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Reaktionsharze - Polyurethan (PUR)

Polyurethan-Schäumsysteme

Auszug aus
Wolfgang Kaiser

Kunststoffchemie für Ingenieure

11/2015, 636 Seiten, € 39,99
ISBN: 978-3-446-44774-5
S. 532-534

Namensgeber dieser Kunststoffklasse ist die Urethangruppe, die durch Additionsreaktion zwischen einem Isocyanat und einem Diol entsteht. Doch die Polyurethanchemie bietet eine schier unübersehbare Fülle von Möglichkeiten, um zu „Polyurethanen“ zu gelangen, d. h. im Makromolekül kommt der Urethangruppe häufig nur eine Nebenrolle zu. Hinter einem Polyurethan verbirgt sich daher nie ein „reiner Kunststoff“, sondern stets ein chemisch-strukturell gemischtes Polymer. Dazu kommt, dass die Herstellung von PUR-Teilen oder -Halbzeugen nicht zuerst das fertige Polymer voraussetzt, sondern meistens direkt mit der Synthese der Polyurethane einhergeht. Diesem Umstand verdanken im Besonderen die PUR-Schaumstoffe ihren großen Variationsbereich. Denn erst durch die Kombination unterschiedlichster Rohstoffe samt Additiven stehen die für „Maßanfertigungen“ erforderlichen Rezepturen zur Verfügung. Als so genannte Schäumsysteme beinhalten sie daher stets mehrere Rohstoffe bzw. Rohstoffgemische, vereinfacht auch als Komponenten bezeichnet (Bild 1).

Komponenten

Ausgangskomponenten für PUR-Schäumsysteme

Bild 1: 3-Säulenmodell der Ausgangskomponenten für PUR-Schäumsysteme


Die wichtigsten sind: das Polyol und das Polyisocyanat, in der Praxis auch als Komponenten A und B bezeichnet. Meistens werden die PUR-Schaumstoffe direkt aus diesen beiden Komponenten A und B in einer Stufe, im Einstufen-Verfahren/one- shot-Verfahren, chemisch aufgebaut. Es gibt aber auch Zweistufen-Verfahren/Prepolymerverfahren, bei denen zuerst aus Polyol und einem Polyisocyanatüberschuss ein „Polyisocyanat-Prepolymer“ (NCO-Prepolymer) oder aus Polyisocyanat und einem Überschuss an Polyol ein „Polyol-Prepolymer“ (OH-Prepolymer) hergestellt werden. In der 2. Stufe gewinnt man dann das Polyurethan durch Umsetzen des Prepolymers mit dem noch fehlenden Anteil an Polyol bzw. Polyisocyanat. Gegenüber dem Einstufenverfahren sind Zweistufenverfahren zwar aufwendiger, sie erlauben aber insbesondere die Herstellung härterer Schaumstoffe bei relativ geringem RG. Sowohl das Einstufen- wie das Zweistufenverfahren gehen regulär von einem Zweistoffsystem aus. Es sind aber auch Einstoffsysteme für die Verarbeitung in Druckflaschen oder Sprühdosen auf dem Markt. Sie enthalten ein Prepolymer mit endständigen Isocyanatgruppen, Aktivatoren und Treibmittel. Ihre Vernetzung (Härtung) erfolgt durch Einwirkung von Feuchtigkeit (Luftfeuchte), die mit den Isocyanatgruppen reagiert.

Als „Komponente A“ finden vor allem Polyole auf der Basis lang- und kurzkettiger Polyetherpolyole Verwendung. Indes werden auch Polyole auf Polyesterbasis eingesetzt. Polyesterpolyole besitzen aufgrund ihrer Esterbindungen eine deutlich geringere Hydrolysebeständigkeit und sind meist hoch viskos, dafür resultieren im fertigen Polyurethan eine Erhöhung der Festigkeit sowie eine Abnahme der Empfindlichkeit gegen Photooxidation. Meist noch energischer als die Polyole reagieren die Polyamine, die damit neben den Polyolen zu den wichtigsten Reaktionspartnern der Isocyanate zählen.

Im Gegensatz dazu sind bei der „Komponente B“ nur wenige Typen verschiedener Grundisocyanate im Einsatz. Die hauptsächlich eingesetzten Polyisocyanate gehören zu den Aromaten. Ihre wichtigsten Vertreter sind „TDI“ und „MDI“. Als „Komponente C“ werden alle Hilfsstoffe zusammengefasst. Hilfsstoffe, die zur Vereinfachung der Verarbeitung bereits beim Rohstoffhersteller dem Polyol beigemischt werden können, sind vor allem Treibmittel, Aktivatoren, Emulgatoren und Schaumstabilisatoren. Als Treibmittel verwendet man statt der FCKW/Fluorchloralkane (Frigene) Ersatzstoffe (u. a. Kohlenwasserstoffe) sowie Wasser, das mit Isocyanatgruppen unter Bildung von CO2-Gas reagiert. Aktivatoren erhöhen die Geschwindigkeit der Schaumstoffbildung; es werden dazu häufig tertiäre Amine, wie Triethylamin, (CH3––CH2––)3N, oder organische Zinnverbindungen, wie Dibutylzinndilaurat und Zinn-II-dioctat verwendet. Durch den Zusatz von Emulgatoren (z. B. Siliconöle) wird eine gleichmäßige Verteilung von Wasserzusätzen gewährleistet. Schaumstabilisatoren, häufig Polysiloxan-Derivate wie z. B. Polymethylsiloxan-Polyalkylenoxid-Blockpolymere, verhindern das Platzen von Schaumblasen, d. h. das Zusammenfallen des Schaums, während das in Reaktion befindliche System noch mehr oder weniger flüssig ist. Als weitere Bestandteile der Schäumsysteme kommen von Fall zu Fall vor: Flammschutzmittel, UV-Absorber, Farbmittelpasten und Füllstoffe.

PUR-Schaumstoff-Arten

Aus den Schäumsystemen können vier verschiedene PUR-Schaumstoff-Arten hergestellt werden:

PUR-Hartschaumstoff, PUR-Weichschaumstoff, Halbhart-(semiflexibler) PUR- Schaumstoff und PUR-Integralschaumstoff.

Zur Herstellung von Hartschaumstoff geht man von Polyether-Polyolen mit einer hohen OH-Zahl, d. h. mit einer hohen Zahl an Hydroxylgruppen aus, wodurch engmaschige Vernetzung und damit ein „duromerer“ Schaumstoff erzielt wird. Umgekehrt benutzt man für den weichgummiähnlichen Weichschaumstoff Polyether-, gelegentlich auch Polyester-Polyole mit einer relativ geringen Anzahl von Hydroxylgruppen im Molekül, was zur weitmaschigen Vernetzung, d. h. zu einem elastomeren Schaumstoff führt.

PUR-Struktur- und Integralschaumstoffe besitzen eine dichte, d. h. ungeschäumte Außenzone, nur das Innere besteht aus zelligem Material. PUR-Integralschaumstoff- Formteile werden nach der RIM-Technik hergestellt. Sie können flexibel, semiflexibel („halbhart“) oder hart („duromer“) eingestellt sein und weisen eine im Vergleich zum inneren Kern dichtere Außenhaut auf. Durch diese Struktur haben die Formteile eine höhere Stabilität und werden deswegen auch als „Strukturschaumstoffe“ bezeichnet. Von RRIM (Reinforced-Reaction-Injection-Molding) spricht man, wenn z. B. Glasfasern als Verstärkungsstoffe zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zum Einsatz gelangen.

Ferner unterscheidet man „Blockschaumstoffe“ und „Formschaumstoffe“. Blockschaumstoffe erhält man durch Gießverfahren in Form von Schaumstoffblöcken, die überwiegend durch Schneiden zu Platten weiterverarbeitet werden. Man kann auch einfache Formteile aus ihnen herstellen.

Formschaumstoffe benötigt man zur Fertigung von Formteilen mit komplizierterer Geometrie. Hierfür schäumt man in geschlossenen Werkzeugen (und geringem Innendruck von etwa 0,3 bis 6 bar), die entweder beheizt sind („Heißschaumstoffe“) oder unbeheizt („Kaltschaumstoffe“) gefahren werden.

Auszug aus
Wolfgang Kaiser

Kunststoffchemie für Ingenieure

11/2015, 636 Seiten, € 39,99
ISBN: 978-3-446-44774-5
S. 532-534
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