Intelligenter Werkstoff mit Potenzial: Formgedächtnis-Polyurethan ermöglicht neue Anwendungen

Eine Folie, die sich an ihre ursprüngliche Form erinnert und "auf Knopfdruck" zum Schaum wird? Genau daran arbeitet ein Forschungsteam am Fraunhofer IAP. Die Kombination aus Polyurethan und Formgedächtnis-Effekt führt zu einem völlig neuen Werkstoff, der als platzsparende Folie lagert und sich bei Bedarf in eine leistungsfähige Schaumstruktur zurückverwandelt.

Im Interview mit dem K-Mag erläutert Dr. Thorsten Pretsch, wie dieses Material funktioniert, welche Vorteile es im Vergleich zu klassischen PU-Schäumen bietet – und wo die größten Potenziale für Industrie, Nachhaltigkeit und Sicherheit liegen.

Herr Dr. Pretsch, PU-Schaum ist ein weit verbreitetes Material. Was hat Sie dazu motiviert, dieses Material neu zu denken?

Dr. Thorsten Pretsch: Die Motivation, PU-Schaum neu zu denken, resultiert aus dem Potenzial, innovative Eigenschaften und Anwendungen zu erschließen.

Unseres Wissens gab es bislang kein Verfahren, um aus einem Formgedächtnispolymer-Schaum eine Folie herzustellen und diese später durch Erwärmen wieder in den Schaum zurückzuverwandeln. Man erhält durch die Programmierung ein thermisch schaltbares Halbzeug, in dem die Informationen über die Schaumstruktur gespeichert sind. Das Produkt trägt den Namen FOIM, eine Wortschöpfung aus den englischen Begriffen "Foil" (deutsch: Folie) und "Foam" (deutsch: Schaum).

Welche konkreten Vorteile bietet der Folienschaum – insbesondere im Vergleich zu konventionellen PU-Schäumen?

Pretsch: Für den Umgang mit Isocyanaten beispielsweise im Bauwesen gelten strenge Vorschriften und Schutzmaßnahmen, da sie toxisch sind und sensibilisierende Wirkungen auf die Atemwege und die Haut haben. Zudem stehen einige Isocyanate im Verdacht, Krebs zu verursachen.

Die neu entwickelte Folie verwandelt sich allein durch Wärmezufuhr in Polyurethan-Schaumstoff, ohne dabei chemisch zu reagieren. Daher sprechen wir in diesem Fall der Schaumherstellung vom "thermischen Schäumen". Damit bietet unsere Lösung eine gesunde Alternative, die sowohl die Sicherheit von Personen als auch den Schutz der Umwelt in den Mittelpunkt stellt.

Welche Parameter lassen sich konkret anpassen – und wie wirken sich diese auf die Funktionalität in unterschiedlichen Anwendungen aus?

Pretsch: Zunächst lässt sich über die chemische Formulierung Einfluss auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffs nehmen. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Dichte, die die Festigkeit und das Tragvermögen des Schaumstoffs beeinflusst. Eine höhere Dichte sorgt für mehr Stabilität, während eine niedrigere Dichte leichtere und flexiblere Anwendungen ermöglicht. Hochdichter Schaum eignet sich daher gut für strukturelle Anwendungen, während niedrigdichter Schaum für den Einsatz in Verpackungen oder Polsterungen prädestiniert ist.

Zusätzlich können Additive in den Folienschaum eingearbeitet werden, um dessen Eigenschaften zu verbessern, beispielsweise hinsichtlich der Feuerfestigkeit, UV-Beständigkeit oder elastischen Eigenschaften. Solche modifizierten Schäume sind besonders in anspruchsvolleren Umgebungen von Vorteil, wo zusätzliche Sicherheits- oder Leistungsanforderungen bestehen.

Das Ausmaß der Formrückstellung beim Auslösen des Formgedächtniseffekts spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle, da es die finale Struktur und die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. In Anwendungen, die eine hohe Anpassungsfähigkeit erfordern, wie etwa bei der Fixierung zerbrechlicher Objekte, oder auch im Falle einer thermisch sequenziell einstellbaren Dämpfung oder Isolierung kann dies von Bedeutung sein.

Kurzum – die gezielte Anpassung dieser Parameter ermöglicht die Optimierung des Folienschaums für eine Vielzahl von Anwendungen.

Gibt es Einsatzszenarien, bei denen der Folienschaum einen echten Gamechanger darstellt?

Pretsch: Tatsächlich könnte er in mehreren Einsatzszenarien als Gamechanger auftreten. Beispielsweise ermöglicht die platzsparende Lagerung und der vereinfachte Transport eine effizientere Logistik und Kostenersparnisse. Darüber hinaus erlauben die stufenweise einstellbaren Eigenschaftsprofile bei der Formrückstellung eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen, was die Handhabung erleichtert.

In Bereichen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen und der Verpackungsindustrie könnten die geringeren Systemkosten und die kompakte Form des Folienschaums wesentliche Vorteile bieten. Auch in der Medizintechnik und Pharmazie könnten innovative Anwendungen, wie Arzneimittelabgabesysteme, von den einzigartigen Eigenschaften des Folienschaums profitieren.