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Polyurethan

Polyurethan

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.

Polyurethan Struktur Aufbau Zusammensetzung Urethan-Gruppe Rest StudySmarterAbbildung 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.

Polyurethan Herstellung Isocyanat Alkohol Struktur StudySmarterAbbildung 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.

Polyurethan Herstellung Isocyanat Alkohol Struktur Reaktionsmechanismus StudySmarterAbbildung 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

  1. Wolfgang Kaiser (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure.Hanser, München.
  2. epodex.com: PU Kleber - Vorteile und Anwendung von Polyurethankleber. (14.11.2022)
  3. maschinenbau-wissen.de: Kunststoff PUR - Polyurethan. (11.11.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Polyurethan

Polyurethan ist aufgrund seiner strapazierfähigen und leicht modifizierbaren Eigenschaften vielfältig einsetzbar, z. B. für Schaum, Polster, Polyurethan-Lacke, Beschichtungen, Kleber, Textilien, Autoinnenverkleidungen, Gussformen, Werkzeuge, Dichtungen und Schläuche.

Polyurethane sind Stoffe, die zu den Kunstharzen und Kunststoffen gehören. Sie sind Polymere, die durch ihre Urethan-Bindungen charakterisiert sind.

Polyurethan an sich ist in manchen Formen leicht entflammbar, aber ansonsten unbedenklich. Allerdings sind die zur Herstellung verwendeten Ausgangsstoffe toxisch und sollten nicht in Kontakt mit der Haut und den Atemwegen gelangen.

Aus manchen Polyurethanen kann Gummi hergestellt werden.

Finales Polyurethan Quiz

Frage

Wie lautet das Kurzzeichen für Polyurethan? 

Antwort anzeigen

Antwort

Kurz wird Polyurethan auch als PUR oder PU bezeichnet.

Frage anzeigen

Frage

Wie viele Isocyanat-/Hydroxy-Gruppen werden pro Molekül der Ausgangsstoffe benötigt, damit sich eine Polyurethan-Kette bilden kann?

Antwort anzeigen

Antwort

mindestens 2

Frage anzeigen

Frage

Durch welche Reaktionsart werden Polyurethane hergestellt?

Antwort anzeigen

Antwort

Polyadditionsreaktion

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen zwei Stoffgruppen wird Polyurethan hergestellt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Polyurethan wird aus Polyisocyanaten und Polyolen hergestellt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist bei der Herstellung von Polyurethan toxisch?

Antwort anzeigen

Antwort

Ausgangsstoff

Frage anzeigen

Frage

Durch welchen Vorgang entstehen Löcher in der Reaktionsmasse, wodurch Schaum entsteht?

Antwort anzeigen

Antwort

Wird der Reaktion Wasser hinzugefügt, reagiert es zu Kohlenstoffdioxid. Dieses ist ein Gas und ist in einen Feststoff eingeschlossen. Dadurch entsteht die charakteristische Schaum-Struktur.

Frage anzeigen

Frage

Weshalb ist Polyurethan umweltschädlich?

Zur Herstellung von (1) wird (2) verwendet.

Antwort anzeigen

Antwort

(1) Polyurethanen

Frage anzeigen

Frage

Durch die Hinzugabe welches Stoffes entsteht Polyurethan-Schaum?

Antwort anzeigen

Antwort

Wasser

Frage anzeigen

Frage

Worin findet man das als Schaumstoff verwendete Polyurethan?

Antwort anzeigen

Antwort

Polyurethan wird beispielsweise verwendet als: 

  • Küchenschwämme
  • Polstermaterial für Autositze und Möbel. 
  • Bauschaum

Frage anzeigen

Frage

Wo findet man Polyurethan in Textilien? 

Antwort anzeigen

Antwort

Polyurethan wird für Elasthan verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Wo im Schlafzimmer lässt sich Polyurethan finden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Polyurethan wird zum Beispiel für Matratzen und Memory-Foam Kissen verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Richtig oder Falsch?

Polyurethan ist immer giftig.

Antwort anzeigen

Antwort

Falsch. Nur die Nebenprodukte sind giftig. Wenn Polyurethan zu Ende reagiert, ist es nicht mehr giftig. 

Frage anzeigen

Frage

Nenne grundlegende Eigenschaften des Polyurethans. 

Antwort anzeigen

Antwort

  • verschleißfest
  • Witterungsbeständigkeit
  • mechanische Festigkeit
  • beständig gegenüber extremen Kälten
  • Dichte schwankend, abhängig von Schäumung des Materials

Frage anzeigen

Frage

Wovon sind die mechanischen Eigenschaften von Polyurethan abhängig?

Antwort anzeigen

Antwort

Länge der Reste

Frage anzeigen

Frage

Polyurethan hat gute Haftungseigenschaften. Wofür kann es aufgrund dessen besonders gut verwendet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Beschichtungen
  • Lacke
  • Kleber

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