Was ist Polyurethan?

Polyurethan (PU) ist eine Familie von Kunststoffen (Polymeren), die entsteht, wenn zwei flüssige Komponenten, ein Polyol und ein Isocyanat, miteinander reagieren. Durch Art und Mengenverhältnis der Komponenten ergibt dieselbe Chemie einen weichen Polsterschaum, einen harten Dämmschaum, eine flexible Beschichtung oder ein zähes Formteil. Deshalb stammen ein Matratzenschaum, ein Kühlhauspaneel und die Isolierung eines Kühlschranks aus derselben Werkstofffamilie.

1. Wie Polyurethan entsteht

Polyurethan entsteht aus zwei Hauptrohstoffen: einem Polyol und einem Isocyanat. Ein Polyol ist ein Molekül mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen (OH). Das Isocyanat, meist MDI oder TDI, trägt zwei oder mehr reaktive NCO-Gruppen. Werden beide gemischt, beginnt eine Reaktion, bei der Wärme frei wird und Urethanbindungen entstehen, die die Moleküle miteinander verknüpfen. Nach dieser Bindung ist das Polymer benannt.

Ein Zweikomponenten-System: Komponente A und Komponente B

In der Industrie wird Polyurethan meist als Zweikomponenten-System geliefert. In Europa und in der Türkei ist die A-Komponente in der Regel die fertig formulierte Polyolmischung mit Katalysatoren, Tensiden, Treibmitteln und weiteren Additiven, die B-Komponente das auf diese Mischung abgestimmte Isocyanat. In Nordamerika werden die Buchstaben häufig umgekehrt verwendet; richten Sie sich deshalb stets nach den Etiketten auf den Fässern und nach den Datenblättern. Eine Dosiermaschine mischt beide im festgelegten Mischungsverhältnis und fördert das Gemisch in eine Form, auf eine Paneellinie oder direkt auf die zu dämmende Fläche.

Wie der Schaum entsteht

Bei der Herstellung eines Schaums laufen zwei Reaktionen gleichzeitig ab. In der Gelierreaktion bauen Polyol und Isocyanat das Polymernetzwerk auf. In der Treibreaktion reagiert das Isocyanat mit Wasser und setzt Kohlendioxid frei. Dieses Gas verwandelt das flüssige Gemisch zusammen mit einem gegebenenfalls im System enthaltenen physikalischen Treibmittel (zum Beispiel Pentan oder HFO) in einen Schaum. Das Gleichgewicht zwischen den beiden Reaktionen bestimmt Zellstruktur und Rohdichte des Schaums. Das bei der Treibreaktion entstehende Amin reagiert mit weiterem Isocyanat zu Harnstoffbindungen, sodass die meisten Schäume neben den Urethangruppen auch einige Harnstoffgruppen enthalten.

Warum dieselbe Chemie so viele Produkte ergibt

Lange, flexible Polyolketten ergeben weiche Produkte, die in ihre Form zurückfedern. Kurze, stark verzweigte Polyole bilden eine eng vernetzte, starre Struktur. Schon kleine Änderungen an der Formulierung verändern unmittelbar Rohdichte, Härte, Dämmwert und Aushärtezeit. Deshalb spricht man bei Polyurethan von einem auf die jeweilige Anwendung abgestimmten System und nicht von einem einzelnen Produkt. Unser Beitrag Polyol und Isocyanat erklärt die beiden Rohstoffe ausführlicher.

Ein kurzer Blick in die Geschichte

Polyurethan wurde 1937 von Otto Bayer und seinen Mitarbeitern bei der IG Farben in Leverkusen erstmals hergestellt. Im Zweiten Weltkrieg wurde es in kleinem Umfang eingesetzt, zum Beispiel als Flugzeugbeschichtung; Hartschäume, Elastomere, Klebstoffe und Weichschäume fanden in den 1950er-Jahren breitere Verwendung. Heute zählt es zu den bedeutenden Kunststoffen: Die weltweite Produktion lag 2019 bei rund 25 Millionen Tonnen, etwa 6 % aller Polymere.

2. Arten von Polyurethan

Im Alltag meint „Polyurethan“ meist entweder einen Polsterschaum oder einen Dämmschaum. Dieselbe Chemie umfasst jedoch sehr unterschiedliche Produktgruppen:

Polyurethan-Weichschaum (Polsterschaum)

Ein offenzelliger, weicher Schaum, der nach dem Zusammendrücken zurückfedert und in Möbeln, Matratzen und Autositzen eingesetzt wird. Er wird entweder in großen Blöcken (Blockschaum) geschäumt und zugeschnitten oder in einer Form hergestellt. Je nach Anwendung liegt seine Rohdichte bei etwa 10 bis 300 kg/m³.

Weichschaum wird mit Polyether- oder Polyesterpolyolen hergestellt. Im Allgemeinen sind Polyethertypen beständiger gegen Wasser, Polyestertypen beständiger gegen Lösemittel und Abrieb. Die Rohdichte, in der Schaumstoffbranche auch Raumgewicht genannt, ist die Masse des Schaums je Kubikmeter (kg/m³). Für sich allein sagt sie nichts darüber aus, wie fest sich der Schaum anfühlt, denn die Härte wird gesondert gemessen (zum Beispiel als Eindruckhärte nach ISO 2439); deshalb können sich zwei Schäume gleicher Rohdichte unterschiedlich anfühlen.

Viskoelastischer Schaum (Memory-Schaum)

Ein Weichschaum, der nach dem Eindrücken nur langsam in seine Ausgangsform zurückkehrt. Weil er sich der Körperform anpasst, wird er in Matratzen, Kissen und medizinischen Polstern eingesetzt.

Polyurethan-Hartschaum: PUR und PIR

Ein überwiegend geschlossenzelliger, leichter Schaum mit hohem Dämmwert. Er wird in Sandwichelementen, Kühlhauspaneelen, Kühlschränken, Kühlkoffern und Warmwasserspeichern eingesetzt. PIR (Polyisocyanurat) ist ein Hartschaum, der mit zusätzlichem Isocyanat hergestellt wird. Dabei entstehen Ringstrukturen, und der Schaum ist bei Wärmeeinwirkung stabiler. Beide unterscheiden sich im Mengenverhältnis von Isocyanat zu Polyol (dem Index): PUR wird bei einem Index nahe 100 hergestellt, PIR bei einem deutlich höheren, typischerweise über 180. Aus dem Namen allein lässt sich keine Brandklasse ableiten; sie ergibt sich aus dem Klassifizierungsbericht des Produkts. Unser Beitrag PIR oder PUR bei Dämmpaneelen vergleicht beide.

PU-Sprühschaum (Spritzschaum, Ortschaum)

Die beiden Komponenten werden vor Ort mit einer Spezialmaschine aufgesprüht, und der Schaum steigt innerhalb von Sekunden auf. Auf Dächern, Fassaden und Lagergebäuden bildet er eine durchgehende Dämmschicht mit wenigen oder gar keinen Fugen.

Integralschaum

Ein System, das in einem einzigen Gießvorgang in der Form eine dichte Außenhaut und einen leichteren Schaumkern bildet. Es wird für Lenkräder, Armlehnen, Möbelteile und Dekorprodukte eingesetzt.

Elastomere, Beschichtungen und Klebstoffe

Polyurethan wird auch in Formen verwendet, die keine Schäume sind: verschleißfeste Elastomerteile wie Räder und Rollen, Boden- und Oberflächenbeschichtungen, Klebstoffe und Dichtstoffe. Auch thermoplastisches Polyurethan (TPU), das sich durch Wärme umformen lässt, gehört zur selben Familie.

Polyurethan und Polyurea: der Unterschied

Polyurethan entsteht, wenn ein Isocyanat mit einem Polyol reagiert; Polyurea entsteht, wenn ein Isocyanat mit einem Amin reagiert. Polyurea härtet sehr schnell aus und wird meist mit heißen Hochdruck-Sprühmaschinen für Abdichtungen und Schutzbeschichtungen aufgetragen. Es gibt auch Hybridsysteme, die beides verbinden. Im Beitrag Sprühschaum oder Polyurea? steht, wie Verarbeiter sich entscheiden.

Ist der Schaum aus der Dose auch Polyurethan?

Ja. Die meisten im Baumarkt verkauften Schaumdosen enthalten Einkomponenten-Polyurethanschaum (Bauschaum, Montageschaum), der mit der Luftfeuchtigkeit aushärtet. Er unterscheidet sich von den Zweikomponenten-Systemen, mit denen die Industrie Paneele, Polsterschäume und Formteile herstellt. Nicht ausgehärteter Dosenschaum enthält reaktives Isocyanat: Tragen Sie daher Handschuhe und Augenschutz, lüften Sie den Raum und beachten Sie die Warnhinweise auf der Dose.

3. Die wichtigsten Eigenschaften

Die Eigenschaften von Polyurethan hängen von Typ, Rohdichte und Formulierung ab. Deshalb gilt jeder der folgenden Punkte für die jeweils genannte Produktgruppe:

• Wärmedämmung: Geschlossenzelliger Polyurethan-Hartschaum gehört zu den gängigen Dämmstoffen mit der niedrigsten Wärmeleitfähigkeit. PU Europe, der Verband der europäischen Polyurethan-Dämmstoffindustrie (PUR/PIR), gibt an, dass kaschierter Polyurethan-Hartschaum je nach Deckschichten und Dicke eine Wärmeleitfähigkeit (λ) von nur 0,022 bis 0,028 W/mK erreichen kann. Je niedriger λ ist, desto weniger Wärme geht hindurch, sodass dieselbe Dämmwirkung eine dünnere Schicht erfordert. Das ist eine Spanne für die Branche, nicht der deklarierte Wert eines einzelnen Produkts.
• Geringes Gewicht und Festigkeit: Nach Angaben von PU Europe besteht Polyurethan-Hartschaum zu rund 97 % seines Volumens aus eingeschlossenem Gas, weshalb er so leicht ist. Seine mechanische Festigkeit steigt mit der Rohdichte. In einem Sandwichelement verbindet er sich fest mit den Metalldeckschichten und bildet den Kern, der das Element zusammenhält.
• Wasser und Feuchtigkeit: Geschlossenzelliger Hartschaum nimmt fast kein Wasser auf, offenzelliger Weichschaum saugt es dagegen auf. Die Wasserdampfdurchlässigkeit unterscheidet sich von Produkt zu Produkt; prüfen Sie daher den Wert im Technischen Datenblatt.
• Hitze und Sonnenlicht: Die Hitzebeständigkeit hängt vom Produkt ab, sodass kein einzelner Wert für alle Polyurethane gilt. Polyurethane auf Basis aromatischer Isocyanate vergilben im Sonnenlicht und sollten nicht ungeschützt der Sonne ausgesetzt bleiben; Beschichtungen, die ihre Farbe behalten müssen, verwenden aliphatische Systeme.
• Lebensdauer: PU Europe gibt für Polyurethan-Hartschaum eine Nutzungsdauer von 50 Jahren und mehr an, ISOPA nennt für Gebäudedämmung mehr als 50 Jahre. Das sind Branchenaussagen, keine Garantie für ein einzelnes Produkt.

4. Wofür wird Polyurethan verwendet?

Kurz gesagt: Polyurethan dämmt Gebäude, Kühlräume und Kühlschränke, polstert Möbel, Matratzen und Autositze und kommt in Beschichtungen, Klebstoffen und vielen Formteilen zum Einsatz.

Bei Formteilen hilft ein Trennmittel dabei, dass sich das Teil sauber entformen lässt. JiTPOL liefert Systeme für Dämmung, Polsterschaum, Integralschaum und Sprühanwendungen: siehe unsere Hartschaumsysteme, Weichschaumsysteme, viskoelastischen Systeme, Integralschaumsysteme und Sprühsysteme.

5. Ist Polyurethan gesundheitsschädlich?

Die Antwort hängt davon ab, ob vom fertigen Produkt oder von den Rohstoffen die Rede ist.

Das ausgehärtete, fertige Produkt

Laut dem Materialinformationsblatt von EUROPUR, dem europäischen Verband der Hersteller von Polyurethan-Weichblockschaum, gilt ausgehärteter Polyurethan-Weichschaum als Erzeugnis und nicht als gefährlicher Stoff, und bei normaler Verwendung sind keine Auswirkungen auf Haut oder Atemwege bekannt. Gegen den Staub, der beim Schneiden oder Schleifen des Schaums entsteht, sollte dennoch ein geeigneter Schutz verwendet werden, beim Umgang mit frisch hergestelltem Schaum zudem Handschuhe. Diese Aussage bezieht sich auf Weichschaum; für Hartschaum, Sprühschaum und andere Polyurethan-Produkte prüfen Sie bitte die Datenblätter des jeweiligen Produkts.

Rohstoffe und die Beschäftigten, die sie verarbeiten

Isocyanate als Rohstoff können allergische Sensibilisierungen der Haut und der Atemwege auslösen. Sie sollten von geschulten Personen, in gut belüfteten Bereichen und mit geeigneter persönlicher Schutzausrüstung gehandhabt werden. In der Europäischen Union verlangt die Verordnung (EU) 2020/1149 von industriellen und gewerblichen Anwendern von Produkten mit 0,1 Gewichtsprozent oder mehr Diisocyanaten, vor der Verwendung eine Schulung zu absolvieren; dies gilt seit dem 24. August 2023, und die Schulung muss mindestens alle fünf Jahre erneuert werden. Lesen Sie stets das Sicherheitsdatenblatt (SDB) des jeweiligen Produkts.

Verbrennen

Beim Verbrennen von Polyurethan entstehen dichter Rauch und giftige Gase; Polyurethanabfälle sollten daher niemals im Freien verbrannt werden.

6. Brennt Polyurethan?

Ja, Polyurethan ist ein brennbarer Werkstoff. Wie es sich im Brandfall verhält, hängt vom Produkttyp, von seiner Rohdichte, davon, ob es Flammschutzmittel enthält, und davon ab, wie es in das Paneel oder die Wand eingebaut ist. In Europa wird die Klasse des Brandverhaltens eines Bauprodukts durch Prüfungen ermittelt und nach EN 13501-1 klassifiziert; sie ist im Klassifizierungsbericht und in der Leistungserklärung des Produkts angegeben. Verlassen Sie sich auf diese Dokumente und nicht auf pauschale Formulierungen wie „feuerfestes Polyurethan“. Begriffe wie „flammgeschützt“ beziehen sich oft nur auf Zündprüfungen im kleinen Maßstab und beschreiben nicht die Gefahr bei einem Großbrand.

7. Polyurethan und andere Dämmstoffe

Im Vergleich mit EPS (expandiertes Polystyrol, im Alltag oft „Styropor“ genannt), XPS und Steinwolle besteht der deutlichste Unterschied von Polyurethan-Hartschaum darin, dass seine niedrige Wärmeleitfähigkeit dieselbe Dämmwirkung mit einer dünneren Schicht erreicht. Wo Dicke und Gewicht eine Rolle spielen, etwa bei Paneelen und Kühlräumen, gibt dieser Unterschied den Ausschlag. Steinwolle dagegen wird in der Regel als nichtbrennbar eingestuft (Euroklasse A1 oder A2; prüfen Sie die Leistungserklärung des Produkts) und kann dort bevorzugt werden, wo die Brandklasse an erster Stelle steht. Die richtige Wahl hängt vom erforderlichen Dämmwert, von der Dicke, den Feuchtebedingungen, den Brandschutzanforderungen und dem Budget ab; vergleichen Sie jeden Werkstoff anhand seines eigenen deklarierten λ-Wertes.

8. Umwelt und Recycling

Das meiste Polyurethan ist ein Duroplast: Wegen seiner vernetzten Struktur lässt es sich nicht aufschmelzen und neu formen (thermoplastisches Polyurethan, TPU, ist die Ausnahme). Deshalb ist es schwieriger zu recyceln als Thermoplaste, aber es lässt sich recyceln. Weichschaumabschnitte werden zerkleinert und wieder verklebt (Verbundschaum, auch Rebond genannt) und zu Produkten wie Teppichunterlagen verarbeitet. Chemische Verfahren wie die Glykolyse spalten den Schaum in ein polyolreiches Produkt, das neues Polyol teilweise ersetzen kann. Abfälle, die sich nicht recyceln lassen, können in einer kontrollierten Verbrennung mit gefilterten Abgasen energetisch verwertet werden; das Verbrennen im Freien kommt niemals infrage. Laut ISOPA bleiben die Recyclingquoten wegen begrenzter Anlagen und hoher Kosten niedrig. Bei Dämmschäumen wurden die Treibmittel, die die Ozonschicht schädigten, schrittweise aus dem Verkehr gezogen: zuerst FCKW (CFC), dann HFCKW (HCFC). In Europa wurden sie überwiegend durch Pentan ersetzt, und einige Systeme verwenden Treibmittel vom Typ HFO. Einzelheiten finden Sie in unserem Beitrag Polyurethan-Recycling: mechanisch und chemisch.

9. So wählen Sie das richtige System

Welches Polyurethan geeignet ist, hängt vom Produkt ab, das Sie herstellen, und von Ihrem Verfahren. Diese Fragen führen zum richtigen System:

• Was ist das Produkt, und was braucht es: Dämmung, Härte, Komfort oder Festigkeit?
• Wie wird produziert: kontinuierliche Paneellinie, Gießen in die Form, Blockschäumung, Injektion oder Sprühen?
• Welche Rohdichte und welche Aushärtezeit werden benötigt?
• An welchen Oberflächen muss der Schaum haften, und unter welchen Bedingungen wird er hergestellt?
• Welche Brandklasse, welche Prüfung oder welches Zertifikat ist erforderlich?

Unternehmen, die zur Beantwortung dieser Fragen fertig formulierte Zweikomponenten-Systeme entwickeln, heißen PU-Systemhäuser. JiTPOL ist ein Polyurethan-Systemhaus in Bursa, das solche Systeme entwickelt und liefert. Gern unterstützen wir Sie bei der Systemauswahl und senden Ihnen das benötigte Technische Datenblatt (TDB) und Sicherheitsdatenblatt (SDB).

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. ISOPA: Was ist Polyurethan? (auf Englisch)
2. ISOPA: Häufige Fragen zu Polyurethan (auf Englisch)
3. PU Europe: Polyurethan-Dämmstoffe (auf Englisch)
4. EUROPUR: Materialinformationsblatt Polyurethan-Weichschaum
5. ISOPA-Faktenblatt: Verbundschaum aus Weichschaum (auf Englisch)
6. Wikipedia: Polyurethane
7. OSHA: Gefahren durch Isocyanate (auf Englisch)
8. Verordnung (EU) 2020/1149 der Kommission (Diisocyanate, REACH-Anhang XVII)