Bio-basiertes Polyurethanschaum: Was Lignin und Rizinusöl eigentlich mit starrem Schaum machen

Der Fall für Bio-basierte Schaum wird in der Regel als eine direkte Substitution gemacht: ersetzen Sie einen Anteil des petrochemischen Polyols mit etwas, das gewachsen ist, behalten Sie den Rest des Rezepts und bankieren Sie die Kohlenstoffersparnis. Eine Studie, die im Juni 2024 in Scientific Reports veröffentlicht wurde, macht diesen arithmetischen Look naiv. Kraft-Lignin und Rizinusöl, zwei billige Biomasse-derivierte Polyole, drücken steife Polyurethan-Schaum in entgegengesetzte Richtungen, und die Größe der Divergenz entscheidet, welche Produkte eines der Materialien realistisch eintreten können.

Hyeon Jeong Kim, Xuanjun Jin und Joon Weon Choi, die an der Graduate School of International Agricultural Technology der Seoul National University in Pyeongchang arbeiteten, schäumten eine Reihe von festen Polyurethanen mit Lignin bei 5, 10, 15 und 20 Prozent nach Gewicht des Polyols und mit Rizinusöl von 10 bis 100 Prozent. Jede Batch hatte eine Kontrolle unter identischen Bedingungen ohne Bio-Polyol überhaupt. Lignin erhöhte die Kompressionsstärke, da seine Belastung stieg, von 147 kPa bei 5 Prozent auf 207 kPa bei 20 Prozent.

Für jeden, der versucht hat, Bio-Inhalte in die Konstruktion zu verkaufen, definieren diese Zahlen das Problem.Ein Schaum bei 207 kPa ist ein Verpackungs- oder Leerfüllprodukt.Ein Schaum bei 326 kPa ist auf dem Weg zu einer Isolierplatte.

Wie ein zweiteiliges Schaumrezept Biomasse absorbiert

Die A-Seite ist ein Isocyanat – in diesem Fall ein polymeres Methylendifenyldiisocyanat, das von BASF Korea als Lupranat M5S geliefert wird, mit einem NCO-Gehalt von 32 Prozent. Die B-Seite ist ein Polyol, hier Polyethylenglykol 400, plus ein Zinnkatalysator, ein Silikonoberflächenwirkstoff, Glycerol und ein Blähmittel.

Was einen Biomasse-Rohstoff als Polyol nutzbar macht, sind Hydroxylgruppen – genug von ihnen, an den richtigen Orten, mit der richtigen Zugänglichkeit. Die Forscher haben das Lignin gemessen, bevor sie es schäumten. Es trug 4,9 Millimole freier Hydroxyl pro Gramm, aufgeteilt ungefähr 62 Prozent phenolische, 33 Prozent aliphatische und 5 Prozent Karboxylsäure, mit einer Hydroxylzahl von 328 Milligramm Kaliumhydroxid pro Gramm.

Aber schnell genug ist nicht gleich schnell.

Das Index-Experiment, das nicht funktionierte

Polyurethan-Formulierungen laufen auf einem Index: das molare Verhältnis von Isocyanate-Gruppen zu Hydroxyl-Gruppen. Ein Index von 1.01 ist nahe am Stoichiometric. Ein Index von 1.3 hinterlässt ein Drittel mehr Isocyanate als die Hydroxyls verbrauchen können, und der Überschuss reagiert mit sich selbst und mit bestehenden Urethan-Gruppen, um Kreuzverbindungen hinzuzufügen. Das Team lief beide, die nahe-stoichiometrischen lignin-Schäumen LPU und die hohen Index-Versionen lpu mit einer entsprechenden Kontrolle für jeden kennzeichnen.

Lesen Sie die Tabelle im Vergleich statt in einer Reihe. Die Kontrolle vom Index 1.01 auf 1,3 schieben 115 kPa Stärke hinzugefügt. Der gleiche Schritt kaufte die Lignin-Schaum fast nichts: 164 kPa gegen 147 kPa bei der niedrigen Belastung, und ein Verlust von 60 kPa bei der hohen. Extra Isocyanat, der Standardhebel für die Verhärtung einer Formulierung, hört auf zu arbeiten, sobald das Polyol Lignin ist. Das ist die Art zu finden, wie ein Pflanzenchemiker benötigt, bevor er eine Reformulation zitiert, und es ist nicht in einer Überschriftszahl zu sehen, die Bio-Schaum mit konventionellem Schaum vergleicht.

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Reaktivität, nicht Ladung, bestimmt die Zellstruktur

Die Erklärung des Papieres liegt in der Reaktionskinetik. Beide Bio-Polyole reagierten langsamer mit Isocyanat als das Polyethylenglykol, das sie ersetzten, und die Spektroskopie zeigt es. Lignins Hydroxyls sind weitgehend phenolisch und sitzen auf einem bulkigen, polydispersen aromatischen Polymer, der den Ansatz von Isocyanatmolekülen verlangsamt. Die reaktive Gruppe von Castoröl ist ein sekundärer Hydroxyl auf Rizinolsäure, die Fettsäure, die etwa 90 Prozent des Öls ausmacht, und sekundäre Hydroxyls sind inhärent langsamer als primäre.

Langsamer Reaktion verschiebt das Rennen zwischen Gelation und Gasgeneration. Gel früh gegen das Blähungsmittel und die Zellen bleiben klein und dicht; Gel spät und die Zellen wachsen, dünn und brechen. Das ist genau das, was die Scanning-Elektronmikroskopie zeigt. Lignin produzierte kleinere Zellen, mit der kleinsten und einheitlichsten Struktur bei 10 Prozent Ladung in beiden Indexreihen. Castoröl produzierte größere Zellen und eine steigende Leere Fraktion, die sich in Richtung einer offenen Zellstruktur neigt, da die Substitution in Richtung 100 Prozent kletterte - ein offener Zell Schaum ist ein Schwamm, kein Isolator.

Das thermische Verhalten teilt sich entlang der gleichen Linie. Der Char-Ertrag, der Rückstand, der hinter dem Schaum nach dem Abbau in Stickstoff verbleibt, stieg mit dem Ligningehalt von 11,5 auf 15,8 Prozent in der LPU-Serie und von 12,4 auf 17,5 Prozent in der High-Index-Serie. Mit Rizinusöl fiel er von 10,6 Prozent bei 10 Prozent auf 4,2 Prozent bei voller Substitution. Char ist das, was zwischen Schaum und Flamme steht, und Lignin baut es auf.

Woher die Rohstoffe eigentlich stammen

Lignin ist 25 bis 30 Prozent der lignocellulösen Biomasse, und die Biosphäre hält mehr als 300 Milliarden Tonnen davon. Pulp-Mühle trennen bereits etwa 50 Millionen Tonnen pro Jahr, verbrennen dann fast alles für Prozesswärme: Nach gemeinsamen Schätzungen werden ca. 2 Prozent als kommerzielles Produkt zurückgewonnen.ACS Polymeren AuEine häufig zitierte Schätzung legt wiederhergestelltes Lignin, das für Energie verbrannt wird, auf etwa 0,20 USD pro Kilogramm und das gleiche Material, das in Chemikalien umgewandelt wird, nahe an 1 USD pro Kilogramm, was die Lücke ist, die Trennanlagen finanziert.

Das Lignin in dieser Studie war Softwood Kraft Lignin, das durch den LignoBoost-Prozess hergestellt und von Domtar geliefert wurde, dem Papierunternehmen, dessen Trennwerk in Plymouth, North Carolina, inChemical & Engineering NachrichtenNeben der 50.000 Tonnen großen finnischen Fabrik von Stora Enso und der 10.000 Tonnen großen Fabrik von West Fraser in Alberta variiert die Qualität je nach Holzart und nach Mühle, ein Punkt, den die Autoren durch die Charakterisierung des elementaren Inhalts, der Asche- und Hydroxylverteilung vor der Schaumung bewältigen.

Rizinusöl trägt eine andere Art von Konzentrationsrisiko. Ungefähr 80 Prozent der weltweiten Rizinus-Samen und etwa 85 Prozent des gehandelten Öls kommen aus Indien, wobei der Staat Gujarat den Großteil davon produziert. Rizinolsäure gibt dem Öl eine Hydroxylgruppe, die die meisten pflanzlichen Öle fehlen, und weil Rizinusöl nicht essbar ist, konkurriert die industrielle Nachfrage nicht mit Lebensmitteln.

Die Hälfte des Rezepts, das petrochemisch bleibt

Ein Bio-Polyol ersetzt die B-Seite. Die A-Seite bewegt sich nicht, und in der Europäischen Union trägt die A-Seite nun eine Ausbildungspflicht. gemäß REACH-Anhang XVII Eintrag 74, eingeführt durch die Verordnung (EU) 2020/1149, dürfen Diisocyanate nach dem 24. August 2023 nicht für industrielle oder berufliche Zwecke verwendet werden, es sei denn, die Konzentration bleibt unter 0,1 Gewichtsprozent oder jeder Benutzer hat vor der Handhabung eine Ausbildung zur sicheren Verwendung abgeschlossen.

Die Anforderung erreicht die Aufgaben, bei denen die Exposition tatsächlich stattfindet: offene Mischung bei Umgebungstemperatur, einschließlich Schaumtunneln, Sprühen in einem belüfteten Stand, Schneiden von nicht vollständig heilenden Artikeln, Reinigung und Abfall.Zusammenfassung der Einschränkung und der AusbildungsstufenDie Compliance-Kosten schwanken mit der Kopfzahl, nicht mit den Einnahmen, was bedeutet, dass ein kleiner Spray-Schaum-Unternehmer eine schwerere Belastung absorbiert als ein multinationaler Panel-Hersteller.

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Flammenretardanz ist das Tor für Bauprodukte

Die gleiche Gruppe veröffentlichte eine Folgemaßnahme in Materials Today Communications im Jahr 2025, die die nächste Frage beantwortet, was passiert, wenn Sie den Schaum benötigen, um Entzündung zu widerstehen.Sie reagierten Lignin mit Phosphorpentoxid unter Reflux, um phosphoryliertes Lignin zu machen, bestätigten 2,9 Prozent Phosphorgehalt durch induktiv gekoppelte Plasma-Analyse, fügten es dann mit 5 bis 20 Gewichtsprozent zu Schaum hinzu, das bereits 10 Prozent Lignin oder 40 Prozent Rizinusöl enthält.

Das mechanische Ergebnis ist das auffällige. Im Ligninschaum stieg die Kompressionsstärke von 147 kPa auf 592 kPa, über der 326 kPa-Kontrolle. Im Rizinusölschaum stieg sie von 207 kPa auf 341 kPa. Beim Hinzufügen eines konventionellen Schaums tat derselbe Zusatzstoff das Gegenteil und fiel die Festigkeit von 326 kPa auf 260 kPa. Die Flammenverzögerung verbesserte sich um 42 bis 65 Prozent, obwohl nicht proportional zu der Menge des Zusatzstoffs. Ammoniumpolyphosphat, der kommerzielle Benchmark, lieferte insgesamt eine höhere Festigkeit und thermische Stabilität, während das phosphorylierte Lignin in einigen Maßnahmen vergleichbar oder besser war.2025 Papierist die kommerziell interessantere der beiden, weil ein Schaum, der einen Feuerversuch fehlschlägt, keinen Weg in eine Wand hat.

Was das zweite Jahr dieser Arbeit zu beantworten hat

Niemand hat noch die Zahl veröffentlicht, nach der die Käufer zuerst fragen: Wärmeleitfähigkeit. Die 2024-Studie berichtet von Kompressionsstärke, scheinbarer Dichte, Zellmorphologie, Spektroskopie und thermogravimetrischem Verhalten. Es berichtet nicht von Lambda, Wasseraufnahme, langfristigem Kreuz unter anhaltender Belastung oder Dimensionsstabilität über eine Lebensdauer gemessen in Jahrzehnten. Steifes Schaum in einer Wand trägt eine Belastung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit für zwanzig Jahre und mehr. Char-Ergebnis ist ein Proxy für das Feuerverhalten, nicht ein Feuer-Testergebnis, das genau ist, warum die Fosphorylierte Lignin-Folgemaßnahme mehr

Ein Polyol, das langsamer reagiert, braucht mehr Katalysator, mehr Isocyanat oder mehr Ofenzeit, und jeder von ihnen verzehrt den Bio-Inhaltgewinn und die Kostenersparnis, die die Änderung rechtfertigten.

Die Studie bietet einen praktischen Meilenstein. Bei 10 Prozent Lignin produzierten beide Index-Serien ihre kleinsten und einheitlichsten Zellen, und die hochindizierte Variante hielt bei dieser Ladung 167 kPa, bevor sie bei 15 und 20 Prozent fiel. Die Spitzenkompressionsstärke liegt bei 20 Prozent. Die beste Zellstruktur liegt bei 10. Jeder, der versucht, eine Produktspezifikation zu halten, muss entscheiden, welche dieser beiden Zahlen ihre Anwendung tatsächlich braucht, und die Antwort wird sich zwischen einem Kühlschrank-Panel und einem Kisseninsert unterscheiden.

Das ist die Frage, die in Jahr zwei wartet: Ob eine Formulierung an der Ladung, wo der Schaum am gleichmäßigsten ist, anstatt an der Stärke gesperrt werden kann, und ob das Lignin, das am Silo ankommt, monatlich konsistent genug ist, um es dort zu halten.Vollständige StudieUnd seineOffener Zugang Textgeben die Startbedingungen. Das Mill-Zertifikat gibt den Rest.