Polyurethan – Entstehung und Verarbeitung

Polyurethan ist ein Kunststoff (ein Polymer), der aus der chemischen Reaktion von Polyolen und Diisocyanaten entsteht. Zusammen mit Polyolen, die aus langen Alkoxyetherketten bestehen, bilden Diisocyanaten wie z. B. Methylendiphenyldiisocyanate (MDI) und Toluoldiisocyanate (TDI) die Grundbausteine von Polyurethan. Die eingesetzten Polyole besitzen als reaktionsfähige funktionelle Gruppen mindestens zwei OH-Gruppen, die Isocyanate mindestens zwei NCOGruppen.  Werden diese vermischt, reagieren sie miteinander. Unter Zugabe von Wasser, Säure oder dem Einsatz von physikalischen Treibmitteln entsteht Schaum. Damit Polyurethan den hohen Qualitätserwartungen und technischen Produktspezifikationen gerecht wird, werden Farbstoffe und Zusätze beigemischt, um die richtige Zusammensetzung des Schaumstoffs sicherzustellen. So wird eine nahezu endlose Vielfalt an Schaumdichten erreicht. Das Molekül wird angepasst, um verschiedene Eigenschaften zu ermöglichen, PUR-Materialien können härter oder weicher gestaltet werden.

Einfluss auf die Beschaffenheit des Polyurethans hat zunächst die Wahl der Anzahl der OH- und NCO-Gruppen in den Ausgangskomponenten. Durch Modifizierung der Molekülstruktur lassen sich nahezu beliebige Eigenschaftsspektren erzeugen. Die molekulare Struktur von PUR wird wesentlich durch die Variation der Kettenlänge und den Grad der Verzweigung bzw. der Vernetzung bestimmt. So erhält man bei Verwendung von langkettigen Polyolen weiche bis elastische Schäume, oder bei kurzkettigen Polyolen stark vernetzte, harte Schaumstoffe.

Hinzu kommt die Möglichkeit, durch Zuschlagstoffe, wie Glas- oder Naturfasern, das Eigenschaftsprofil des entstehenden Kunststoffs weiter zu variieren. Heute steht eine große Palette an Rohstoffkomponenten und Additiven zur Verfügung, die eine anwendungs- und eigenschaftsspezifische Formulierung des Schaumsystems ermöglicht. Auch die Wahl des Treibmittels beeinflusst die Beschaffenheit des Endproduktes. So wird z. B. Kohlendioxid als Treibmittel verwendet, um Weichschaumstoff für ein bequemes Sofa herzustellen. Bei Hartschaumstoff kann ein Zellgas, z. B. Pentan, in den geschlossenen Zellen des Schaums eingeschlossen werden, um so sein Dämmvermögen zu optimieren. Alternativ kann auch Wasser als Treibmittel eingesetzt werden.

Verarbeitungstechnologien

PUR-Weichschaumstoffe bestehen überwiegend aus elastischen Zellstegen. In der letzten Phase des Schäumvorgangs platzen bei PUR-Weichschäumen die Zellwände auf. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von offenzelligen Schäumen. Sie sind leicht und reversibel verformbar und wegen ihrer Offenzelligkeit sind sie gut luftdurchlässig. Große Mengen von PUR-Weichschaumstoffen werden kontinuierlich im Blockschaum-Verfahren hergestellt. Grundsätzlich unterscheidet man je nach verwendetem Polyol zwischen Polyester und Polyether-Blockschaum. Das dominierende Isocyanat ist TDI, allerdings findet für spezielle Schaumqualitäten mit höherer Rohdichte zunehmend auch MDI Verwendung.
PUR-Halbhartschaum ist wesentlich härter als Weichschaum. Je nach gewünschter Eigenschaft, ist der Übergang jedoch fließend, alle geforderten Zwischenstufen sind einstellbar.

PUR-Hartschäume sind stark vernetzt und weisen daher eine hohe Festigkeit auf. Sie besitzen eine geschlossenzellige Schaumstruktur. Die vor der Aushärtung bestehende Klebkraft erlaubt es, PUR während des Schäumprozesses mit einer Reihe von Deckschichtmaterialien zu Sandwichkonstruktionen zu verbinden. Im Baubereich können sie kaschiert werden mit Deckschichten aus Gips, Kunststoffen oder Metallblechen.

PUR-Sprühschaum (Sandwich-Technik) ist eine neue Technologie zur kosteneffizienten Herstellung von großen und komplexen Verbundteilen. Aufgrund der geringen Investition in Maschinen und Formen eignet sich das Verfahren hervorragend für kleine bis mittlere Stückzahlen. Beim Sprayverfahren wird das Polyurethan im Hoch- oder Niederdruckverfahren auf ein Bauteil oder in eine Form gesprüht. Der Auftrag kann mehrschichtig sein, wobei die Schichten sehr dünn bis dick, kompakt oder geschäumt sein können. Das formnahe Aufsprühen eröffnet neue Möglichkeiten bei der Formgebung und sorgt für effizienten Materialeinsatz mit wenig Abfall. Durch das Versprühen des Materials angereichert mit Glasfasern oder auch durch das Einlegen von Fasermatten oder Lamellen- und Wabenstrukturen, können die Schichten mechanisch verstärkt werden. Es entstehen leichte und dennoch belastbare Verbundwerkstoffe (PUR-Sandwichelemente), bei Bedarf mit hochwertigem Oberflächen-Finish.
Eine besondere Struktur besitzen die sog. Integralschäume. Durch Wahl eines geeigneten Treibmittels und einer entsprechenden Prozessführung besitzen sie im Randbereich eine nahezu zellfreie Struktur, während der Kern des Formteils aufgeschäumt ist. Im Gegensatz zu gleichmäßig geschäumten Kunststoffen (gleiche Dichte über den gesamten Querschnitt) sind Schäume mit unterschiedlichem Dichteverlauf über den Querschnitt (Struktur- oder Integralschäume) im Vorteil. Das Sandwich-Prinzip verleiht dem Schaum besonders gute mechanische Eigenschaften bei relativ geringem Gewicht. In einem Einstufen-Prozess können so auch verschiedenartige Härtegrade von Matratzen oder anderen Weichschaumanwendungen hergestellt werden.
Weitere Anwendungen für PUR sind energieabsorbierende Schaumstoffe (EA-Schaum), die sich durch ein viskoelastisches Verformungsverhalten auszeichnen. Bei Krafteinwirkung werden die Schaumzellen reversibel verformt. Dabei wird die Energie in Verformungsarbeit und Wärme umgewandelt. Die offenzelligen und zähelastischen EA-Schaumstoffe weisen Rohdichten zwischen 60 und 100 kg/m3 auf.

Ein weiteres Beispiel ist thermisch verformbarer PUR-Schaumstoff (TF-Schaum). TF-Schaumstoffe sind offenzellig, weich bis zähhart und besitzen ausgezeichnete schalldämpfende Eigenschaften bei Rohdichten zwischen 20 und 50 kg/m³. Großflächige Fertigteile aus TF-Schaum sind sandwichartig aufgebaut, um selbsttragende Eigenschaften zu erreichen.

Beim RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding) werden zwei Komponenten (Polyol und Isocyanat) und ein Verstärkungsstoff (z. B. Glasfaser, Kohlefaser, Gesteinsmehl, Naturfaser) im Mischkopf gemischt und unter hohem Druck in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Mit Hilfe des Structural RIM-Verfahrens (S-RIM) können endlosfaserverstärkte Bauteile auf PURBasis hergestellt werden. Dabei werden hier vor dem Gemischeintrag die konfektionierten Verstärkungshalbzeuge, die bei komplexer Formteilgeometrie im Vorfeld in einer Vorformstation zu einem Faservorformling vorgeformt werden, in das Formwerkzeug eingelegt. Im Anschluss wird das schäumfähige Reaktionsgemisch eingetragen. Hierbei kommt zumeist das offene Verfahren zur Anwendung, das insbesondere bei großflächigen Formteilen von Vorteil ist.

Spezielle Sprühtechnologien bieten ebenfalls die Möglichkeit zur Herstellung von faserverstärkten PUR-Bauteilen. Hierbei kommen verschiedene Verfahrensvarianten zum Einsatz, die sich in ihrem Prozessablauf grundsätzlich unterscheiden. Eine Variante stellt das PUR-Langfasersprühen dar, welches von verschiedenen Maschinenherstellern unter den Bezeichnungen LFI (KraussMaffei), FipurTec (Hennecke) und Interwet (Cannon) vertrieben wird und Mitte der 1990er Jahre in den Markt eingeführt wurde.

Polyurethan-Klebstoffe sind als 1- oder 2-Komponenten-Klebstoffe erhältlich, welche durch Polykondensation oder Polyaddition aushärten können. Die Einkomponenten-PUR-Klebstoffe härten unter Zugabe von Luftfeuchtigkeit und/oder Wärme aus. Es besteht die Möglichkeit, beide Aushärtemechanismen zu verbinden, so dass eine erste Festigkeit durch die Luftfeuchtigkeitshärtung, die Endfestigkeit der Verklebung aber erst unter Wärmeinwirkung eintritt.

Polyurethanlacke (PUR-Lacke) werden normalerweise als 2-Komponenten-Systeme verarbeitet. Durch die Zugabe des Härters wird eine sehr hohe Aushärtung der Lackschicht erzielt, welche sie gerade für höhere Beanspruchungen besonders geeignet macht.