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Polyurethane: Nützliche Vielfalt auf Isocyanat-Basis

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Polyurethan gehört zu den vielen Polymeren, die zwischen den Weltkriegen erfunden wurden, unmittelbar nachdem Staudinger vor 100 Jahren das Konzept der Makromoleküle in die öffentliche Diskussion gebracht und damit einen Schub der Kreativität ausgelöst hatte. Das ursprüngliche Ziel des Leverkusener Erfinders Otto Bayer war, Nylonfasern (Polyamid 6.6) Wettbewerb zu liefern. Das wurde nicht erreicht: Polyurethanfasern (Spandex® Dorlastan®) und thermoplastische Polyurethane sind in anderen Märkten zu Hause als Polyamide. Wenn heute viel mehr Polyurethan als Polyamid hergestellt wird, liegt das nicht an der Vielfalt der Monomere. Die nimmt bei beiden Polymerklassen insbesondere durch nachwachsende Rohstoffe kontinuierlich zu. Die dynamische Entwicklung der Polyurethane beruht darauf, dass die Chemie der Isocyanate eine enorme Vielfalt an Strukturmotiven ermöglicht. Isocyanat-basierte Polymere basieren entweder auf der Reaktion mit Nukleophilen oder auf der Reaktion von Isocyanaten mit sich selbst. Ersteres führt zu Urethanbindungen; Harnstoff-, Oxazolidinon-, Allophanat-, Biuret- und Oxadiazinantrion-Strukturen können gezielt aufgebaut werden. Die Selbstreaktion erlaubt zusätzlich, bei Bedarf Carbodiimid-, Uretdion-, Uretdionimin-, Isocyanurat- und Iminooxadiazindion-Strukturen in Polymere einzubauen.

Diese Vielfalt an Strukturmotiven und an Isocyanat-reaktiven Nukleophilen erlauben, neben Thermoplasten auch Elastomere, Vitrimere und Duromere zu entwickeln. Dabei sind sowohl Isocyanate als auch isocyanatreaktive Komponenten oft selbst schon Polymere wie Polyester, Polyether, Polycarbonate, Polyoxymethylene, deren Copolymere oder Mischungen davon.

Polyurethane helfen, Herausforderungen zu meistern

Die wichtigsten Anwendungen sind, anders als 1937 gedacht, weiche bis harte Schaumstoffe sowie Lacke und Klebstoffe geworden.  Exemplarisch soll das hier an den UNO-Nachhaltigkeitszielen 7 (bezahlbare Energie), 9 (Innovation und Infrastruktur) und 13 (Klimaschutz) dargestellt werden. Dabei wird auch illustriert, welche Rolle die Vielfalt der Isocyanat-Chemie bei der Lösung der Herausforderungen spielt.

Energieeinsparung

Polyurethane unterstützen sowohl die Einsparung als auch die Erzeugung von Energie. Das bekannteste Beispiel ist die Anwendung von Schaumstoffen in der Wärmedämmung zur Energieeinsparung. Amory Lovins hat für diesen Beitrag zur Energieversorgung den Begriff „Negawatt“ geprägt. Als Duromere schmelzen die hier eingesetzten Isocyanat-basierten Schaumstoffe nicht. Da sie geschlossene Zellen haben, kann – anders als bei faserigen Dämmstoffen – auch bei Verletzung der Dampfsperre die Dämmwirkung keinen Schaden nehmen.

Polymere auf Basis von Urethan- und Harnstoffbindungen sorgen heute dafür, dass die „Kühlkette“ von Lebensmitteln mit minimalem Energieeinsatz funktioniert. Zur Kühlkette gehören neben Kühlschränken und Tiefkühltruhen auch die wärmeisolierten Lkw und Container. Polymere Isocyanate werden dazu mit Polypropylenoxiden umgesetzt, die meist auf nachwachsenden Rohstoffen (Zucker, Sorbit, Glyzerin) aufgebaut sind. Die mit ca. 0,04 kg/Liter besonders leichte Wärmedämmung aus Polyurethan sorgt dafür, dass die Dämmung bei Kühl-Lkw nicht zum Spritfresser wird. Die Wärmedämmung von Heißwasserspeichern (z. B. bei Solarthermie-Anlagen) und von Fernwärmerohren besteht aus vergleichbaren Polymeren. Die Wärmedämmung ist so gut, dass in China Wärme über 37 km vom Kraftwerk zu Wohnungen transportiert wird.

Fernwärme wird durch gute Dämmung erst möglich. (© JuergenL/stock.adobe.com)

Flammschutz durch Polyisocyanurat

Wenn Isocyanat-basierte polymere Schaumstoffe für die Wärmedämmung von Gebäuden eingesetzt werden, müssen sie strengen Anforderungen des Flammschutzes entsprechen. Daher sind solche Polymere ebenfalls hoch vernetzte Duromere. Die Vernetzung erfolgt aber anders, nämlich weniger über Urethanbindungen, sondern überwiegend durch thermisch besonders stabile Isocyanurat-Strukturen. Die isocyanatreaktive Komponenten sind keine Polyether, sondern oligomere aromatische Ester. Diese werden seit über fünfzig Jahren auch als „Upcycling“ aus PET-Abfällen hergestellt. Polyisocyanurat-(„PIR“)-Schaumstoffe sind so widerstandsfähig, dass sie die strengen Anforderungen des Flammschutzes in Europa und Amerika ohne halogenierte Flammschutzmittel erfüllen können. Auch Flüssiggas-Tankschiffe nutzen  PIR-Schaumstoffe zur Wärmedämmung.   

Bei Flüssiggas-Tankschiffen helfen Polyurethane bei der Dämmung. (© vladsv/stock.adobe.com)

Beitrag zur Energieerzeugung

Der Beitrag isocyanatbasierter Produkte zur Energieerzeugung kann an Windenergieanlagen illustriert werden wo sie an mehreren Stellen der Anlage zum Einsatz kommt. In China erzeugen bereits erste Anlagen Strom, deren Flügel statt Epoxidharzen Polyurethane mit speziellen kammartigen Polyolen als Matrix für die Glasfasermatten nutzen. Diese bei Covestro in Shanghai entwickelten Polymere erlauben im Vergleich zu Epoxidpolymeren schnellere Produktion, mehr Steifigkeit und damit längere Rotoren. Sie lassen aufgrund besserer Zähigkeit längere Lebensdauern erwarten.

Für die Lacke, die Windenergieanlagen vor Wind und Wetter schützen, werden aufgrund der notwendigen Lichtechtheit höherwertige aliphatische Isocyanate verwendet. Solche Lacke haben sich schon seit sehr langer Zeit in Automobil- und Infrastrukturanwendungen als langlebig und wartungsarm bewährt. Das sind auch die Anforderungen der Windenergie. Für die Türme werden über Biuret-Strukturen vernetzte Polyurethane eingesetzt. Das reicht für die Lackierung der Flügel nicht: Hier sorgt Aspartat-Polyharnstoff-Chemie – in China schon mit Wasser als Lösungs­mittel – für noch mehr Elastizität, Abriebfestigkeit und damit Langlebigkeit.

Auch bei Windenergieanlagen gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Polyurethane (© miosmedia/stock.adobe.com)

Das Know-How liegt dabei in dem Isocyanat-Prepolymer mit dem richtigen Verhältnis von Urethan- und Isocyanurat-Strukturen. Die Flügelkanten, an denen die mechanische Belastung noch höher ist, werden mit thermoplastischen Polyurethanen effektiv geschützt. Die Kupferkabel von den Windanlagen im Meer werden mit Biegebegrenzern und Verstärkern aus Polyurethan-Elastomeren daran gehindert zu brechen.

Vielfältige Isocyanat-Chemie

Die Auswahl der Anwendungen zeigt, dass die „Polyurethane“ aus viel mehr Chemie als nur aus Urethan bestehen. Weil die Isocyanat-Chemie so vielfältig ist, kann man damit so vielfältige Probleme lösen. Hier haben wir das an den Beispielen der UNO-Nachhaltigkeitsziele  7, 9 und 13 gezeigt. Die Umsetzung dieser Ziele geht mit Polyurethanen besser als ohne. Die energieintensive Herstellung von Polyurethanen wird dabei leicht kompensiert, und im geeigneten Umfeld werden Chemiker die heute noch vermeintlichen Grenzen dieser Chemie weiter verschieben.

Autoren: Dr. Rolf W. Albach und Dr. Christoph Irle, Covestro Deutschland AG, Leverkusen
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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