Bündnis: WIR! W2Value - Verbundprojekt: WIR! Biobasierte kreislauforientierte Wiederinwertsetzung von EVA-Abfällen für Orthopädieschuheinlagen-WEVA-ORTH; Teilprojekt: Schäumen von biobasiertem und recycliertem Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) und der Herstellung von Verbundschaumplatten sowie der Schaumcharakterisierung

Abstract

Das Projekt begann mit einer umfassenden Marktanalyse für biobasierte Klebstoffe. Als solche werden als Klebstoffe definiert, die überwiegend aus natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Biobasierte Klebstoffe bestehen überwiegend aus nachwachsenden, natürlichen Rohstoffen nicht-mineralischen Ursprungs, wobei bestimmte synthetische Zusatzstoffe wie Vernetzer weiterhin zulässig sind. In der Literatur existieren unterschiedliche Bezeichnungen, die jedoch inhaltlich gleichbedeutend sind. Zu den wichtigsten Klassen biobasierter Klebstoffe zählen stärkebasierte, proteinbasierte, ligninbasierte, cellulosebasierte sowie biobasierte Polyurethan-Klebstoffe. Stärke ist ein weit verbreitetes Biopolymer, dessen Klebeeigenschaften stark von der Zusammensetzung aus Amylose und Amylopektin abhängen. Durch chemische und physikalische Modifikationen, etwa zu Dextrinen oder Stärke-Borat-Systemen, können Stabilität, Haftung und Verarbeitbarkeit deutlich verbessert werden. Proteinbasierte Klebstoffe, insbesondere aus Soja oder Kasein, wurden historisch bereits erfolgreich eingesetzt und gewinnen aufgrund von Umwelt- und Gesundheitsanforderungen wieder an Bedeutung. Sie sind nachhaltig, ungiftig und formaldehydfrei, reagieren jedoch empfindlich auf Feuchtigkeit und Temperatur. Cellulosederivate ermöglichen thermoplastische Klebstoffe mit spezifischen Eigenschaften, sind jedoch in ihrer Temperatur- und Wasserbeständigkeit begrenzt. Lignin stellt als natürliches phenolisches Polymer einen vielversprechenden Ersatz für Phenol in Holzklebstoffen dar, weist jedoch eine geringere Reaktivität auf. Einen besonders hohen industriellen Stellenwert besitzen biobasierte Polyurethan-Klebstoffe, die aus Pflanzenölen oder zunehmend auch aus CO₂-basierten Polyolen hergestellt werden. Diese Systeme bieten hohe mechanische Leistungsfähigkeit, gute Beständigkeit und ein großes Potenzial zur Reduktion des CO₂-Fußabdrucks. Die Marktrecherche zeigt, dass für das Verkleben von EVA vor allem biobasierte EVA-Hotmelt-Klebstoffe derzeit die praktikabelste Lösung darstellen, da sie eine gute Haftung ohne umfangreiche Vorbehandlung ermöglichen. Biobasierte PUR-Klebstoffe sind ebenfalls geeignet, erfordern jedoch meist eine Oberflächenaktivierung. Naturstoff- und Dispersionsklebstoffe sind für EVA nur eingeschränkt einsetzbar. Insgesamt verdeutlicht der Text das hohe Potenzial biobasierter Klebstoffe, deren erfolgreiche Anwendung jedoch stark von Substrat, Prozessbedingungen und Materialkombination abhängt. Die Marktrecherche ergab ebenfalls, dass eine Reihe von Herstellern für biobasierte Klebstoffe existieren. Der Stand der Technik bei der Recyclierung von EVA-Abfällen bestand zu Projektbeginn in einer rein energetischen Verwertung. Statt der problembehafteten Extrusion wurde zur Herstellung von geschäumten EVA-Platten das Heizpressenverfahren verwendet. Allerdings erwies sich auch die Heizpressmethode als begrenzt, da dicke Schaumplatten aufgrund unzureichender Wärmeübertragung nur ungleichmäßig geschäumt werden konnten. Eine Alternative stellte das Schäumen im Heißluftofen dar, bei dem durch vorgeheizte Formen und kontrollierten Druck dickere und homogenere Schaummuster erzeugt wurden. Ergänzend wurde ein spezielles Schäumwerkzeug konstruiert. Klebeversuche mit kommerziellen EVA-Platten zeigten, dass die Festigkeit der eingesetzten Klebstoffe höher ist als die Materialfestigkeit des EVA selbst, weshalb die Klebung keinen limitierenden Faktor darstellt. Im weiteren Verlauf wurden Schäumversuche mit fossilbasiertem EVA und biobasiertem EVA durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass das biobasierte EVA aufgrund seines geringeren Vinylacetatgehalts steifer und spröder ist. Durch einen zweistufigen Heizprozess in der Presse konnten jedoch EVA-Schaumplatten mit glatter Oberfläche, niedriger Dichte und guter Haptik hergestellt werden. Da das für Schuheinlagen verwendete EVA teilvernetzt ist, mussten Recyclingmaterialien zunächst zerkleinert und dem Neumaterial beigemischt werden. Mithilfe von Vernetzungsversuchen mit Dicumylperoxid wurden geeignete Vernetzungsbedingungen ermittelt. Recyceltes EVA konnte bis zu einem Anteil von 30 % ohne signifikante Qualitätseinbußen eingesetzt werden kann. Die hergestellten Platten ließen sich gut schneiden, tiefziehen, fräsen und verkleben. Bei höheren Recyclinganteilen traten jedoch Rissbildungen auf, insbesondere beim biobasierten EVA. Abschließend wurde eine prozessuale Optimierung umgesetzt, bei der ein mehrstufiges Schäumverfahren durch ein einstufiges ersetzt wurde. Dieses führte zu geringerer Dichte, verbesserter Weichheit sowie einer deutlichen Reduktion von Produktionszeit und Energieverbrauch. Die Hochschule Kaiserslautern stellte die geschäumten Platten aus geschäumtem EVA und BIO-EVA her, die beim Partner WeVaWec zu Orthopädieschuheinlagen weiterverarbeitet wurden.