Flammhemmende und migrationsarme biobasierte Primärweichmacher für Weich‐PVC (FlaMiBioWM)

BMWi IGF 21183 BR | Laufzeit: 05.2020 – 04.2022 Maren Lehmann, FILK Freiberg; Zuhair Saleem, PPM Magdeburg
  • Categories:
  • Biogene Rohstoffe
  • Funktionale Schichtsysteme
  • Technische Textilien/Composite

Ausgangssituation

Vor dem Hintergrund der Verknappung fossiler Rohstoffe, strikter werdender Regularien zum Einsatz von etablierten Weichmachern sowie dem öffentlichen Interesse an „grüner Chemie“ gibt es vor allem bei Weich-PVC einen großen Bedarf an alternativen, nachhaltigen Weichmachern aus nachwachsenden Ressourcen. In begrenztem Umfang werden bereits biobasierte Weichmacher in sensiblen Bereichen wie der Lebens­mittel­verpackung, Baby­artikeln und Kinder­spiel­zeugen eingesetzt. Der Trend geht hin zu Weich­machern für spezielle Anwendungs­gebiete, in denen die Weich­macher hohe Anforderungen an Leistung, Kosten, Verfüg­barkeit und Umwelt- und Gesund­heits­risiken erfüllen müssen. Im Bereich der Flamm­schutz­mittel ist eben­falls eine intensive Entwicklung weg von schwermetall- und halogen­haltigen Produkten hin zu umwelt­freundlicheren Systemen erkennbar. Zu diesen gehören polymere Flamm­schutz­mittel, phosphor- und/oder stick­stoff­basierte und synergistisch wirkende Systeme. Durch die Weiter­entwicklung von Flamm­schutz­mitteln und Weich­machern werden nicht nur die Eigen­schaften verbessert, sondern auch neue Einsatz­bereiche und Märkte erschlossen. Die Integration des Flamm­schutzes in den Weich­macher sollte die Mini­mierung der Nach­teile der einzelnen Additive bewirken.

Projektziel

Ziel war die Entwicklung und Applikation von biobasierten Weich­machern für PVC mit einer flamm­hemmenden Wirkung und verringerter Migrations­neigung. Durch die Kopplung von pflanzen­öl­basierten Fett­säure­estern und Phosphon­säure­estern sollte die flamm­hemmende Funktion in Weich­macher­moleküle integriert werden. Die Opti­mierung von Eigen­schaften wie Flüchtigkeit und Migration, die Reduzierung der notwendigen Einsatz­mengen sowie die Verbesserung der mechanischen Material­eigen­schaften wurden dabei angestrebt.

Lösungsweg

Dafür wurden pflanzenöl­basierte, ungesättigte Fettsäure­ester chemisch so modifi­ziert, dass sie Phosphonat­gruppen enthielten und zu Molekülen mit deutlich unter­schied­lichen Molmassen führten. Dies geschah, indem die Säure­gruppen mit verschiedenen einwertigen Alkoholen umge­estert und die Doppel­bindungen anschlie­ßend mit Phosphon­säure­estern mit variierender Alkyl­gruppen­größe umge­setzt wurden. Die herge­stellten Verbindungen wurden hinsicht­lich ihrer chemischen Struktur und ihrer weichmacher­spezifischen Eigen­schaften analysiert. Anwendungs­bezogene Untersuchungen im Labor- und klein­technischen Maßstab mit Prüfung der Material­eigen­schaften einschließlich des Brand­verhaltens zeigten mögliche Einsatz­bereiche der syntheti­sierten Verbindungen auf.

Ergebnisse | Nutzen

Es konnte gezeigt werden, dass sich aus Pflanzenölen aus regional vorkommenden, nach­wachsenden Roh­stoffen durch chemische Modifi­kation flamm­hemmende, migra­tionsarme Weich­macher herstellen lassen. Durch die im Fett­säure­ester eingebaute Phosphonat­gruppe konnten Weich­macher mit einem sehr guten Gelier­vermögen und Weich­macher­eigen­schaften ähnlich oder besser denen von kommerziell verfüg­baren Weich­machern erhalten werden. Durch den enthaltenen Phosphor wurde zusätzlich eine Brand­hemmung und ein ausreichender Flamm­schutz von Weich-PVC-Produkten auch ohne den Einsatz schwer­metall­haltiger Flamm­schutz­mittel oder stark migrierender, phenol­haltiger Weich­macher ermöglicht. Die Ergebnisse des Forschungs­vorhabens sind somit auch ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von Weich-PVC-Produkten mit weniger umwelt- und/oder gesund­heits­belastenden Additiven.

Spezial­anwendungen, wie sie meist von KMUs bedient werden, erfordern spezielle Weich­macher mit angepasstem Eigen­schafts­profil. Von den Projekt­ergebnissen werden unter anderem Hersteller techni­scher Textilien, Kunst­leder oder Folien sowie Verarbeiter von Weich-PVC-Produkten und Chemikalien­hersteller (Bio­masse­konversion, Weichmacher) profi­tieren.

   

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21183 BR wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der “Industriellen Gemein­schafts­forschung und -entwicklung (IGF)” vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klima­schutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.

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