Herstellung von Polyurethanschaum

Geräte

• Holzstab
• Joghurtbecher (beziehungsweise irgendein Becher, der entbehrlich ist)
• Papierunterlage (zum Beispiel eine alte Zeitung)

Chemikalien

• Desmophen® (z.B. ein Polyol + Wasser) / Aktivator-Gemisch
• Desmodur® (z.B. ein Polyisocyanat aus dem Monomer 1,6-Hexamethylendiisocyanat)

Durchführung

In einen großen Becher gibt man etwa 1cm hoch Desmophen® / Aktivator-Gemisch, dann etwa 1cm hoch Desmodur®. Die Mischung wird mit einem Holzstab gerührt, bis die Reaktion einsetzt.

Beobachtung

(Anmerkung: Die schon vor unserem Experiment vorhandene Aufschrift „Polyester“ ist in diesem Fall schlichtweg falsch, da das Produkt ein Polyurethan ist.)

Beim Zusammengeben ohne Umrühren findet keine Reaktion statt. Fängt man aber an umzurühren, so bilden sich hinter dem Holzstab Schlieren ähnlich einer Spur. Nach etwa zehn Sekunden entsteht der Schaum (vgl. Bild). Weiterhin findet eine Wärmeentwicklung statt, bis der Schaum aushärtet.

Deutung

Allgemein wird hier ein Polyurethan durch Polyaddition gebildet. Eine Polyaddition beschreibt die Reaktion von Monomeren, welche mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen, unter der Übertragung von Protonen zu Polymeren, in diesem Fall Polyurethanen. Man erhält Polyurethane durch die Polyaddition von Polyisocyanaten und Polyolen (Polyalkohole), wobei im Folgenden zur übersichtlichen Darstellung von einem Diol und einem Diisocyanat ausgegangen wird.

Aufgrund der Eigenschaften, die unser erhaltener Schaum hatte (z.B. Festigkeit und Härte), propagieren wir, dass die Monomere zum einen ein Polyol und ein Polyisocyanat aus dem Monomer 1,6-Hexamethylendiisocyanat waren. Für diese Vermutung spricht auch, dass der Marktführer in der Polyurethanherstellung Covestro einen Stoff namens HDI, beziehungsweise 1,6-Hexamethylendiisocyanat, zur Produktreihe von Desmodur® zählt^[1]. Die Desmophen® Produktreihe umfasst beispielsweise Polyether, also Polymere aus Polyolen^[2].Bei der Reaktion lagert sich anfangs eine Hydroxylgruppe des Alkohols an das Kohlenstoffatom der Isocyanatgruppe an. Dabei wird jeweils ein Proton von dem Diol zu dem Diisocyanat übertragen.  Wie man in dem Reaktionsschema erkennen kann, können unterschiedliche Monomere (Man achte auf die Kennzahlen a und b) eingesetzt werden. Folglich können die Produkte unterschiedliche Eigenschaften besitzen, das heißt Hart- oder Weichkunststoffe sein.

Nun wie entsteht dieser eben erwähnte Schaum eigentlich? Früher verwendete man Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die heute aber aus ökologischen Gründen verboten sind, da sie erwiesenermaßen in einer Radikalkettenreaktion die Ozonschicht zerstören. Eine mögliche und in diesem Versuch verwendete Alternative zu den Fluorchlorkohlenwasserstoffen ist die Nutzung von Kohlenstoffdioxid als Treibgas. Da das Aktivator-Gemisch (Desmophen) ein Gemisch aus dem Polyol und Wasser ist, kann dieser Wasseranteil mit dem Diisocyanat unter Abgabe von Kohlenstoffdioxid reagieren. Hierbei kommt es erst zur Bildung einer Carbamidsäure, welche in ein Amin und CO₂ zerfällt (siehe Reaktionsschema). Das in diesem exothermen Vorgang gebildete Gas schäumt/ bläht dann das Polyurethan auf. Die exotherme Reaktion sorgt in Kombination mit der durch die Ausbreitung entstandenen Reibung für die beobachtete Hitzeentwicklung.

Das gebildete Amin kann mit einem Isosyanat-Molekül eine Harnstoffbindung ausbauen. Der Kettenbau endet somit nicht.

Elrond, Polyharnstoff, CC BY-SA 4.0

Aufgrund der von uns festgestellten Härte des entstandenen Schaums schließen wir auf ein Duroplast (gekennzeichnet durch eine engmaschige Struktur), wobei dies für ein Polyol mit über zwei Hydroxylgruppen als Ausgangsstoff spricht. Ein solcher Schaum könnte beispielsweise im Bauwesen Verwendung finden, wobei durch die Weiterentwicklung der Schäume ständig neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen werden. So wird beispielsweise an der Selbstreparatur von Polyurethanschäumen geforscht.^[3]

^[1] https://www.coatings.covestro.com/de/Products/Desmodur

^[2] https://www.coatings.covestro.com/de/Products/Desmophen

^[3] Katharina Oelker: Hybridpartikel, verzweigte Amphiphile und Ionomere für die Selbstreparatur in Polyurethan und Polyurethanschaum (Dissertation aus dem Jahr 2015, verfügbar unter: https://d-nb.info/116859068X/34)