Ziel der Entwicklung

Holz und Holzwerkstoffe werden im hochwertigen Innenausbau, im Möbel- und Objektbereich sowie in öffentlichen Gebäuden breit eingesetzt. Um Brandschutzanforderungen zu erfüllen, werden diese Oberflächen häufig mit transparenten 2K-Polyurethan-Klarlacken beschichtet. Solche Systeme bieten hervorragende optische und mechanische Eigenschaften, tragen aber selbst kaum zur Verringerung der Brennbarkeit der Bauteile bei. Bestehende Flammschutzlösungen basieren überwiegend auf nicht-reaktiven Additiven oder auf phosphorhaltigen Polyolen, die in Klarlacksystemen Nachteile wie mögliche Migration, Beeinflussung der Optik oder begrenzte Hydrolysestabilität mit sich bringen.
Vonseiten der Holz-, Möbel- und Beschichtungsindustrie besteht daher ein Interesse an neuen Konzepten, mit denen sich das Brandverhalten von Holzoberflächen verbessern lässt, ohne Transparenz, Haptik und Verarbeitbarkeit der Lacksysteme zu verschlechtern. Gleichzeitig sollen Arbeitsschutz- und Umweltanforderungen eingehalten und eine möglichst gute Einbindung der Flammschutzkomponenten in das Bindemittelsystem erreicht werden, um Auswaschung und Emissionen zu minimieren.
Ziel des Vorhabens FSMcure war es deshalb, eine neuartige Klasse phosphorhaltiger P-Carboxamid-Bausteine mit reaktiver Isocyanatfunktion als intrinsische Flammschutz-Härter für 2K-Polyurethan-Klarlacksysteme zu entwickeln und im Labormaßstab zu erproben. Diese Komponenten sollen die Flammschutzwirkung und die Härtungsfunktion in einem Molekül vereinen und kovalent in das Polyurethan-Netzwerk eingebunden werden. Dadurch soll eine verbesserte Kohlerestbildung im Brandfall erreicht werden, bei gleichzeitig weitgehend unveränderter Optik und Gebrauchstauglichkeit der Beschichtung.
Übergeordnetes Ziel ist es, mittelständischen Lack- und Holzunternehmen zukünftig Formulierungsansätze zur Verfügung zu stellen, mit denen sich transparente, flammhemmende Beschichtungssysteme für Holz und Holzwerkstoffe realisieren lassen, die den steigenden Anforderungen an Brandschutz, Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit entsprechen.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt FSMcure wurde ein modularer Ansatz verfolgt, bei dem phosphororganische Verbindungen gezielt zu P-Carboxamiden mit reaktiver Isocyanatfunktion (PCA-NCO) weiterentwickelt wurden. Diese Bausteine können als Härter in üblichen 2K-Polyurethan-Klarlacksystemen eingesetzt werden und werden bei der Härtung kovalent in das Polymernetzwerk eingebunden. Anders als klassische, nicht reaktive Flammschutzadditive verbleiben sie somit fest im Bindemittel und werden nicht so leicht ausgewaschen oder migrieren.
Im ersten Schritt wurden geeignete phosphorhaltige Vorstufen identifiziert und im Labormaßstab synthetisiert und in ausreichender Qualität beschafft. Daraus wurden P-Carboxamide mit freien Isocyanatgruppen hergestellt und mittels NMR-, IR- und weiterer analytischer Methoden strukturell abgesichert. Im zweiten Schritt wurden diese PCA- und PCA-NCO-Bausteine in ein praxisnahes 2K-PUR-Klarlacksystem eingearbeitet. Es wurden Referenz- und modifizierte Formulierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Flammschutzkomponenten entwickelt und auf Glas sowie auf Holzsubstraten appliziert.
Die gehärteten Beschichtungen wurden unter anderem mit IR-Spektroskopie, thermogravimetrischer Analyse (TGA) und Kleinbrennertests in Anlehnung an DIN EN ISO 11925-2 geprüft. Dabei zeigte sich, dass die P-modifizierten Systeme im Vergleich zum Referenzlack deutlich höhere Kohlereste im TGA aufweisen. In den Brandversuchen ergaben sich – bei geeigneter Auswahl und Dosierung der reaktiven Flammschutz-Härter – stark reduzierte Nachflammzeiten, während Transparenz und grundlegende mechanische Eigenschaften auf einem anwendungsnahen Niveau gehalten werden konnten.
Der Lösungsansatz bietet mehrere Vorteile: Die Flammschutzfunktion ist fest in das Bindemittelsystem integriert, die Anzahl zusätzlicher Additive kann reduziert werden, und die Formulierungen bleiben kompatibel mit bestehenden 2K-PUR-Verarbeitungstechnologien. Die im Projekt gewonnenen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglichen es, Zielkonflikte zwischen Brandschutz, Optik und Gebrauchseigenschaften besser auszubalancieren. Auf dieser Basis lassen sich in Folgeprojekten marktnähere Systeme entwickeln, die gezielt auf die Anforderungen bestimmter Anwendungen (Innenausbau, Objektmöbel, Spezialanwendungen) zugeschnitten sind.

Zielgruppe und Zielmarkt

Hauptzielgruppen der Projektergebnisse sind mittelständische Hersteller von Lacken und Beschichtungen, insbesondere im Bereich Holzoberflächen, sowie Möbel-, Innenausbau- und Holzbauunternehmen, die transparente Beschichtungen mit verbesserten Brandschutzeigenschaften einsetzen möchten. Auch Rohstofflieferanten für Bindemittel und Additive können von den entwickelten reaktiven Flammschutz-Härtern profitieren, indem sie entsprechende Komponenten in ihr Portfolio aufnehmen oder gemeinsam mit Forschungseinrichtungen weiterentwickeln.
Anwendungsfelder liegen vorwiegend im hochwertigen Innenausbau, im Objekt- und Ladenbau, bei Möbeln und Bauteilen in öffentlichen Gebäuden sowie in Bereichen wie Schiff- und Schienenfahrzeuginnenausbau, in denen Holz und Holzwerkstoffe eingesetzt werden und gleichzeitig erhöhte Brandschutzanforderungen gelten. Übertragungen auf andere Substrate mit transparenten Deckbeschichtungen sind perspektivisch möglich, sofern die chemische Kompatibilität mit den eingesetzten Bindemitteln gegeben ist.
Der Transfer in die Praxis soll in mehreren Stufen erfolgen: Zunächst dienen die Projektergebnisse als Grundlage für weiterführende FuE-Vorhaben mit Industriepartnern, in denen die entwickelten reaktiven Flammschutz-Härter im größeren Maßstab hergestellt, in industrienahen Formulierungen getestet und einer erweiterten Normprüfmatrix unterzogen werden. Parallel dazu werden Schutzrechts- und Verwertungsoptionen geprüft, um eine gesicherte Ausgangsbasis für Lizenz- oder Kooperationsmodelle zu schaffen.
Für das IHD eröffnen sich durch FSMcure zusätzliche Möglichkeiten, seine Kompetenzen im Bereich Flammschutz für Holz- und Holzwerkstoffoberflächen sowie reaktive Flammschutzsysteme auszubauen und mittelständische Unternehmen bei der Entwicklung neuer Produkte zu unterstützen. Mittel- bis langfristig sind wirtschaftliche Effekte über Auftragsforschung, gemeinsame Entwicklungsprojekte und gegebenenfalls lizenzbasierte Verwertung von Schutzrechten zu erwarten.