4   Herstellung von Polyurethanen

Bei der Herstellung von Polyurethanen werden die Roh- und Hilfsstoffe in ganz unterschiedlichen Verfahren und Mengen verarbeitet. Die Handpistole zur Verarbeitung von Schmelzklebstoffen mit wenigen Gramm und die PU-Blockschaumanlage zur Verarbeitung von Isocyanaten mit Tagesmengen im Tonnenmaßstab sind zwei Beispiele.
Prinzipiell existieren zwei Möglichkeiten der Reaktionsführung:
  • alle Komponenten reagieren gleichzeitig miteinander („One-Shot-Verfahren“)
  • die Komponenten reagieren nacheinander in zwei Stufen („Prepolymer-Verfahren“)
Abbildung 4: Schema Polyurethan-Herstellung
Abbildung 4: Schema Polyurethan-Herstellung
Die Hauptkomponenten (Isocyanat und Polyol) werden meist aus Tankanlagen in Arbeitsbehälter überführt und auf die gewünschte Temperatur gebracht. Durch Zudosieren der Hilfsstoffe lassen sich die Eigenschaften des Produkts gezielt steuern. Über den Mischkopf wird das Reaktionsgemisch auf eine Unterlage oder in eine Form ausgetragen. Die verfahrenstechnischen Möglichkeiten (Wahl der Temperatur, Druck, Mengenverhältnisse, Austragstechniken) sind dabei sehr vielfältig.
Die Anlagen zur Herstellung von Polyurethanen können kontinuierlich und diskontinuierlich betrieben werden.

4.1   PU-Schaumstoffe

PU-Schaumstoffe werden überwiegend als Weichschaum in Blockform und als Hartschaum in Plattenform im kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren hergestellt. Rechteckige Blockquerschnitte von größer 2 Meter mal 1 Meter sind heute Stand der Technik. Die Blocklängen können dabei von wenigen Metern bis größer 100 Meter variieren. Anschließend werden die hergestellten Schaumblöcke auf die erforderlichen Konturen zugeschnitten.
Weichschäume werden z. B. zur Herstellung von Matratzen, Polstern für Sitzmöbel, Fertigung von individuellen Sitzen/Sitzschalen für orthopädische Anwendungen, Schalldämmmaterial und Kfz-Sitzen verwendet. Hartschäume werden vor allem zur Wärmedämmung von Gebäuden, Fernwärmeleitungen und Kühlschränken eingesetzt.
Die Reaktionsgemische für Integralschäume1) (sowohl hart als auch flexibel möglich) werden häufig in geschlossene Formen gespritzt. Nach diesem Verfahren werden zahlreiche Teile für den Automobilbau (z. B. Spoiler, Kopfstützen, Lenkradummantelungen) aber auch Schuhsohlen, Fahrradsättel und Polsterungen für Sportgeräte hergestellt.
Abbildung 5: Blockschaumanlage als Beispiel großtechnischer PU-Herstellung
Abbildung 5: Blockschaumanlage als Beispiel großtechnischer PU-Herstellung
Die für die Herstellung der PU-Schaumstoffe überwiegend eingesetzten Isocyanate sind TDI, MDI sowie PMDI (alle auch in modifizierter Form).
Fußnote 1)
Als Integralschäume werden Polyurethanschäume bezeichnet, die im Innern eine zellige Struktur und eine dichte, ungeschäumte Außenhaut besitzen. Die Dichte nimmt zum Kern hin ab.

4.2   Kompakt-PU

Die hier aufgeführten, nicht geschäumten Polyurethane haben in der Regel einen ausgeprägten elastomeren Charakter. Die Herstellung erfolgt im „Prepolymer“- oder im „One-Shot“-Verfahren. Beim „Prepolymer“-Verfahren werden metastabile Umsetzungsprodukte von Diisocyanaten mit Polyolen mit Vernetzern (in der Regel 2-funktionelle Kettenverlängerer, aber auch trifunktionelle Vernetzer) zur Reaktion gebracht. Beim „One-shot“- Verfahren werden alle Rohstoffe gleichzeitig zur Reaktion gebracht.
Das Reaktionsgemisch wird danach bei beiden Verfahren vergossen.

4.2.1   PU-Gieß-Elastomere

Grundlage sind meistens NDI-, MDI-, TDI- oder PMDI-Prepolymere. Bei diesen Systemen wird das oben beschriebene Reaktionsgemisch direkt zu Formteilen, Halbzeugen oder Beschichtungen vergossen. Das in der Gussform ausreagierte PU stellt dabei meistens das Endprodukt dar, das nicht mehr oder nur noch gering nachbearbeitet wird.
Typische Produkte sind beispielsweise dynamisch hoch belastete Rollen (wie Skateboardrollen), Zahnriemen oder Dichtungen.
Ein Spezialfall sind geschäumte Artikel, die durch Additive direkt in der Form aufschäumen. Ein Beispiel sind Dämpfer für Fahrwerksteile.

4.2.2   Thermoplastisches Polyurethan (TPU)

Im Gegensatz zu den in den Abschnitten 4.1, 4.2 und 4.3 aufgezeigten Herstellverfahren liegt hier ein zusätzlicher Prozessschritt zwischen Herstellung des Polyurethans und der Herstellung des Fertigprodukts. Auch hier werden die beiden Varianten „Prepolymer“-Verfahren und „One-Shot“-Verfahren angewendet.
Beim diskontinuierlichen Batchverfahren wird das Reaktionsgemisch in flache Formen gegossen, um dicke Platten zu erhalten. Diese werden nach Aushärtung zerkleinert und man erhält ungleichförmiges Granulat. Bei der Kombination des Batchprozesses mit einer Gießanlage wird das Reaktionsgemisch kontinuierlich als Endlosband ausgetragen. Dabei erhält man gleichmäßigeres Würfelgranulat. Werden die Verfahren komplett kontinuierlich gefahren, werden alle Rohstoffe in einem Reaktionsextruder gemischt und in der Regel direkt als Stränge ausgetragen und zerkleinert. Je nach Art der Granulierung erhält man zylinder- oder linsenförmiges Granulat.
Das Granulat wird dann im Spritzguss- oder Blasverfahren aufgeschmolzen und in die gewünschte Form gebracht. Zu den Hauptanwendungen gehören Kabelummantelungen, Schläuche, Folien, Dichtungen und technische Formteile.

4.3   Gießelastomer/Gießharze in der Elektronik und Elektrotechnik

Das Vergießen von elektronischen Bauteilen bzw. Baugruppen, wie Schaltkreisen, LEDs, Halbleitern, Kondensatoren und Schaltern, erfolgt unter Verwendung von 2-Komponenten-Vergussmassen bei Raumtemperatur über eine automatische Dosierung. Dazu wird ein geschlossenes Mischsystem verwendet. Die beiden Komponenten werden aus Druckbehältern dem Gießkopf zugeleitet und dort gemischt. In der Praxis kann der Prozess teilautomatisch mit manueller Auslösung des Gießvorgangs (Werkstückzufuhr erfolgt von Hand) oder automatisch (Werkstückzufuhr erfolgt automatisch) erfolgen. Das Aushärten der vergossenen Bauteile kann im Arbeitsbereich, im angrenzenden Arbeitsumfeld oder in separaten Räumen stattfinden.
Kabelmuffen werden im Netzbau für die Energieversorgung montiert. Auf Baustellen wird der Verguss von Kabelmuffen häufig über Doppelkammerbeutel realisiert, um einen Hautkontakt beim Mischen der beiden Komponenten zu vermeiden. Sie befinden sich getrennt voneinander in zwei verschiedenen Kammern und werden nach Entfernen der Trennung miteinander vermischt, indem der Beutel in den Händen geknetet wird. Die Vollständigkeit des Mischvorgangs kann durch Farbänderung verfolgt werden. Nach dem manuellen Einfüllen des PUR-Gießelastomers in die Kabelmuffe wird diese verschlossen. In einzelnen Fällen erfolgt das Anmischen des Gießelastomers in einem Behälter von Hand.