F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R C he m ische Techn o l o g ie I C T

Umwelt Engineering – Polymere und Additive

Begleitung auf dem Weg vom Rohstoff zum Produkt und zurück zum Rohstoff

N a c hha lt ige r u n d e ffi z i e n te r U m g a n g m i t Res s ourc en i s t ei n Sc hwerpunkt der aktuel l en F ors c hu ng, unt erst üt z t v on de r P o l i ti k u n d zu n e h m e n d n ac hgefragt v on der W i rts c haft. Produkte und Produkti on sprozesse solle n m öglic h s t ö k o n o mi s ch u n d ö k o l o gi s c h effi z i ent und nac hhal ti g ges tal tet werden. D abei spielt die st off lic he Ve rwe rtu n g vo n P ro d u k tn e b ens trömen und Bi omas s en derz ei t ei ne bes ondere Ro lle. In der P roje k t gr uppe » P o l yme re u n d Ad d i ti v e « des Produktberei c hs U mwel t Engi neeri ng am F raunhof er ICT w e rde n K omp o n e n te n fü r mo d e r n e M ateri al i en aus nac hwac hs enden Rohs toffen und Prod ukt nebenst röm e n ge w o n n e n , u n te rs u ch t u n d fü r v ers c hi edene Produktanwendungen getes tet. D arüber hinaus w erde n t e c hnisc h e P o l yme rp ro d u k te ch e m i s c h rec y c el t um s i e auf der höc hs ten Werts c höpfungs ebene, der st off lic he n W i e d e rve rwe rtu n g , e i n s e tze n z u können. Zi el i s t es , neue und nac hhal ti ge Komponent en und P roz e sse f ür P o l yme rp ro d u k te z u e n twi c kel n.

Monomere und Additive Die Nutzung von Biomassen als Ausgangsmaterial für Polymerprodukte ist ein wichtiger Baustein im verantwortungsvollen und nachhaltigen Umgang mit Ressourcen. Um maßgeschneiderte Monomere und Additive zu erhalten, werden organisch-chemische Synthesen untersucht und technische Reaktionsverfahren im Labormaßstab getestet. Am Fraunhofer ICT wurden bereits verschiedenste biobasierte Moleküle zu Monomeren und Additiven umgesetzt darunter Fettsäuren (FS) und FS-Derivate (uter anderem aus Tallöl, Suberin und Pflanzenölen), Hydroxymethylfurfural und Fermentationsprodukte. Die erzielten Synthesebausteine sind meist mehrfach funktionale Ester, Amine, Alkohole oder Carbonsäuren, welche als Monomere für die Herstellung von Biopolymeren dienen oder zur Herstellung von biobasierten Additiven, wie Weichmacher, Tenside, Schmierstoffe oder Vernetzungsmittel. Auf diese Weise können verschiedenste biogene Komponenten maßgeschneidert synthetisiert werden, welche in unterschiedlichen Produktformulierungen Verwendung finden. Dabei wird auf klassische, moderne und teilweise maßgefertigte Synthesemethoden und Reaktionstechnologien zurückgegriffen. Konkrete Beispiele aus Projekten JJ

Gewinnung und Aufreinigung von Betulinolen und Suberin FS aus Birkenrinde

JJ

Oxidation von Furandicarbonsäure (FDCS) aus Hydroxymethylfurfural (HMF)

JJ

Metathese von Fettsäuren (FS, zum Beispiel Tallöl-FS und Ölsäure) zu langkettigen bifunktionalen Estern und verschiedenen Folgederivaten

JJ

Quantitative Spaltung von FS zu Azelainsäure und Perlagonsäure mittels Ozonolyse

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Synthese von FDCS-Ester und FS-Ester als Weichmacher für Thermoplaste

JJ

Synthese von FS basierte Vernetzungsmittel über Diels-Alder Addition

JJ

Aminierung und reduktive Aminierung sind aktuelle Forschungsgebiete des Fraunhofer ICT

Flammschutz Die Entwicklung und Testung von neuen Flammschutzmitteln, die toxikologisch für Mensch und Umwelt ungefährlich sind, ist ein wichtiges Thema für viele Produkte. Neben der Flammschutzwirkung spielt auch die Materialkompatibilität eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer toxischen und mutagenen Eigenschaften werden halogenhaltige Flammschutzmittel (FSM) zunehmend vom Markt genommen und eine gesetzliche Reglementierung von der EU evaluiert. Derzeit industriell verwendete Flammschutzmittel wie Melamin oder ATH zeigen im Vergleich mit halogenhaltigen Flammschutzmitteln einen weit geringeren Wirkungsgrad, welcher durch höhere Beladungen ausgeglichen werden muss. Dies verändert jedoch die mechanischen Eigenschaften der zu verarbeitenden Stoffe. Deshalb werden in der Projektgruppe neue effektive und kompatible Flammschutzmittel erforscht. Konkrete Beispiele aus Projekten JJ

Einarbeitung und Testung von Cyclophosphazentrimeren als Additive in PU-Weichschäumen und PA 6 im thermoplastischen RTM-Verfahren

JJ

Synthese phosphorhaltiger und polymerer FSM und Testung Ihrer Materialkompatibilität und Flammschutzwirkung

Chemisches Recycling Das Recycling von polymeren Nebenprodukten gewinnt in der Gesellschaft und Industrie stetig an Bedeutung. Eine besondere Herausforderung in der aktuellen Forschung ist das Recycling von Verbundwerkstoffen und komplexen Polymerformulierungen. Die Projektgruppe »Polymere und Additive« ist in verschiedenen industrienahen Projekten erfolgreich unterstützend tätig, um Polyester- und Polyurethanprodukte in Recyclate umzusetzen, welche als Rohstoffe für neue Polymerprodukte verwendet werden. Eine besondere Herausforderung im Recycling ist die Aufbereitung und Wiederverwertung von heterogenen bzw. verunreinigten Kunststoffabfallströmen. Untersucht werden Verfahren zur Depolymerisation, Recyclat-Aufreinigung und Wiederverwertung. F o t o s Konkrete Beispiele aus Projekten

Glühdraht-Test an einem

JJ

Gewinnung von farblosen hochreinen Recyclaten aus bunten PET-Flakes

thermoplastischen Demons-

JJ

Gewinnung von Recyclaten und Flammschutzmitteln aus PUR-Schaumprodukten

trator (oben) und maßge-

JJ

Einsatz von Recyclaten zur Herstellung neuer Produkte

schneiderter Aufbau eines Glasreaktors (rechts).

Biopolymere und Polymerprodukte Biobasierte Polymere können aus verschiedensten Substanzen von Biomassen gewonnen werden. Die Erschließung neuer Stoffströme auf Basis nachwachsender Rohstoffe erfordert unter Anderem die Synthese und Charakterisierung von Biopolymeren sowie Prozessentwicklung und Testung von Biopolymeren in der Anwendung bzw. im Endprodukt. In den vergangenen Jahren wurden am Fraunhofer ICT eine Vielzahl an Biopolymeren synthetisiert und untersucht. Zielpolymere sind bisher vornehmlich Polyester, Polyamide, Polyurethane und deren Copolymere, welche aus biobasierten Monomeren hergestellt und je nach Projektziel zu verschiedenen Polymerprodukten weiter verarbeitet wurden, zum Beispiel zu duromeren Beschichtungen und Schäumen sowie zu thermoplastischen Kunststoffen. Ein Schwerpunkt ist die Synthese von biobasierten Komponenten für Polyurethansysteme und deren Testung in verschiedenen Applikationen. Dabei werden die synthetisierten Komponenten mit Standardmethoden untersucht, charakterisiert und in Formulierungen eingearbeitet. Am Fraunhofer ICT wurden bereits thermoplastische PUR, PUR-Schäume, PUR-Beschichtungen und PUR-Schaumbeschichtungen aus biobasierten Polyolen hergestellt, welche teilweise aus ebenfalls eigener Produktion stammen. Konkrete Beispiele aus Projekten JJ

Entwicklung »Grüner« PUR-Schaumpolster für Flugzeugsitze, ein biobasierter Weichschaum mit etwa 22 Gewichts-% rein biogener Rohstoffe

JJ

Synthese thermoplastischer Polyester und Polyamide aus FDCS

JJ

Synthese thermoplastischer Polyester, Polyesterpolyole, Polyamide, Polyurethane und co-polymere Strukturen basierend auf mittel- und langkettigen FS-Derivaten

JJ

Entwicklung dünner Polyurethanschaumbeschichtungen

Leistungen JJ

Machbarkeitsstudien

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Auftragssynthesen

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Katalysator- und Parameterscreening

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Reaktions- und Prozessoptimierungen im Labormaßstab

JJ

Unterstützung bei Produktqualifizierung und Formulierungsentwicklung

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Einarbeitung und Testung von neuen und bekannten Flammschutzmitteln nach UL 94,

JJ

FMVSS 302, DIN 4102B, DIN 4589, FAR 25.853, Oxygen Index, Glow Wire Test.

Foto

Partnerschaft in bilateralen (unter GHV, Rahmenverträge) und öffentlich geförderten

Granulat und Zugstäbe aus

Projekten

biobasierten Polyamiden.

Umwelt Engineering – P o ly m e r e u n d a d d i t i v e

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7 76327 Pfinztal (Berghausen) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Peter Elsner Telefon +49 7 21 46 40-0

Kontakt Dr. Thorsten Anders Telefon +49 721 4640-872 Fax +49 721 4640-111 [email protected]

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www.ict.fraunhofer.de