Ausgangssituation
Hochwertige PUR-Kunstleder für Polstermaterialien kommen in zahlreichen Anwendungen wie dem Objektbereich, dem Hospital- und Pflegebereich, dem Sport- und Wellnessbereich sowie dem Mobilbereich zum Einsatz. Angewandte Formulierungen für PUR-Kunstleder enthalten zum größten Teil petrochemisch basierte Isocyanate, Polyole und Additive, das textile Trägermaterial besteht zumeist aus chemischen Fasern wie Polyester. Die Bestrebungen gehen dahin, die Komponenten für die Kunststoffproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen.
Biobasierte Polyole für die PUR-Herstellung sind bereits seit einigen Jahren bekannt und bei verschiedenen Produzenten kommerziell erhältlich. Isocyanate auf Basis nachwachsender Rohstoffe sind dagegen vergleichsweise neu. Aliphatische Isocyanate sind reaktionsträge, sodass deren Reaktion mit Polyolen zum Polyurethan üblicherweise katalysiert werden muss, um die Reaktionstemperatur zu senken. Häufig werden dafür zinnorganische Verbindungen eingesetzt. Aufgrund der gesundheitsrelevanten Problematik zinnorganischer Verbindungen setzten vor einigen Jahren Bemühungen ein, alternative toxikologisch unbedenkliche Katalysatoren für die Polyurethansynthese zu entwickeln.
Projektziel
Ziel des Projektes war die Entwicklung von biobasierten lösemittelfreien PUR-Formulierungen für die verschiedenen Schichten eines PUR-Kunstleders: Deckschicht, Schaumschicht, Haftschicht. In Kombination mit einem Naturfasertextil sollte ein geschäumtes PUR-Kunstleder mit einem Anteil an biobasierten Edukten zwischen 85 – 90 % realisiert werden. Aus den angepassten Beschichtungsmassen sollte der Schichtaufbau durch eine Streichbeschichtung im Transferverfahren erfolgen, in den das Textil kaschiert wird. Als Naturfasertextilien wurden im Projekt Baumwolle und Hanf favorisiert.
Lösungsweg
Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt:
Untersuchung der exothermen Vernetzungsreaktion in Abhängigkeit unterschiedlicher Polyole, Isocyanate und organozinnfreier Katalysatoren mittels DSC
Untersuchungen zur Schichtbildung und Entwicklung der Basisformulierung
Entwicklung der einzelnen Schichtformulierungen und Kaschierung mit Naturfasertextilien
Verbundherstellung und Optimierung der einzelnen Schichten
Upscaling zur kontinuierlichen Verbundherstellung im kleintechnischen Maßstab
Abb. 1: Lichtmikroskopische (oben) und REM-Aufnahmen (unten) von im Technikumsmaßstab hergestellten biobasierten Kunstledern – links: Variante 1 mit Hanftextil, Mitte: Variante 2a, rechts: Variante 2b mit Baumwolltextil
Ergebnisse | Nutzen
Die entwickelten Verbundmaterialien basieren in der PUR-Beschichtung zu etwa 85 % und im Verbund zu etwa 90 % auf nachwachsenden oder mineralischen Rohstoffen. Die Formulierungen für die einzelnen Lagen (Deckschicht, Schaumschicht, Haftschicht) sind 100 % 2K-PUR-Systeme und enthalten somit weder organische Lösemittel noch Wasser.
Für die Absenkung der Vernetzungstemperatur wurde ein toxikologisch unbedenklicher Katalysator eingesetzt. Die Grundlage für die Ableitung der optimalen Prozessparameter bildeten systematische Untersuchungen der Abhängigkeiten der Vernetzungstemperatur, Vernetzungszeit und des Verarbeitungsfensters von unterschiedlichen Katalysatoren und deren Konzentrationen, weiteren Additiven sowie der Schichtdicke. Darauf basierend wurden optimierte biobasierte PUR-Kunstleder im Technikumsmaßstab hergestellt und umfassend charakterisiert. Hervorzuheben sind insbesondere die sehr gute Abriebfestigkeit (> 100.000 Touren nach DIN EN ISO 5470-2), Reibechtheit (Noten 5/5 A03/A02, DIN EN ISO 105-X12) und Lichtechtheit (Note 8 BM, DIN EN ISO 105-B02) sowie die geringe Fleckenempfindlichkeit und gute Chemikalienbeständigkeit.
Seitens der Industrie besteht ein großes Interesse an nachhaltig produzierten und schadstofffreien Verbundmaterialien. Durch die Anwendung der neu entwickelten Formulierungen werden Unternehmen klare Wettbewerbsvorteile erhalten.
Dank
Das Forschungsvorhaben Reg.-Nr.: 49MF200140 „PUR-Kunstleder mit mehr als 85 % biobasiertem Materialanteil“ wurde anteilig vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages innerhalb des Förderprogramms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen – Innovationskompetenz (INNO-KOM) – Modul Marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projektträger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
