Technik 5. April 2024

Biobasierte PUR-Schäume effizient erforschen

Ein F&E-Projekt zu biobasierten PUR-Schäumen nutzt für Tests die Pilot-Dosieranlage Labfoam von Hennecke. Sie ermöglicht eine große Bandbreite an Versuchsreihen.

Im Rahmen des EU-Projektes Biomat erforscht ein Team der Hochschule Kaiserslautern den Einsatz von biobasierten oder recyclingbasierten Rohstoffen für PUR-Schäume. Die Praxistests werden mit der Pilot-Dosieranlage Labfoam von Hennecke durchgeführt.

Biobasierte Rohstoffe gewinnen auch bei der Herstellung von PUR-Schäumen zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grund wurde 2021 das F&E-Projekt „Biomat“ ins Leben gerufen. In dem von der EU geförderten Projekt forschen Wissenschaftler aus acht Nationen u.a. an der Entwicklung von PUR-Schaumstoffe mit einem hohen Anteil biobasierter Rohstoffe. Ziel von Biomat ist es, mehr als die Hälfte des eingesetzten Materials durch biobasierte Rohstoffe zu ersetzen.

Im Rahmen dieses Projektes erforscht ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Gregor Grun und Prof. Dr. Sergiy Grishchuk an der Hochschule Kaiserslautern den Einsatz von biobasierten oder recyclingbasierten Rohstoffen in der semi-industriellen PUR-Verarbeitung. Für die zahlreichen Praxistests wird die Pilot-Dosieranlage Labfoam von Hennecke eingesetzt.

Zahlreiche Versuche mit biobasierten Rohstoffen

Das Forschungsvorhaben erfordert zahlreiche Versuche mit verschiedenen neuen Rohstoffen in unterschiedlichsten Formulierungen, um das jeweilige Schäumungsverhalten, die Haltbarkeit sowie weitere Eigenschaften der Produkte zu untersuchen. Um die althergebrachten „Bechertests“ zu vermeiden und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wurde 2022 eine Hennecke Labfoam am Campus Pirmasens der Hochschule Kaiserslautern in Betrieb genommen.

Neue Rezepturen auf einer herkömmlichen Blockschaumanlage zu entwickeln und zu testen, ist ein ressourcenintensives Unterfangen. Deshalb hat Hennecke die Labfoam entwickelt, die – vereinfacht gesagt – den Reaktivteil (Nassteil) einer kontinuierlichen Produktionsanlage im Kleinen nachbildet und Versuchsreihen mit geringen Austragsmengen ermöglicht. Trotzdem erzielt sie Ergebnisse, die in ihrer Qualität nahezu denen einer kontinuierlichen Produktionsanlage entsprechen.

Große Bandbreite an möglichen Versuchsreihen

Dabei kommen hochpräzise Hochdruck-Dosierpumpen und die Hennecke-Mischtechnik zum Einsatz. Darüber hinaus ist jede einzelne Dosierlinie für die Verarbeitung eines anwendungsspezifischen Rohstoffspektrums ausgelegt, sodass eine ebenso große Bandbreite an möglichen Versuchsreihen realisiert werden kann. Mit minimalem Rohstoffeinsatz können so präzise die Ergebnisse einer hochskalierbaren industriellen Produktion simuliert und getestet werden.

Biopolyole aus organischen Abfällen

Am Campus Pirmasens werden nun die Materialeigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Biopolyolen untersucht – auch im konkreten Auftrag von Industrieunternehmen. „Biopolyole werden vorzugsweise aus organischem Abfall gewonnen“, erklärt Prof. Dr. Grun. Dabei kann es sich um Fettsäuren, Triglyceride, Zucker oder andere geeignete organische Reststoffe handeln. Allerdings sind viele dieser Materialien derzeit noch schwierig kommerziell zu beziehen.

Eine besondere Herausforderung beim Einsatz von Biopolyolen ist zudem, dass sie aus sekundären Hydroxylgruppen bestehen und daher vergleichsweise langsam reagieren. Gleichzeitig muss auf die geringe Fließfähigkeit vieler Biopolyole geachtet werden, für welche die Labfoam jedoch geeignet ist, da sie für Viskositäten bis zu 35.000 mPas ausgelegt ist.

Recycling von PUR-Schäumen verbessern

Neben der Gewinnung von Biopolyolen wird in der Polymer-Fachabteilung in Pirmasens unter anderem auch an der Synthetisierung von Biopolyestern geforscht, um möglichst kompostierbare Materialien herzustellen oder das Recycling von PUR-Schäumen zu verbessern.

Dass die Wahl der Universität auf die Laboranlage Labfoam von Hennecke fiel, hat mehrere gute Gründe. Besonders wichtig waren dem Forscherteam Automatisierbarkeit, Unabhängigkeit der einzelnen Dosierlinien und individuell einstellbare Parameter für die bis zu 25 verschiedenen Rohstoff-Komponenten.

„Ein Pluspunkt der Labfoam ist zudem die patentierte Novaflex-Technologie zur Herstellung von CO₂-getriebenen Schäumen, was den Einsatz von umwelt- und gesundheitsschädlichen Treibmitteln vermeidet und bei Laboranlagen einzigartig ist“, betont Prof. Dr. Grishchuk. Gleichzeitig überzeugt die Anlage durch ihren geringen Platzbedarf von weniger als 10 m².

Die Anlagensteuerung Foamware bei Labfoam ist identisch mit der Bedienung von kontinuierlichen Produktionsanlagen. „Mit wenigen Klicks können wir neue Rezepturen mit unterschiedlichsten Komponenten und Additiven erstellen, an die Maschine senden und mit den Tests beginnen“, berichtet Philipp Haag, Doktorand im Team und einer der Labfoam-Bediener. Gegenüber dem Mischen von Hand bedeutet dies einen erheblichen Vorteil in Bezug auf Genauigkeit, Zeitersparnis, Rohstoffverbrauch und Qualität des Schaums.

Bis zu 65 % biobasierter Anteil im PUR-Schaum

Die Resultate des ersten Einsatzjahres sind vielversprechend. So ist es bereits jetzt möglich, PUR-Weichschaum mit einem biobasierten Anteil von rund 65 % herzustellen, ohne Qualitätseinbußen hinnehmen zu müssen.

„Ein weiterer Aspekt der Labfoam ist, dass sie sich nicht auf die Herstellung von Weichschäumen beschränkt“, ergänzt Prof. Sergiy Grishchuk. Grund genug für die Forscher, auch den Einsatz von organischen Materialien in halbweichen PUR-Schäumen oder in PUR-Hartschäumen zu untersuchen, wie sie zur Isolierung in Bauelementen mit Sandwichstruktur verwendet werden. „Ich kann mir auch vorstellen, dass andere Arten von Prepolymeren, zum Beispiel Epoxid-Prepolymere, in der Anlage verarbeitet und untersucht werden“, so Prof. Grishchuk.

Für Hennecke bietet der Wissens- und Informationsaustausch im Rahmen des Projekts Biomat mit der Hochschule Kaiserslautern einen wichtigen Mehrwert, insbesondere im Hinblick auf neue Marktanforderungen in Bezug auf nachhaltige Rohstofflösungen. mg