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Schaumstoffe aus Polyurethan

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Mithilfe von Polyurethan ist es ein möglich, Schaumstoff herzustellen. PUR-Schaumstoff bietet eine Besonderheit: Die verarbeitenden Betriebe können einerseits bereits vorgefertigte Halbzeuge aus Schaumstoff verwenden (also in zugeschnittener Form). Andererseits jedoch besteht zusätzlich die Möglichkeit, den benötigten Schaumstoff direkt vor Ort herzustellen. Man spricht dabei von Ortschaum oder formed-in-place foam. Hierzu werden die flüssigen Komponenten in oder auf Industrieteile gebracht, wo schließlich der Schaum entsteht.

Polyurethan – PU

Unter Polyurethanen (PU, DIN-Kurzzeichen: PUR) versteht man Kunststoffe oder Kunstharze, welche aus der Polyadditionsreaktion von Dialkoholen (Diolen) bzw. Polyolen mit Polyisocyanaten entstehen. Aus chemischer Sicht charakteristisch für Polyurethane ist die Urethan-Gruppe.

−NH−CO−O−

Die Schaumbildung

Fügt man der Reaktionsmischung der Komponenten (Polyol und Isocyanat) eine kleinere Menge Wasser hinzu, so reagiert diese mit einem Teil der vorhandenen Isocyanatgruppen. Hierbei wird Kohlenstoffdioxid frei. Dieses schäumt die zu diesem Zeitpunkt noch weiche Reaktionsmasse auf. Weiterhin entsteht bei dieser Reaktion instabile Carbamidsäure. Sie reagiert entweder mit weiterem Isocyanat direkt weiter zu Polyharnstoff oder es entsteht zunächst eine primäre Aminogruppe. Jene reagiert dann mit einer Isocyanatgruppe in einem zweiten Reaktionsschritt zum substituierten Harnstoff. Durch die Kohlenstoffdioxid-Freisetzung erfolgt deswegen keine Unterbrechung der Polymerisation.

Reaktion Isocyanat Wasser zu Schaumstoff
Reaktion von Isocyanat mit Wasser zu einer Polyharnstoff-Gruppe unter Entstehung von CO2

Man kann durch die Variation der zugegebenen Menge an Wasser das Raumgewicht des entstehenden Schaumstoffs direkt beeinflussen. Erst durch die Verwendung von Treibstoffen wird die Herstellung von PUR-Schäumen möglich. Früher wurden hierfür vorrangig FCKW-haltige Treibmittel eingesetzt, um PUR-Hartschäume zu erhalten. Nach dem FCKW-Verbot werden nun verstärkt Methylenchlorid, Pentane oder auch reines Kohlenstoffdioxid als Treibmittel für PUR-Schaumstoffe eingesetzt.

Verschiedene Verwendungsmöglichkeiten für PUR Schaumstoffe

Als Kunststoff Schaumstoff gibt es für PUR-Schaum eine ganze Reihe unterschiedlicher Anwendungsgebiete. Weiche Schäume aus PUR etwa werden zum Beispiel als Matratzenschaum oder als Polstermaterial im Wohn- und Automobilbereich eingesetzt. Zudem denen Sie der Textilkaschierung, werden als Filtermaterial genutzt oder zu Reinigungsschwämmen verarbeitet. Auch als Teppichrückenschaum können sie eingesetzt werden. Weiche PUR-Schäume sind in der Regel offenzellig. Man kann sie in einem breiten Dichte- und Härtebereich herstellen.

Hartschäume aus PUR dienen heute vor allem der Wärmedämmung. Sie finden sich an Gebäuden, in Kühl- und Gefriergeräten, sowie in Kälte und Wärmespeichern. Zudem nutzt man sie für gewissen Rohrsysteme, sogenanntes Kunststoffmantelverbundrohr oder flexibles Verbundrohr.

Im Fahrzeugbau haben sich in den letzten Jahren zahlreiche weitere Verwendungsmöglichkeiten für PUR-Schaumstoffe ergeben. Man nutzt sie dort zum Beispiel zur Schallabdichtung, als Klapperschutz sowie für Softbeschichtungen, Armauflagen Lenkradpolsterungen und Innenraumverkleidungen.

Kunstleder aus Polyurethan
Kunstleder aus Polyurethan

Geschlossenzelliger PUR-Schaum

Sind PUR-Schäume zur Wärmedämmung vorgesehen, müssen sie einen geschlossenzelligen Aufbau aufweisen. Nur so verleiben die Zellengase mit der ihnen eigenen geringen Wärmeleitfähigkeit in den Schaumzellen. In der Vergangenheit nutzte man häufig R11, also Trichlorfluormethan, als Zellengas. Es handelt sich hierbei jedoch um einen halogenierten Kohlenwasserstoff, der ozonschädigend wirkt. Stattdessen nutzt man heute in der Regel ein Gemisch aus Cyclopentan (etwa 10 bis 35 %) und Kohlenstoffdioxid als Zellengas.

Ist der PUR-Schaum nicht diffusionsdicht gegenüber seiner Umgebung eingekapselt, so nimmt seine Wärmeleitfähigkeit mit der Zeit zu. Dies liegt daran, dass die ursprünglichen Zellengase unter irdischen Bedingungen durch stetig ablaufende Diffusion nach und nach gegen Luft und Wasserdampf ersetzt werden. PUR-Schäume für die Wärmedämmung lassen sich, abhängig von den jeweiligen Anforderungen, hart, weich und flexibel sowie mit unterschiedlichen Dichten einstellen

Herstellung PUR-Schaum-Sandwichplatten
Schema einer Anlage für die Herstellung von PUR-Sandwichplatten für Gebäudeisolierung

Man erhält PUR-Hartschaumplatten in unterschiedlichen Dichten. Diese Platten werden teils mit Füllstoffen versehen, mit denen sich bestimmte mechanische und physikalische Eigenschaften erreichen lassen. Zu diesem Zweck kommen zum Beispiel Aluminiumpulver und Glasmikroballons zum Einsatz. Einsatzgebiete solche Platten sind neben Dämmstoffen der Vorrichtungs- und Modellbau. Hierzu bearbeitet man den Hartschaum in der Regel spanend.

Flammschutz für PUR-Schaum

In der Vergangenheit erfolgte eine Flammschutz-Ausrüstung von Polyurethan-Schaumstoffen mithilfe von Pentabromdiphenylether. Da dieser Stoff toxisch ist, nutzt man mittlerweile andere Flammschutzmittel. Zu ihnen zählen Blähgraphit und TCCP.

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2009 Maschinenbau-Wissen.de
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