Wie faserbasierte Schaumstoffe umweltschädliche Polymere in den Bereichen Sport, Sicherheit und Bau ersetzen könnten
Kunststoffschäume sind allgegenwärtig: in Form von Fahrradhelmen, Verpackungen, Bauplatten und im Fahrzeuginnenraum. Die meisten dieser Produkte werden jedoch aus Polymeren auf fossiler Basis hergestellt, die sich nicht abbauen lassen, Umweltbelastung durch Mikroplastik verursachen und nicht recycelbar sind. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BreadCell(öffnet in neuem Fenster) wurde ein Aufschäumverfahren entwickelt, das auf Zellulosefasern aus der Zellstoffherstellung beruht. Aus diesen nachwachsenden Rohstoffen wurden leichte, biologisch abbaubare Verbundschäume hergestellt, die die Leistung von Alternativen auf Kunststoffbasis erreichen sowie bereits in Sport- und Sicherheitsausrüstung erprobt werden.
Von flüssigen Fasersuspensionen bis zu funktioneller Sicherheitsausrüstung
Das BreadCell-Team hat ein neues Verfahren entwickelt, um nasse Suspensionen von zellulose- und xylanreichen Fasern in poröse, strukturierte Schäume umzuwandeln. Diese wurden dann zu Demonstrationsobjekten geformt, darunter ein Skateboard, ein Helm und ein Wellenbrett, die ihr Potenzial in realen Anwendungen aufzeigen. Bei den Helmtests zeigte sich eine herausragende Eigenschaft: die Fähigkeit des Schaumstoffs, die Rotationsbeschleunigung bei Kopfaufprall zu verringern, was ein wichtiger Risikofaktor für Hirnverletzungen ist. Es erwies sich, dass die BreadCell-Faserschäume diesen Drehimpuls wirksam absorbieren und zerstreuen können. Auf technischer Ebene bestand eine zentrale Herausforderung darin zu verstehen, wie sich die Schäume beim Trocknen und Aushärten verhalten. „Die größte technische Überraschung war, wie wenig darüber bekannt ist, die Entwicklung der Porosität während der Umwandlung des nassen Schaums in trockenen Schaum analytisch betrachten zu können“, sagt Tiina Nypelö, Koordinatorin von BreadCell.
Porenstruktur für Festigkeit und Stabilität abstimmen
Um das mechanische Verhalten besser zu verstehen, untersuchte das Team mithilfe der Mikro-CT-Bildgebung, wie das interne Porennetzwerk des Schaums entsteht. Diese 3D-Scans offenbarten starke Dichtegradienten, die sich direkt auf die Druckfestigkeit auswirken, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen wie Helmen oder Fahrzeuginnenräumen. Die Tests ergaben, dass Dichteunterschiede innerhalb des Schaums die scheinbare Steifigkeit verringern. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein Metamodellierungsverfahren entwickelt, das Mikro-CT-Daten und Spannungs-Dehnungs-Ergebnisse kombiniert. Projektpartner Florian Feist erklärt: „Mit den derzeitigen Testverfahren wird das wahre mechanische Potenzial des Schaums um mehr als 50 % unterschätzt.“ Bei Bauanwendungen wiesen halbhybride Sandwichplatten, eine Kombination aus Schaumstoffkernen mit Kraftpapierdecks, eine deutlich verbesserte Druck-, Biege- und Zugscherfestigkeit auf. Mechanische Prüfungen bestätigten, dass diese geschichteten Strukturen die Leistung von Schaumstoff allein übertrafen und eine höhere Steifigkeit und Haltbarkeit aufwiesen.
Konzeption der Sicherheit, Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit
Die BreadCell-Materialien sind nicht nur wirkungsvoll, sondern auch sicher und skalierbar. Das Team validierte die Ungiftigkeit aller Inhaltsstoffe und wies nach, dass die Schaumstoffe gemäß den Protokollen des Europäischen Verbands der Papierindustrie CEPI(öffnet in neuem Fenster) ähnlich wie Papier biologisch abbaubar und recycelbar sind. Die Projektarbeit konzentrierte sich auf Ausgangsstoffe, die bereits in großem Umfang verfügbar sind. „Unsere wichtigsten Schaumstoffkomponenten stehen industriell in großem Umfang zur Verfügung, was ein großer Vorteil ist“, berichtet Nypelö. Die Zellulosefasern sind keine Nebenprodukte, sondern das Hauptprodukt der Zellstofffabriken, die jährlich über 160 Millionen Tonnen produzieren. Xylan ist auch in den meisten chemischen Zellstoffen enthalten, insbesondere in denen, die der Papierherstellung dienen. Diese breite Verfügbarkeit, gepaart mit den Grundsätzen des inhärent sicheren Designs und der Umweltverträglichkeit, lässt die Ergebnisse von BreadCell zu einer skalierbaren Alternative zu synthetischen Schaumstoffen mit Anwendungen in den Bereichen Verpackung, Mobilität, Sport und bauliche Umwelt werden.
