Ziel der Entwicklung

Laminatfußböden, Möbel und Innenausbauprodukte mit Dekorpapieren basieren heute überwiegend auf Imprägnierharzen aus Melamin- und Harnstoff-Formaldehyd. Diese Systeme sind technisch etabliert und kostengünstig, stehen jedoch zunehmend unter Druck: Verschärfte Emissionsgrenzwerte für Formaldehyd, steigende CO₂-Kosten und wachsende Nachhaltigkeitsanforderungen führen dazu, dass Alternativen mit geringerer Emissions- und Rohölabhängigkeit gefragt sind. Parallel dazu sind klassische Polyurethan-Dispersionen zwar formaldehydfrei, aber meist isocyanatbasiert und deutlich teurer als MF/MUF-Systeme.
Ziel des Vorhabens BioHarz war es daher, eine technologieoffene Grundlage für formaldehyd- und isocyanatfreie Tränkharze auf Basis von Non-Isocyanate Polyurethanes (NIPU) bzw. Poly(hydroxy)urethanen (PHU) zu schaffen, die als Imprägnierharze für Dekorpapiere eingesetzt werden können. Im Mittelpunkt standen Harzsysteme mit hohem Anteil nachwachsender Rohstoffe, die sich in die bestehenden Tränk- und Pressprozesse der Laminat- und Holzwerkstoffindustrie integrieren lassen.
Ausgangspunkt waren Vorarbeiten zur NIPU/PHU-Chemie und zu biobasierten Carbonatbausteinen. Auf dieser Basis sollte im Projekt geklärt werden:
1) Ob sich aus cyclischen Carbonaten und geeigneten Aminen wässrige, zweikomponentige Tränkharze mit ausreichender Reaktivität und Feststoffgehalt formulieren lassen;
2) ob diese Systeme bei praxisüblichen Temperaturen (Trocknung/Pressen) laminattypische Schichtaufbauten ermöglichen und
3) inwieweit sich ein hoher Biobasisgrad mit technisch relevanten Eigenschaften (Haftung, Durchtränkung, Oberflächenqualität) kombinieren lässt.

Damit adressiert das Projekt direkt den Bedarf der Holzwerkstoff- und Laminatindustrie nach emissionsarmen, zukunftssicheren Imprägnierharzen und schafft zugleich die Grundlage für weiterführende Produktentwicklungen.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt BioHarz wurde ein mehrstufiger Lösungsansatz verfolgt, der bei der Chemie der Bindemittelbausteine beginnt und bei anwendungsnahen Demonstratoren endet. 1) Chemische Bausteine: Auf Basis nachwachsender Rohstoffe und CO₂-basierter Carbonate wurden geeignete cyclische Carbonate und aminfunktionelle Komponenten ausgewählt bzw. synthetisiert. Diese Bausteine wurden analytisch charakterisiert (z. B. IR, NMR, thermische Analytik), um ihre Eignung für NIPU/PHU-Netzwerke und für wässrige Formulierungen zu bewerten; 2) Wässrige NIPU/PHU-Tränkharze: Aus den Carbonat- und Aminbausteinen wurden zweikomponentige, wässrige Tränkharzsysteme mit Feststoffgehalten im Bereich von etwa 45–60 Gew.-% formuliert. In umfangreichen Screening-Reihen wurden mehr als hundert Varianten hinsichtlich Verarbeitbarkeit (Viskosität, Mischbarkeit, Topfzeit) und Filmaufbau (Härtung, Oberflächenbild) untersucht. So konnten mehrere Vorzugsformulierungen identifiziert werden, die bei üblichen Trocknungs- und Presstemperaturen zu klaren, tragfähigen Schichten führen; 3) Applikation auf Dekorpapiere: Die ausgewählten NIPU/PHU-Formulierungen wurden an einer Labor-Tränkanlage auf reale Dekorpapiere appliziert, getrocknet und mit Holzwerkstoffträgern verpresst. Die so hergestellten Laminatdemonstratoren wurden u. a. auf Durchtränkung, Haftzugfestigkeit und einfaches Quellverhalten geprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass sich laminattypische Schichtaufbauten mit tragfähiger Haftung realisieren lassen und damit die grundsätzliche Eignung der Systeme als Dekorpapier-Tränkharze gegeben ist; 4) Upscaling und Musterbereitstellung: Für ausgewählte Formulierungen wurden die zugrunde liegenden Synthesen in einen 15-L-Pilotmaßstab übertragen, sodass kilogrammweise Muster der Harzkomponenten bereitgestellt werden konnten. Industriepartner nutzten diese Muster für eigene Versuche auf ihren Anlagen und bestätigten grundsätzliches Interesse an der Technologie.
Insgesamt zeigt das Projekt, dass formaldehyd- und isocyanatfreie, teilweise biobasierte NIPU/PHU-Tränkharze technisch realisierbar sind und sich in bestehende Prozessketten integrieren lassen. Gleichzeitig wurden Grenzen und Optimierungsfelder (insbesondere Wasserbeständigkeit und Feinabstimmung des Prozessfensters) klar herausgearbeitet, sodass konkrete Ansatzpunkte für Folgeentwicklungen vorliegen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Ergebnisse des Vorhabens richten sich vor allem an Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette „Harz – Dekorpapier – Holzwerkstoff“:
1) Harz- und Tränkmittelhersteller erhalten eine fundierte Grundlage, um formaldehyd- und isocyanatfreie, biobasierte Tränkharzsysteme auf NIPU/PHU-Basis zu entwickeln und als Ergänzung oder Alternative zu bisherigen MF/MUF- und PU-Produkten anzubieten.;
2) Dekorpapier-Imprägnierbetriebe und Holzwerkstoff-/Laminathersteller können die Technologie nutzen, um Produkte mit reduziertem Emissionspotenzial und verbessertem Nachhaltigkeitsprofil zu entwickeln und sich frühzeitig auf zukünftige regulatorische Anforderungen einzustellen;
3) Möbel- und Innenausbauindustrie sowie deren Zulieferer profitieren mittelbar von emissionsärmeren Laminat- und Plattenwerkstoffen, die in gesundheits- und umweltbewussten Marktsegmenten zunehmend nachgefragt werden. Der Transfer der Ergebnisse in die mittelständische Industrie erfolgt über mehrere Pfade: a) Bereitstellung von Musterharzen und Demonstratoren für interessierte Unternehmen; b) gemeinsame FuE-Projekte zur Anpassung der Formulierungen an spezifische Anlagen und Produkte; c) fachliche Begleitung bei der Umstellung von MF/MUF-Systemen auf formaldehydfreie Alternativen. Für das IHD eröffnen sich durch BioHarz neue Möglichkeiten, sich als kompetenter Entwicklungspartner für biobasierte, emissionsarme Bindemittelsysteme zu positionieren. Mittelfristig sind wirtschaftliche Effekte durch weitere bilaterale FuE-Aufträge, gemeinsame Entwicklungsprojekte und – abhängig von der Ausgestaltung der Schutzrechte – mögliche Lizenzeinnahmen denkbar.