Polyurethanharze

Home

Aktuelles

Produkte

Wir über uns

Kontakt

Service / Beratung

Qualität

Lexikon

Links

Download

Produktneuheiten

Polyurethanharze

Kaum ein Werkstoff ist heute so vielseitig, wie es die Gruppe der Polyurethane ist. Erfunden wurden die Polyurethane im Jahr 1937 von Otto Bayer bei der früheren Bayer AG (heute Bayer Material Science). Es lassen sich sowohl weiche, gummiartige Elastomere herstellen als auch hoch schlagfeste Kunststoffe. Ebenso sind extrem hohe Abriebbeständigkeiten genauso darstellbar wie besonders harte oder transparente Formteile. Neben duromeren Polyurethanen gibt es auch thermoplastische Polyurethane (TPU). Im Gießereimodellbau finden Polyurethane vorwiegend als Gießharze Verwendung. Chemisch betrachtet entstehen (Poly)Urethane durch die Reaktion eines Isocyanats mit einem Alkohol.

usw. usw. Polymer

Polyurethane erhält man folglich durch die Reaktion von zwei- oder mehrwertigen Isocyanaten mit lienaren oder verzweigten Polyether- und/oder Polyesterpolyolen. Als Isocyanat-Härter kommt bei Gießharzen im Modell- und Formenbau zumeist modifiziertes 4,4` -Diisocyanatodiphenylmethan, kurz MDI zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein aromatisches Isocyanat, und der so hergestellte Formstoff ist nicht UV-beständig. Zu erkennen ist dies an der allmählichen Vergilbung des Formstoffes. Weitere wichtige Isocyanate in der Industrie sind Toluylendiisocyanat (TDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI) und Isophorondiisocyanat (IPDI). Isocyanate werden durch Umsetzung von Aminen mit Phosgen großtechnisch hergestellt.

Die wichtigste Kennzahl der Isocyanate für die genaue Berechnung der Mischungsverhältnisse ist der NCO-Gehalt, also der Gehalt an Funktionellen Gruppen, die chemisch reagieren können.

Bei den Polyolen kommt eine Vielzahl an verschiedenen Typen zum Einsatz. Hiermit werden die Eigenschaften des Formstoffes im Wesentlichen gesteuert. Es werden sowohl Polyetherpolyole verwendet als auch Polyesterpolyole. Letztere führen zu einer verbesserten Standfestigkeit, da sie einen höheren Schmelzpunkt besitzen als Polyetherpolyole. Im Gegensatz zu den Isocyanaten handelt es sich bei den Polyolen um sehr langkettige polymere Verbindungen, die durch den Härter verknüpft werden. Dies erklärt auch die im Vergleich zu Epoxiden deutlich besseren Elastizitäten und Schlagfestigkeiten. In Gießharzen ist oft ein Gemisch verschiedener Polyole vorhanden. Immer mehr kommen heute auch Polyole auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Pflanzenöle) zum Einsatz. Kennzahl für die Berechnung der Mischungsverhältnisse und damit der Reaktionsmöglichkeiten ist bei Polyolen die OH-Zahl. Oft sind auch Angaben der mittleren Funktionalität der Polyole zu finden.

Bei einigen wenige Gießharzen, die im Gießereimodellbau z.B. für die Herstellung von Kernkästen Verwendung finden, werden jedoch neben Isocyanaten und Polyolen auch noch andere Stoffe verwendet, die teilweise leider auch giftig sind. Dies nimmt man derzeit noch in Kauf zugunsten der damit erzielbaren Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf die Abriebfestigkeit und Schlagzähigkeit.

Die Topf- und Aushärtezeiten der Polyurethane werden durch die Zugabe von Katalysatoren eingestellt. Diese sind in den fertigen Formulierungen bereits enthalten. Am Markt übliche Schnellgießharze haben Topfzeiten von ca. 2 bis 5 Minuten. Langsamere Systeme sind mit Verarbeitungszeiten von bis zu 60 Minuten und mehr erhältlich. Die Polymerisation selbst ist, wie auch bei den Epoxiden, eine Polyadditionsreaktion. Wichtig ist auch hier, dass das vorgegebene Mischungsverhältnis genau eingehalten wird, da jede funktionelle Gruppe des Härters auch mit einer Gruppe des Harzes reagieren kann. Wichtig ist auch eine gute Durchmischung der Ansätze, damit die Reaktionspartner zueinander finden. Die Reaktion ist exotherm. Um größere Ansätze auf einmal verarbeiten zu können, ist eine entsprechend langsame Einstellung der Topfzeit erforderlich. Schnelle Systeme können dafür durch Zugabe von Topfzeitverlängerern (Inhibitoren) angepasst werden.

Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit der Topfzeit und der bei kurzen Verar- beitungszeiten entstehenden großen Reaktionswärme ist der Schwund der Formteile im ausgehärteten Zustand. Dies resultiert dadurch, dass der Kunststoff durch die Exothermie leicht Temperaturen von 100°C und mehr bei der Reaktion erreichen kann. Bei dieser Temperatur härtet der Kunststoff aus und kühlt danach wieder auf Raumtemperatur ab. Dabei zieht sich der Formstoff wieder zusammen. Dieser Effekt lässt sich durch Zugabe von Füllstoffen deutlich reduzieren. Hierbei ist aber zu beachten, dass der verwendete Füllstoff absolut trocken ist. Füllstoffe reduzieren im Allgemeinen auch die Exothermie und wirken so zudem topfzeitverlängernd. Dies hängt allerdings auch von der chemischen Beschaffenheit des Füllstoffes ab. Es ist durchaus möglich, dass ein Füllstoff auch katalytisch wirkt. Deshalb ist ein Füllstoff vor Verwendung auf seine Eignung zu prüfen.

Eine beim vollen Verguss unerwünschte Eigenart der Isocyanate ist die besonders willige Reaktion mit Wasser bzw. enthaltener Feuchtigkeit. Bei der Reaktion entstehen ein Harnstoffderivat und Kohlenstoffdioxid, das für das unerwünschte „Wachsen“ der Gießlinge verantwortlich ist. Da Harze (Polyole) im Allgemeinen sehr leicht Feuchtigkeit aufnehmen – der Chemiker spricht hier von Hydrophilie –, muss die Polyolkomponente gut vor Feuchtig- keitsaufnahme geschützt werden. Da gutes Verschließen der Behälter alleine nicht ausreicht, wird den Gießharzen ein Feuchtigkeitsabsorber, auch Molekularsieb genannt, zugegeben. Das ist eine in der Regel helle Paste, die der Hersteller dem Harz bereits zugesetzt hat. Vor Gebrauch soll das Harz gut aufgeschüttelt werden, um so die enthaltene Feuchtigkeit abzufangen.

Bei anderen Anwendungen ist die Reaktion mit Wasser dagegen erwünscht. Hat man früher Polyurethane noch mit FCKW-haltigen Treibmitteln (überwiegend R 11) aufgeschäumt, in dem das Treibmittel durch die Exothermie verdunstet und so das noch weiche Polyurethan aufschäumt, so wird heute als Treibmittel für die Herstellung von Schäumen vorwiegend Wasser eingesetzt. Das bei der Reaktion mit dem Isocyanat entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) sorgt für den nötigen Druck, der in geschlossenen Schäumformen dann allerdings auch sehr hoch werden kann.