Polybenzoxazine sind eine Sonderform der Duroplaste und werden als spezielle Werkstoffe für leichte Faserverbundbauteile oder hitzebeständige Beschichtungen erforscht. Diese duroplastischen Spezialharze können aus unterschiedlichen chemischen Ausgangsstoffen hergestellt werden. Beim Erhitzen bilden sie ein dauerhaft vernetztes Netzwerk. Nach dem Aushärten lassen sie sich nicht mehr schmelzen oder neu formen, sind dafür aber besonders hitze- und formbeständig.

Eine Studie im European Polymer Journal untersucht nun vollständig biobasierte Vertreter dieser Werkstoffklasse. Die Forschenden stellten drei Polybenzoxazine her, deren chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen stammen. Dabei prüften sie, wie stark sich die Eigenschaften der fertigen Kunststoffe bereits durch die Wahl des pflanzlichen Ausgangsmoleküls verändern lassen.

Als Ausgangsstoffe verwendete das Team Vanillin sowie die pflanzlichen Flavonoide Daidzein und Naringenin. Vanillin kann unter anderem aus dem Holzbestandteil Lignin gewonnen werden. Jede dieser drei Verbindungen kombinierten die Forschenden mit biobasiertem Furfurylamin. So entstanden zunächst kleine Vorstufen, sogenannte Benzoxazin-Monomere. Beim anschließenden Erhitzen verbanden sich diese Moleküle zu einem festen, engmaschig vernetzten Kunststoff. Als Lösungsmittel diente Ethanol. Danach untersuchte das Team Wärmebeständigkeit, Steifigkeit, Zugverhalten, Oberflächenhärte und Wasseraufnahme der drei Materialien.

Jeder Rohstoff liefert ein anderes Materialprofil

Daidzein führte zum hitzebeständigsten Netzwerk. Die Glasübergangstemperatur lag bei 278 Grad Celsius. Sie markiert den Bereich, in dem ein glasartig-starrer Kunststoff weicher wird. Das naringeninbasierte Material erreichte die höchste Oberflächenhärte und nahm am wenigsten Wasser auf. Das Polybenzoxazin aus Vanillin zeigte dagegen die beste Zugfestigkeit und die höchste Steifigkeit bei Raumtemperatur.

Die Unterschiede führt das Team auf Zahl und Anordnung der reaktiven Gruppen in den Ausgangsmolekülen zurück. Sie bestimmen, wie dicht sich das Polymer beim Aushärten vernetzt. Damit liefert die Studie eine Art Baukasten. Daidzein und Naringenin könnten sich eher für hitzebeständige Beschichtungen oder Klebstoffe eignen, während vanillinbasierte Systeme als Matrix für Faserverbundwerkstoffe interessant sind.

Bislang wurden nur im Labor hergestellte Materialproben geprüft. Ob sich die Synthese skalieren lässt und wie die Werkstoffe in konkreten Produkten oder unter längerfristiger Belastung abschneiden, wurde nicht untersucht. Damit bleibt offen, ob sich die Vorteile auch in Beschichtungen, Klebstoffen oder Verbundwerkstoffen bestätigen.

ag