DE102015223556A1

DE102015223556A1 - Schaumstoffe, die nachwachsende Rohstoffe enthalten, und deren Herstellung

Info

Publication number: DE102015223556A1
Application number: DE102015223556.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krombholz; Nicole Eversmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft Schaumstoff, welcher ein geschäumtes Harz enthält, wobei das Harz zumindest ein Kunstharz enthält und der Schaumstoff weiterhin zumindest 5 Gew.% nachwachsenden Rohstoff und nicht mehr als 95 Gew.% Kunstharz bezogen auf die Gesamtmasse des Schaumstoffs enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumstoffs, der nachwachsende Rohstoffe enthält.

Description

Die Erfindung betrifft neuartige Schaumstoffe, die nachwachsende Rohstoffe enthalten. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung dieser Schaumstoffe mit geringem Energiebedarf.
Solche Schaumstoffe können als Dämmstoff vielseitig eingesetzt werden, zum Beispiel im Bauwesen.
Schaumstoffe, auch Schäume oder Polymerschäume genannt, können aus verschiedenen Kunststoffen hergestellt werden. Dies sind einerseits Thermoplaste, die sich durch Temperaturerhöhung wieder aufschmelzen lassen, sowie anderseits temperaturfeste und nicht wieder aufschmelzbare Duroplaste, auch Duromere genannt.
Einen Vertreter der duromeren Gruppe stellen Phenolharze dar. Sie härten durch eine Polykondensationsreaktion unter Wärmeeinwirkung oder durch Verwendung geeigneter Katalysatoren aus.
Schäume können mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. In vielen Fällen werden Treibmittel in das Grundharzgemisch eingebracht, die erst bei Temperatureinwirkung gasförmig werden und expandieren. Es ist aber auch möglich, Gase direkt in die Reaktionsharze einzumischen.
Industriell werden Schaumstoffe sehr häufig als sogenannte Bandware hergestellt. Die Erwärmung erfolgt dabei über Kontakt. Da Schäume aber eine niedrige Wärmeleitung aufweisen, ist die Energieübertragung bei diesem Verfahren als mangelhaft anzusehen.
Bekanntermaßen können Materialien auch durch Mikrowellenstrahlung erwärmt werden. Die Erwärmung erfolgt dann sozusagen von „innen" heraus. Dies ermöglicht häufig eine deutlich homogenere und schnellere Erwärmung als bei anderen Verfahren. Daraus resultieren einerseits eine Verkürzung der Prozesszeiten und andererseits eine zusätzliche Energieeinsparung, da vergleichsweise deutlich kleinere Volumina erwärmt werden. Derartige Verfahren zur Erwärmung führen daher zu einer Kostenersparnis und zu umweltfreundlicheren Fertigungsprozessen.
Die Mikrowellentechnologie wurde bereits für das Verschäumen von Phenolharzen angewendet. Dazu wurden die Phenolharzsysteme mit geeigneten Zusatzstoffen versehen. So wurden in einem Verfahren verschiedene nanoskalige Nukleierungsmittel zugesetzt, um die Schaumporengrößenverteilung zu beeinflussen. Weiterhin wurden Substanzen zugesetzt, die einen Wärmeeintrag durch Mikrowellen erst ermöglichen. Nukleierungsmittel, die gleichzeitig mikrowellenaktivierbar sind, werden häufig in der Gruppe der kohlenstoffbasierten Nanopartikel angetroffen.
Es sind daher Schäume bekannt, die unter Verwendung von kohlenstoffbasierten Nanopartikeln als Nukleierungsmittel hergestellt werden. Diese stehen allerdings im Verdacht, physiologisch nicht unbedenklich zu sein. Zusätzlich lassen sie sich nur sehr schwer dispergieren und weisen eine dunkle Färbung auf. Diese ist für die Produktion eines hellen Schaums nicht geeignet.
Es ist auch bekannt, dass bei Nutzung von Phenolharzen als Basismaterial auf externe Treibmittel verzichtet werden kann, da das im Material enthaltene und durch die Polykondensationsreaktion freigesetzte Wasser bereits genügend Treibwirkung entfaltet.
DE 10 2009 038 531 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren von Schäumen unter Verwendung eines mikrowellenaktiven Nukleierungsmittels, das Nanopartikel enthält, beispielsweise kohlenstoffhaltige Nanopartikel. Als mögliche Basis der Schäume kann ein Phenolharzsystem verwendet werden. Als Nukleierungsmittel können carbon nanosphere chains, carbon nanotubes, Ruß, Graphit, Graphen, Siliziumcarbid und Eisenoxid verwendet werden.
DE 10 2010 025 402 A1 offenbart die Verwendung von Wasser als Treibmittel zum Herstellen eines Schaumstoffes mittels Mikrowellenstrahlung. Durch die Verwendung von Wasser als Treibmittel wird das bekannte Problem der Toxizität der früher benutzten Treibmittel umgangen. Das Wasser wird der Polymermischung zugesetzt und/oder entsteht während der Polykondensationsreaktion des Polymers. Zugaben von Nukleierungsmitteln wie carbon nanosphere chains, carbon nanotubes, Ruß, Graphit, Graphen, Siliziumcarbid und Eisenoxid unterstützen eine homogene Porenbildung.
DE 10 2010 029 613 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes, wobei ein aushärtbarer Kunststoff mit flüssigem Wasser versetzt wird, welches vor dem Aushärten des Kunststoffs zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand überführt wird.
WO 2006/051302 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Phenolharzschaums. Dabei werden einem Harz vor der Verarbeitung thermoplastische expandierbare Mikrokügelchen zugegeben, die unter Einwirkung von Mikrowellenstrahlung ihr Volumen vervielfachen. Diese expandierbaren Mikrokügelchen sind innen hohl und enthalten im Hohlraum einen flüchtigen Kohlenwasserstoff in flüssiger Form, der bei Erwärmung zur Expansion der Mikrokügelchen führt. Dieses Verfahren umgeht die technischen Probleme, die beim Einmischen bereits expandierter Partikel entstehen.
Unter dem Gesichtspunkt der Kostenersparnis und des Umweltschutzes wurden also bereits Verfahren zur Herstellung von Schäumen vorgeschlagen, die mittels Erwärmung durch Mikrowellenstrahlung die Energiebilanz verbessern helfen, und die als Treibmittel Wasser verwenden.
Allerdings haben alle bisher beschriebenen Schaumstoffe die Gemeinsamkeit, dass sie, bis auf geringe Zusätze, beispielsweise auf mineralischer Basis, auf petrolchemischen Komponenten basieren. Die Substituierung dieser für die Umwelt bedenklichen Substanzen wäre wünschenswert, z.B. durch Naturstoffe, speziell durch nachwachsende Rohstoffe. Außerdem wäre es wünschenswert, physiologisch unbedenkliche mikroskalige Nukleierungsmittel aufzufinden. Diese sollten sich leicht dispergieren lassen und die Schaumbildung sowie die mechanischen Eigenschaften nicht nachteilig beeinflussen. Auch hier wären nachwachsende Rohstoffe als physiologisch unbedenkliche, biologisch abbaubare Nukleierungsmittel wünschenswert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaumstoff anzugeben, der zu einem signifikanten Anteil aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, so dass der Kunststoff zumindest teilweise durch nachwachsende Rohstoffe ergänzt bzw. ersetzt wird. Bevorzugt sollten auch etwaige Zusatzstoffe wie Nukleierungsmittel, Füllstoffe oder Farbstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen oder zumindest physiologisch unbedenklich und biologisch abbaubar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schaumstoff gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung daher auf einen Schaumstoff gerichtet, der ein geschäumtes Harz enthält, wobei das Harz zumindest ein Kunstharz und optional einen nachwachsenden Rohstoff enthält, wobei der Schaumstoff zumindest 5 Gew.% nachwachsenden Rohstoff und nicht mehr als 95 Gew.% Kunstharz bezogen auf die Gesamtmasse des Schaumstoffs enthält.
Der Begriff „nachwachsender Rohstoff“ wird hier als abstrakter Sammelbegriff verwendet. Es wird damit nicht ein einzelner bestimmter Stoff bezeichnet. Ein nachwachsender Rohstoff ist ein Stoff, der aus lebenden Organismen wie Pflanzen oder Mikroorganismen gewinnbar ist. Beispielsweise kann der „nachwachsender Rohstoff“ Holz oder Holzbestandteile wie Cellulose oder Lignin enthalten oder daraus bestehen.
Schaumstoffe sind dem Fachmann bekannt. Diese bestehen üblicherweise aus einem geschäumten Harz, wobei das geschäumte Harz durch Vernetzung unter gleichzeitigem Schäumen aus einem Harz entsteht. Gemäß dem Stand der Technik handelt es sich dabei ausschließlich um Kunstharze. Übliche Zusatzstoffe in Schaumstoffen sind Nukleierungsmittel, Füllstoffe, Thixotropierungsmittel, Farbstoffe und deren Mischungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der erfindungsgemäße Schaumstoff zumindest 5 Gew.% nachwachsenden Rohstoff. Dabei kann ein Teil des geschäumten Harzes nachwachsender Rohstoff sein und/oder einer oder mehrere der oben genannten Zusatzstoffe kann nachwachsenden Rohstoff enthalten oder daraus bestehen.
Eine natürliche Obergrenze für den Anteil des nachwachsenden Rohstoffs im Schaumstoff ist 100 Gew.%.
Die Messung des Anteils an nachwachsendem Rohstoff im Schaumstoff kann mittels der Radiokarbonmethode erfolgen, die dem Fachmann bekannt ist. In der Natur kommen drei Isotope des Kohlenstoffs vor: ¹²C, ¹³C und ¹⁴C. Mittels der Radiokarbonmethode kann nachgewiesen werden, ob Schaumstoffe einen Anteil an biogenen Kohlenstoffquellen enthalten. Radioaktive Kohlenstoffatome (¹⁴C) werden durch Kernreaktionen in den oberen Schichten der Erdatmosphäre fortwährend neu gebildet. Lebende Pflanzen lagern beständig Kohlenstoff aus der Umgebungsluft ein, so dass der Anteil trotz den stattfindenden Zerfallsprozessen des ¹⁴C immer annähernd dem Verteilungsverhältnis der drei Kohlenstoff-Isotope der Atmosphäre gleicht. Erdölbasierte Materialien enthalten dagegen ein deutliches abweichendes Verhältnis dieser Kohlenstoffatome. Nach 10 Halbwertszeiten (ca. 57300 Jahre) liegt der Anteil an ¹⁴C unterhalb der Nachweisgrenze, dieser Anteil kann daher in Erdölprodukten wie Kunstharzen vernachlässigt werden. Nach einer Mischungsregel kann der Anteil der biogenen Bestandteile eines Materials, also etwa der nachwachsemden Rohstoffe, sehr genau bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Schaumstoff dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Kunstharz enthält und das Kunstharz fähig ist, Duromere auszubilden. Derartige Kunstharze sind dem Fachmann bekannt. Eine prominente Klasse der Kunstharze, die Duromere ausbilden, sind die Phenolharze.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße Schaumstoff ein Phenolharz enthalten oder daraus bestehen. Wie oben schon erwähnt, können nachwachsende Rohstoffe Bestandteil des geschäumten Harzes sein, d.h. dass nachwachsende Rohstoffe kovalent an das Kunstharz gebunden sind. Dies stellt eine weitere Ausführungsform des Schaumstoffs der vorliegenden Erfindung dar. Die kovalente Bindung kann über funktionelle Gruppen an den nachwachsenden Rohstoffen und/oder an dem Kunstharz erfolgen.
Alternativ dazu oder zusätzlich können im Schaumstoff außer dem geschäumten Harz auch ein oder mehrere Zusatzstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen enthalten sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Nukleierungsmittel, Füllstoffe, Thixotropierungsmittel, Farbstoffe und deren Mischungen. Dies stellt eine weitere Ausführungsform des Schaumstoffs der vorliegenden Erfindung dar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Schaumstoff dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest 10 Gew.% nachwachsende Rohstoffe enthält.
Weiterhin und unabhängig davon, ist der erfindungsgemäße Schaumstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Harz zumindest 10 Gew.% nachwachsenden Rohstoff bezogen auf den Feststoffanteil des Harzes enthält. Diese Limitierung bezieht sich nur auf das Harz, das nach Vernetzung und Schäumen das geschäumte Harz des Schaumstoffes bildet, und nicht auch auf die Zusatzstoffe.
Noch mehr bevorzugt ist ein Wert von zumindest 15 Gew.%, weiterhin bevorzugt von mindestens 20 Gew.%. Bei geeigneter Wahl der Harze kann dieser Wert noch viel höher ausfallen, z.B. 50 Gew.% oder mehr. Eine natürliche Obergrenze für den Anteil des nachwachsenden Rohstoffs im Harz ist 100 Gew.%.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Kunstharz ein Resol enthalten oder daraus bestehen. In der Regel wird das Resol als wässrige Dipersion eingesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Schaumstoff dadurch gekennzeichnet, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin enthält, weiterhin bevorzugt aus Lignin besteht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Harz ein Phenolharz und Lignin, das in dem geschäumten Harz kovalent an das geschäumte Kunstharz auf Phenolharzbasis gebunden ist. In diesem Zusammenhang kann Kunstharz ein Resol enthalten.
Lignin hat einen ähnlichen chemischen Aufbau wie die Phenolharze. Bei der unten näher beschriebenen Herstellung kann das Lignin einfach an der Reaktion der Vernetzung unter Schäumen des Phenolharzes teilnehmen.
Im Zusammenhang mit dem sogenannten Treibhauseffekt kommt der Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid (CO₂) eine immer größer werdende Bedeutung zu. Durch die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen kann ein großer Teil der erdölbasierten Schaummatrix, d.h. des geschäumten Harzes, durch CO₂-neutrale oder CO₂-einspeichernde Materialien ersetzt werden. Das CO₂ wird für die Lebensdauer des Schaumstoffs dem natürlichen Kreislauf entzogen. Die Materialien stellen daher eine CO₂-Senke dar. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Schaumstoffe im Baustoffbereich Anwendung finden, wo eine lange Persistenz von etwa 40–60 Jahren oder länger gegeben ist.
Da die erfindungsgemäßen Schaumstoffe nachwachsende Rohstoffe enthalten und damit CO₂ speichern, sollte auch bei der Herstellung der Schaumstoffe darauf geachtet werden, dass das gewählte Verfahren nicht zu viel CO₂ freisetzt. Die schon weiter oben erwähnte Fertigung mittels Mikrowellentechnologie ist zeit- und energiesparend und damit auch CO₂-sparend.
Weiterhin sorgt die Verwendung von biogenen Nukleierungsmitteln für ein deutlich benutzerfreundlicheres Material.
Bis auf wenige Ausnahmen (beispielsweise Buchenholzfasern) gelten die Naturpartikel nicht als biogefährdend. Sie können zwar vom Körper aufgenommen werden, dieser ist jedoch in der Lage, die Partikel vollständig abzubauen.
Kleine Partikel aus Schäumen werden immer dann freigesetzt, wenn diese nachträglich bearbeitet werden müssen. Die Komponenten der Schäume aus nachwachsenden Rohstoffen, vor allem die Nukleierungsmittel, sind für den Produzenten und die Umwelt deutlich weniger bedenklich. Ebenso wird der Endanwender der neuartigen Schäume vor physiologisch bedenklichen Partikeln geschützt, die bei einer eventuellen nachträglichen Konfektionierung aus herkömmlichen Schäumen freigesetzt werden können. Insbesondere im Heimwerkerbereich wird dabei oft nicht genug auf die Sicherheit des Anwenders geachtet. Ein weniger gefährliches Schaummaterial kommt dieser Anwendung zugute.
Die vorliegende Erfindung ist in einem weiteren Aspekt auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffs gerichtet, der nachwachsende Rohstoffe enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellung eines Harzes, das zumindest ein Kunstharz und optional zumindest einen nachwachsenden Rohstoff enthält oder daraus besteht,
b) Vorvernetzung des Harzes, wobei im Falle eines Harzes aus Kunstharz und nachwachsendem Rohstoff auch zwischen diesen beiden verschiedenen Ausgangsstoffen kovalente Bindungen gebildet werden,
c) Einmischen und Dispergieren von zumindest einem Zusatzstoff, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe der Nukleierungsmittel, Füllstoffe, Thixotropierungsmittel und Farbstoffe, wobei optional ein oder mehrere der Zusatzstoffe nachwachsende Rohstoffe sind,
d) Trocknen der Mischung bis zu einer Restfeuchte von nicht mehr als 10 Gew.% Wasser,
e) Brechen der Mischung zu Granulat mit einer Korngröße zwischen etwa 1 mm und etwa 10 mm,
f) Einbringen des Granulats in eine für Mikrowellenstrahlung durchlässige Form,
g) Bestrahlung der das Granulat enthaltenden Form mit Mikrowellen, um das Granulat zu Schäumen und zu Härten,
h) Abkühlung des erhaltenen Schaumstoffes bei Raumtemperatur und optional anschließendes Entformen,

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Harz zumindest 10 Gew.% nachwachsenden Rohstoff bezogen auf den Feststoffanteil des Harzes. Bevorzugt ist ein Wert von zumindest 15 Gew.%, oder von mindestens 20 Gew.%. Bei geeigneter Wahl der Harze kann dieser Wert noch höher ausfallen und beispielsweisemehr als 50 Gew.% betragen. Eine natürliche Obergrenze für den Anteil des nachwachsenden Rohstoffs im Harz sind 100 Gew.%.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Kunstharz ein Phenolharz sein oder ein Phenolharz enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der erfindungsgemäße Schaumstoff dadurch gekennzeichnet, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin enthält, weiterhin bevorzugt aus Lignin besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Harz ein Phenolharz und Lignin, das in dem geschäumten Harz kovalent an das geschäumte Kunstharz auf Phenolharzbasis gebunden ist. In diesem Zusammenhang ist weiterhin bevorzugt, dass das Kunstharz ein Resol enthält.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst Schritt f) das Einbringen des Granulats zwischen Decklagen aus Naturfaser verstärkten Werkstoffen. Das bedeutet, dass die Decklagen aus Naturfaser verstärkten Werkstoffen in diesem Fall funktionell die Form ausmachen. Das Granulat wird zwischen diesen Decklagen aus Naturfaser verstärkten Werkstoffen geschäumt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Decklagen, d.h. Platten, verwendet werden, welche das identische Harz enthalten wie der Schaumstoff. Dann verklebt die Platte mit dem Schaum.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können offenporige Werkstoffe als Decklage verwendet werden. Dies bewirkt eine zusätzliche mechanische Befestigung an der Platte.
Im Allgemeinen sollten die Decklagen eine Temperaturbeständigkeit von mehr als etwa 150 °C oder von mehr als etwa 200 °C aufweisen.
Als Decklagen kommen etwa Holzwerkstoffe in Betracht, z.B. Spanplatten. Diese können ausgewählt sein aus Grobspanplatten (OSB, „oriented strand board“), mitteldichten Holzfaserplatten (MDF) oder hochdichten Faserplatten (HDF, „high density fiberboard“). Diese Holzwerkstoffe sind dem Fachmann bekannt. Ebenso kommen als Decklagen entsprechende aus Hanf hergestellte Platten in Betracht. Neuere Entwicklungen hierzu sind beschrieben in Performance of Fibreboards Made from Wetpreserved Hemp, Kirilovs et al., in Material Science Textile and Clothing Technology, 2013, 65–69.
Im Folgenden wird allgemein die Vorgehensweise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schäume beschrieben.
Die nachwachsenden Rohstoffe werden, soweit sie mit der Schaumstoffmatrix vernetzt werden sollen, bereits sehr früh im Herstellungsprozess dem Reaktionsharz, z.B. einem Phenolharz, beigefügt. Die Anteile der nachwachsenden Rohstoffe betragen dabei bevorzugt 10–20 Gew.% des Feststoffanteils. Insbesondere phenolische Schaumsysteme lassen sich auch vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen generieren, so dass Systeme von bis zu 100 Gew.% biogenen Ursprungs verfügbar sind. Nachdem ein Teil der nachwachsenden Rohstoffe chemisch an die Reaktionsharze angebunden wurde, können weitere nachwachsende Rohstoffe als Füll- und Funktionsstoffe eingemischt werden. Der Anteil beträgt dabei bevorzugt 2–4 Gew.% des Feststoffanteils (FSA). Die Zugabe in Mengen von bis zu 50 Gew.% ist jedoch möglich. Die Zuschlagstoffe müssen sorgfältig in den Reaktionsharzen dispergiert werden. Dies ist bei Verwendung einer wässrigen Phenolharzmatrix problemlos möglich, da die meisten Naturstoffe sich gut im wässrigen Milieu verteilen lassen. Nachdem alle Substanzen gut vermischt wurden, wird ein großer Anteil des Wassers aus der Dispersion herausgetrocknet. Restanteile von bis zu 10 Gew% Wasser werden erfindungsgemäß bevorzugt. Dieses Restwasser unterstützt den Aufschäumungsprozess. Die Aufschäumung findet bevorzugt in einem Mikrowellenofen mit homogener Verteilung statt. Die Mikrowellenstrahlung erwärmt dabei das Material intrinsisch. Besonders Phenolharze lassen sich sehr gut durch Mikrowellenstrahlung härten. Sobald die Vernetzungsreaktion gestartet wurde, beginnt die Anregbarkeit der Monomere gegenüber der Strahlung nachzulassen. Ab diesem Zeitpunkt überwiegt die Aufheizung des Materials über das zugesetzte bzw. bei der Kondensationsreaktion sich bildende Dipolmolekül Wasser. Das zugesetzte Wasser bildet aufgrund der thermischen Expansion Schaumporen in der Matrix. Zusätzlich setzten Phenolharze bei der Polykondensationsreaktion weiteres Wasser frei, welches sehr fein verteilt im Material vorliegt. Mit geeigneter Steuerung der Temperatur und geringer Druckbeaufschlagung von 2–10 bar lassen sich sehr feine und stabile Schaumstrukturen erzeugen. Die Temperatur muss während des gesamten Prozesses sehr stabil gehalten werden und sollte bevorzugt zwischen 120 °C und 200 °C, insbesondere aber zwischen 140 °C und 150 °C, liegen. Ein Überschreiten der Temperatur von 200 °C ist auf Grund der Verwendung von Naturstoffen nur bedingt möglich.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Feststoffmenge der Ausgangsstoffe beträgt insgesamt 100 g.
Als Kunstharz wird ein hochreaktives Phenolresol, d.h. ein Phenol-Formaldehyd Polymer (ein Phenolharz), in wässriger Lösung verwendet, das einen Feststoffgehalt von 55–59 Gew.% aufweist, sowie eine Viskosität bei 20 °C von 20–120 mPas und eine Dichte bei 20 °C von 1,20–1,25 g/cm3. Die Messung des Feststoffgehalts erfolgt mittels der Prüfmethode RD 152 nach dem Standard RD 152. Die Messung der Viskosität erfolgt mittels der Prüfmethode RD 600 nach dem Standard DIN EN ISO 12058-1. Die Messung der Dichte erfolgt mittels der Prüfmethode RD 051 nach dem Standard DIN EN ISO 3675.
Ein derartiges Phenolresol ist unter dem Handelsnamen Prefere 16J536 der Dynea Erkner GmbH, Deutschland, als Bindemittel zur Holzfaserbeleimung erhältlich.
Das hochreaktive Phenolresol wird als wässrige Dispersion mit Organosolv-Lignin vermengt und das Harz vorvernetzt. Dann werden Nukleierungsmittel und Farbstoffe eingemischt und dispergiert, hier 2 Gew.% FSA mikroskalige Zellulosefasern und 2 Gew.% FSA Titandioxid (TiO2). Die Mischung wird anschließend bei 25 °C und 15 %relH auf eine Restfeuchte von 10 Gew.% Wasser getrocknet. Dann wird die Mischung zu einem Granulat mit einer Korngröße von 5 mm gebrochen. Das erhaltene Granulat wird in eine Form eingebracht, die für Mikrowellenstrahlung durchlässig ist. Das Granulat wird dann mittels Mikrowellenstrahlung geschäumt und gehärtet bei 700 W für zweimal drei Minuten mit einer Haltezeit von 30 Sekunden zwischen den beiden Erhitzungsschritten. Anschließend erfolgen die Abkühlung und das Entformen. Das Endvolumen des Schaumstoffes beträgt ca. 1 Liter.
Alternativ zu den mikroskalige Zellulosefasern kommen als Nukleierungsmittel auch pulverisierte Pflanzenbestandteile wie Mehle oder Stärke in Betracht, aber auch faserförmige Pflanzenbestandteile in nano- bis mikroskaliger Größenordnung, sowie Gesteinsmehle mit Partikelgrößen von kleiner als 50 µm.
Als Farbstoffe kommen pulverisierte Pflanzenbestandteile und flüssige, pastöse oder feste Farbstoffe wie Titandioxid in Betracht.
Als Füllstoff können auch Kraftlignin und Organosolv-Lignin zugesetzt werden.
Als Harz kommt alles in Betracht, was eine Dispersion in Wasser bildet.
Dem Fachmann ist bekannt, dass Lignin aus Holz gewonnen wird und dabei von der Zellulose getrennt werden muss. Organosolv-Lignin wird dabei mittels des sogenannten Organosolv-Aufschlusses gewonnen (z.B. Orientierende Untersuchungen zum Organosolv-Aufschluß von Buchenholz mit einem Propandiol/Wasser-Gemisch, Feix et al., in Holz als Roh- und Werkstoff 42, 1984, 245–252).
Eine weitere mögliche Lignin-Quelle ist das sogenannte Kraftlignin.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009038531 A1 [0011]
DE 102010025402 A1 [0012]
DE 102010029613 A1 [0013]
WO 2006/051302 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kirilovs et al., in Material Science Textile and Clothing Technology, 2013, 65–69 [0049]
Standard RD 152 [0054]
Standard DIN EN ISO 12058-1 [0054]
DIN EN ISO 3675 [0054]
Feix et al., in Holz als Roh- und Werkstoff 42, 1984, 245–252 [0061]

Claims

Schaumstoff, der ein geschäumtes Harz enthält, wobei das Harz zumindest ein Kunstharz enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff weiterhin zumindest 5 Gew.% nachwachsenden Rohstoff und nicht mehr als 95 Gew.% Kunstharz bezogen auf die Gesamtmasse des Schaumstoffs enthält.
Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz fähig ist, Duromere auszubilden.
Schaumstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz ein Phenolharz ist.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem geschäumten Harz nachwachsende Rohstoffe kovalent an das Kunstharz gebunden sind.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem geschäumten Harz ein oder mehrere Zusatzstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen enthalten sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Nukleierungsmittel, Füllstoffe, Thixotropierungsmittel, Farbstoffe und deren Mischungen.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff zumindest 10 Gew.% nachwachsende Rohstoffe enthält.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz zumindest 10 Gew.% nachwachsenden Rohstoff bezogen auf den Feststoffanteil des Harzes enthält.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz ein Resol enthält.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin enthält.
Schaumstoff nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff einen Füllstoff enthält und dieser Lignin enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffs, der nachwachsende Rohstoffe enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines Harzes, welches ein Kunstharz und optional einem nachwachsenden Rohstoff enthält oder daraus besteht, b) Vorvernetzung des Harzes, wobei im Falle eines Harzes aus Kunstharz und nachwachsendem Rohstoff auch zwischen diesen beiden verschiedenen Ausgangsstoffen kovalente Bindungen gebildet werden, c) Einmischen und Dispergieren von Zusatzstoffen, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Nukleierungsmittel, Füllstoffe, Thixotropierungsmittel und Farbstoffe, wobei optional ein oder mehrere der Zusatzstoffe nachwachsende Rohstoffe sind oder enthalten, d) Trocknen der Mischung bis zu einer Restfeuchte von nicht mehr als 10 Gew.% Wasser, e) Brechen der Mischung zu Granulat mit einer Korngröße zwischen 1 und 10 mm, f) Einbringen des Granulats in eine für Mikrowellenstrahlung durchlässige Form, g) Bestrahlung der das Granulat enthaltenden Form mit Mikrowellen, um das Granulat zu Schäumen und zu Härten, h) Abkühlung des erhaltenen Schaumstoffes bei Raumtemperatur und optional anschließendes Entformen, wobei die Zugabe von nachwachsenden Rohstoffen in den Schritten a) und/oder c) in einer Menge erfolgt, dass die nachwachsenden Rohstoffe mindestens 5 Gew.% der Trockenmasse ausmachen, die aus Harz und Zusatzstoffen besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz zumindest 10 Gew.% nachwachsenden Rohstoff bezogen auf den Feststoffanteil des Harzes enthält
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz ein Phenolharz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der nachwachsende Rohstoff Lignin enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt f) das Einbringen des Granulats zwischen Decklagen aus naturfaserverstärkten Werkstoffen umfasst.