Produkcja biokompatybilnych rurek cewnikowych Zrównoważona produkcja poliuretanu bez toksycznego izocyjanianu

Poliuretany znajdują zastosowanie w wielu produktach, na przykład w meblach tapicerowanych, materiałach piankowych lub izolacyjnych, podłogach, lakierach, a nawet w cewnikach medycznych. Do produkcji tych poszukiwanych tworzyw sztucznych wykorzystuje się toksyczny izocyjanian. Naukowcy z Instytutu Fraunhofera opracowali teraz alternatywny proces produkcyjny z wykorzystaniem nieszkodliwego dikarbamatu.

Związki chemiczne z grupy izocyjanianów są toksyczne i wywołują alergie lub astmę. Są one jednak nadal niezbędne w przemyśle chemicznym: wykorzystywane są przede wszystkim do produkcji poliuretanów (PUR). Tworzywa te są niezwykle wszechstronne i dlatego znajdują zastosowanie w wielu produktach. W produkcie końcowym nie ma już izocyjanianów, ale podczas produkcji konieczne jest stosowanie specjalnych środków bezpieczeństwa, aby uniemożliwić kontakt ludzi z tymi substancjami i uniknąć zagrożeń dla zdrowia. Naukowcom z Instytutu Fraunhofera udało się po raz pierwszy w ramach projektu „CO2NIPU” (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU) wyprodukować poliuretany bez użycia izocyjanianów.

Dikarbumat jako zamiennik izocyjanianu

W tym celu kierownik projektu, dr Christoph Herfurth z Instytutu Fraunhofera ds. Stosowanych Badań Polimerów (IAP), wraz ze swoim zespołem zastąpił izocyjanian nieszkodliwym dikarbamatem. Nowa metoda sprawia, że produkcja tworzyw sztucznych jest łatwiejsza i bezpieczniejsza, a pracownicy nie muszą przechodzić specjalnego szkolenia, aby chronić się przed toksyczną substancją. Kolejne zalety: zmniejsza się emisja gazów cieplarnianych. Naukowcy wykorzystują bowiem dwutlenek węgla do produkcji dikarbamatu. Ponadto opracowują metody recyklingu, aby umożliwić ponowne wykorzystanie zużytych materiałów PUR. W projekcie wspólnym „CO2NIPU” oprócz Instytutu Fraunhofera IAP uczestniczyły również: Instytut Fraunhofera Technologii Chemicznych ICT, Instytut Technologii Produkcji i Stosowanych Badań Materiałowych IFAM oraz Instytut Technologii Środowiskowej, Bezpieczeństwa i Energetyki UMSICHT. Herfurth zwraca uwagę na zalety projektu: „Poliuretany na bazie dikarbamatów mają identyczne struktury molekularne jak klasyczne PUR na bazie izocyjanianów. Dzięki temu można wykorzystać dotychczasowe know-how, aby uzyskać właściwości materiałowe pożądane dla produktu końcowego lub danego zastosowania.”

System modułowy do definiowania właściwości materiałów

Naukowcy udoskonalili tę metodę pod kątem zastosowań przemysłowych. Różne substancje chemiczne miesza się w określonych proporcjach, co pozwala uzyskać pożądane właściwości. Tak zwane przedłużacze łańcucha pomagają w tworzeniu sieci między grupami cząsteczkowymi i zapewniają właściwości elastyczne lub klejące. Dioli polimerowe nadają tworzywu sztucznemu miękkość, a dikarbamat, stosowany jako substytut izocyjanianu, uruchamia proces chemiczny. Po zmieszaniu substancje te są topione i mieszane w temperaturze od 180 do 190 stopni Celsjusza. Po schłodzeniu eksperci sprawdzają takie właściwości, jak wytrzymałość na rozciąganie czy elastyczność. Izocyjaniany są wysoce reaktywne, dlatego poliuretany powstają często w ciągu kilku minut. W przypadku zastosowania mniej reaktywnych dikarbamatów ten sam proces trwa co prawda od sześciu do ośmiu godzin, ale za to przebieg reakcji można znacznie lepiej kontrolować i regulować. Zmniejsza to ilość odpadów i wahania jakości w produkcji.

Gospodarka o obiegu zamkniętym w przemyśle tworzyw sztucznych

Dikarbamaty są wytwarzane przez partnera projektu, instytut Fraunhofer UMSICHT, przy użyciu procesu wysokociśnieniowego. Pod ciśnieniem 50 barów metanol i gaz cieplarniany CO₂ są syntetyzowane z diaminami w dikarbamaty. Instytut Fraunhofer ICT opracowuje procesy recyklingu zużytych poliuretanów, na przykład ze starych pianek, które są następnie przetwarzane na nowe produkty z PUR. „W ten sposób przyczyniamy się do realizacji celu, jakim jest zrównoważona gospodarka o obiegu zamkniętym bez emisji gazów cieplarnianych” – podsumowuje Herfurth. Jako pierwsze zastosowanie naukowcy z Fraunhofera skupili się na produkcji biokompatybilnych rurek cewnikowych w technice medycznej. Instytut Fraunhofera IFAM wykorzystuje modułowy system o zmiennej konfiguracji do opracowywania klejów służących do mocowania kaniul do rurek.

Technologia produkcji poliuretanów bez izocyjanianów sprawdza się obecnie nie tylko w laboratorium. „Jesteśmy już w stanie wyprodukować kilka kilogramów NIPU w naszym centrum technologicznym. W kolejnym etapie w Centrum Instalacji Pilotażowych Fraunhofera ds. Syntezy i Przetwórstwa Polimerów (PAZ) w Schkopau będzie można wyprodukować kilkaset kilogramów NIPU” – mówi Herfurth.