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Lösungsmittelfreie CO₂-basierte Polyurethane mit optimierten Eigenschaften
Eine aktuelle Studie zeigt, wie sich durch gezielte Einstellung des NCO/OH-Verhältnisses umweltfreundliche, wasserbasierte Polyurethane ohne organische Lösungsmittel herstellen lassen – mit hoher mechanischer Leistungsfähigkeit und guter Emulsionsstabilität.
Ein chinesisches Forschungsteam hat die Synthese von CO₂-basierten wasserbasierten Polyurethanen (PPCD-WPU) untersucht, die vollständig ohne organische Lösungsmittel und flüchtige Neutralisationsmittel auskommt. Anstelle des klassischen Acetonverfahrens setzten die Forschenden auf eine modifizierte Prozessführung mit anorganischer Base (NaOH) sowie eine gezielte Anpassung des NCO/OH-Verhältnisses, auch als R-Wert bezeichnet. Ziel war es, die Viskosität während der Emulgierung zu kontrollieren und gleichzeitig leistungsfähige Beschichtungsbinder zu erhalten.
Optimale Ergebnisse wurden bei einem R-Wert von 1,88 und einer Wassertemperatur von 40 °C erzielt. Unter diesen Bedingungen entstanden transparente, stabile Emulsionen mit Partikelgrößen zwischen 45 und 70 nm. Durch den Einsatz von Ethylendiamin (EDA) als Kettenverlängerer konnte die mechanische Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert werden: Die resultierenden Filme erreichten eine Zugfestigkeit von 30,8 MPa sowie eine Bruchdehnung von 547,8 %.
Lesetipp: Lacksysteme
Heutige Lacksysteme müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen: vom stabilen Farbeffekt bis hin zum Korrosionsschutz. Ein umfassendes Verständnis, sowohl über die in einer Formulierung verwendeten Komponenten als auch über die Wechselwirkungen dieser untereinander, ist dazu unabdingbar. Auch der Produktionsprozess, das Beschichtungsverfahren und die Bedingungen bei der Filmbildung bestimmen das Eigenschaftsprofil der Beschichtung. In dem Buch „Leistungsstarke Lacke formulieren“ werden Lackchemikern oder Formulierungsspezialisten Prinzipien an die Hand gegeben, wie die Eigenschaften einer Beschichtung gezielt beeinflusst werden können. Ebenso soll dieses Wissen dazu dienen, Fehler zu vermeiden oder diese schnell zu korrigieren.
Einfluss des R-Werts auf Eigenschaften und Nachhaltigkeit
Die Studie zeigt zudem, dass der R-Wert einen entscheidenden Einfluss auf weitere Materialeigenschaften hat. Mit steigendem R-Wert sank die Wasseraufnahme der Beschichtungen von 13,5 auf 7,9 Gew.-%, während die thermische Stabilität leicht abnahm. Gleichzeitig wiesen die PPCD-WPUs eine hohe UV-Transmission auf, was sie für optisch anspruchsvolle Anwendungen interessant macht.
Insgesamt liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die industrielle Umsetzung nachhaltiger, CO₂-basierter Polyurethane. Die vorgestellte Prozessstrategie gilt als vielversprechender Ansatz für eine umweltfreundliche Herstellung leistungsfähiger wasserbasierter Beschichtungssysteme.
Quelle: Xian, W. et al., The effect of NCO/OH ratio on the synthesis and behavior of solvent-free CO₂-based waterborne polyurethane. J. Coat. Technol. Res. 22, 2253–2263 (2025).
