Am Fraunhofer IAP wurde eine Folie entwickelt, die sich durch Wärmezufuhr zu einem Polyurethan-Schaum aufschäumen lässt. Das hat Vorteile für Lagerung und Transport des Materials, das unter Namen wie Bau- oder Montageschaum auch im Bauwesen zum Einsatz kommt. Weiterer Vorteil: Beim Aufschäumen der Folie kommt es nicht zur Freisetzung gesundheitsgefährdender Isocyanate.
Für das innovative Produkt haben sich die Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP den Namen FOIM ausgedacht. Das Kunstwort kombiniert die englischen Wörter „foil“ (Folie) und „foam“ (Schaum).
Die neuartige Folie formt sich allein durch Wärmezufuhr – bei 60 °C – in einen Polyurethan-Schaum ( PU-Schaum ) um. Dies geschieht ohne chemische Reaktion und damit auch ohne Freisetzung von Isocyanaten. Die Entwicklung des Fraunhofer IAP bedeutet zugleich eine neue Technologie für die Schaumherstellung selbst: das thermische Schäumen.
Herkömmlicher PU-Schaum
FOIM ist ein weich-elastischer PU-Schaum mit einer Dichte von 80 kg/m3. Damit handelt es sich um einen Schaum von niedriger Dichte gemäß DIN EN ISO 3386-1. Solche PU-Schäume kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz, da man mit ihnen selbst komplexe geometrische Formen effektiv ausschäumen kann. Möbelhersteller nutzen sie für Polster, die Verpackungsindustrie schützt damit zerbrechliche Waren beim Transport, Automobilherstellern dient das Material zur Dämmung oder Verkleidung im Fahrzeuginneren.
Im Bauwesen nutzt man PU-Schaum unter anderem zum Kleben und Abdichten sowie natürlich als dämmendes Material für Hohlräume – zum Beispiel beim Hinterfüllen von Tür- und Fensterzargen . Klassischen Bauschaum schätzen Bauhandwerker vor allem wegen der einfachen Verarbeitung und der schnellen Aushärtung. Er wird in Dosen mit Spritzmechanismus verkauft und ist anfangs flüssig. Erst bei der Anwendung auf der Baustelle – also außerhalb der Dose – quillt das Material zu Schaum auf, indem es mit der Feuchtigkeit aus der Umgebung reagiert.
Herkömmlicher PU-Schaum ist gleichwohl nicht unumstritten. Zu seinen Hauptinhaltstoffen gehören Isocyanate, die sensibilisierend auf die Atemwege sowie auf die Haut von Menschen wirken. Außerdem stehen sie im Verdacht, Krebs zu erzeugen. Auf PU-Schaumdosen findet man daher in der Regel einen entsprechenden Gefahrenhinweis. Anwender müssen vor der Verarbeitung eine Schulung zur sicheren Verwendung absolvieren. Leere Dosen sind als Sonderabfall zu entsorgen. Von der Kennzeichnungspflicht ausgenommen sind nur PU-Schäume, deren Gehalt an Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) maximal 1 % beträgt.
Herkömmlicher PU-Schaum enthält auch deshalb Isocyanate, weil diese Stoffe eine wichtige Rolle beim Aufschäumprozess spielen. Es sind nämlich die Isocyanate, die beim Spritzvorgang mit der Luftfeuchtigkeit reagieren. Dabei wird Kohlendioxid erzeugt, das dann den flüssigen Kunststoff aufschäumt.
Isocyanatfreies Schäumen
Um Missverständnissen vorzubeugen: Ausgehärteter PU-Schaum gilt nicht als gefährlich. Die Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft (BG BAU) schreibt auf ihrer Website , dass durchreagierte Polyurethane keine Isocyanate mehr enthalten. Viele handelsüblichen PU-Schäume tragen das Kennzeichen EC1plus (= sehr emissionsarm).
Während der Verarbeitung allerdings werden durchaus Isocyanate freigesetzt, und die können auch gesundheitsgefährdend sein – zumindest dann, wenn die Arbeit in nicht ausreichend belüfteten Räumen stattfindet. Bei ausreichender Belüftung sehen Experten allerdings keine gesundheitlichen Gefahren. Trotzdem hätte sicher kein Beteiligter etwas dagegen, wenn das Aufschäumen auch ganz ohne Isocyanate funktionieren würde.
An dieser Stelle kommt nun wieder FOIM ins Spiel. „Unsere Folie ermöglicht es, isocyanatfrei zu schäumen“, betont Dr. Thorsten Pretsch, Leiter des Forschungsbereichs Synthese- und Polymertechnik am Fraunhofer IAP. „Sie minimiert gesundheitliche Risiken am Arbeitsplatz und verbessert die Arbeitssicherheit, insbesondere bei Anwendungen vor Ort, wie beispielsweise in der Bauindustrie.“ Natürlich handelt es sich bei FOIM bisher nur um ein neuartiges Forschungsergebnis. Im Handel kaufen kann man die Folien noch nicht. Zu Fragen der praktischen Verarbeitung – etwa wie die Erwärmung auf 60 °C erfolgen könnte – hat sich das Fraunhofer IAP bislang nicht geäußert.
Übrigens ist es nicht so, dass FOIM-Folie keine Isocyanate enthalten würde. Tatsächlich wird das Material aus Polydiol, Polyethylenglykol, Wasser und eben auch Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) synthetisiert. Anders als bei klassischem PU-Schaum enthält der Stoff aber keine freien Isocyanat-Gruppen. Streng genommen handelt es sich bei FOIM auch gar nicht mehr um ein PU-Produkt. Die Forschenden sprechen stattdessen von einem Polyester-Urethan-Harnstoff-Schaumstoff (PEUU).
Formgedächtnispolymer
Wie aber kann es überhaupt funktionieren, dass aus einer Kunststofffolie ein PU-Schaum wird? Das wird verständlich, wenn man den Herstellungsprozess kennt. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass nicht nur am Ende des vom Fraunhofer IAP entwickelten Prozesses PU-Schaum steht, sondern auch am Anfang. Die Forschenden haben nämlich zunächst einen Polyurethan-Schaum synthetisiert und diesen dann zu einer 2,5 mm starken Folie verdichtet.
Bei einer Temperaturzufuhr von 60 °C kehrt sich dieser Prozess um: Die Folie dehnt sich zu einem Schaum von 40 mm Höhe aus – eine Expansion um den Faktor 16. Bei der PU-Folie handelt es sich also gewissermaßen um ein Formgedächtnispolymer. Sie ist imstande, in ihre ursprüngliche (Schaum-)Form zurückzukehren, wenn ein äußerer Reiz (Wärme) den Formgedächtniseffekt auslöst.
Platzsparendes Halbzeug
In der Industrie verwendet man Polyurethan-Schäume häufig als standardisiertes, vorgefertigtes Zwischenprodukt in zugeschnittener Form. In der Produktion wird es dann weiterverarbeitet beziehungsweise in ein Endprodukt integriert. Einziger Nachteil solcher PU-Schaum-Halbzeuge: Sie haben ein relativ großes Volumen und beanspruchen daher viel Raum bei den verschiedenen Logistikprozessen.
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„Unsere Folie spart Platz beim Transport und bei der Lagerung“, erläutert Thorsten Pretsch. Schließlich schäumt die Folie erst durch das Erwärmen auf. „Davon profitieren sowohl Branchen, die ihre Logistikkosten senken wollen, als auch Industrien, in denen ein geringes Transportvolumen erwünscht ist, beispielsweise die Raumfahrt“, so der Wissenschaftler.
Die Eigenschaften des FOIM-Materials sind übrigens variabel. Wie flexibel oder wie transparent die Folie vor dem Aufschäumen ist, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler individuell einstellen. Auch Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Elastizität des Schaums lassen sich verändern. „Wir passen die Eigenschaften des Folienschaums an die technischen Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen an“, so Dr. Pretsch.
