Polyurethan ohne Isocyanat
Polyurethan ist ein echter Alleskönner: Es steckt in Matratzen und Autositzen, in Dämmplatten, Lacken und Katheterschläuchen. Seine Herstellung hat allerdings einen Haken – sie braucht Isocyanate, die giftig sind und Allergien oder Asthma auslösen können.
Im Projekt CO2NIPU haben vier Fraunhofer-Institute einen Weg gefunden, Polyurethan ganz ohne Isocyanate herzustellen. Einer der Rohstoffe: CO₂. Was das Verfahren kann, wo es an Grenzen stößt und wie es weitergeht.
CO₂ kurz erklärt
Was ist CO₂? Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen. Bei Raumtemperatur ist es ein farbloses, geruchloses und nicht brennbares Gas. In der Erdatmosphäre macht es etwa 0,04 Prozent aus.
Wie entsteht CO₂? Natürlich entsteht es bei der Zellatmung von Menschen, Tieren und Pflanzen, bei Zersetzungsprozessen und durch Vulkanismus. Durch den Menschen entsteht es vor allem beim Verbrennen von Kohle, Öl und Gas – in Kraftwerken, im Verkehr und in der Industrie.
Warum ist CO₂ ein Problem? CO₂ ist das wichtigste vom Menschen verursachte Treibhausgas. Steigt sein Anteil in der Atmosphäre, verstärkt sich der Treibhauseffekt und damit die Erderwärmung.
Wie kann CO₂ zum Rohstoff werden? CO₂ enthält Kohlenstoff, den Grundbaustein von Kunststoffen. Wird es etwa an Kraftwerken abgeschieden, kann es fossile Rohstoffe teilweise ersetzen. Im Projekt CO2NIPU reagiert CO₂ mit Methanol und Diaminen zu Dicarbamaten, aus denen Polyurethan entsteht.
Warum Isocyanate bei der Polyurethan-Herstellung ein Problem sind
Klassisch entsteht Polyurethan, indem Polyole mit Isocyanaten reagieren. Die Reaktion ist schnell, gut beherrscht und industriell tief verankert – seit fast 90 Jahren.
Die Schwachstelle sind dabei die Isocyanate selbst. Gängige Vertreter wie MDI und TDI reizen Haut, Augen und Atemwege und können Allergien und Asthma auslösen. Kritisch ist vor allem die Herstellung und Verarbeitung. Die EU hat nun darauf reagiert: Seit August 2023 dürfen Produkte mit mehr als 0,1 Prozent monomerem Diisocyanat beruflich nämlich nur noch von geschulten Anwenderinnen und Anwendern verarbeitet werden. Für Betriebe bedeutet das zusätzlichen Aufwand – und einen guten Grund, sich nach Alternativen umzusehen.
Polyurethan, Isocyanate und NIPU kurz erklärt
Was ist Polyurethan? Polyurethan (PU oder PUR) ist ein vielseitiger Kunststoff, den Otto Bayer 1937 in Leverkusen entwickelte. Klassisch entsteht er durch die Reaktion von Polyolen mit Isocyanaten. Je nach Rezeptur reicht das Spektrum von weichen Schäumen über Elastomere bis zu harten Duroplasten; dazu kommen Klebstoffe und Lacke.
Wo wird Polyurethan eingesetzt? Laut Fraunhofer IAP steckt PU unter anderem in Matratzen, Verpackungen, Sportartikeln, Dichtungen, Lacken, Klebstoffen, Bauschaum und Medizinprodukten.
Ist ausgehärtetes Polyurethan gefährlich? Im ausgehärteten Material sind die Isocyanate chemisch abreagiert. Das Risiko betrifft vor allem die Herstellung und Verarbeitung, etwa von frischem PU-Schaum oder flüssigen Harzen.
Was ist NIPU? NIPU steht für Non-Isocyanate Polyurethanes, also Polyurethane, die ohne Isocyanate hergestellt werden. Im Projekt CO2NIPU übernimmt Dicarbamat die Rolle des Isocyanats. Das Ergebnis hat laut Fraunhofer dieselbe Molekülstruktur wie klassisches PU.
Wie funktioniert isocyanatfreies Polyurethan (NIPU) aus CO₂?
Isocyanatfreie Polyurethane – kurz NIPU, für Non-Isocyanate Polyurethanes – beschäftigen die Forschung schon länger. Laut Fraunhofer ist es im Projekt CO2NIPU nun erstmals gelungen, Polyurethane ganz ohne Isocyanate herzustellen. Die Leitung liegt beim Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam, Projektleiter ist Dr. Christoph Herfurth. Mit an Bord sind die Fraunhofer-Institute ICT, IFAM und UMSICHT.
Der Kern des Ansatzes? Statt Isocyanat kommt Dicarbamat zum Einsatz. Es gilt laut Fraunhofer als unbedenklich – eine spezielle Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter wäre damit nicht nötig. Hergestellt wird das Dicarbamat bei Fraunhofer UMSICHT in einem Hochdruckverfahren: Bei 50 bar reagieren Methanol und CO₂ mit Diaminen. Laut IAP-Jahresbericht sollen die Amine zudem aus dem chemischen Recycling alter Polyurethane stammen. Ein Treibhausgas wird so zum Baustein eines Kunststoffs – und Altmaterial soll gleich einen weiteren liefern. Das CO₂ soll laut IAP möglichst konzentriert direkt an der Quelle abgeschieden werden, etwa in Kraftwerken.
Das Verfahren funktioniert dabei wie ein Baukasten aus drei Komponenten: Das Dicarbamat startet die chemische Reaktion, Polymerdiole machen den Kunststoff weich, und Kettenverlängerer vernetzen die Molekülgruppen und sorgen je nach Bedarf für elastische oder klebende Eigenschaften. Die Komponenten werden gemischt, bei 180 bis 190 Grad Celsius geschmolzen und gerührt. Anschließend prüft das Team Zugfestigkeit und Elastizität.
Polyurethane aus Dicarbamaten besitzen identische Molekülstrukturen wie klassische PUR aus Isocyanaten.
Und weil am Ende dieselbe Molekülstruktur steht, lässt sich vorhandenes Know-how aus der klassischen PU-Welt übertragen. Laut IAP ähneln auch die Verarbeitungseigenschaften denen herkömmlicher thermoplastischer Polyurethane (TPU), was die Integration in bestehende Prozesse erleichtert. Deutlich unterscheidet sich dagegen das Tempo. Klassische PU entstehen oft in wenigen Minuten, der Dicarbamat-Prozess braucht sechs bis acht Stunden. Was nach Geduldsprobe klingt, verbuchen die Forschenden als Vorteil: Die langsamere Reaktion sei besser steuerbar und reduziere Ausschuss und Qualitätsschwankungen. Zudem lässt sich die Synthese laut IAP analog zu klassischen Polykondensationsverfahren durchführen, wie man sie etwa von PET kennt – eine großtechnische Produktion halten die Forschenden deshalb für wahrscheinlich.
Grenzen und erste Anwendungen
Die erste konkrete Anwendung sind biokompatible Katheterschläuche. Dass die Wahl auf die Medizintechnik fiel, ist dabei kein Zufall. Laut IAP weisen die NIPU weniger Vernetzungen auf, bilden keine Gelpartikel und erreichen eine hohe Chargenkonstanz – Eigenschaften, auf die es bei Medizinprodukten besonders ankommt. Zudem seien die Materialien als biokompatibel zertifizierbar. Die Partnerinstitute ergänzen das Bild: Fraunhofer IFAM entwickelt mit demselben Baukastensystem Klebstoffe, mit denen Kanülen an den Schläuchen befestigt werden.
Ganz neu ist die Idee, CO₂ in Polyurethan einzubauen, übrigens nicht. Covestro nahm bereits 2016 in Dormagen eine Anlage mit einer Kapazität von 5.000 Tonnen pro Jahr in Betrieb (chemie.de). Bei diesem Verfahren ersetzt CO₂ nach Unternehmensangaben rund 20 Prozent des Polyols. Daraus entstehen unter anderem Weichschäume für Matratzen und Polstermöbel. Der Unterschied: Bei diesem Weg reagiert das CO₂-Polyol weiterhin mit Isocyanat. CO2NIPU setzt an der anderen Komponente an – und macht das Isocyanat überflüssig. So vielversprechend der Ansatz ist – ein Selbstläufer ist er nicht. Einige Grenzen gelten für CO₂-basierte Kunststoffe generell, andere speziell für CO2NIPU:
- CO₂ ist reaktionsträge. Das Molekül ist chemisch gesehen „ausgebrannt“ und lässt sich nur mit Energie, Druck oder Katalysatoren zur Reaktion bringen. Bei CO2NIPU sind das 50 bar für die Dicarbamat-Synthese sowie 180 bis 190 Grad Celsius über mehrere Stunden.
- Keine dauerhafte CO₂-Senke. Das CO₂ bleibt über die Lebensdauer des Produkts gebunden. Wird der Kunststoff am Ende verbrannt, gelangt es zurück in die Atmosphäre.
- Schäume, Lacke und Klebstoffe sind die nächste Hürde. Thermoplastische NIPU funktionieren bereits. Für reaktive Formulierungen wie Schaumstoffe, Lacke und Klebstoffe braucht es dagegen spezifische Reaktivitätsprofile – das IAP nennt dies selbst als zentrale Herausforderung.
Die nächste K 2028 findet vom 18. bis 25. Oktober 2028 in Düsseldorf statt. Bis dahin dürfte sich zeigen, ob der Sprung aus dem Technikum in den Pilotmaßstab gelingt – und ob sich isocyanatfreie Polyurethane über die Medizintechnik hinaus durchsetzen. Alternative Rohstoffe und Kreislaufwirtschaft zählen schon heute zu den Schlüsselthemen der Branche.
Aussteller & Produkte rund um Kunststoffverarbeitung
Autorin: Ann-Kathrin Ullrich| K-Mag
Ann-Kathrin Ullrich erzählt gerne, wie neue Ideen aus Forschung, Technik und Industrie den Alltag verändern. Neben ihrer Arbeit für das EuroShop-Mag widmet sie sich im K-Mag den Werkstoffen Kunststoff und Kautschuk: von neuen Materialien und Verarbeitungsverfahren über Prüftechnik bis hin zu Fragen der Kreislaufwirtschaft.
