Untersuchung der Hydrolysestabilität von TPUs auf Basis Polyesterpolyole mit Biosuccinium-(Bio-Bernsteinsäure)-Anteil

Lawrence Theunissen, Reverdia V.O.F., Geleen, Niederlande

Green_shoesHeutzutage ist Nachhaltigkeit in vielen Industrien ein wichtiger Geschäftstreiber und die Polyurethanindustrie ist keine Ausnahme.

Obwohl Polyurethananwendungen bereits auf vielen Gebieten einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten (langlebige Elastomere, Isolierschäume usw.), ermöglicht der Einsatz von erneuerbaren Rohstoffen für Bio-basierte Polyurethane eine noch nachhaltigere Wertschöpfungskette, was zu einer größeren Auswahl an Konsumgütern mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit und deutlich niedrigerer Umweltbelastung führt.

Biosuccinium, bio-basierte Bernsteinsäure, ist so ein 100 %iger erneuerbarer Rohstoff, der mit einer patentierten Hefe-basierten Fermentation hergestellt wird. Reverdia ist der Produzent und gewährleistet die beste und nachhaltigste Fermentationstechnologie, die seit 2008 zur Herstellung von biobasierter Bernsteinsäure entwickelt wurde. Die neue Anlage mit einer Kapazität von 10.000 Tonnen steht auf dem Werksgelände Roquette in Cassano Spinola, Italien, und ist seit Ende 2012 in Betrieb.

Reverdia arbeitet mit diversen Partnern entlang der Wertschöpfungskette, um die Akzeptanz von Bernsteinsäure in Polyurethananwendungen zu unterstützen und beschleunigen. Mehrere Studien haben bereits bestätigt dass Biosuccinium eine praktikable Alternative zu herkömmlicher Adipinsäure (auf Erdölbasis) in Polyesterpolyolen ist.

Biosuccinium hat eine sehr ähnliche Molekularstruktur wie die üblicherweise verwendete Adipinsäure und Bernsteinsäure-Polyole können daher als nachhaltige Alternative zu Adipat-Polyolen angesehen werden. Solche Bernsteinsäure-basierten Polyesterpolyole repräsentieren eine wertvolle Ergänzung des bestehenden Polyesterpolyol-Portfolios. Frühere Studien haben im Allgemeinen belegt, dass Bernsteinsäure-basierte Polyole und Polyurethane die Eigenschaftsanforderungen in vielen kommerziellen Anwendungen erfüllt oder sogar übertroffen haben, so z. B. in Elastomeren, Klebstoffe,n Schäumen und Beschichtungen. Unter Verwendung handelsüblicher Diole kann eine Bandbreite von Polyolen formuliert werden, um ein breites Spektrum an Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Trotzdem wird es in einigen Fällen signifikante Unterschiede in den Eigenschaften geben, die meisten davon können durch einen genaueren Blick auf die Molekularstruktur erklärt werden. Im Vergleich zu Adipinsäure, die eine Dicarbonsäure mit einer C6-Kettenlänge ist, hat Bernsteinsäure eine C4-Struktur. Durch die kürzere Kettenlänge enthält das Polyesterpolyol eine größere Anzahl von Estergruppen, woraus sich eine höhere Polarität ergibt. Unter sorgfältiger Verwendung kann diese Charakteristik zum Vorteil genutzt werden und liefert ein Eigenschaftsprofil, das mit herkömmlichen Adipat-Formulierungen nicht erreicht werden kann.

Zum Beispiel führt die höhere Polarität zu einer vermehrten intermolekularen Interaktion zwischen den Polyolsegmenten selbst. Abhängig von der Formulierung führt diese Interaktion zu einer höheren Kristallinität der Polyole, was bei der Entwicklung von Polyolsystemen für reaktive PU-Hotmelt-Klebstoffe durchaus nützlich ist.
 
Außerdem führt die höhere Polarität zu einem veränderten Verhalten der Polyurethane in polaren und unpolaren Medien. Durch die geringere Interaktion mit unpolaren Medien (wie z. B. Lösungsmittel) verringert sich das Quellverhalten und erhöht die Lebensdauer von beispielsweise (Druck-)Walzen und anderen Produkten, die mit Lösungsmitteln in Kontakt kommen. Andererseits führt die stärkere Interaktion mit polaren Medien (wie z. B. Wasser) zu einer höheren Hydrolyseanfälligkeit. Da der Kontakt zu Wasser oder Luftfeuchtigkeit in vielen Anwendungen gegeben ist, wurde die Hydrolysestabilität in einer Reihe von Polyurethanformulierungen getestet.

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Heutzutage sind hocheffiziente Hydrolysestabilisatoren kommerziell im Markt verfügbar. Diese wurden bei verschiedenen TPU-Herstellern eingesetzt, um die Hydrolyseanforderungen für TPUs in z. B. Schuhanwendungen zu erfüllen. Allerdings sollten vorzugsweise die erforderlichen Polyurethaneigenschaften durch sorgfältige Auswahl der Polyol- und Polyurethanformulierungen erreicht werden.
Kürzlich hat Reverdia ein Evaluierungsprogramm zur Ermittlung der Hydrolysestabilität in Polyurethanen als Funktion des Estergehalts abgeschlossen. Hierzu wurden Polyole und TPUs unter Verwendung einer Reihe unterschiedlicher Dicarbonsäuren (inklusive Bernstein-, Adipin- und Sebacinsäure oder einem Gemisch) kombiniert und mit 1,4-BDO, 1,3-PDO und 1,6-HDO synthetisiert. Das wesentliche Ziel dieses Projekts war die Optimierung der Hydrolysestabilität unter Beibehaltung der Balance von allgemeinen Eigenschaften, Nachhaltigkeit und den Rohstoffkosten für TPU-Elastomere.
Die Ergebnisse dieser Ausarbeitung werden auf dem 7. PU-Elastomer-Branchentreff (siehe Veranstaltungskalender), der vom
13.–14. September 2017 in Nürtingen stattfindet, präsentiert.

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