Nachlese PUR-Forum 2015 im KuZ: Gezielte Additivierung von Polyurethanen

Am 6. Mai 2015 fand das diesjährige PUR-Forum zum Thema „Gezielte Additivierung vonPolyurethanen“ im Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KuZ) statt.

Der Additivierung von Polyurethanen (PUR) kommt in der Verarbeitung und im Gebrauch eine wesentliche Bedeutung zu, entscheiden die Additive doch über die Verarbeitungsbedingungen wie z. B.

• Reaktionszeiten (Aktivatoren),
• Verträglichkeiten (Stabilisatoren),
• Trennmittelapplikation (Trennmittel),
• Maschinentechnik (Treibmittel),
• die Viskosität der Ausgangskomponenten,
• des Reaktionsgemisches durch den Zusatz von Füll- und/oder Farbstoffen bzw. Flammschutz-mitteln, usw.

 

PUR-Forum-2015_KUZReferenten: hinten v. l. n. r.: Matthias Sikorski, Roger van Maris,
Dr. Axel Böhme. Dr. Ulrich Fehrenbacher
vorne v. l.: Dr. Mike Hildebrand, Dr. Holger Klyszcz-Nasko, Claus-Peter Keller, Markus Schubert

 

Darüber hinaus werden auch die Gebrauchseigenschaften in der Anwendung von den zugesetzten Additiven wesentlich beeinflusst. So können Additive ausgeschwitzt werden und damit Beiträge zum VOC liefern (Aktivatoren). Durch Flammschutzmittel können die verschiedenen Flammschutzanforderungen angepasst werden. Treibmittel bestimmen im Wesentlichen als Zellgas im Fertigteil die Isoliereigenschaften. Farbe kann u. a. Anforderungen an das Design erfüllen helfen. Hierbei können verschiedene Produkte oder Produktgruppen Verwendung finden. Viele sind bereits langjährig im Einsatz, allerdings obliegen einige von ihnen durch die schärfer werdenden gesetzlichen Vorgaben Restriktionen. Mit diesen Bemerkungen eröffnete Dr. Axel Böhme (KuZ) das PUR-Forum 2015. Damit leitete der Vortrag zu den anschließenden Themen über, in denen verschiedene Additive vorgestellt und diskutiert wurden.

Den Anfang machte Dr. Ulrich Fehrenbacher von der Rühl Puromer GmbH, die sich bereits seit vielen Jahren mit der Entwicklung maßgeschneiderter PUR-Systeme nach Kundenwünschen beschäftigt. Im Fokus des Vortrags „Faserverbundtechnik auf der Basis von Polyurethanen“ standen die verschiedenen Techniken zur Herstellung von Faserverbundmaterialien, wie
• Fasermattenverarbeitung (SRIM),
• Verstärkung mit Kurzfasern (RRIM),
• Langglasfaserverarbeitung (LFI) und
• RTM.
Die einzelnen Verarbeitungstechniken wurden anhand von Anwendungen aus der Automobilindustrie anschaulich erläutert.

Dr. Mike Hildebrand (ICL-IP Bitterfeld GmbH) gab in seinem Vortrag einen Einblick in aktuelle Trends bei Flammschutzmitteln in Europa und den USA und stellte Konzepte zur Entwicklung moderner Flammschutzmittel anhand von neuen Produkten der ICL vor. Bei dem vorgestellten Fyrol HF-10 handelt es sich um ein halogenfreies Flammschutzmittel auf Organophosphat-Basis, das den Anforderungen eines effektiven Flammschutzmittels als Alternative zu denen am meisten in Polyurethanschaum eingesetzten Flammschutzmitteln Tris-(1,3-dichlorisopropyl)phosphat (TDCP) und Tris-(2-chlorisopropyl)phosphat (TCPP) entspricht. Fyrol HF-10 erfüllt die Kriterien nach Cal TB 117, MVSS-302 und BS5852.

Claus-Peter Keller (Chemours Deutschland GmbH) bezog sich in seinem Vortrag auf die neue F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 517/2014, die auf eine Reduzierung des Treibhauspotentials dieser Stoffgruppe abzielt und eine stufenweise Reduzierung bzw. Verbote des Einsatzes der HFKWs festlegt. Welche Auswirkungen aus der F-Gas Verordnung für die PUR-Verarbeitung resultieren können, wurde anschaulich im Vortrag erläutert. Der Vortrag stellte das HFO Formacel 1100 als nachhaltige Alternative zu den HFKWs dar und zeigte darüber hinaus wie die Isolationseigenschaften von PUR-Hartschäumen mit Blends aus Formacel 1100 und Pentan bzw. CO2 verbessert werden können. Anhand von Laboruntersuchungen wurde auf Wechselwirkungen mit Additiven und daraus resultierenden Möglichkeiten zur Rezepturoptimierung eingegangen. Die Ergebnisse eines Feldversuchs zeigten die Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz beim Einsatz in Kühlschränken. Exemplarisch wurde die Kompatibilität des Formacel 1100 in Kombination mit Amin-Katalysatoren gezeigt.

Roger van Maris (TOSOH Europe BV) stellte in seinem Vortrag den Teilnehmern den neuen Weichschaum-Katalysator RZETA vor. Dieser Katalysator verfügt über eine reaktive Hydroxylgruppe im Molekül und kann damit in die Struktur eingebaut werden. Auf Grund der chemischen Struktur des Katalysatormoleküls ergeben sich folgende Vorteile:

• hohe katalytische Aktivität,
• keine Aminemission,
• weniger Aldehydemission,
• geringer Geruch und kein Amingeruch sowie
• ausgezeichnete Lebensdauer des Schaums.

Diese Eigenschaftsvorteile wurden anhand von Beispielen vorgestellt und diskutiert. Damit können die Effekte bei Verwendung von nicht reaktiven Aminen wie Geruch, VOC oder der Angriff von PVC minimiert werden.

Warum Schaumstabilisatoren eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Polyurethanschäumen spielen, veranschaulichte Matthias Sikorski (Schill & Seilacher „Struktol“ GmbH) in seinem Vortrag „Schaumstabilisatoren – Aufbau, Wirkungsweise, Auswahl“ sehr anschaulich. Sie sind maßgeblich nicht nur an der Stabilisierung, sondern auch an der Kontrolle der Zellstruktur und der Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Hart- und Weichschaum-Systemen beteiligt. Die Struktur der Stabilisatoren beeinflusst maßgeblich das Verhältnis von Emulgierung, Nukleierung und Stabilisierung. Entscheidend für die Auswahl des Stabilisators ist das Anforderungsprofil des Systems. Weichschäume bedürfen zum Beispiel einer deutlich höheren Stabilisierung als Hartschäume, da die Polyurethanmatrix während der Expansion noch deutlich fragiler ist als bei den tendenziell schneller aushärtenden Hartschäumen. Für Hartschäume ist dafür häufig eine bessere Emulgierung erforderlich, da die hydrophoben Treibmittel und das hochviskose MDI sich häufig sehr schlecht mit den Polyester- oder Polyetherpolyolen mischen lassen. Bei Schäumen, bei denen nur geringe Mischenergien auftreten oder die eine besonders feine Zellstruktur erfordern, ist eine sehr gute Nukleierung erforderlich. Die Anforderungen an den Schaum, wie z. B. hohe Fließfähigkeit, gute Isolationseigenschaften, Darstellung extremer Dichtebereiche und sehr gute Feinzelligkeit, können in der Zusammenarbeit von Formulieren und Stabilisatorhersteller in ein Anforderungsprofil an den Stabilisator übersetzt werden. Daraus lässt sich dann die passende Struktur erarbeiten.
 
Im Vortrag von Markus Schubert (ISL Chemie GmbH  Co. KG) wurden die Möglichkeiten aufgezeigt, durch Einfärbung und Lackierung auf die Eigenschaften der Oberfläche Einfluss zu nehmen. Oberflächeneigenschaften sind in diesem Zusammenhang zum Beispiel die Haptik und bezüglich der Optik Farbton, Glanz und Verlauf. Anhand von Versuchsergebnissen wurde beleuchtet, wie durch die Einfärbung und Additivierung Licht-, Bewitterungs- und allgemeine Beständigkeit sowie Abrieb verbessert werden können.

Dass der Verzicht auf Trennmittel in der PUR-verarbeitenden Industrie ein lang ersehnter Traum ist, darauf verwies Dr. Holger Klyszcz-Nasko (ACMOS Chemie KG) in seinem Vortrag über interne Trennmittel. Deren Verwendung ist bei der Verarbeitung anderer Kunststoffarten wie den Thermoplasten oder dem Gummi weit verbreitet und erleichtert damit den Produktionsprozess, insbesondere bei hohen Automatisierungsgraden. Im Gegensatz zu anderen Polymeren sind die Ausgangsstoffe des Polyurethans, vor allem die Polyole, sehr polare Stoffe, die hervorragend auf metallische Oberflächen aufziehen. Gleiches gilt für das Isocyanat, das aufgrund seiner möglichen Reaktionen und chemischen Eigenschaften eine hohe Affinität zu metallischen Oberflächen aufweist. Neueste Untersuchungen am IKV in Aachen zeigten z. B. in Modellsystemen einen starken Zusammenhang zwischen Trennwirkung, Katalyse und der Chemie der Oberflächen. Als Entformungshilfen geeignet sind viele chemische Substanzklassen, die uns mit den neuen Untersuchungen zu dem Schluss kommen lassen, dass kein universelles internes Trennmittel existiert. Vielmehr muss das interne Trennmittel dem System aus PUR, Formenmaterial, Temperatur, Füllstoffen und Oberflächeneigenschaften angepasst werden.

„Verfahrenstechnische Lösungen zur Verarbeitung von Füllstoffen“ stellte Dr. Axel Böhme in seinem Vortrag vor. Füllstoffe in PUR können gezielt Eigenschaften modifizieren und verbessern. Immer neue Füll- und Verstärkungsstoffe natürlichen Ursprungs oder aus dem Recyclingprozess kommen auf den Markt und lassen Eigenschaftsverbesserungen, häufig gekoppelt mit Kosten­einsparungen, erwarten.
Einschränkend für den Einsatz der verschiedenen Füllstoffe ist es häufig, dass Schwierigkeiten bei der Verarbeitung auftreten, die den Verarbeitungsprozess limitieren und/oder die Wirkungsweise der Füllstoffe einschränken. Die wesentlichen Parameter der Füllstoffverarbeitung in PUR sind:

• die maximal möglichen Feststoffgehalte,
• die Dispergierung der Füllstoffe in den Ausgangsprodukten (üblicherweise Polyol),
• die Viskositäten der füllstoffhaltigen Ausgangsprodukte und des Reaktionsgemisches,
• die Fließfähigkeit des Reaktionsgemisches,
• die Verteilung  der Füllstoffe im Werkstoffverbund,
• die Vermischung der Komponenten und
• eine mögliche Schädigung der Füllstoffe infolge des Verarbeitungsprozesses.

Daraus ergeben sich in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Füllstoff spezifische technologische Probleme und Herausforderungen zur Erreichung homogener Werkstoffverbunde mit gezielt eingestelltem Eigenschaftsniveau. Es wurden Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Prozesstechniken im Nieder- und Hochdruckverfahren sowie in der Gieß- und Sprühverarbeitung diskutiert.

Im Anschluss an die Vorträge konnten die Teilnehmer sich über die Möglichkeiten der PUR-Verarbeitung im Technikum des KuZ informieren.

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