Hast Du Dich schon einmal gefragt, woraus handelsübliche Spülschwämme hergestellt sind? Sie sind porig und können dadurch eine hohe Menge an Wasser aufnehmen. Gleichzeitig sind sie aber auch sehr weich und komprimierbar. Das Material infrage wird als Polyurethan bezeichnet und ist so vielfältig, dass daraus sowohl Schwämme als auch Ummantelungen von Bowlingkugeln hergestellt werden, die bekanntlich sehr belastbar sein müssen.
Polyurethan Definition
Polyurethan ist eigentlich kein bestimmter Stoff, sondern vielmehr eine Gruppe an Kunstharzen und Kunststoffen, die einen ähnlichen Aufbau haben. Alle Polyurethane haben gemeinsam, dass sie aus einer Aneinanderreihung von Urethan-Gruppen \((\ce{-NH-CO-O}{-})\) und verschiedenen Resten bestehen.
Ein Stoff, der aus einer Aneinanderkettung von immer denselben Baublöcken besteht, wird auch als Polymer bezeichnet. Im Grunde ist jeder Kunststoff ein Polymer.
In ihrer Kurzform werden Polyurethane auch PU oder PUR genannt.
Polyurethan Eigenschaften
Die variierenden Eigenschaften der verschiedenen Polyurethane sind auf die Reste zurückzuführen, die neben der Urethan-Gruppe in ihnen verbaut sind. Daher wirst Du im Folgenden zunächst mehr über die Struktur von Polyurethan erfahren.
Polyurethan Struktur und Aufbau
Die Struktur von Polyurethan kannst Du Dir – wie es bei allen Polymeren der Fall ist – vereinfacht, wie eine Aneinanderreihung von Bauklötzen vorstellen.
Der wichtigste Bauklotz des Polyurethan ist dabei natürlich die Urethan-Gruppe, die jeden zweiten Platz einnimmt. Dazwischen sind Bauklötze mit Resten zu finden. Diese Reste sind Alkyl- oder Aryl-Reste (also Ketten oder Strukturen aus Kohlenwasserstoffen) und ihre Größe ist von den Ausgangsstoffen abhängig, die für die Synthese des Polyurethans verwendet werden.
Abbildung 1: Eine sich wiederholende Einheit des Polyurethans. blau: Urethan-Gruppe
Je nachdem wie lang oder groß die Reste sind, kann das Polyurethan nun verschiedene Eigenschaften annehmen.
Polyurethan mechanische Eigenschaften
Unter mechanischen Eigenschaften versteht man vor allem, wie sich das Material verhält, wenn Belastungen darauf ausgeübt werden.
Wenn Du einen Spülschwamm aus Polyurethan in die Hand nimmst und zusammenpresst, gibt er nach. Der Schwamm ist weich.
Eine mit Polyurethan beschichtete Bowlingkugel, die mit Schwung auf dem Boden ankommt, behält ihre Form. Sie ist hart.
Außer ihrer Härte kann auch die Elastizität von Materialien aus Polyurethan unterschieden werden.
Viele Sportbekleidungen bestehen aus Elastan, das einen hohen Anteil Polyurethan enthält. Um die Bewegungsfreiheit nicht einzuschränken, ist dieses Material elastisch.
Je schneller ein Material zerbricht, wenn man es verformt, desto spröder und weniger elastisch ist es. Da diese Eigenschaft in den meisten Fällen – wie auch beim Polyurethan – allerdings unerwünscht ist, müssten harte Materialien mit sehr viel Kraftaufwand verbogen werden, bis sie zerbrechen, um sie als spröde bezeichnen zu können.
Je nachdem, welche mechanischen Eigenschaften ein Material aus Polyurethan haben soll, müssen bei der Herstellung Stoffe mit unterschiedlich langen und beweglichen Resten verwendet werden. Je länger der Alkyl-/Arylrest ist, desto weicher und flexibler ist das entstehende Polyurethan. Wenn die Reste untereinander Bindungen ausbilden (crosslinking), dann wird das entstehende Polyurethan steifer und unbiegsamer.
Polyurethan Schaum
Wird bei der Herstellung von Polyurethan Wasser zur Reaktionsmischung hinzugefügt, entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2). Dieses ist dann im Reaktionsgemisch eingeschlossen und führt dazu, dass sich Hohlräume im Polyurethan bilden, wenn es aushärtet. Ein Schaum entsteht, der je nach verwendeten Resten entweder weich ist wie ein Spülschwamm oder sehr fest wie Bauschaum.
Polyurethan Toxizität
In seiner komplett ausreagierten Form löst Polyurethan keine gesundheitlichen Probleme aus. Allerdings solltest Du nicht in Kontakt mit den zur Produktion von Polyurethanen verwendeten Stoffen kommen, da sie möglicherweise krebserregend sind und ansonsten reizend für die Haut und die Atemwege sind.
Außerdem sollten Polyurethane nie dem Feuer ausgesetzt werden, da bei ihrem Verbrennen toxische Gase freiwerden.
Ein weiterer Faktor, der bei der Herstellung von Polyurethan und Kunststoffen allgemein beachtet werden muss, ist, dass die Edukte (Ausgangsstoffe) aus Erdöl hergestellt werden, einer endlichen Ressource.
Polyurethan sonstige Eigenschaften
Außer ihren vielfältigen mechanischen Eigenschaften sind Polyurethane verschleißfest und beständig gegen Öle und Fette. Sie sind sehr witterungsbeständig und halten tiefe Temperaturen gut aus. Nach Belastungen verformen sich Polyurethane nur wenig. Allerdings fangen Polyurethane schnell Feuer und müssen daher bei Gebrauch in empfindlichen Umgebungen extra behandelt werden, um einen eventuellen Brand zu verhindern.
Polyurethan Herstellung
Die Herstellung von Polyurethan verläuft nach dem Prinzip der Polyaddition.
Bei einer Polyaddition werden mehrere Monomere zu einem Polymer zusammengefügt. Durch diesen Prozess können Kunststoffe hergestellt werden.
Für die Herstellung von Polyurethan müssen Polyisocyanate mit Polyolen reagieren. Das Wichtigste an diesen beiden Molekülen ist, dass sie mindestens eine Isocyanat- (\(-N=C=O)\) bzw. eine Hydroxy-Gruppe \((-OH)\) haben. Außer den Isocyanat-/Hydroxy-Gruppen bestehen die Moleküle noch aus einem Alkyl- oder Aryl-Rest, der dazu beiträgt, dass das Polyurethan bestimmte mechanische Eigenschaften erhält.
Abbildung 2: Links: Isocyanat-Gruppe mit Rest, rechts: Hydroxy-Gruppe mit Rest
Die Isocyanat-Gruppe kann nun mit der Hydroxy-Gruppe zu einer Urethan-Gruppe reagieren, die einen der Baublöcke eines Polyurethans darstellt. Bei dieser Additionsreaktion entstehen keine Nebenprodukte.
Abbildung 3: Additionsreaktion führt zur Entstehung einer Urethan-Gruppe
Wenn nun Diisocyanate und Diole für die Reaktion verwendet werden, hat jedes Molekül zwei der Gruppen, die für die Bildung einer Urethan-Gruppe benötigt werden. Ein Diisocyanat kann daher an zwei Seiten jeweils eine Urethan-Gruppe bilden, ebenso wie ein Diol. Wenn diese beiden Moleküle daher abwechselnd aneinander reagieren, entsteht eine lange Kette aus Urethan-Gruppen, zwischen denen sich verschiedene Alkyl- und Aryl-Reste befinden und ein Polyurethan bildet sich.
Über den genauen Mechanismus, wie aus den vielen Monomeren eine lange Polymer-Kette entsteht, erfährst Du mehr in der StudySmarter-Erklärung zur Polyaddition.
Polyurethan Verwendung
Polyurethan ist vielseitig einsetzbar und seine Verwendung ist dementsprechend weit verbreitet.
Polyurethan Kleber
Polyurethan kann in Form eines Klebers für vielseitige Zwecke verwendet werden. Da er nahezu alle Oberflächen miteinander verkleben kann, wird er oft zum Heimwerken oder für kleinere Bauarbeiten genutzt. Da diese Polyurethan Kleber meist aus zwei Komponenten bestehen, die vor Gebrauch selbst angemischt werden müssen, sind zur Handhabung besondere Vorsichtsmaßnahmen empfohlen, um mit der Haut oder den Atemwegen nicht in Kontakt mit den teils giftigen Inhaltsstoffen zu kommen.
Polyurethan-Lacke
Polyurethan kann auch zur Herstellung von Polyurethan-Lacken verwendet werden. Aufgrund der witterungsbeständigen, strapazierfähigen Eigenschaften von Polyurethan, sind die Lacke beliebt für Anstriche auf Oberflächen, die starken Belastungen ausgesetzt sind.
Weitere Polyurethan Anwendungsbeispiele
Aus Polyurethan können unter anderem Schaumstoffe hergestellt werden, die je nach ihrer Härte und der Anzahl/Größe der Gaslöcher im Material unterschiedliche Anwendungszwecke erfüllen können.
- Spülschwämme
- Bauschaum (Wärmedämmung)
- Polstermaterial (Autositze, Sitzmöbel)
Außerdem können aus Polyurethan viele Formen gegossen werden, die als Bauteile oder Werkzeuge verwendet werden. Auch viele gummiartige Materialien werden inzwischen mithilfe von Polyurethan hergestellt.
- Dichtungen, Schläuche
- Matratzen, Kissen (z. B. aus Memoryfoam)
- Schuhsohlen, Wundauflagen
- Textilfasern (in Elasthan), Kunstleder
- Autoinnenverkleidung
Polyurethan – Das Wichtigste
- Polyurethane (PU) sind Kunststoffe und Kunstharze. Sie sind Polymere, die aus einer Aneinanderreihung von Urethan-Gruppen bestehen.
- Polyurethan Herstellung: Um Polyurethan herzustellen, werden Diisocyanate und Diole aneinandergereiht. Bei der Herstellung muss auf die Toxizität der Edukte geachtet werden.
- Polyurethan Eigenschaften: Polyurethan ist witterungs- und temperaturbeständig, strapazierfähig und nimmt je nach verwendeten Edukten verschiedene Härte- und Elastizitätsgrade statt. Zusätzlich kann auch die Dichte von Schaum aus Polyurethan durch die Herstellung modifiziert werden.
- Polyurethan Verwendung: Schaum, Polster, Polyurethan-Lacke, Beschichtungen, Kleber, Textilien, Autoinnenverkleidungen, Gussformen, Werkzeuge, Dichtungen, Schläuche
Nachweise
- Wolfgang Kaiser (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure.Hanser, München.
- epodex.com: PU Kleber - Vorteile und Anwendung von Polyurethankleber. (14.11.2022)
- maschinenbau-wissen.de: Kunststoff PUR - Polyurethan. (11.11.2022)
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