Polyurethan ist einer der wichtigsten Kunststoffe unserer Welt: Jährlich wird rund um den Globus Polyurethan im Wert von rund 67 Milliarden US-Dollar hergestellt - Tendenz mit rund 10 % jährlich steigend! Durch seine sehr hohe Anpassungsfähigkeit kommt der Kunststoff, der sich aus Polyolen und Isocyanaten zusammensetzt, unter anderem in der Textil-, Automobil- und Möbelindustrie zum Einsatz, dient aber auch als Basisstoff für unter anderem Klebstoffe und Lacke.
Abgekürzt wird Polyurethan wahlweise als "PUR" oder "PU". Seinen Namen erhält der Kunststoff durch die Anlehnung ans Griechische: Da bedeutet "Poly" so viel wie "viele" oder "mehrere", der zweite Wortbestandteil geht auf die Urethan-Gruppe -NH-CO-O- zurück. Anders ausgedrückt: Der Kunststoff besteht aus vielen, aneinandergeketteten Urethangruppen. Eine weitere Eigenheit des Kunststoffes: Das Herstellungsverfahren beeinflusst, welcher Kunststoff letztlich entsteht - hierbei wird zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten unterschieden.
Herstellungsmethoden: Wie wird Polyurethan produziert?
Wusstest du schon? Polyurethan ist ein echtes "Made in Germany" Produkt! Erfunden wurde der Kunststoff nämlich unter dem Dach von BAYER, dem Chemie- und Pharmakonzern, der auch heute noch von Leverkusen aus geführt wird und den meisten Menschen unter anderem für sein Aspirin, als Erfinder des Heroins und neuerdings auch als Unternehmen hinter Glyphosat bekannt sein dürfte. Als Erfinder von Polyurethan gilt Otto Bayer, der im Jahr 1937 1,4-Butandiol mit Octan-1,8-diisocyanat zusammenbrachte. Bereits im Jahr 1940 fand in den BAYER-Werken die industrielle Großproduktion des Kunststoffes statt, auch wenn diese durch den Zweiten Weltkrieg zeitweise direkt wieder unterbrochen wurde.
Charakteristisch für den Kunststoff ist der Umstand, dass er sich "nach Maß" herstellen lässt, was auch zur Mitte des 20. Jahrhunderts schon als Besonderheit wahrgenommen wurde. Je nachdem, wie man die einzelnen Grundelemente zusammenbringt, könnte der fertige Kunststoff hart, spröde, elastisch, dünnflüssig, viskos oder weich sein. Dadurch ergeben sich nahezu unendlich viele verschiedene Anwendungsgebiete, was auch das massive Marktvolumen des Polyurethan-Marktes unterstreicht - auch wenn der heute natürlich nicht mehr exklusiv von BAYER, sondern von unzähligen Unternehmen rund um den Globus bedient wird.
Chemischer Prozesse zur und während der Herstellung
Hergestellt wird Polyurethan, damals wie heute, durch das chemische Verfahren der Polyaddition. Bei der Polyaddition werden immer mehrere Monomere zusammengefügt, um ein Polymer zu ergeben. Dafür sind zunächst zwei Stoffgruppen notwendig, welche sich miteinander verbinden müssen: Das ist einerseits eine Isocyanat-Gruppe und andererseits mindestens eine Hydroxy-Gruppe. Beide zusammen reagieren zu einer Urethan-Gruppe, was man einen Additionsprozess nennt, wobei hierbei keinerlei Nebenprodukte entstehen.
Aus der entstandenen Urethan-Gruppe müssen nun weitere Moleküle entstehen, die sich an die Gruppe binden. Hier kommen nun die Monomere ins Spiel, jeweils ein Dialkohol und ein Diisocyanat müssen vorhanden sein. Beide koppeln sich aneinander und haben außerdem die Fähigkeit, sich mit weiteren Monomeren beidseitig verbinden zu können. So entsteht gewissermaßen eine lange Kette, wenn die Moleküle abwechselnd miteinander reagieren, die mehrere Alkyl- und Aryl-Reste an sich bindet: So entsteht schließlich, Schritt für Schritt, ein Polyurethan.
Der Prozess kann in zwei gängigen Verfahren stattfinden:
- dem Gießverfahren
- sowie dem Spritzgussverfahren
Beim Gießverfahren wird das Polyurethan, wie der Name unschwer erkennen lässt, in Form gegossen. Dafür wird es zunächst geschüttelt, um Füllstoffe und Entfeuchter weitgehend zu entfernen, welche bei der Lagerung entstehen können, anschließend wird die Gießform vorbereitet. In der Gießform werden die Komponenten vermischt und der dabei entstandene Füllstoff entweder von Hand oder maschinell in Form gegossen. Wichtig ist hierbei, dass sich während diesem Prozess keine Luftbläschen oder Lufteinschlüsse in der flüssigen Masse bilden. Da nur eine geringe Zufuhr von Hitze nötig ist, lässt sich das Polyurethan noch relativ flexibel nachbehandeln.
Im Spritzgussverfahren entsteht in einem Extruder aus einem Granulat eine teigige Masse, die dann unter hohem Reaktionsdruck in eine Stahlform eingepresst wird. Die teigige Masse ist bereits vorplastifiziert und ermöglicht daher eine Einfärbung unmittelbar während des eigentlichen Spritzgussverfahrens. Ein mittlerweile ebenfalls häufiger genutztes Verfahren ist das RIM-Verfahren, was kurz für Reaction Injection Molding steht. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung beziehungsweise Abwandlung vom traditionellen Spritzgussverfahren.
Eigenschaften von Polyurethan
Bereits eingangs haben wir erwähnt, dass Polyurethan ein unglaublich flexibles und wandlungsfähiges Material ist - was zugleich einer der größten Vorteile von Kunststoffen ist. Der Kunststoff besitzt eine hohe Haltbarkeit, Flexibilität und Beständigkeit gegenüber anderen Materialien und Chemikalien.
Die Dichte kann zwischen 1 und 1,25 g/cm³ bei ausgehärtetem, ungeschäumtem PU schwanken, bei weichem Blockschaum zwischen 0,005 sowie 0,04 g/cm³. Wird der Kunststoff zu harten Blockschaum weiterverarbeitet, bewegt sich die Dichte in einem Spektrum von 0,03 bis 0,09 g/cm³. Geschäumt wird PU durch die Zugabe von Wasser. Charakteristisch ist außerdem der sich verschiebende Schmelzpunkt. Desto mehr Verzweigungen das PU hat, umso höher ist der Schmelzpunkt angesiedelt.
Generell kann PU weich oder beispielsweise sehr fest sein. Golfbälle werden zum Beispiel aus PU hergestellt und besitzen eine hohe Dichte beziehungsweise Härte, ebenso aber befindet sich in Sportkleidung Elastan, was wiederum zu großen Teilen aus Polyurethan besteht - und natürlich weich und elastisch, statt hart und fest ist. Der Umstand, durch den Herstellungs- und Weiterverarbeitungsprozess ganz unterschiedliche Dichten und Härten zu erreichen, ist einer der größten Vorteile von PU und Kunststoffen generell. Erst dadurch entstehen die vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten des Kunststoffes.
Polyurethan besitzt eine hohe Toxizität, die sich aber vollständig verliert, sobald das Material ausreagiert ist.
Wo kommt Polyurethan zum Einsatz?
Die vielseitigen Anwendungsgebiete von PU sind zugleich eine der größten Stärken des Materials. An dieser Stelle sind zwei Punkte zu bedenken: Wie du nun schon weißt, kann Polyurethan eine unterschiedliche Dichte und Härte haben, also weich oder hart, elastisch oder dünnflüssig und viskos sein. Gepaart mit der günstigen Herstellung und der hohen Langlebigkeit sowie Robustheit, kommt Polyurethan deshalb wenig überraschend in unzähligen Produkten, Industrien, Branchen und Lebensbereichen zum Einsatz.
Polyurethan wird beispielsweise als Kleber genutzt, da er haftende Eigenschaften an nahezu allen Oberflächen hat. Des Weiteren kommt PU als Basisstoff in verschiedenen PU-Lacken zum Einsatz. Bei dieser Verwendung spielt der Kunststoff seine witterungsbeständigen Eigenschaften und die sehr hohe Strapazierfähigkeit aus. PU-Lacke kommen also auch für Oberflächen in Frage, die sehr hohen Belastungen ausgesetzt sind.
Außerdem lässt sich PU als Schaumstoff weiterverarbeiten, wo es dann zum Beispiel in der Herstellung von:
- Spülschwämmen
- Matratzen
- Autoinnenverkleidungen
- Kissen
- Polsterungen verwendet wird.
Schuhsohlen, Wundauflagen, Dichtungen und Schläuche können ebenso aus PU bestehen wie es Textilfasern und Kunstleder tun. Wie du also schon bemerkt haben dürftest, ist Plastik beziehungsweise PU eines der Materialien, das sich in unser aller Leben konsequent wiederfindet - und das kaum überhaupt zu substituieren ist. Entscheidend bei allen Verwendungszwecken ist der Umstand, dass sich PU präzise in Form gießen lässt und unterschiedliche Härten und Dichten erreicht, je nachdem wie es kombiniert wird. Während bei Matratzen und Kissen (Memory-Foam) die elastischen und formhaltenden Eigenschaften entscheidend sind, ist es als Kleber eher die Dünnflüssigkeit sowie Haftbarkeit und bei Beschichtungen die Strapazierfähigkeit. So kann PU präzise so hergestellt werden, mit den jeweiligen Eigenschaften, wie es die spätere Anwendung nötig macht.
Wie lässt sich Polyurethan bearbeiten?
Dafür haben wir von Mr Beam das passende Werkzeug! Unser Lasercutter kann PU präzise und entsprechend dem späteren Verwendungszweck bearbeiten. Unabhängig davon, wofür du PU später einmal einsetzen möchtest: Am korrekten und präzisen Zuschnitt soll es dank Mr Beam also nicht scheitern.
Die Vorteile von PU auf einen Blick
PU ist fast schon ein Alleskönner in der Kunststofftechnik. Die Vorteile sind vielschichtig und lassen sich erneut entsprechend der späteren Verwendung gezielt freilegen. Zu den generellen Vorteilen gehören beispielsweise:
- die hohe Belastbarkeit
- gute Isolationseigenschaften
- flexible Formbarkeit
- günstige Herstellung
- energieabsorbierend
- witterungsbeständig
- gute Haptik
- ästhetisch
- leicht mit anderen Werkstoffen kombinierbar
Einige dieser Vorteile treten natürlich nur bei bestimmten Dichten und Härten von PU auf: Bei Lacken oder als Kleber spielt die Haptik freilich keinerlei Rolle und ist auch kein direkter Vorteil. Der eigentliche Vorteil liegt bei PU darin, dass man die potenziellen Vorzüge des Materials gezielt freilegen kann.
Welche Herausforderungen und Nachteile sind zu berücksichtigen?
Natürlich ist kein Material pauschal von Nachteilen oder Herausforderungen befreit. Kunststoffe wie PU können zu einer Belastung für die Umwelt werden, sofern keine fachgerechte Entsorgung dieser stattfindet. Zudem besitzt der Kunststoff nur eine eingeschränkte Toleranz gegenüber UV-Strahlung. PU gilt zudem als normal bis schwer entflammbar, je nach Weiterverarbeitung, und ist aus Brandschutzaspekten daher mitunter nicht ideal.
Zusammenfassend: Polyurethan ist fester Bestandteil unser aller Leben - und das nicht grundlos!
Eine deutsche Erfindung, die die Welt im Sturm eroberte: Heute ist der flexibel einsetzbare und wandlungsfähige Kunststoff nicht mehr aus unserem Leben und unzähligen Industrien wegzudenken. Die vielen Vorteile und generell die Eigenschaften des Stoffes sprechen eine deutliche Sprache, mögliche Nachteile, beispielsweise was die Umweltbelastung angeht, sind aber zu berücksichtigen. Dennoch ist PU, zusammen mit anderen Plastiken, eine der großen Säulen, auf denen unser Fortschritt, unsere Zivilisation und unser Wohlstand fußt - umso wichtiger ist daran gekoppelte Prozesse, speziell was die Entsorgung anbelangt, weiter zu optimieren.
