Cellulose statt Erdöl: Team mit Beteiligung der TU Graz entwickelt nachhaltigen Schaumstoff

Schaumstoffe haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, etwa im Automobil‑, Haus- und Maschinenbau oder in Schuhen und Helmen. Bisher ist es üblich, diese Stoffe auf Basis von Erdöl herzustellen, was ihren ökologischen Fußabdruck negativ belastet. Im EU-Projekt BreadCell hat ein internationales Konsortium Schaumstoffe auf Basis von Cellulose entwickelt, die in einem dem Brotbacken ähnlichen Prozess hergestellt werden. Die Schaumstoffe sind vollständig biologisch abbaubar und rezyklierbar. Zwei Institute der TU Graz, das Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik und das Institut für Fahrzeugsicherheit, haben bei der Entwicklung der Technologie eine entscheidende Rolle gespielt.

Zahlreiche potenzielle Anwendungsbereiche

„Es ist wichtig, in so vielen Bereichen wie möglich Nachhaltigkeitsbestrebungen umzusetzen“, sagt Stefan Spirk vom Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik. ​„Cellulose ist pflanzenbasiert und in großen Mengen verfügbar. Ölbasierte Produkte durch solche aus Cellulosematerialien zu ersetzen, zielt daher auf dieses Ziel ab und der im Projekt BreadCell entwickelte Schaumstoff hat vielfältigste Anwendungsmöglichkeiten.“ So sehen die Forschenden unter anderem folgende Bereiche als sehr gut geeignet für den umweltfreundlichen Schaumstoff: im Automobilsektor für Crash-Impact-Energiemanagement, im Bausektor als Dämmstoff sowie in der Sportindustrie für die Herstellung von Sportgeräten und Schuhsohlen. Das Material bietet auch potenzielle Vorteile in Bezug auf Feuchtemanagement und Akustik.

Faser-Design und Simulationsmodelle

Ein zentrales Element des Projekts war es, mittels Simulationen Korrelationen zwischen der Schaumfestigkeit und dem Faserdesign herzustellen. Um die für diese Simulationen notwendigen Materialeingangsdaten zu gewinnen, wurde das Material umfassend charakterisiert. Dies umfasste Tests unter unterschiedlichsten Belastungen, wofür u.a. ein hochdynamischer Prüfstand an der TU Graz zum Einsatz kam, der das Material dynamischen und schnellen Belastungen aussetzt. Aufgrund der entwickelten Modelle und Daten konnten Schäume mit verschiedensten Dichten und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, die in diversen Demonstratoren verbaut wurden.

So haben die Forschenden etwa ein Skateboard, ein Bodyboard, einen Fahrradhelm und Schuheinlagen hergestellt und getestet. ​„Bei der Entwicklung des Schaums zeigte sich auch eine interessante Eigenschaft: Es war eine Herausforderung, die Dichte über die gesamte Dicke des Schaums perfekt homogen zu halten“, sagt Florian Feist vom Institut für Fahrzeugsicherheit. ​„Doch diese Inhomogenität erwies sich bei einer spezifischen Anwendung als vorteilhaft: bei Fahrradhelmen. Eine weichere Mittellage ermöglicht eine Art Scherung zwischen der äußeren und inneren Helm-Lage. Dies reduziert bei einem Aufprall die rotatorische Belastung auf das Gehirn, ähnlich dem Prinzip moderner Sicherheitssysteme wie dem MIPS-System.“

Erstes Projekt-Spin-off stellt Schuheinlagen her

Neben der Chalmers University (Projekt-Koordination) und der TU Graz waren noch drei weitere Institutionen an BreadCell beteiligt: Die Uni Wien arbeitete an Sandwich-Konstruktionen für Leichtbauteile, während Tecnalia in Spanien die Machbarkeit der industriellen Umsetzung prüfte und BioNanoNet (BNN) in Graz die biologische Abbaubarkeit und den Lebenszyklus bewertete. Mit dem Unternehmen FOAMO ist auch ein Spin-off aus dem Projekt hervorgegangen, das auf Basis des entwickelten Schaumstoffs leichte und dämpfende Schuheinlagen herstellt.