Polyurethane in der Anwendung

So wurden im Jahr 2018 weltweit ca. 20 Mio. t PUR verbraucht, das sind ca. 5,5 % des gesamten Weltkunststoffverbrauches. Dabei wird ein weltweiter Anstieg des PUR-Verbrauchs mittelfristig in Höhe von jährlich 4 - 5 % erwartet. Europa (gemeinsam mit Middle East und Afrika) hat dabei einen Anteil von knapp 30 %, Amerika von ca. 21 % und den größten Anteil verzeichnet Asien mit fast 50 % (1).

Das PUR ist der wohl vielseitigste Werkstoff und umgibt uns im täglichen Leben in den verschiedensten Anwendungen geschäumt in Dichten von 10 bis 900 kg/m³, kompakt, verstärkt oder unverstärkt im Fahrzeugbau, der Freizeitindustrie, der Möbelindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau, im Bauwesen u. a.. Durch seine Variantenvielfalt und Innovationskraft besitzt das PUR auch weiterhin steigende Wachstumsaussichten.

Die Vielfalt der Materialeigenschaften des PUR wird bereits durch die verschiedenen Zustandsformen verdeutlicht und im Folgenden an einigen Beispielen vorgestellt.

Als erste Gruppe werden die Schaumkunststoffe betrachtet.

Weichschaumstoffe

PUR-Weichschaumstoffe werden vor allem in der Möbel- und Matratzenindustrie eingesetzt und sorgen für den entsprechenden Komfort.

Ca. 30 % des PUR entfallen dabei auf Weichschaumstoffe. Diese sind in der Regel offenzellig und damit gut luftdurchlässig. Durch die große Vielfalt bei den Ausgangsprodukten kann eine breite Eigenschaftspalette der Schäume bereitgestellt werden. PUR-Weichschaum kommt dabei als Formschaumstoff oder als anwendungsgerechter Zuschnitt aus Schaumstoffblöcken zum Einsatz. Hauptanwendungen für PUR-Weichschäume sind Matratzen, Polster für Stühle, Sofas und Autositze und technische Anwendungen zur akustischen Dämmung. Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit der Herstellung von Polyolen aus nachwachsenden Rohstoffen, um fossile Rohstoffe einzusparen, CO2-Emissionen zu senken und Kohlenstoffkreisläufe zu schließen. Dabei wurden von Covestro Polyole für PUR-Weichschäume entwickelt, bei denen bis zu 20 % der fossilen Rohstoffe durch Kohlendioxid ersetzt wurden. Ebenso ist das Recycling von Matratzen ein aktueller Forschungsschwerpunkt, um die Stoffkreisläufe zu schließen und damit den gesellschaftlichen Forderungen bezüglich Nachhaltigkeit gerecht zu werden.

Halbhartschaumstoffe

PUR-Halbhartschaumstoffe finden fast ausschließlich in der Automobilindustrie Anwendung und fungieren hier als Zwischenschichten z. B. bei Instrumententafeln, Armauflagen, Türseitenverkleidungen und Dachhimmeln oder als energieabsorbierende Crash-pads und leisten damit neben den Airbags einen wichtigen Beitrag zu Sicherheit und Komfort im Fahrzeuginnenraum.

Hartschaumstoffe

Die Domäne der PUR-Hartschaumstoffe sind fast ausschließlich Anwendungen als Dämmstoff in der Bauindustrie, in Kühl- und Kältegeräten und im Kühlanlagenbau. Im Vergleich zu anderen Dämmstoffen bieten hier die PUR-Hartschaumstoffe auf Grund ihrer sehr guten Dämmeigenschaften bei gleicher Dämmstoffdicke Energiespareffekte. Zur Anwendung kommen dabei in der PUR-Wärmedämmung hauptsächlich Metallverbundelemente und Dämmplatten. Vermehrt finden auch Polyisocyanurat-Hartschäume (PIR) Anwendung, da sie mechanisch stabiler sind und bessere Brandschutzeigenschaften auf Grund ihrer inhärenten Flammwidrigkeit erzielen. Aktuelle Entwicklungsarbeiten befassen sich mit der weiteren Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Hartschäume. Dies ermöglicht schlankere Konstruktionen und höhere Designfreiheit und bietet dem Endverbraucher letztlich mehr Nutzvolumen. Dies kann u. a. durch eine Reduzierung der Porengröße erfolgen oder aber durch den Einsatz von neuen Treibmitteln, wie z. B. den sogenannten Treibmitteln der 4. Generation (halogenhaltige Olefine). Produkte wie das Slentite® der BASF Polyurethanes auf Basis eines PUR-Aerogels bieten neue Anwendungsmöglichkeiten auf Grund der offenen Porenstruktur und einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von ca. 18 mW/mK. Durch die Verwendung anderer Basismaterialien wie Epoxid ergeben sich Slentex-Produkte mit erweiterten Eigenschaftsprofilen für Anwendungen im Baubereich (3). Die Treibeigenschaften bei der Herstellung von PURSchäumen nutzt auch die Fa. Uretek , allerdings um den Boden zu verbessern und damit Fundamente und Gebäude zu stabilisieren und falls erforderlich anzuheben.

Integralschaumstoffe

Integralschaumstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie über eine kompakte Außenhaut und einen geschäumten Kern verfügen und damit gewichtsbezogen hervorragende Eigenschaften aufweisen. In Abhängigkeit des Materials lässt sich in gewissen Grenzen die Dicke der Randschicht und die resultierende Dichte beeinflussen.

Formteile aus hartem Integralschaumstoff finden in der Industrie u. a. als Gehäuseteile (für kleinere bis mittlere Stückzahlen) Anwendung. Die Bauteile verfügen oftmals über eine erhöhte Steifigkeit. Aus flexiblem Integralschaumstoff werden z. B. Lenkräder, medizinische Auflagen, Ummantelungen für Griffhaltestangen, Polster für Stühle oder Schuhsohlen hergestellt.

Bereits die Gruppe der PUR-Schaumstoffe zeigt eine enorme Eigenschaftsvielfalt und damit eine entsprechende Anwendungsbreite. Im folgenden sollen die kompakten Polyurethane noch etwas näher
vorgestellt werden.

Zähelastische PUR

Bei den zähelastischen PUR-Werkstoffen handelt es sich um eine Gruppe von PUR, die mittels RIM (Reaction Injection Molding) hergestellt werden. Dabei handelt es sich um extrem schnell reagierende Systeme, die oftmals mit Verstärkungsfasern (Faserlänge < 0,2 mm) verarbeitet werden und besondere Anforderungen an die Verarbeitungstechnik stellen. Klassische Automobilanwendungen sind Kotflügel, Spoiler oder Schweller, die über eine hohe Schlagzähigkeit und Bruchdehnung verfügen. Darüber hinaus finden RIM-Bauteile aus PUR Verwendung als Gehäuseteile oder Abdeckungen für technische Geräte.

Kompakte PUR

Kompakte Polyurethane bilden ein großes Härtespektrum von 10 Shore A bis 90 Shore D ab. Anwendungen sind dabei Formteile oder Beschichtungen in der Industrie oder als Konsumware. Zu den Anwendungen der kompakten Polyurethane zählen ebenso das Vergießen von elektronischen Bauteilen und die verschiedenen verschleißfesten Beschichtungen (z. B. Fußböden, Wände, Rohre) auf Grund des hohen Verschleißwiderstandes der Polyurethane. Eine spezielle Anwendung der Beschichtungen ist die Verwendung von glasklarem Polyurethan zum Beschichten von Wurzelholz (oder anderen Dekoren) im Fahrzeugbereich als Zierteile (z. B. Zierleisten).

Elastomere PUR

Die PUR-Elastomeren stellen eine besondere Gruppe der Polyurethane dar, deren Verarbeitung von der Herstellung herkömmlicher Polyurethane etwas abweicht. PUR-Elastomere werden bei Anwendungen mit hohen dynamischen Belastungen und auf Grund ihres geringen Verschleißes eingesetzt. Die Palette reicht dabei von Anschlagpuffern, Zusatzfederelementen, Rohrmolchen, Rädern und Rollen bis zu Walzenbezügen.

Spezielle PUR

Zu den speziellen Polyurethanen zählen z. B.: thermoplastische PUR (TPU), PUR-Klebstoffe, PUR-Lacke, PUR-Gele … Die TPU können im Spritzgussverfahren verarbeitet werden und finden z. B. Anwendung in der Schuhindustrie, in der Kabelindustrie zur Ummantelung von Kabeln oder als Folie.

PUR ist ein hervorragender Klebstoff, so dass diese Eigenschaft auch gezielt bei den vielfältigen Klebstoffen auf PUR-Basis ausgenutzt wird. Auch im Lackbereich ist das PUR zu Hause. So werden z. B. die ICE-Züge mit PUR-Lacken auf Grund der besonderen Eigenschaften des PUR lackiert. PUR-Gele kommen in der Medizin u. a. in Form von Pads, Pflastern, Sohlen oder Masken, in der Industrie zum Dichten, Dämpfen oder Kleben, im Consumerbereich als Pads, Polster oder Sohlen zum Einsatz.

Faserverstärkte Bauteile

Eine weitere Domäne von Polyurethan ist die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit besonderen mechanischen Eigenschaften unter Ausnutzung des Leichtbaupotentials dieser Werkstoffverbunde. Hierzu werden Fasermatten oder Langfasern, die während des Schusses in der Länge bzw. der entsprechenden Menge variiert werden können, verwendet. Durch eine Sandwichbauweise mit äußeren Lagen aus faserverstärktem PUR und Papierwabenkernen sind so leichte, biegesteife Bauteile herstellbar, die den Forderungen bezüglich einer Gewichtsreduzierung der Fahrzeugindustrie entsprechen.

Neuere Verfahrensentwicklungen befassen sich mit der Verarbeitung von Endlosfasern mit verschiedenen Matrixsystemen (u. a. PUR) mittels Pultrusion zur Herstellung von Profilen oder Bewehrungsstäben.
Diese Materialien bieten den Vorteil gegenüber den herkömmlichen, metallischen Materialien, dass sie nicht korrodieren und eine deutliche Gewichtsersparnis ermöglichen.

PUR-Anwendungen im Bau

Neben der möglichen Anwendung als Bewehrungsstab oder als Profil findet PUR-Hartschaum (bzw. PIR-Hartschaum) bereits als hocheffizientes Dämmaterial im Bau Einsatz. Ebenso können Lackierungen, Beschichtungen oder Verklebungen mit PUR ausgeführt werden. Das Ausschäumen von Hohlräumen beim Fensteroder Türeneinbau erfolgt in der Regel mit PUR. Und wie werden Kabeldurchführungen brandschutztechnisch abgeschottet? Mit einem Brandschutzstein basierend auf PUR.

Damit sind die Anwendungen der PUR-Werkstoffe auf Grund ihrer weitgefächerten Eigenschaftsbreite im Überblick kurz vorgestellt worden. Dabei wird kein Anspruch auf Vollständigkeit geltend gemacht, sondern es gibt darüber hinaus sicher noch eine Vielzahl von Anwendungen, die nicht aufgeführt wurden.

Was passiert eigentlich nach dem Gebrauch?

Eine Vielzahl der PUR-Produkte haben in Ihrer Anwendung eine lange Lebens- und Nutzungsdauer. Für die anfallenden PUR-Produktionsreststoffe gibt es etablierte rohstoffliche und werkstoffliche Recyclingverfahren. Beim rohstofflichen Recycling werden die PUR-Reststoffe durch die Behandlung mittels verschiedener Verfahren (Glykolyse, Acidolyse…) wieder in Produkte überführt, die anteilig beim Herstellungsprozess wieder zugeführt werden können. Beim werkstofflichen Recycling werden die Weichschaumreststoffe zu Flocken zerkleinert und mit einem Bindemittel zu Platten oder Matten verarbeitet. Die Hartschaumreststoffe werden feiner zerkleinert und ebenso mit einem Bindemittel zu Platten gepresst.

Bisher spielte die Verwertung von Post-Consumer-Abfällen auf Basis von PUR nur eine untergeordnete Rolle. Ursache hierfür sind sicher der Verteilungsgrad, die anfallenden Mengen und Kostenaspekte. Derzeit wird sehr aktiv an der Thematik zur Verwertung von end of live-Produkten, wie z. B. Matratzen, gearbeitet, um diese rohstofflich zu recyceln. Matratzen fallen jährlich in einer hohen Zahl an, so dass neben den gesellschaftlichen und gesetzlichen Vorgaben bezüglich Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit auch durch die Menge sich eine neue Rohstoffbasis ergeben kann.

Ein gutes Beispiel für ein in der Praxis funktionierendes System zum Recycling stellt das Recycling von PUR-Schaumdosen durch die Fa. PDR-Recycling dar (mehr dazu unter: https://www.pdr.de/pu-schaumdosen-recycling/). Dort wird ein geschlossener Kreislauf abgebildet.

In seiner Vielseitigkeit kommt PUR in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz und sorgt in den Anwendungen für Komfort (Weichschaum), Energieeffizienz (Hartschaum), Sicherheit, Verschleißfestigkeit und weitere gewünschte Eigenschaften.

Quellen
(1) Kunststoffe 10/2019, S.62 ff.
(2) www.foampartner.com/fileadmin/user_upload/editor/Downloads/Broschueren/AventO2/Avent02-Premium-Komfortschaumstoff-de.pdf (02.09.2020)
(3) www.ruehl-ag.com/pu-systeme/produkte/integralschaumpuroflex (02.09.2020)
(4) www.ruehl-ag.com/pu-systeme/produkte/rim-systemepurorim (02.09.2020)