Biobasierte ungesättigte Polyesterharze

Hintergrund und Zielsetzung

Ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) bilden die Grundlage für eine große Zahl von Anwendungen in Industrie, Haushalt und Hobby. Beispiele sind faserverstärkte Kompositmaterialien (z.B. Fahrzeug- und Bootsbau), Spachtelmassen, hitzebeständige Schaltschrankausstattungen, Knöpfe und viele weitere. UP-Harze sind überwiegend dünnflüssige, zum Teil aber auch sehr zähflüssige Flüssigkeiten. Sie enthalten eine ungesättigte Polyesterkomponente und bis zu 60 % monomeres Styrol, das die Viskosität des Gesamtsystems reduziert. Zur Aushärtung ist vor der Verarbeitung die Zugabe eines Härters erforderlich. Dieser löst eine chemische Härtungsreaktion zwischen der Polyesterkomponente und dem Styrol aus und führt letztendlich zu einem mechanisch belastbaren Material.

Der Arbeitsplatzgrenzwert für Styrol ist in den vergangenen Jahren regelmäßig gesenkt worden. Um diesen gesetzlichen Änderungen zu entsprechen wurden daraufhin vermehrt höhersiedende und oligomere Styrolderivate eingesetzt. Das Schadpotential von ungesättigten Polyesterharzen konnte hierdurch reduziert werden, vollständig auf Styrol verzichtet werden kann zurzeit jedoch noch nicht.

Das Ziel dieses Projektes ist es monomerfreie UP-Harzformulierungen auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln, die ohne Zugabe von gesundheitsschädlichem Styrol auskommen. Um möglichst vielen Anwendungen gerecht zu werden, wird ein in weiten Grenzen einstellbarer Viskositätsbereich angestrebt.

Vorgehensweise

In der ersten Projektphase werden im Rahmen einer IST-Analyse die gegenwärtigen Material und Herstellungsparameter unterschiedlicher konventioneller Harze analysiert und aus den Ergebnissen Eckparameter für die zu entwickelnden monomerfreien ungesättigten Polyesterharze abgeleitet. Die zweite Phase umfasst die Synthese und Charakterisierung monomerfreier ungesättigter biobasierter Polyesterharze und Komponenten und die Aufklärung bestehender Struktur-Wirkungsbeziehungen. Auf deren Basis werden abschließend die Substitutionspotentiale ermittelt und biobasierte UP-Harze formuliert werden.

Ergebnisse

Während des Projektverlaufs wurden unterschiedliche ungesättigte Polyesterharze aus Itaconsäure und verschiedenen biobasierten Diolen synthetisiert und charakterisiert und zur Formulierung von biobasierten UP-Harzen eingesetzt. Das konventionell als Reaktivverdünner eingesetzte monomere Styrol konnte erfolgreich durch Itaconsäuredialkylester ersetzt werden. Die Formulierungen der Polyester aus Itaconsäure und 1,3-Propandiol sowie Itaconsäure und 1,4-Butandiol zeigen in Kombination mit Dimethylitaconat gute Verarbeitungs- und Materialeigenschaften und ein hohes Substitutionspotential für konventionelle UP-Harz Anwendungen, insbesondere im Bereich von Laminier-, Gießharz- und Topcoat-Anwendungen.

Die Synthese der neuen UP-Harze kann mit konventionellen Technologien nach dem Stand der Technik durchgeführt werden. Vorteile der entwickelten, styrolfreien Formulierungen gegenüber konventionellen sind zum einen die nachhaltigeren Rohstoffe, zum Anderen die im Vergleich zu bisherigen styrolfreien Harzen signifikante Verbesserungen hinsichtlich der Einstellbarkeit des Viskositätsbereiches. Im Vergleich zu konventionellen Harzen verlängert sich hierdurch jedoch die Aushärtungszeit bei niedrigen Temperaturen.