffen, um Kanülen an den Schlauch zu kleben. Die Technologie zur Produktion isocyanatfreier Polyurethane ist inzwischen über das Laborniveau hinaus erprobt. "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.