Polyol und Isocyanat: Definition, Reaktion und Mischungsverhältnis

Ein Polyol ist ein Molekül mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen (OH); die im Polyurethan verwendeten Isocyanate tragen zwei oder mehr reaktive NCO-Gruppen. Beim Mischen reagieren NCO-Gruppen mit OH-Gruppen zu Urethanbindungen, aus denen das Polyurethan aufgebaut ist. Das Polyol bestimmt weitgehend, ob der Kunststoff am Ende weich oder hart wird, das Isocyanat (meist MDI oder TDI) verknüpft die Ketten, und das Mischungsverhältnis hält die beiden Gruppen im Gleichgewicht. Isocyanate reagieren mit Feuchtigkeit und können eine allergische Sensibilisierung auslösen; sie müssen daher sorgfältig gehandhabt werden.

1. Polyol und Isocyanat: die beiden Rohstoffe

Jedes industrielle Polyurethan-System (PU-System) geht von denselben zwei Rohstoffklassen aus: einem Polyol (einem Molekül mit Hydroxylgruppen, OH) und einem Isocyanat (einem Molekül mit reaktiven Isocyanatgruppen, N=C=O, kurz NCO geschrieben). Treffen beide aufeinander, reagiert eine NCO-Gruppe mit einer OH-Gruppe und bildet eine Urethanbindung. Diese eine Bindung, im gesamten Gemisch immer wieder gebildet, baut das Polymer auf. Einen Überblick über die gesamte Werkstofffamilie gibt der Beitrag Was ist Polyurethan?.

Alles Übrige in einer Formulierung (Katalysatoren, Tenside, Treibmittel, Flammschutzmittel) dient der Feinabstimmung dieser Reaktion und des fertigen Produkts; das Verhalten eines Schaums, einer Beschichtung oder eines Formteils wird zuerst vom Polyol, vom Isocyanat und vom Verhältnis zwischen beiden bestimmt. Für Weichschaum wird in der Regel ein Polyetherpolyol mit TDI kombiniert, für Hartschaum ein hochfunktionelles Polyol mit polymerem MDI. Siehe Hartschaum und Weichschaum: PU-Systeme im Vergleich und Was ist Polyurethanschaum?.

2. Was ist ein Polyol?

Ein Polyol ist eine organische Verbindung mit mehreren Hydroxylgruppen (OH). In Polyurethanen sind die Polyole Oligomere oder Polymere mit durchschnittlich zwei oder mehr OH-Gruppen je Molekül; bei Raumtemperatur sind sie meist zähflüssig. An die OH-Gruppen lagert sich das Isocyanat an.

Polyether- und Polyesterpolyole

Polyetherpolyole entstehen durch Anlagerung von Propylenoxid und/oder Ethylenoxid an ein Startermolekül; sie sind sehr weit verbreitet und in der Regel günstiger, einfacher zu handhaben und beständiger gegen Wasser als Polyesterpolyole. Polyesterpolyole entstehen durch Polykondensation von Carbonsäuren mit Glykolen; sie sind in der Regel zähflüssiger und teurer, bieten aber eine bessere Lösemittel-, Abrieb- und Schnittbeständigkeit. Aromatische Polyesterpolyole werden in Hartschaum eingesetzt; manche werden aus recyceltem PET hergestellt.

Funktionalität, Hydroxylzahl und Molekulargewicht

Die Funktionalität ist die durchschnittliche Zahl der OH-Gruppen je Molekül. Die Hydroxylzahl (mg KOH/g, zum Beispiel nach ISO 14900 gemessen) gibt an, wie viele OH-Gruppen je Gramm vorhanden sind. Beide hängen mit dem Molekulargewicht zusammen. Mehr OH je Gramm bedeutet, dass mehr Isocyanat benötigt wird. Die Werte eines bestimmten Polyols stehen in seinem Technischen Datenblatt (TDB).

Weich oder hart: was das Polyol bestimmt

Lange Ketten mit wenigen OH-Gruppen (niedrige Hydroxylzahl) ergeben ein weitmaschiges, elastisches Netzwerk (Weichschaum), kurze Ketten mit vielen OH-Gruppen (hohe Hydroxylzahl) ein engmaschiges, starres Netzwerk (Hartschaum). Welche Polyole für welches Produkt eingesetzt werden, hängt von der Formulierung des Systems ab.

Spezialpolyole: Polymerpolyole, biobasierte Polyole und Recyclingpolyole

Polymerpolyole enthalten fein verteilte Polymerpartikel (zum Beispiel SAN, Styrol-Acrylnitril) und werden eingesetzt, um Weichschaum eine höhere Tragfähigkeit zu geben, also ein festeres Gefühl.

Biobasierte Polyole (aus Rizinus-, Soja- oder Rapsöl) und Recyclingpolyole (aus der Glykolyse von PET oder Polyurethanabfällen) können sich in Hydroxylzahl und Viskosität von petrochemischen Qualitäten unterscheiden. Die Arbeiten am erneuerbaren Anteil haben sich bisher überwiegend auf Polyole konzentriert. Produkte, die auf Basis einer „Massenbilanz“ (Biomassebilanz) verkauft werden, erhalten ihren erneuerbaren Anteil durch eine zertifizierte Bilanzierung, nicht unbedingt als erneuerbare Moleküle im Produkt selbst; prüfen Sie daher, ob ein angegebener erneuerbarer Anteil physisch im Produkt enthalten oder nur zugerechnet ist. Siehe Polyurethan-Recycling: mechanisch und chemisch.

3. Was ist ein Isocyanat?

Ein Isocyanat ist eine organische Verbindung mit der Gruppe N=C=O (NCO). Für Polyurethan werden Diisocyanate und Polyisocyanate mit zwei oder mehr NCO-Gruppen je Molekül verwendet; sie verknüpfen die Ketten.

MDI, polymeres MDI und TDI

MDI (Methylendiphenyldiisocyanat) ist das wichtigste Isocyanat für Hartschaum, Dämmung und Sprühschaum. Polymeres MDI (pMDI) ist trotz seines Namens kein Polymer, sondern ein flüssiges Gemisch aus monomerem MDI und größeren Molekülen. TDI (Toluylendiisocyanat) wird überwiegend als 80:20-Gemisch der 2,4- und 2,6-Isomere hergestellt und ist das wichtigste Isocyanat für Weichschaum in Möbeln und Bettwaren. TDI hat einen höheren Dampfdruck als MDI und erfordert daher eine strengere Expositionskontrolle.

Aliphatische Isocyanate

Aliphatische Isocyanate (einschließlich der cycloaliphatischen) wie HDI, IPDI und H₁₂MDI werden überwiegend in Beschichtungen eingesetzt, bei denen es auf Farbe und Transparenz ankommt, weil Polyurethane aus aromatischen Isocyanaten (MDI, TDI) im Licht zum Nachdunkeln neigen.

NCO-Gehalt

Der NCO-Gehalt ist der Anteil der NCO-Gruppen im Isocyanat in Gewichtsprozent. Je höher er ist, desto weniger Isocyanat (dem Gewicht nach) wird für dieselbe Zahl von OH-Gruppen benötigt. Jedes Isocyanatprodukt hat seinen eigenen NCO-Gehalt, der in seinem Technischen Datenblatt angegeben ist. Die Tabelle vergleicht drei gängige Typen.

4. Wie reagieren Polyol und Isocyanat miteinander?

Eine NCO-Gruppe und eine OH-Gruppe verbinden sich zu einer Urethanbindung (RNCO + R'OH → RNHCOOR'), wobei Wärme frei wird. Bei zwei Gruppen je Molekül auf jeder Seite entstehen Ketten; hat eine Seite drei oder mehr, entsteht ein räumlich vernetztes Polymer. In einem Schaum laufen zusätzlich mehrere weitere Reaktionen ab:

Gelier- und Treibreaktion müssen im Gleichgewicht bleiben; davon hängen Zellstruktur und Rohdichte stark ab. Katalysatoren (Aminkatalysatoren und Metallverbindungen) steuern die Reaktionsgeschwindigkeit; der Lieferant mischt sie normalerweise in die Polyolkomponente ein. Bei Hartschaum liefert zusätzlich ein physikalisches Treibmittel Gas.

5. Isocyanatindex und Mischungsverhältnis: Wie wird das Verhältnis festgelegt?

Der Isocyanatindex vergleicht die tatsächlich eingesetzte NCO-Menge mit der NCO-Menge, die genau mit allen reaktiven Gruppen im Gemisch reagieren würde (hauptsächlich den OH-Gruppen der Polyole und gegebenenfalls vorhandenem Wasser). Ein Index von 100 bedeutet genaues Gleichgewicht; über 100 liegt das Isocyanat im Überschuss vor, unter 100 fehlt es. PIR-Schäume (Polyisocyanurat) werden mit einem deutlich größeren Isocyanatüberschuss hergestellt als gewöhnliche PUR-Schäume; siehe PIR oder PUR bei Dämmpaneelen.

Wie wird das Mischungsverhältnis festgelegt?

Das Verhältnis von Polyolmischung zu Isocyanat ist Teil des Systems. Es ergibt sich aus den reaktiven Gruppen der beiden Komponenten und aus dem Zielindex, und der Formulierer legt es bei der Entwicklung des Systems fest. Das Verhältnis eines fertigen Systems ist daher fest vorgegeben: Es steht zusammen mit den Verarbeitungsbedingungen im Technischen Datenblatt des Systems und sollte so verwendet werden, wie dort angegeben. Bei Fragen zu Mischungsverhältnis oder Index eines bestimmten Systems hilft Ihnen die Anwendungstechnik von JiTPOL weiter.

Zu viel oder zu wenig Isocyanat

Allgemein gilt: Zu wenig Isocyanat lässt OH-Gruppen unreagiert zurück und ergibt ein weicheres Polymer mit weniger Vernetzungsstellen, zu viel erzeugt zusätzliche Vernetzungen und ein härteres, steiferes Polymer; die genaue Wirkung hängt vom System ab, daher sollte das im Technischen Datenblatt angegebene Verhältnis eingehalten werden.

6. Was sind Komponente A und Komponente B?

Industrielles Polyurethan wird meist als zwei Komponenten in getrennten Gebinden geliefert, die erst bei der Verwendung gemischt werden, zum Beispiel im Mischkopf einer Maschine oder in einer Spritzpistole. In der Türkei und in Europa ist die A-Komponente in der Regel die Polyolmischung und die B-Komponente das Isocyanat; so verwendet es auch JiTPOL. In Nordamerika sind die Buchstaben häufig vertauscht. Es handelt sich um eine Branchengewohnheit, nicht um eine Norm, und die Praxis unterscheidet sich von Unternehmen zu Unternehmen; prüfen Sie daher stets das Etikett und das Datenblatt.

Die Polyolmischung besteht überwiegend aus Polyol, hinzu kommen die vom Lieferanten vorab abgestimmten Additive: Katalysatoren, Silikontensid, Treibmittel und in manchen Systemen Flammschutzmittel und Farbmittel.

7. Wie lagert und handhabt man Polyole und Isocyanate?

Der Hauptfeind ist die Feuchtigkeit. Wasser reagiert mit Isocyanat und setzt Kohlendioxid frei; in einem geschlossenen Fass kann sich dabei so viel Druck aufbauen, dass es sich wölbt oder platzt. Deshalb werden Gebinde geschlossen und vor Feuchtigkeit geschützt aufbewahrt, und ein Gebinde, das auch nur wenig Wasser enthalten hat, darf nicht wieder befüllt werden. Auch viele Polyole sind hygroskopisch: Ein offen stehendes Polyol nimmt Wasser aus feuchter Luft auf. Dieses Wasser verbraucht später Isocyanat und setzt Kohlendioxid frei, was Rohdichte und Zellstruktur des Schaums verändert.

Lagertemperatur, Haltbarkeit und der Umgang mit den Gebinden unterscheiden sich von Produkt zu Produkt. Sie stehen im Technischen Datenblatt und im Sicherheitsdatenblatt (SDB) des jeweiligen Materials; halten Sie sich daran und an die Anweisungen Ihres Lieferanten. Allgemein gilt: in einem geschlossenen, belüfteten Raum lagern und Isocyanate getrennt von Wasser, Alkoholen, Aminen und Polyolen aufbewahren. ISOPA, der europäische Verband der Diisocyanat- und Polyolhersteller, veröffentlicht Leitlinien zur Lagerung und zum Transport von TDI und MDI. Für Hinweise zu einem bestimmten System wenden Sie sich an die Anwendungstechnik von JiTPOL.

8. Sind Isocyanate gesundheitsschädlich?

Dieser Abschnitt behandelt die flüssigen Rohstoffe; beim ausgehärteten Produkt kommt es auf den Typ an (siehe Was ist Polyurethan?). Polyole selbst gelten im Allgemeinen als wenig gefährlich, doch eine fertige Polyolmischung enthält auch Katalysatoren (einige Amine können die Haut sensibilisieren), Flammschutzmittel und Treibmittel und hat daher ihr eigenes Sicherheitsdatenblatt.

Isocyanate erfordern die größte Sorgfalt. Das Einatmen von Dampf, Nebel oder Aerosol kann Augen, Nase und Lunge reizen und eine Sensibilisierung der Atemwege (eine Allergie) auslösen, die zu Berufsasthma führen kann; wer einmal sensibilisiert ist, kann schon auf sehr niedrige Konzentrationen reagieren. Hautkontakt kann Reizungen und allergische Dermatitis verursachen und zur Sensibilisierung der Atemwege beitragen; vermeiden Sie ihn daher. MDI hat bei Raumtemperatur einen niedrigen Dampfdruck, sodass MDI in der Luft vor allem beim Erwärmen oder Versprühen ein Problem ist; bei TDI sind Schutzmaßnahmen wie eine lokale Absaugung nötig. Arbeiten Sie nur mit den Schutzmaßnahmen und der Schutzausrüstung, die im Sicherheitsdatenblatt (SDB) genannt sind.

In der EU verlangt die Verordnung (EU) 2020/1149 (REACH-Anhang XVII, Eintrag 74) von industriellen und gewerblichen Anwendern von Stoffen oder Gemischen, die 0,1 Gewichtsprozent oder mehr Diisocyanate enthalten (einzeln oder zusammen), dass sie vor der Verwendung eine Schulung absolvieren. Sie gilt seit dem 24. August 2023, und die Schulung muss mindestens alle fünf Jahre wiederholt werden. Seit Februar 2022 müssen Lieferanten auf der Verpackung die folgende Erklärung anbringen: „Ab dem 24. August 2023 muss vor der industriellen oder gewerblichen Verwendung eine angemessene Schulung erfolgen“. In der Türkei gelten KKDIK (die Verordnung über Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien, vergleichbar mit REACH) und die SEA-Verordnung über Einstufung und Kennzeichnung, und nach Artikel 27 KKDIK wird das Sicherheitsdatenblatt auf Türkisch bereitgestellt.

9. Fertiges System oder einzelne Rohstoffe? Wie ein Systemhaus hilft

Große Chemiekonzerne stellen MDI, TDI und Polyole im industriellen Maßstab her. Für einen brauchbaren Schaum braucht es dennoch die passenden Polyole, Katalysatoren, Tenside, Treibmittel und Flammschutzmittel, aufeinander abgestimmt und auf ein Isocyanat zugeschnitten. Unternehmen, die diese Arbeit übernehmen und ein fertiges Zweikomponenten-Paket liefern, heißen Systemhäuser. Verarbeiter entscheiden sich aus folgenden Gründen für fertige Systeme:

• Ein abgestimmtes Paar: Polyolmischung und Isocyanat sind vorab aufeinander abgestimmt, sodass nur ein Mischungsverhältnis und ein Index zu beachten sind.
• Weniger Chemikalien im Betrieb: Katalysatoren, Tenside, Flammschutzmittel und Treibmittel kommen vorgemischt an; Anwender handhaben sie in der Regel nicht einzeln.
• Formulierungskompetenz: Ein Paneel, ein Polster und eine Sprühanwendung brauchen jeweils eine andere Abstimmung von Reaktivität, Fließverhalten und Aushärtung.
• Unterlagen und Unterstützung: TDB, SDB und Hilfe bei Versuchen.

JiTPOL ist ein Polyurethan-Systemhaus in Bursa. Wir formulieren, entwickeln und liefern Zweikomponenten-Systeme für Hartschaum, Weichschaum, viskoelastischen Schaum, Integralschaum und Sprühanwendungen sowie Trennmittel aus eigener Herstellung und Hilfsstoffe. Schildern Sie uns Ihr Produkt und Ihr Verfahren, dann schlagen wir Ihnen eine Systemfamilie vor und senden Ihnen das TDB und das SDB. Einkäufer im Ausland können mit dem Beitrag Polyurethan-Systeme aus der Türkei beziehen beginnen.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. Wikipedia: Polyurethane
2. Wikipedia: Polyole
3. Wikipedia: Isocyanate
4. Makowska et al. (2024), Materials: umweltfreundliche Polyurethan-Hartschäume (auf Englisch)
5. Ivdre et al. (2020), Polymers: Isocyanatindex in Hartschäumen (auf Englisch)
6. Kurańska et al. (2025), Materials: Recyclingpolyole aus der Glykolyse (auf Englisch)
7. Olszewski et al. (2022), Polymers: Stöchiometrie in Weichschäumen (auf Englisch)
8. ISO 14900: Hydroxylzahl von Polyolen (auf Englisch)
9. Allport, Gilbert und Outterside (Hrsg.), MDI und TDI: Sicherheit, Gesundheit und Umwelt (Wiley, 2003), Teil 1 (auf Englisch)
10. Allport, Gilbert und Outterside (Hrsg.), MDI und TDI: Sicherheit, Gesundheit und Umwelt (Wiley, 2003), Teil 5: Wissenschaftliche Grundlagen (auf Englisch)
11. ACC / CPI: Sicherheit und Handhabung von Polyolmischungen (2022) (auf Englisch)
12. ACC / CPI: Gesundheitliche Wirkungen von Diisocyanaten (2013) (auf Englisch)
13. ACC / CPI: Sicherer Umgang mit MDI (2020) (auf Englisch)
14. Hanna Instruments: Feuchtigkeit in Polyolen (auf Englisch)
15. ISCC: Massenbilanz erklärt (auf Englisch)
16. OSHA: Überblick über Isocyanate (auf Englisch)
17. US EPA: Chemikalien in Polyurethan-Sprühschaum (auf Englisch)
18. ISOPA: Logistik und Product Stewardship für MDI und TDI (auf Englisch)
19. Verordnung (EU) 2020/1149 der Kommission (Diisocyanate, REACH-Anhang XVII), Amtsblatt L 252 vom 4.8.2020
20. KKDIK-Verordnung, Artikel 27 (auf Türkisch; Amtsblatt vom 23.6.2017, Nr. 30105, wiederholte Ausgabe)