Polyurethan

Die Synthese des ersten aliphatischen Isocyanats erfolgte in der Mitte des 19. Jahrhunderts im Anschluss an einige von Adolfo Wűrtz durchgeführte Versuche. Danach polymerisierte 1937 Doktor Otto Bayer in den Bayer-Labors in Deutschland anhand einer Polyaddition von aliphatischen Diisocyanaten und Diolen ein Polyurethan mit dem Ziel, Produkte für Fasern zu erhalten, die dem US-amerikanischen Nylon ähneln, doch nicht durch Patentschutz blockiert sein sollten. In den Bayer-Labors musste man auf die kontrollierte Synthese und die Vermarktung dieser neuen Fasern bis 1964 warten, dem Jahr der Einführung der Marke Dorlastan® auf dem Markt. In der Alltagssprache wird immer noch der Name Lycra® mit der Polyurethanfaser assoziiert, die für eine Vielzahl von Kleidungsstücken verwendet wird. Denn das Unternehmen Du Pont kam dem Konkurrenten Bayer im Jahr 1960 bei der Vermarktung dieser Faser um vier Jahre zuvor, der sie, wie gesagt, den Namen Lycra® gab.

Davor gestattete ab 1945 die chemische Zusammensetzung von Polyurethan seine Verwendung nur als Elastomer, Beschichtung oder Klebstoff. Die ersten Polymerisationen wurden mit Polyolen auf Ester-Basis entwickelt und erst nach ca. zehn Jahren wurden auf dem Markt Polyole auf Ether-Basis eingeführt, so dass innerhalb derselben Polyurethanfamilie zwei Typen von Polymeren mit unterschiedlichen Merkmalen entstanden. Ab Beginn der 60er Jahre erlebte der Polyurethanmarkt mit der Einführung der Weichschäume und auch dank der Hartschäume, die ca. zehn Jahre später erschienen, ein beachtliches Wachstum. Die unablässigen Verbesserungen der Synthese, die noch heute weiterentwickelt wird, und die Einführung neuer Prozesstechnologien haben zu einem Einsatz von Polyurethan in praktisch allen Anwendungsbereichen geführt: Schläuche, Räder, Wärme- und Schalldämmstoffe, Riemen, Dichtungen, Kabel, Schuhsohlen, Skischuhe, Klebstoffe, usw. 

Die Komplexität der Syntheseverfahren, der Grundstrukturen der Monomere, das Verhältnis unter diesen und die große Anzahl der verwendeten Katalysatoren und Additive sorgen dafür, dass das erzielte Polymer von teilkristallin-opak bis amorph-transparent variieren kann und so Strukturen erzielt werden, die von Gewebefasern bis zu weichem Schaumstoff reichen können.

Die Synthese der Polyurethane (PU) kann in der chemischen Reaktion von Diisocyanaten, Molekülen mit zwei oder mehreren -N=C=O-Gruppen, und langkettigen Polyolen (im Allgemeinen Diolen) und kurzkettigen Diolen, Molekülen mit zwei oder mehr Hydroxilgruppen -OH, zusammengefasst werden. Vom Diol hängt die Unterscheidung zwischen Polyurethan mit Ester-Basis (R-C=OO-R’) oder Polyurethan mit Ether-Basis (R-O-R’) ab.

Hinter dem Begriff Polyurethan verbirgt sich eine extrem vielseitige Familie von Produkten mit den unterschiedlichsten Eigenschaften in Hinblick auf mechanische, chemische und physikalische Eigenschaften. Anhand der korrekten Auswahl und Proportion von Polyolen und Diisocyanaten ist es möglich, von lockeren und weichen Produkten wie Weichschaum mit sehr geringer Dichte (Kissen, Matratzen, usw.) zu Produkten mit hoher Beständigkeit gegen Beanspruchungen durch Kompression oder Biegung für Anwendungen im Sportbereich zu gelangen, wie Trekkingschuhe, Ski, usw. Der Hauptunterschied, der als Regel hinsichtlich der Merkmale von Polyurethan zu berücksichtigen ist, betrifft seine chemische Zusammensetzung, d. h., ob es sich um eine Ester- oder Ether-Basis handelt. Im Handel findet sich auch eine dritte Polyurethanfamilie aus der Synthese von Caprolacton, das Merkmale zwischen denen von Polyester und Polyether aufweist.

Polyurethan auf Ester-Basis weist unter allen Gesichtspunkten bessere mechanische Eigenschaften auf: Elastizitätsmodul, Zug-, Druck-, Abriebbeständigkeit, bei statischen Zugbeanspruchungstests, usw. Eine Ausnahme bilden die Kältebiegsamkeit und die Schlagfestigkeit bei tiefen Temperaturen, bei denen sich Ether als leistungsfähiger erweist. Auch was die mechanischen Eigenschaften und die Alterung bei hohen Temperaturen betrifft, zeigt Polyurethan auf Ester-Basis ein besseres Verhalten. Die Situation kehrt sich um, wenn es um Hydrolysebeständigkeit und Angriffe durch Mikroorganismen geht. Das Phänomen der Hydrolyse, das wörtlich „Spaltung durch Wasser“ bedeutet, betrifft Ester auf signifikante Weise und führt zu einer Depolymerisation, damit zu einer Verringerung des Molekulargewichts mit darausfolgendem Verlust der mechanischen Eigenschaften. Dieses Phänomen ist bei weichen Polyurethanen stärker ausgeprägt, bei denen das Polyol mit den Esthergruppen in größerer Zahl vorliegt. Ebenso erweist sich Polyurethan bei Bedingungen mit hohen Temperaturen und großer Feuchte als empfindlich bei enzymatischen Angriffen durch Bakterien und Pilze, die durch Herbeiführen der Spaltung der Esterbindung zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Beide Polyurethantypen zeigen Beständigkeit gegen Öle, Fette, Sauerstoff und Ozon, doch Polyurethan auf Ester-Basis bietet außerdem eine geringere Gasdurchlässigkeit (Ar, CO2, N2, O2, usw.). Der letzte zu behandelnde, doch deshalb nicht unwichtigere Punkt betrifft die Dichte. Polyurethan auf Ether-Basis erweist sich als leichter und hat daher eine geringere Dichte mit den damit verbundenen Vorteilen im Transportsektor und bei allen von Handling geprägten Anwendungen.

• bessere mechanische Leistungen bei Umgebungstemperatur

• bessere Leistungen bei hohen Temperaturen

• besserer Barrierewirkung gegen Gase

• bessere Hydrolysebeständigkeit

• Bessere Kältebiegsamkeit und Schlagfestigkeit bei tiefen Temperaturen

• bessere Beständigkeit gegen Mikroorganismen

• geringeres Gewicht