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

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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