3   Ausgewählte PU-Roh- und Hilfsstoffe und deren physikalische und chemische Eigenschaften

Neben den Isocyanaten und Polyolen werden weitere Hilfsstoffe eingesetzt, die in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Die Kenndaten wichtiger Roh- und Hilfsstoffe sind im Anhang 1 aufgeführt.

3.1   Isocyanate

Diisocyanate sind in reiner Form bei Raumtemperatur farblose bis gelbliche Flüssigkeiten (HDI, TDI, IPDI) oder Feststoffe (NDI, MDI monomer). Das polymere MDI (PMDI) ist ein flüssiges Gemisch aus MDI-Isomeren und höheren Homologen (3-Kern, 4-Kern usw.).
Diisocyanate sind sehr reaktive Substanzen. Es können heftige Reaktionen unter Umständen schon durch Verunreinigungen oder Überhitzung ausgelöst werden.
Isocyanate sind löslich, z. B. in Dimethylformamid, N-Methylpyrrolidon, Aceton, Ethylacetat und Halogenkohlenwasserstoffen. In Wasser sind Di-, Tri- und Polyisocyanate praktisch nicht löslich. Sie reagieren schnell mit Wasser, wobei Kohlendioxid und fester, unlöslicher Polyharnstoff an der Phasengrenze gebildet wird. Die sich bildende Polyharnstoffkruste behindert den Kontakt von Wasser und Isocyanat und führt daher zu einer stark verlangsamten effektiven Reaktionsgeschwindigkeit. Diese Reaktionen können auch bei Verwendung wasserhaltiger organischer Lösemittel auftreten.
Bei Temperaturerhöhung (z. B. infolge nicht abgeführter Reaktionswärme), durch Anwesenheit von Tensiden oder durch starkes Rühren wird die Reaktion beschleunigt.
Isocyanate reagieren mit alkalischen Stoffen, z. B. Natriumhydroxid, Ammoniak, primären und sekundären Aminen, ferner mit Säuren und Alkoholen. Diese Umsetzungen laufen im Allgemeinen sehr rasch, möglicherweise unkontrolliert, und stark exotherm ab. Bei der Reaktion mit Wasser, Alkalien und Säuren entsteht Kohlendioxid, was zu einem erheblichen Druckanstieg und in dessen Folge zum Bersten des Gebindes oder eines Anlagenteils führen kann.
Isocyanate werden in verschiedenster Form als Reaktionspartner eingesetzt:
  • in nicht modifizierter Form als monomere Diisocyanate:
    aromatische:
    • TDI (Toluoldiisocyanat)
    • MDI (Diphenylmethandiisocyanat), wobei vorwiegend das polymere MDI (PMDI) Anwendung findet
    • NDI (Naphthylendiisocyanat)
    • TODI (3,3'-Dimethylbiphenyl-4,4'-diyldiisocyanat)
    • m-XDI (1,3-Xylylendiisocyanat)
    aliphatische:
    • HDI (Hexamethylendiisocyanat)
    • TMDI (Trimethylhexamethylendiisocyanat)
    • TMXDI (Tetramethylxylylendiisocyanat)
    • TRIDI (2,4,6-Triisopropyl-m-phenyldiisocyanate)
    cycloaliphatische:
    • IPDI (Isophorondiisocyanat)
    • HMDI (Dicyclohexylmethandiisocyanat; H12MDI)
    • NBDI (2,5-Bis-isocyanatomethylbicyclo(2.2.1)heptan)
  • in modifizierter Form:
    • als di- und trimere Addukte der monomeren Diisocyanate
    • als prepolymere Reaktionsprodukte zwischen Diisocyanaten und Polyolen, die noch freie NCO-Gruppen (= Isocyanatgruppen) aufweisen. Prepolymere und andere Addukte können unterschiedliche Anteile an monomerem Disocyanat enthalten.
  • in verkappter Form/blockierter Form:
    • die NCO-Gruppen müssen durch Abspaltung des Verkappungsmittels (z. B. Oxime, Phenol, ε-Caprolactam) für die weitere Reaktion mit anderen Reaktionspartnern, wie Hydroxylgruppen oder Aminogruppen, freigesetzt werden.

3.2   Polyole

Die wichtigsten Stoffklassen bei den eingesetzten Polyolen sind Polyether-, Polyester-, Polycarbonat-, Amino- und Polycaprolacton-Polyole. Diese sind kurz- bis langkettige, auch verzweigte Verbindungen mit endständigen Hydroxyl- oder Aminogruppen. Daneben werden insbesondere in der Klebstoff- und Lackindustrie hydroxylgruppenhaltige Polyacrylate eingesetzt.
Polyole sind klare, farblose bis bräunliche, flüssige bis feste, meist hygroskopische Produkte. Sie sind gut löslich in aromatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Ketonen und Estern.
In der Praxis können Polyole auch als reaktionsfertige Mischungen mit Hilfsstoffen wie Katalysatoren und Treibmitteln eingesetzt werden (im Handel teilweise als A- oder B-Komponente bezeichnet).
Neben den oligomeren Polyolen werden auch monomere di- oder multifunktionelle Kettenverlängerer (teilweise auch als Vernetzer bezeichnet), wie Butandiol, Ethylenglykol, Hexandiol, eingesetzt.
Aufgrund der Vielzahl der verwendeten Polyole wird hinsichtlich der Kenndaten auf die Angaben in den Sicherheitsdatenblättern bzw. in Datenbanken (z. B. GESTIS, GisChem, WINGIS) verwiesen. (165) (158) (168)

3.3   Weitere Roh- und Hilfsstoffe

Je nach Einsatzgebiet können für die Herstellung von Polyurethanen neben den Isocyanaten und Polyolen eine Vielzahl weiterer Hilfs- und Zuschlagstoffe erforderlich sein, insbesondere
  • Katalysatoren, meist tertiäre Amine und deren Gemische, metallorganische Verbindungen, wie Organozinnverbindungen oder Kaliumacetat und Titanverbindungen;
  • Treibmittel, wie Wasser, Kohlenwasserstoffe (z. B. Pentan), Kohlendioxid, Fluorkohlenwasserstoffe (z. B. Tetrafluorpropen);
  • Flammschutzmittel, z. B. Aluminiumhydroxid, Ammoniumpolyphosphat, Melamin, Tetrabromphthalsäureester, Trichlorpropylphosphat (TCPP), Triethylphosphat (TEP);
  • Füllstoffe und Verstärker, z. B. Ruß, Kreide, Schwerspat, Silikate, Glasfasern;
  • Farbgebende Stoffe, z. B. anorganische und organische Pigmente, Ruß, Titandioxid;
  • Lösemittel, z. B. Ethylacetat, Methylethylketon, Kohlenwasserstoffe;
  • Schaumstabilisatoren, z. B. Polyethersiloxane;
  • Trennmittel, z. B. Wachse, Silikone, Metallseifen;
  • Alterungsschutzmittel, z. B. sterisch gehinderte Phenole, Benzoxazole, Polycarbodiimid;
  • Verkappungsmittel, z. B. Oxime, Phenol, ε-Caprolactam;
  • Spezielle Zusatzstoffe, z. B. Antistatika;
  • Haftvermittler wie Aminosilane;
  • UV-Schutzmittel.
Hinweise zu Gesundheitsgefahren sind im Abschnitt 6.2 beschrieben.

3.3.1   Katalysatoren

Tertiäre aliphatische Amine werden vielfach als Katalysatoren zur Einstellung der Reaktivität bei der PU-Herstellung eingesetzt. Typische Beispiele sind: Triethylamin und höhere Trialkylamine, 2-Dimethylaminoethanol (DMEA), N-Methyl-morpholin (NMM), Diazabicyclo(2.2.2)octan (DABCO) oder N,N-Dimethylcyclohexyl-amin (DMCHA).
Solche Aminkatalysatoren sind meist flüchtige, in der Regel brennbare Substanzen mit einem typischen, ammoniakartigen Geruch.
Aber auch zinnorganische Verbindungen, z. B. Zinn-2-ethylhexanoat (Zinndioctoat) und DBTL (Dibutylzinndilaurat) werden verwendet.
Die zinnorganischen Katalysatoren sind nicht flüchtige Flüssigkeiten, die unter dem Einfluss von Feuchtigkeit an katalytischer Aktivität verlieren.
Abbildung 3: Reaktionen bei der Herstellung von Polyurethanen
Abbildung 3: Reaktionen bei der Herstellung von Polyurethanen
Zur Katalyse der sogenannten Poly-Isocyanurat-Reaktion (PIR-Reaktion – Trimerisierungsreaktion in Abbildung 3) im Hartschaum wird beispielsweise Kaliumoctoat eingesetzt.

3.3.2   Treibmittel

Als physikalische Treibmittel werden leicht flüchtige, zum Teil brennbare Substanzen, z. B. Pentan, Methylenchlorid oder Fluorkohlenwasserstoffe eingesetzt. Für die Herstellung von Weichschäumen mit niedriger Rohdichte wird auch flüssiges Kohlendioxid als Treibmittel eingesetzt – wofür eine besondere Ausrüstung benötigt wird.
Bei chemischen Treibmitteln werden die Gase durch chemische Reaktion erzeugt, z. B. Kohlendioxid als Treibmittel durch die Reaktion von Wasser mit Isocyanaten.

3.3.3   Sonstige

In Beschichtungsstoffen, Klebstoffen und Trennmitteln können verschiedene Lösemittel verwendet werden, z. B. Kohlenwasserstoff-Gemische, Methylethylketon, Aceton, Butyl- und Methoxypropylacetat sowie Ethylacetat.
Über die Eigenschaften von Lösemitteln und über Gefahren und Schutzmaßnahmen bei Tätigkeiten mit ihnen informieren die DGUV Information 213-072 „Lösemittel“ (Merkblatt M 017 der BG RCI), die zugehörigen Sicherheitsdatenblätter sowie Stoffdatenbanken (z. B. GESTIS, GisChem, WINGIS). (96) (98) (165) (158) (168)