Polyurethan - das Wichtigste zum Kunststoff.

Polyurethan ist ein essenzielles Material für unsere moderne Gesellschaft. Die wichtigsten Hintergründe zum Kunststoff werden hier kurz erklärt:

• Vorteile gegenüber anderen Materialien
• Wofür wird Polyurethan verwendet?
• Ist Polyurethan recycelbar?
• Zusammenfassung

Was ist Polyurethan?

Polyurethan als bloßes Wort verrät schon einiges über die Zusammensetzung des Werkstoffs. Der Begriff setzt sich aus den Bestandteilen Poly (lateinisch für „viele“) und Urethan, das eine bestimmte chemische Stoffgruppe (C₃H₇NO₂) darstellt, zusammen. Im Endeffekt sagt Polyurethan also aus, dass viele Urethangruppen miteinander verbunden sind. So simpel der Begriff sein mag, so vielfältig sind die Ausprägungen in denen Polyurethan in der Praxis vorkommen kann.

Polyurethane, für die oftmals auch das Kurzzeichen PUR (manchmal auch PU) verwendet wird, sind Kunststoffe oder Kunstharze, die vielseitig einsetzbar sind. Sie werden durch die sogenannte Polyaddition hergestellt.  Bei der Polyaddition werden Isocyanate mit Alkoholen verbunden, wodurch die namensgebenden vielen Urethan Gruppen aneinandergereiht werden. Je nach Art der Zusammensetzung der Einzelbestandteile und der Herstellungsmethode, können sich die Eigenschaften des entstehenden Kunststoffes stark unterscheiden.

Geschichte des Materials

Obwohl das Material heute in vielen Anwendungen brandaktuell ist, reicht die Geschichte von Polyurethan bis in das Jahr 1937 zurück. Damals wurde der Werkstoff in den Laboren der Bayer AG von Otto Bayer das erste Mal synthetisiert. Die Verbreitung von Polyurethan wurde zunächst jedoch durch den zweiten Weltkrieg ausgebremst. Im Zuge der wirtschaftlichen Erholung gewann der Kunststoff aber schnell an Bedeutung, sodass im Jahr 1960 bereits 45.000 Tonnen davon hergestellt wurden. Diese Zahl ist allerdings nur der Anfang: 2002 wurden weltweit mehr als 9 Millionen Tonnen Polyurethan produziert. Studien aus dem Jahr 2015 legen nahe, dass auf dem Weltmarkt mittlerweile rund 50 Milliarden Euro jährlich mit Polyurethan umgesetzt werden.

mit steigender Temperatur weicher. Das Ganze lässt sich mit Schokolade vergleichen: Wird ein Schoko-Weihnachtsmann gegossen, ist dieser bei Zimmertemperatur oder kühler fest und behält seine Form bei. Es wäre jedoch ohne Probleme möglich den Weihnachtsmann durch Erhitzen wieder einzuschmelzen und der Schoko-Masse die Form eines Osterhasen zu geben.

Duroplaste: Duroplaste lassen sich im Gegensatz zu Thermoplasten nach ihrer initialen Formgebung nicht mehr umgestalten. In der Regel weisen sie eine höhere Härte auf und sind daher vor allem für Formteile besonders geeignet. Als Analogie aus der Kulinarik könnte man Duroplaste mit einem Kuchenteig vergleichen. Dieser ist anfangs flüssig (oder zumindest viskos). Wird der Kuchen in seiner Form ausgebacken wird er fest. Egal wie stark man den Kuchen nun erhitzt oder abkühlt, er wird nicht mehr zu einem flüssigen Teig.

Elastomere: Elastomere sind zwar formfest, aber über eine weitere Temperaturspanne elastisch. Sie lassen sich also durch Zug- oder Druckeinwirkung verformen, kehren danach aber immer wieder in ihre Ausgangsform zurück. Umgangssprachlich werden Polyurethan Elastomere daher auch als „Gummi Polyurethan“ bezeichnet.

Verschiedene Härtegrade von Polyurethan

Der Härtegrad spielt bei der Auswahl des richtigen Polyurethan-Materials eine entscheidende Rolle. Soll das Material eher flexibel oder eher fest sein? Einen Überblick über diese Frage liefert die sogenannte Shore-Härte. Diese macht messbar, wie hart ein Material im Vergleich zu einem anderen ist. Die Shore-Härte wird geprüft, indem ein genormter Prüfkörper mit einem bestimmten Druck in das geprüfte Material gedrückt wird. Aus der Tiefe, die der Prüfköroper in das Material eindringt, wird mit Hilfe eines Messinstruments namens Durometer die Shorehärte ermittelt.

Für die Shore-Härte gibt es verschiedene Skalen. Bei Kunststoffen kommen klassischerweise die Skalen von Shore A bis Shore D zum Einsatz. Dabei ist Shore D deutlich härter als Shore A. Die Kennzahl wird noch durch eine Zahl vor dem Buchstaben der Skala ergänzt. Je höher die Zahl, desto härter das Material. Eine volle Angabe der Shorehärte könnte also z.B. Sore 80 A lauten. Dabei überschneiden sich die Shore A und die Shore D Skala in einem gewissen Bereich: Shore 80 A entspricht beispielsweise ungefähr Shore 36 D.

Vorteile gegenüber anderen Materialien

Der größte Vorteil von Polyurethan liegt in seiner Vielseitigkeit. Der Werkstoff kann mit wenig Aufwand in diverse Formen gebracht werden. Thermoplaste und Elastomere eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen eine gewisse Flexibilität Grundvoraussetzung ist. Duroplaste hingegen können durch ihren höheren Härtegrad größeren Belastungen standhalten. Dabei eignen sich Bauteile aus Polyurethan für Leichtbau und kommen in den meisten Fällen ohne umweltschädliche Weichmacher aus. Hinzu kommt die Langlebigkeit von Polyurethanen aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit und guten Rückenstelleigenschaften. Hier gibt es einen ausführlichen Vergleich von Polyamid vs. Polyurethan.

Wofür wird Polyurethan verwendet?

Ein Erfolgsfaktor des Materials ist seine Vielseitigkeit. Obwohl es aus dem modernen Alltag nicht mehr wegzudenken ist, sind seine konkreten Anwendungsgebiete immer noch relativ unbekannt:

Einsatz als Dämmmaterial: Polyurethan hat eine sehr geringe Wärmedurchlässigkeit und eignet sich daher hervorragend als Dämmmaterial. Ein weiterer Vorteil des Kunststoffs ist die einfache Herstellung von Polyurethanschäumen in verschiedenen Formen, sodass es sowohl für Kühlwagen als auch für die Gebäudedämmung und viele weitere Anwendungen eingesetzt werden kann.

Polyurethan in der Extrusion: Thermoplastische Polyurethane eignen sich durch ihre gute Verformbarkeit bei höheren Temperaturen bestens für die Verarbeitung in der Extrusion. Dabei wird der Kunststoff erhitzt und mit Druck durch eine formgebende Öffnung gepresst. Auf diese Art entsteht beispielsweise PUR-Schlauch, der in vielen Industriebereichen verwendet wird, um Luft oder andere Medien zuverlässig von A nach B zu transportieren (mehr zum Thema Druckluftschläuche). Zudem eignet sich das Verfahren bestens für die Herstellung von Ölabstreifern aus Polyurethan.

Polyurethan in Sport und Freizeit: Bis in die 1970er Jahre war das klassische Leder noch vorherrschend, wenn es um die Herstellung von Fußbällen geht. Mittlerweile werden jedoch viele Modelle aus mehreren Schichten Polyurethan geklebt. Das hat den Vorteil, dass eine nahtlose Oberfläche möglich ist, die deutlich weniger Wasser aufnimmt als vergleichbare Lederbälle. Doch nicht nur die Bälle, sondern auch viele Fußballschuhe bestehen heutzutage zu großen Teilen aus Polyurethan. Auch in den dämpfenden Schaumsohlen von Laufschuhen findet mal den vielseitigen Kunststoff.

Polyurethan in der Automobilindustrie: Auch in Automodellen vom Kleinwagen bis zur Oberklasse sind Bauteile aus Polyurethan weit verbreitet. Ob Verkleidungselemente für Türtafeln oder Armaturenbretter, PUR-Schäume in den sitzen oder Pneumatikschläuche zur Steuerung von aktiver Aerodynamik, oder den Massagesitzen in Premium-Modellen ist fast alles denkbar.

Das alles ist dennoch nur ein kleiner Bruchteil der Einsatzmöglichkeiten des vielseitigen Kunststoffes. Alle Anwendungsbereiche aufzuzählen, würde jedoch den Rahmen dieses Überblicks sprengen.

Anders als mit den Thermoplasten verhält es sich mit den Duroplasten und Elastomeren. Diese sind nach ihrer initialen Formgebung nicht mehr durch bloßes Erhitzen verformbar. Doch auch aus Abfällen dieser Sorten lässt sich dank Recycling noch etwas machen: Duroplaste und Elastomere können gemahlen und mit neuem Polyurethan vermischt werden, um so den Rohstoffeinsatz deutlich zu senken. Außerdem gibt es chemische Recyclingverfahren mit denen Polyurethane zurück in ihre Einzelbestandteile aufgelöst werden können.

Die initiale Frage „Ist Polyurethan recycelbar?“ lässt sich also klar mit „ja“ beantworten

Zusammenfassung

Polyurethan ein sehr variabler Kunststoff und kommt sowohl als Thermoplast, Duroplast und Elastomer vor. Die Herstellung erfolgt durch das Verbinden von Isocyanaten und Alkoholen (Polyaddition). Das Material wird auf der ganzen Welt in vielen Anwendungen des täglichen Lebens verwendet und bleibt dabei oftmals unbemerkt. Egal ob in der Wärmedämmung, in der Automobilindustrie oder auf dem Fußballplatz bietet Polyurethan Vorteile gegenüber anderen Materialien.  Bei der Suche nach dem richtigen Material ist nicht nur der Typ (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere) von besonderer Bedeutung, sondern auch der Härtegrad. Dieser wird mit der sogenannten Shorehärte vergleichbar gemacht. Polyurethan ist grundsätzlich recycelbar, auch wenn für den Prozess ein gewisses Maß an Knowhow notwendig ist.