PolyurethanschÀume sind in vielen AlltagsgegenstÀnden vorhanden. Eine in der Chemical Engineering Journal veröffentlichte Studie zeigt, wie man Àhnliche SchÀume ohne die Verwendung von Isocyanaten herstellen kann.
PolyurethanschĂ€ume werden hĂ€ufig zur Isolierung von GebĂ€uden, zur Herstellung von Matratzen oder zum Schutz von Objekten wĂ€hrend des Transports verwendet. Ihre leichte, mit kleinen Blasen gefĂŒllte Struktur verleiht ihnen ausgezeichnete Isoliereigenschaften. FĂŒr 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 MolekĂŒlen, das das GerĂŒst des Schaums bildet. Gleichzeitig reagieren die Isocyanate auch mit Wasser und produzieren Kohlendioxid. Dieses Gas erzeugt die Blasen, die das Material aufschĂ€umen lassen, wĂ€hrend das Polymer aushĂ€rtet.
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 fĂŒr ihre ToxizitĂ€t bekannt, bevor sie reagiert haben, insbesondere fĂŒr 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 MolekĂŒlen, einem Amin und einem Acrylat.
Diese beiden FlĂŒssigkeiten 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 PolyurethanschĂ€umen vergleichbar ist. Der Vorteil ist, dass keine Isocyanate erforderlich sind.
Diese Reaktion erzeugt jedoch kein Kohlendioxid. Um die fĂŒr einen Schaum charakteristischen Blasen zu bilden, verwenden die Forscher daher ein Treibmittel namens Cyclopentan. Unter dem Einfluss der WĂ€rme der chemischen Reaktion verdampft dieser Stoff und erzeugt die HohlrĂ€ume im Material.
Die ganze Herausforderung besteht nun darin, zwei PhĂ€nomene zu synchronisieren. Die chemische Reaktion muss genug WĂ€rme freisetzen, um das Treibmittel verdampfen zu lassen, aber nicht zu schnell, damit die Struktur Zeit hat, auszuhĂ€rten und die Blasen einzuschlieĂen.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein zweistufiges Herstellungsverfahren. Sie beginnen mit einer Vorreaktion mit einem AminĂŒberschuss. Dieser Schritt ermöglicht eine bessere Kontrolle der ViskositĂ€t der Mischung, der Reaktionsgeschwindigkeit und der erzeugten WĂ€rme.
Durch die Anpassung dieses ersten Schritts gelang es dem Team, einen starren Schaum herzustellen, der nach starker Komprimierung bis zu 95 % seiner Höhe zurĂŒckgewinnen kann. Die erhaltene Struktur weist ĂŒberwiegend offene Zellen auf.
Die Isolierleistung ist immer noch etwas geringer als die der besten handelsĂŒblichen SchĂ€ume. 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 fĂŒr die Gesundheit und nachhaltiger sind.