Polyurethan

[[Datei:polyurethane3.png|279px|thumb|Strukturformel verschiedener auf Polyolen basierender Polymere]]

* Diphenylmethandiisocyanat (MDI)

* Polymeres Diphenylmethandiisocyanat (PMDI)

* Toluylendiisocyanat (TDI)

* Naphthylendiisocyanat (NDI)

* Hexamethylendiisocyanat (HDI)

* Isophorondiisocyanat (IPDI)

* 4,4’-Diisocyanatodicyclohexylmethan (H12MDI)

Das eigentliche Aufschäumen der Polyurethanschäume kommt durch die Zugabe von Wasser zustande. Bei der Reaktion von Wasser mit Isocyanat wird Kohlenstoffdioxid abgespalten, welches den Schaum auftreibt. Durch die Menge des zugegebenen Wassers kann das Raumgewicht des entstehenden Schaumes variiert werden. Typische Dichten sind rund 5 bis 40 kg/m³ für weichen Blockschaum oder 30 bis 90 kg/m³ für harten Blockschaum.

Isocyanate können Allergien auslösen und stehen im Verdacht, Krebs zu verursachen. Das für einige Polyurethane verwendete Toluylendiisocyanat verdampft bei Raumtemperatur und kann beim Einatmen Schäden in der Lunge verursachen.

(Europäischer Verband der Diisocyanat- und Polyolhersteller) abgerufen werden.

Polyurethane entstehen durch die Polyadditionsreaktion von Polyisocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen, den Polyolen. Die Verknüpfung erfolgt durch die Reaktion einer Isocyanatgruppe (–N=C=O) eines Moleküls mit einer Hydroxylgruppe (-OH) eines anderen Moleküls unter Bildung einer Urethangruppe (–NH–CO–O–). Dabei erfolgt keine Abspaltung von Nebenprodukten wie bei der Polykondensation.

Das Kohlenstoffatom der Isocyanatgruppe (–N=C=O) ist wegen der benachbarten elektronegativeren Sauerstoff- und Stickstoffatome positiviert. Ein freies Elektronenpaar des Sauerstoffatoms der Hydroxylgruppe (–OH) „klappt“ zum positivierten Kohlenstoffatom und bildet mit diesem eine Bindung aus. Gleichzeitig wird ein Bindungselektronenpaar der N=C-Doppelbindung zum Stickstoffatom verschoben. Dadurch trägt das Stickstoffatom eine negative Ladung und das Sauerstoffatom eine positive Ladung. Zum Ladungsausgleich wird das Proton der ursprünglichen Hydroxylgruppe auf das Stickstoffatom der ursprünglichen Isocyanatgruppe übertragen, wobei die Urethangruppe entsteht.

Die Polyurethanbildung erfordert mindestens zwei verschiedene Monomere, im einfachsten Fall Diol und Diisocyanat. Sie verläuft in Stufen. Zunächst entsteht aus Diol und Diisocyanat ein bifunktionelles Molekül mit einer Isocyanatgruppe (–N=C=O) und einer Hydroxylgruppe (–OH). Dieses kann an beiden Enden mit weiteren Monomeren reagieren. Dabei entstehen kurze Molekülketten, sogenannte Oligomere. Diese können mit weiteren Monomeren, anderen Oligomeren oder bereits gebildeten Polymere reagieren.

[[Datei:polyurethane4.png|thumb|center|800px|Polyaddition von 1,6-Hexandiisocyanats mit 1,4-Butandiol. (n ≈ 40)]]

Je nach Ausgangsstoffen können lineare oder vernetzte Polymere erhalten werden. Lineare Polyurethane können beispielsweise aus Diolen und Diisocyanaten erhalten werden. Durch Zugabe von weiterem Diisocyanat können lineare Polyurethane nachträglich vernetzt werden. Alternativ können vernetzte Polyurethane auch durch die Reaktion von Di- oder Triisocyanaten mit Polyolen hergestellt werden.

In einer Nebenreaktion reagiert Wasser mit einigen Isocyanatgruppen, dabei wird Kohlenstoffdioxid frei, das den noch weichen Kunststoff aufquellen lässt. Die gleichzeitig entstandene primäre Aminogruppe reagiert mit einer Isocyanatgruppe zu einem substituierten Harnstoff.

[[Datei:polyurethane5.png|center|thumb|546px|Reaktion von Isocyanat mit Wasser unter Entstehung von CO₂]]

Soll in der Praxis ein bestimmtes Polyurethan hergestellt werden, so bieten sich zwei Wege an  

Im Regelfall entstammen sowohl die Polyole wie auch die Polyisocyanate der Produktion aus petrochemischen Rohstoffen, es können jedoch auch Polyole auf der Basis von Pflanzenölen eingesetzt werden. Vor allem Rizinusöl ist hierfür geeignet, da es selbst über Hydroxygruppen verfügt und so direkt mit Isocyanaten umgesetzt werden kann. Weiterhin werden Derivate des Rizinusöls verwendetDes Weiteren können Polyole auf Basis von Pflanzenölen zum einen durch Epoxidierung  der Pflanzenöle mit anschließender Ringöffnung wie auch über eine Umesterung von Pflanzenölen mit Glycerin hergestellt werden Polyurethane auf Basis von Pflanzenölen werden aufgrund der biogenen Herkunft eines Teils der Rohstoffe auch als „Bio-Polyurethane“ vermarktet.

Biogene Polyole liegen in ihrem Preis derzeit oberhalb petrochemischer, wodurch ihre Anwendung auf spezielle Zwecke eingeschränkt ist. International wird an Polyolen auf der Basis von Soja-, Raps-, Sonnenblumen- gearbeitet, unter anderem als Basis für die Herstellung von Matratzenschäumen. Einzelne Unternehmen arbeiten an der Gewinnung von biogenen Polyolen aus LigninGroße Nutzungspotenziale werden u. a. für die Herstellung von Polyurethanen als Kunststoffe, Schäume oder Kunstharze sowie von hochwertigen, lichtbeständigen Polyestern und Polyurethanen für die Lackrohstoffindustrie gesehen.

[[Datei:Polyurethane5.jpg|thumb|Dämmschicht aus Polyurethan-Hartschaum beim Hausbau]]

Aus Polyurethan werden Matratzen, Schuhsohlen, Dichtungen, Schläuche, Fußböden, Lacke, Klebstoffe, Dichtstoffe, Skier, Autositze, Laufbahnen in Stadien, Armaturenbretter, Vergussmassen, latexfreie Kondome (Präservative), Gussboden und vieles mehr hergestellt.

* In der optischen Industrie wird mit bestimmten Poliermitteln (z. B. Cerdioxid) getränktes Polyurethan als Poliermittelträger für die CNC-Politur von optischen Funktionsflächen verwendet

* Polyurethan wird im Bauwesen als 1- oder 2-Komponenten-Schaum (Montageschaum, Expansionsschaum) 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. Auch wird es benutzt als Bodenbelag in Wohnhäusern, vor allem in den Niederlanden.

* PU-Elastomer wird häufig für Textilfasern eingesetzt. Diese Fasern bestehen nicht unbedingt zu 100 % aus Polyurethan. Ebenfalls eingesetzt wird Polyurethan als Mikroschaum für atmungsaktive Membranen 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. Auch als Ummantelung für elektrische Leitungen (z. B. Verlängerungsleitungen) wird es eingesetzt, beispielsweise in der verbreiteten Leitung H07BQ-F.

* 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 vielerlei Art, aber auch Serienteile herzustellen.

* Bei der Herstellung von multifilen Tennissaiten wird Polyurethan als Füllstoff verwendet.

* Moderne Fußbälle (z. B. Roteiro) werden komplett aus Polyurethan gefertigt.

* Der äußere Mantel einer Bowlingkugel besteht aus Polyurethan

* hochwertige Gummistiefel werden heute ebenfalls häufig aus Polyurethan hergestellt, da diese viel leichter und kälteelastischer sind als solche aus PVC. Außerdem bietet das geschäumte Polyurethan eine weit bessere Isolation gegen Kälte.  

* Das erste Serienfahrzeug mit vollständiger Polyurethan-Karosserie ist der Artega GT.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Polyurethanen ist der Einsatz in Lacken und Beschichtungen. Hier werden Polyurethane wegen ihrer guten Haftungseigenschaften als Grundierungen und wegen ihrer hohen Beständigkeit gegen Lösemittel, Chemikalien und Witterungseinflüsse als Deck- und Klarlacke in vielen Anwendungsbereichen verwendet. Hierzu gehören z. B. auch Coil-Coating-Lacke und Beschichtungen für Fußböden. Des Weiteren zu nennen sind Textilbeschichtungen und -Ausrüstungen sowie Lederzurichtungen. Flächige Anwendungen zur Verklebung von unterschiedlichen, vorzugsweise flexiblen Materialien (im Bereich Schuhe, Holz/Möbel, Automobilinnenraum) sind ebenfalls ein wichtiges Anwendungsgebiet von Polyurethansystemen. In der Medizin werden Polyurethane als Liner in der Prothetik der unteren Extremitäten verwendet.

Zur Anwendung kommen flüssige Systeme, wie feuchtigkeitshärtende Präpolymere, 2-Komponenten-Systeme, High Solids, Polyurethan-Lösungen und Polyurethandispersionen, aber auch Feststoffe, z. B. Granulate (TPUs) oder Pulver, die aufgeschmolzen oder gelöst werden.

* 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 in der Regel aus polyadditionsvernetzendem Silikon. Stichwort: Duplizierung von mit Rapid-Prototyping-Techniken gefertigten Teilen.

* Elastomer aushärtende PU-Gießharze: Produkte mit verschiedenen im Shore-A]]- und Shore-D-Bereich angesiedelten Härtegraden. Für elastische bis hartelastische Teile, Formen und Werkzeuge.

Bei der RIM-Technik werden die Reaktionskomponenten mit hohen Drücken von 100 bis 200 bar in kleine Mischkammern dosiert und dort unter Nutzung ihrer kinetische Energie miteinander vermischt (Gegenstrominjektion). In der Regel wird das Reaktionsgemisch über einen selbstreinigenden Anbaumischkopf und Anguss in eine geschlossene Form gefüllt, in der es zum Formteil aushärtet.

Die RIM-Technik kann auch dazu verwendet werden, Polyurethan direkt zu verspritzen. Zum Beispiel zur Versiegelung von Flachdächern, Auffangwannen, Brücken,... oder zur Wärme- und/oder Schallisolation von Bauten und Fahrzeugen (Schaum). Besonders in den USA werden mit dem Verfahren ganze Gebäude gedämmt, in dem der Schaum großflächig zwischen die Sparren der üblichen Holzwände und Dächer gespritzt wird. Im Zuge der verstärkten Nachfrage nach ökologischen Baustoffen wird der Polyurethan-Schaum in den USA von einigen Herstellen aus über 70 % nachwachsenden Rohstoffen produziert, üblicherweise Sojabohnen. Nach europäischen Maßstäben würde man diese Produkte allerdings nicht als Bio bezeichnen. Baubiologisch einwandfreie Produkte mit ähnlichen Eigenschaften wie Polyurethan sind bisher nicht bekannt geworden.

[[Datei:Polyurethane6.gif|miniatur|Spraydosen mit PU-Hartschaum]]

Aus Polyurethan lassen sich sehr einfach Schaumstoffe herstellen. Das Besondere an PUR-Schaumstoffen ist, dass sie für den verarbeitenden Betrieb sowohl als Halbzeug (Schaumstoff in zugeschnittener Form) verfügbar sind, aber auch vor Ort aus flüssigen Komponenten an Ort und Stelle hergestellt bzw. in oder auf Industrieteile gebracht werden können („Ortschaum“, „Formed-in-Place-Foam“, FIPFG).

PUR-Hartschäume werden vor allem zur Wärmedämmung z. B. in Gebäuden, Kühlgeräten, Wärme- und Kältespeichern sowie einigen Rohrsystemen (Kunststoffmantelverbundrohr, flexible Verbundrohre) eingesetzt.

Polyurethan-Schäume, die als Wärmedämmung konzipiert sind, sind geschlossenzellig aufgebaut, damit die Zellgase mit ihren niedrigen Wärmeleitfähigkeiten in den Schaumzellen verbleiben. Früher kam häufig R 11 (Trichlorfluormethan) als Zellgas zum Einsatz. Wegen der ozonschädigenden Eigenschaft dieses halogenierten Kohlenwasserstoffs wurde dieser weitgehend zunächst durch Kohlendioxid und aktuell durch Cyclopentan ersetzt, wobei dann in den Schaumzellen ein Gemisch aus Cyclopentan (ca. 10 bis 35 %) und Kohlendioxid enthalten ist. Wenn der Polyurethan-Schaum nicht diffusionsdicht gegenüber der Umgebung eingekapselt ist, werden die ursprünglich vorhandenen Zellgase unter irdischen Bedingungen jedoch durch Diffusionsvorgänge nach und nach durch Luft und Wasserdampf ersetzt, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Polyurethan-Schaums zunimmt. Nach der Herstellung erreichen Polyurethan-Schäume mit Kohlendioxid als Zellgas Wärmeleitfähigkeiten von ca. 0,029 bis 0,033 W·m⁻¹·K⁻¹, Polyurethan-Schäume mit Cyclopentan als Zellgas Wärmeleitfähigkeiten von ca. 0,022 bis 0,027 W·m⁻¹·K⁻¹. Die Polyurethan-Schäume können sowohl hart als auch flexibel mit unterschiedlichen Dichten eingestellt werden.

PU-Hartschaumplatten sind in verschiedenen Dichten verfügbar. Die Produkte sind teils mit Füllstoffen versehen (Glasmikroballons, Aluminiumpulver). Einsatzzweck sind Dämmstoffe sowie der Modell- und Vorrichtungsbau. Der Schaum wird dazu meist spanend bearbeitet.

Früher wurden Polyurethan-Schaumstoffe mit Pentabromdiphenylether flammgeschützt. Aufgrund der Toxizität dieses Stoffs kommen heute andere Flammschutzmittel wie beispielsweise TCPP zum Einsatz