Ziel der Entwicklung

Logo: Strukturelle Variationen cyclischer Carbonate führen zu systematischen Änderungen der mechanischen Eigenschaften, die gelbe Markierung zeigt den Ort der Variation
Strukturelle Variationen cyclischer Carbonate führen zu systematischen Änderungen der mechanischen Eigenschaften, die gelbe Markierung zeigt den Ort der Variation

Ziel des Projektes VerCyCa war die Erarbeitung grundlegender wissenschaftlich-technischer Erkenntnisse zur Nutzung polyfunktioneller, cyclischer Carbonate als Vernetzer für biobasierte, isocyanatfreie Bindemittel- und Klebstoffsysteme für Holzwerkstoffe. Im Mittelpunkt stand nicht die Entwicklung eines marktfähigen Produktes, sondern die systematische Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, die für die gezielte Auslegung zukünftiger Bindemittelsysteme erforderlich sind.
Ausgangspunkt des Vorhabens war der steigende Bedarf an emissionsarmen, formaldehydfreien und nachhaltigen Bindemittelkonzepten für die Holzwerkstoffindustrie sowie das wachsende Interesse an isocyanatfreien Polyurethan-Systemen. Cyclische Carbonate stellen hierfür eine vielversprechende Stoffklasse dar, deren Reaktivität gegenüber biobasierten Rohstoffen jedoch bislang nur unzureichend verstanden war. Ziel der Entwicklung war es daher, die chemischen und strukturellen Einflussgrößen zu identifizieren, die die Reaktivität cyclischer Carbonate mit biobasierten Reaktionspartnern bestimmen.
Hierzu sollten verschiedene polyfunktionelle cyclische Carbonate mit gezielt variierter chemischer Struktur synthetisiert und deren Reaktivität mit biobasierten Rohstoffen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen (primäre und sekundäre Amine, Hydroxyl- und Carboxylgruppen) systematisch untersucht werden. Ein zentrales Entwicklungsziel bestand darin, den Einfluss der Carbonatstruktur (Ringgröße, Art des Restes zwischen den Carbonatfunktionen, Anteil weiterer reaktiver Gruppen) sowie der Struktur und Zugänglichkeit der funktionellen Gruppen der biobasierten Rohstoffe auf Reaktionsgeschwindigkeit, Aushärtungsverhalten und Netzwerkbildung zu erfassen.
Darüber hinaus sollte untersucht werden, inwieweit die beobachteten Reaktionen unter für die Holzwerkstoffherstellung relevanten thermischen Bedingungen ablaufen und welche Grenzen sich hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Viskositätsentwicklung und Aushärtung ergeben. Ziel war es, belastbare Kriterien zur Bewertung der Eignung einzelner Carbonat-Rohstoff-Kombinationen abzuleiten und diese in einen übergeordneten Zusammenhang einzuordnen.
Das Projekt verfolgte damit das Ziel, eine fundierte Datengrundlage zu Reaktionsmechanismen, Reaktivitätstendenzen und strukturellen Einflussfaktoren cyclischer Carbonate in biobasierten Systemen zu schaffen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten als wissenschaftliche Basis für nachfolgende, stärker anwendungsorientierte FuE-Vorhaben dienen, in denen die entwickelten Konzepte weiter optimiert und in Richtung praxisrelevanter Bindemittel- und Klebstoffformulierungen überführt werden können.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel des Projektes VerCyCa wurde durch einen systematischen und nachvollziehbaren Untersuchungsansatz erreicht, der grundlegende chemische Fragestellungen mit anwendungsnahen Prüfungen verknüpfte. Ausgangspunkt war die Frage, unter welchen Voraussetzungen cyclische Carbonate als Vernetzer für biobasierte Bindemittel geeignet sind und wie ihr Reaktionsverhalten gezielt beeinflusst werden kann.
Zu Beginn des Projektes wurden unterschiedliche cyclische Carbonate gezielt hergestellt, deren chemische Struktur bewusst variiert wurde. Auf diese Weise konnten zentrale Einflussgrößen wie Molekülaufbau, funktionelle Gruppen und strukturelle Flexibilität systematisch untersucht werden. Diese Carbonate wurden anschließend mit ausgewählten biobasierten Rohstoffen kombiniert, die typische funktionelle Gruppen enthalten, wie sie in natürlichen Materialien vorkommen, beispielsweise in Proteinen, Zuckern oder biobasierten Polymeren.
Der zentrale Lösungsansatz bestand darin, diese Kombinationen vergleichend zu untersuchen. Die Mischungen wurden unter kontrollierten Bedingungen erwärmt und mit geeigneten Mess- und Analysemethoden untersucht. Dadurch konnte nachvollzogen werden, ob und bei welchen Temperaturen chemische Reaktionen einsetzen, wie schnell sich stabile Netzwerke bilden und ob die Reaktionen vollständig oder nur teilweise ablaufen. Ergänzend wurde untersucht, wie sich die Systeme währenddessen verarbeiten lassen, etwa hinsichtlich ihrer Fließfähigkeit, der Viskositätsentwicklung und der Neigung zur schnellen Verfestigung.
Ein wesentlicher Bestandteil des Lösungsansatzes war der Vergleich unterschiedlicher Stoffklassen. Dabei zeigte sich, dass bestimmte funktionelle Gruppen, insbesondere aminische Gruppen, deutlich reaktiver sind als andere. Gleichzeitig wurde deutlich, dass eine hohe Reaktivität allein nicht ausreicht, um ein technisch geeignetes Bindemittelsystem zu erhalten. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Reaktionsgeschwindigkeit, Aushärtungsverhalten und praktischer Verarbeitbarkeit.
Durch diese strukturierte Vorgehensweise konnten klare Zusammenhänge zwischen chemischer Struktur, Reaktionsverhalten und technischer Eignung aufgezeigt werden. Das Projektziel wurde erreicht, indem grundlegende Reaktionsmechanismen verständlich beschrieben, geeignete und weniger geeignete Kombinationen identifiziert und deren Grenzen transparent dargestellt wurden. Der Lösungsansatz liefert damit eine belastbare Grundlage für weiterführende Entwicklungsarbeiten und ermöglicht es, zukünftige FuE-Vorhaben gezielt auf erfolgversprechende Material- und Systemkombinationen auszurichten.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Ergebnisse des Projektes VerCyCa richten sich primär an Unternehmen und Akteure entlang der Wertschöpfungskette der Holzwerkstoff- und Klebstoffindustrie, die an der Entwicklung und dem Einsatz emissionsarmer, formaldehydfreier und biobasierter Bindemittel- und Klebstoffsysteme interessiert sind. Zur Zielgruppe zählen insbesondere Hersteller von Holzwerkstoffen (z. B. Span-, Faser- und Verbundwerkstoffe), Klebstoff- und Harzhersteller, Entwickler biobasierter Rohstoffe sowie Unternehmen, die alternative Vernetzer- und Bindemittelkonzepte für nachhaltige Produkte evaluieren.
Darüber hinaus adressieren die Projektergebnisse Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Unternehmen, die sich mit isocyanatfreien Polyurethan-Systemen, biobasierten Materialien oder neuen Vernetzungsmechanismen befassen. Aufgrund des vorwettbewerblichen Charakters der Arbeiten sind die Ergebnisse branchenübergreifend nutzbar und nicht auf einzelne Produktsegmente beschränkt.
Anwender profitieren von der Entwicklung insbesondere durch den im Projekt erarbeiteten Erkenntnisgewinn zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen cyclischer Carbonate. Die Ergebnisse ermöglichen es Unternehmen, Entwicklungsrisiken zu reduzieren, indem geeignete und weniger geeignete Kombinationen aus Carbonatstrukturen und biobasierten Rohstoffen bereits auf wissenschaftlicher Basis eingegrenzt werden können. Dadurch lassen sich aufwendige Vorversuche vermeiden und Entwicklungsprozesse effizienter gestalten. Gleichzeitig liefern die Ergebnisse Hinweise auf Grenzen der Reaktivität, Verarbeitbarkeit und Aushärtung, die für eine industrielle Umsetzung frühzeitig berücksichtigt werden können.
Der Transfer der Ergebnisse in Anwenderunternehmen erfolgt über die klassische Rolle des IHD als industrienahe Forschungseinrichtung. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in Beratungsleistungen, Machbarkeitsstudien, Auftragsforschung sowie in weiterführende FuE-Kooperationsprojekte ein. Darüber hinaus werden die Ergebnisse im Rahmen von Fachgesprächen, projektbegleitenden Workshops, Veröffentlichungen und der Einbindung in neue Projektanträge zugänglich gemacht. Die im Projekt entwickelten Bewertungsansätze und Struktur-Wirkungs-Zusammenhänge können von Unternehmen direkt für eigene Entwicklungsarbeiten genutzt oder im Rahmen gemeinsamer Projekte weiter vertieft werden.
Für das IHD ergeben sich aus dem Projekt mittel- bis langfristige wirtschaftliche Effekte. Die im Projekt aufgebaute Expertise stärkt die Position des Instituts im Themenfeld biobasierter, isocyanatfreier Bindemittel und erhöht die Attraktivität des IHD als FuE-Partner für Industrieunternehmen. Erwartet werden insbesondere Folgeprojekte mit stärker anwendungsorientierter Ausrichtung, zusätzliche Auftragsforschungsprojekte sowie eine Intensivierung bestehender Industriekooperationen. Langfristig trägt das Projekt zur Profilbildung des IHD in einem strategisch wichtigen Zukunftsmarkt bei.
Konkrete marktreife Anwendungen waren nicht Ziel des Projektes. Im Projektverlauf konnten jedoch erste anwendungsnahe Untersuchungen, unter anderem zu Klebversuchen und zur Herstellung von Holzwerkstoffproben im Labormaßstab, durchgeführt werden. Diese Versuche dienen als Anwendungsbeispiele im Sinne eines Machbarkeitsnachweises und bilden die Grundlage für weiterführende Entwicklungen und industrielle Erprobungen in nachfolgenden Projekten.