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Polyurethane (PU, DIN-Kurzzeichen: PUR) sind Kunststoffe oder Kunstharze, welche aus der Polymerisationsreaktion eines Polyesters oder eines (Poly)Acrylates und eines Polyisocyanats entstehen. Charakteristisch für Polyurethane ist die Urethan-Gruppe.
− NH − CO − O −
Polyurethane können, je nach Herstellung hart und spröde, aber auch weich und elastisch sein. In aufgeschäumter Form ist PUR als Schaumgummi oder als Bauschaum bekannt.
Geschichte
1937 synthetisierte Otto Bayer zusammen mit seinem Team in den Laboratorien der Bayer AG in Leverkusen zum ersten Mal Polyurethane. 1940 begann die industrielle Produktion durch die Bayer-Werke in Leverkusen. Aufgrund des Zweiten Weltkriegs und der damit verbundenen Knappheit an Rohstoffen entwickelte sich der Markt für Polyurethane jedoch zunächst nur sehr langsam. So waren 1952 weniger als 100 t pro Jahr des wichtigen Polyisocyanats Toluylendiisocyanat (TDI) verfügbar. Von 1952 bis 1954 wurden Polyester-Schaumstoffe entwickelt, wodurch das kommerzielle Interesse an Polyurethanen weiter gesteigert wurde. Mit dem Einsatz von Polyetherpolyolen, auch Polyole genannt, wuchs die Bedeutung der Polyurethane rasch an. Die größeren Variationsmöglichkeiten bei der Herstellung von Polyetherpolyolen führten zu einer erheblichen Ausdehnung der Anwendungen. So wurden 1960 bereits über 45000 t an Schaumstoffen produziert.
Weitere technische Verbesserungen haben immer wieder neue Anwendungsfelder erschlossen. So ermöglichte die Einführung von Treibmitteln und der Einsatz von Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat (MDI) die Herstellung von PUR-Hartschäumen. In den letzten Jahren wurde mit dem Verbot von FCKW-haltigen Treibmitteln eine Wende in der Herstellung dieser Hartschäume eingeleitet. In letzter Zeit werden daher verstärkt Pentane oder reines Kohlendioxid als Treibmittel verwendet. Ihre hervorragende isolierende Wirkung wurde bis heute nicht übertroffen.
Bis zum Jahr 2002 war der weltweite Verbrauch auf rund 9 Millionen Tonnen an Polyurethanen angestiegen.
Herstellung im Labor
In einem Plastikgefäß werden 0,5 g Spülmittel sowie 20 g Polyethylenglykol 300, in einem 150 ml Becherglas 20 g Toluylen-2,4-diisocyanat eingewogen.
Unter dem Abzug gibt man das Isocyanat zu dem Spülmittel und Polyethylenglykol und rührt mit einem Glasstab um.
VORSICHT: es setzt bald ein Aufschäumen (im Freischaum bis 35 fache des ursprünglichen Raumvolumen) und Erwärmen (unter Umständen kann es zur Selbstentzündung kommen) ein!
In der praktischen Anwendung wird der Grad des Aufschäumens- das sich letztlich einstellende Raumgewicht durch die Zugabe von Wasser eingestellt. Das durch die Reaktion von Wasser mit Isocyanat entstehende Kohlendioxid treibt den Schaum.
Die weiter unten erwähnten zinnorganischen Verbindungen werden vor allem im Weichschaum (Matratzen, Kaltschaum usw.) benutzt um eine optimale Verteilung und Größe der Blasen zu gewährleisten.
Toxizität
Isocyanate können Allergien auslösen und stehen im Verdacht, Krebs zu verursachen. TDI's verdampfen bei Raumtemperatur und können Schäden in der Lunge verursachen. Die Amine im Polyol sind ebenfalls der Gesundheit nicht förderlich. Im allgemeinen sind ausreagierte Gemische für den Menschen völlig ungefährlich.
In PUR-beschichteter Kleidung, beispielsweise Regenkleidung für Kinder, wurden außerdem giftige Stoffe wie zinnorganische Verbindungen nachgewiesen, die durch den Schweiß leicht in den Körper gelangen können.
Eigenschaften
Polyurethane können je nach Wahl des Isocyanats und des Alkohols völlig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Handelsnamen
Elastomer: Baytec, Cellasto, Elastolan, Elastoflex
Fasern: Elastan, Spandex, Lycra und Dorlastan
Verwendung
Aus PUR werden Matratzen, Schuhsohlen, Dichtungen, Fußböden, Lacke, Klebstoffe, Dichtstoffe, Skier, Autositze, Laufbahnen in Stadien, Armaturenbretter, Vergussmassen und vieles mehr hergestellt.
Polyurethan wird im Bauwesen als 1- oder 2-Komponenten-Schaum (Montageschaum) zum Abdichten von Fugen im Beton vor dem Vergießen, zum Stabilisieren von Fundamenten, zum Anheben von Gebäudeteilen, Fußböden etc. verwendet und beim Einbau von Fenstern und Türen benutzt.
PU-Elastomer wird häufig für Textilfasern eingesetzt. Diese Fasern bestehen nicht unbedingt zu 100% aus PUR. Ebenfalls eingesetzt wird Polyurethan als Mikroschaum für atmungsaktive Membrane für Regenbekleidung.
Aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignen sich bestimmte Polyurethane für Anwendungen, die eine hohe Verschleissfestigkeit verlangen. So z. B. beim Transport von Schüttgütern durch Polyurethanschläuche, oder als Schutzschicht in Rohren und Rohrbögen.
Ein weiteres spezielleres industrielles Verarbeitungsspektrum findet sich im Prototypen- und Musterbau sowie in der Gießereiindustrie. Hier werden Produkte aus Polyurethan eingesetzt, um Modelle und Werkzeuge vieler Art, aber auch Serienteile herzustellen.
Bei der Herstellung von multifilen Tennissaiten wird Polyurethan als Füllstoff verwendet
PU-Lacke
Eine der wichtigsten Anwendungen von Polyurethanen ist der Einsatz in Lacken. Hier wird PUR insbesondere als Grundierung wegen seiner guten Haftungseigenschaften verwendet.
Außerdem gibt es eine Variante als Coil Coating Lacke.
Vergussmassen
PU-Vakuumgießharze: Verschiedene Produkte mit kurzer Topfzeit meist für Prototypen oder Vorserien, die z.B. Serienmaterialien (Thermoplast-Spritzguß:
ABS, PP, POM, PS, PC, PMMA etc.) ähnelnden mechanischen und thermischen Spezifikationen oder optischen Aspekten entsprechen. Sie werden in einer Vakuumgießanlage verarbeitet. Formen i.d.R. aus polyadditionsvernetzendem Silikon. Stichwort: Duplizierung von mit Rapid-prototyping-Techniken gefertigten Teilen.
PU-Schnellgießharze: relativ einfach zu verarbeitende Produkte für Gießteile, Modelle und Werkzeuge, welche eine kurze Topfzeit besitzen und nicht unter Vakuum verarbeitet werden müssen.
Elastomer aushärtende PU-Gießharze: Produkte mit verschiedenen im Shore-A-Bereich angesiedelten Härtegraden. Für elastische bis hartelastische Teile, Formen und Werkzeuge.
RIM
RIM (Reaction Injection Moulding) sind sehr reaktive PU-Harze, die mittels Niederdruckspritzguß verarbeitet werden. Hier werden die Harzkomponenten erst kurz bevor sie in die Form gepreßt werden, in einem an die Form heranführbaren Mischkopf miteinander vermischt. Anwendung für dünnwandige Teile wie Prototypen, Vorserienteile und Serienteile wie z.B. Verkleidungen sowie Teile im Fahrzeugbereich wie Stoßfänger, Spoiler, Innenverkleidungen, Gehäuse etc.
Schaumstoffe
Aus PUR lassen sich sehr einfach Schäume herstellen. Diese sind als Schaumgummi bekannt und werden als Reinigungsschwamm, Matratze, Sitzkissen aber auch zur Isolierung in Gebäuden und Kühlgeräten eingesetzt.
PU-Hartschaumplatten sind in verschiedenen Dichten verfügbar. Die Produkte sind teils mit Füllstoffen versehen (Glasmicroballons, Aluminiumpulver). Einsatzzweck sind Dämmstoffe sowie der Modell- und Vorrichtungsbau. Der Schaum wird dazu meist spanend bearbeitet.