Isocyanate
Klassische Isocyanat verarbeitende Industrien sind die Kunststoffbranche, die Automobilindustrie, die Bau- und Baustoffindustrie, die Textil- und Schuhindustrie die Möbelindustrie (Polsterschäume) und die Lackindustrie.
Isocyanate spielen eine wichtige Rolle als Härterkomponenten bei der Herstellung von 2K-Polyurethanen. Dabei kommen je nach Verwendung Stoffe mit zwei, drei oder mehr funktionellen Isocyanatgruppen zum Einsatz. Diese Kunststoffe zeichnen sich durch Zähigkeit, Flexibilität und Festigkeit aus und finden Anwendung in Dichtstoffen, Gießharzen, Schaumstoffen und anderen Produkten.
Es gibt zwei Haupttypen von Isocyanaten:
- Aromatische Isocyanate: Diese reagieren schneller mit der Polyol-Komponente und führen zu Materialien mit besseren mechanischen Eigenschaften. Allerdings neigen sie zur Vergilbung.
- Aliphatische und cycloaliphatische Isocyanate: Diese werden häufig für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Licht- und Wetterbeständigkeit sowie Transparenz verwendet, z. B. bei Beschichtungsmaterialien im Außenbereich.
Zusätzlich kommen sogenannte Prepolymere als Härter zum Einsatz. Diese entstehen durch die Reaktion von Isocyanaten mit Polyolen im Unterschuss, wodurch Isocyanate mit erhöhter Molmasse, höherer Viskosität, geringerem Isocyanat-Gehalt und niedrigerem Dampfdruck entstehen.
Industriell hergestellte Isocyanate unterliegen der EU-Verordnung 2020/1149. Diese fordert, dass ab einem Gehalt von über 0,1% an Diisocyanaten, für Mitarbeiter, die mit solchen Substanzen umgehen, eine geeignete Schulung erfolgen muss. Eine Ausnahme hiervon bilden gereinigte, oligomere Hexamethylendiisocyanate (HDI Isocyanurate mit einem Diisocyanatgehalt von unter 0,1%), für die keine spezielle Schulungspflicht besteht.
Eine Auswahl von vielfältig einsetzbaren Basis-Isocyanaten und speziellen Typen steht Ihnen in unserem Produktportfolio zur Verfügung.
Weitere Informationen stellen wir Ihnen auf Anfrage gern zur Verfügung.
Außerdem finden Sie einige Auskünfte in folgendem Artikel auf unserer Website: Training zur Verwendung von Diisocyanaten.
Abb. 2: aliphatische Isocyanate
Isocyanate in der Industrie: TDI und MDI
Die industrielle Verwendung von Isocyanaten ist weit verbreitet, wobei Toluoldiisocyanat (TDI) für elastische Systeme und Methyldiphenyldiisocyanat (MDI) für härtere Systeme bevorzugt werden. Diese aromatischen Isocyanate bieten Vorteile wie erhöhte Reaktivität im Vergleich zu aliphatischen Isocyanaten und eine technisch leichtere Zugänglichkeit, was zu geringeren Kosten bei der Herstellung von Gießharzen führt. Die Herstellung erfolgt aus Erdöl über eine mehrstufige Syntheseprozedur, bei der auch das hochtoxische Phosgen zum Einsatz kommt.
Das weltweit am häufigsten verwendete Isocyanat ist MDI. Bei der MDI-Synthese entsteht eine Mischung aus verschiedenen “reinen” MDI-Isomeren und mehrkernigen MDI-Oligomeren, die destillativ getrennt werden. Rein-MDI-Typen weisen eine NCO-Funktionalität von 2 auf. Technisches MDI hingegen besteht in der Regel aus mehrkernigen aromatischen MDI-Typen mit einer Funktionalität von mehr als zwei MDI-Typen. Diese eignen sich gut für den Aufbau quervernetzter Polymerstrukturen und werden als Roh-MDI oder polymeres MDI (pMDI) bezeichnet. Insbesondere pMDI-Typen, wie beispielsweise ISO-CURE MDI 32-120, finden breite Anwendung als Härter für kalthärtende 2K-Polyurethangießharze. Die chemische Industrie bietet eine Vielzahl von pMDI-Typen an, die je nach Struktur und Zusammensetzung die physikalischen und chemischen Eigenschaften der resultierenden Gießharze beeinflussen können.
Aliphatische Isocyanate: HDI, IPDI und H12MDI
Die wichtigsten aliphatischen Isocyanattypen sind das Isophorondiisocyanat (IPDI), Hexamethylendisocyanat (HDI) und hydriertes MDI (H12MDI).
Ebenfalls zu den aliphatischen Isocyanaten werden die Trimere des HDI gezählt, das Isocyanurat und das Biuret. Obwohl sie streng genommen modifizierte Isocyanate sind, bestehen sie aus drei monomeren HDI-Einheiten. Diese Isocyanate können besonders rein mit einem Diisocyanatgehalt von unter 0,1 % hergestellt werden, was ihren Einsatz ohne die bereits erwähnte Schulungspflicht erleichtert. Ein Beispiel für ein solches System ist unser ISO-CURE HDI 23-2000.
Aliphatische Isocyanate weisen keine konjugierten Doppelbindungen auf und interagieren daher nicht mit Licht und sind die bevorzugte Wahl für besonderslicht- und wetterbeständige Polyurethane. Daher werden transparente Gießharze und Harze für Außenanwendungen & Lacke bevorzugt mit ihnen hergestellt.
Arbeitstechnisch betrachtet sind viele aliphatische Isocyanate problematisch, da sie stark toxisch sind. Dies trifft jedoch nicht auf die modifizierten HDI-Isocyanate (Isocyanurate und Biurete) zu, die lediglich als „reizend“ klassifiziert werden. Isocyanurate des HDI finden häufig Verwendung bei der Herstellung von Elastomeren, während PU-Polymere des IPDI Gießharzformkörper mit sehr guten mechanischen Eigenschaften ergeben.
Im Vergleich zu den pMDI-Typen sind die aliphatischen Isocyanate teilweise deutlich teurer und werden daher nicht so häufig als Härter in Gießharzen eingesetzt. Ihre Reaktivität ist im Vergleich zu aromatischen Isocyanaten deutlich geringer, was falls gewünscht lange Verarbeitungszeiten ermöglicht. Wenn jedoch schnell aushärtende Harze benötigt werden, müssen oft erhebliche Mengen an Katalysatoren hinzugefügt werden, was einen Kostenfaktor darstellen kann.
Modifizierte Isocyanate: Prepolymere und Semiprepolymere
Prepolymere sind von großer Bedeutung in der chemischen Industrie und werden aus verschiedenen Basisisocyanaten und deren Mischungen hergestellt. Obwohl sie aufgrund ihres aufwendigen Herstellungsverfahrens in der Regel teurer sind als Basisisocyanate, stehen sie in einer Vielzahl von Typen zur Verfügung.
Die Herstellung von Prepolymeren erfolgt durch die Reaktion eines Überschusses an Isocyanat mit Polyolen. Dabei entstehen polymere Isocyanate mit reduziertem Isocyanatgehalt sowie unterschiedlichen Restgehalten an monomeren Isocyanaten. Für Isocyanate mit Diisocyanatgehalten von unter 0,1 %, die nicht unter die gesetzlichen Schulungspflichten fallen, ist oft eine Aufreinigung z.B. durch das sogenannte „Strippen“ erforderlich.
Gemische aus umgesetzten Isocyanaten und verbleibenden monomeren Isocyanaten werden als Semiprepolymere bezeichnet. Hierbei bleibt ein bestimmter Anteil des unreagierten Isocyanats in der Mischung. Durch gezielte Einstellung der Vernetzungsreaktion kann eine präzise Kontrolle über die molekulare Struktur und die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften der späteren Kunststoffe und Gießharze erzielt werden.
Aufgrund des niedrigeren NCO-Gehalts sind Prepolymere als Härter für Gießharze weniger reaktiv. Dies führt zu verlängerten Verarbeitungs- und Aushärtungszeiten sowie einer geringeren Wärmeentwicklung während des Aushärtungsprozesses, was je nach Anwendung vorteilhaft sein kann (siehe Erläuterung unter Kapitel Prepolymere).
Prepolymere: Feinabstimmung für verbesserte Eigenschaften
Durch den Einsatz von Prepolymeren als Härterkomponente kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Robustheit der Mischungsverhältnisse erzielt werden. Dazu gehören unter anderem die Reißfestigkeit, die Reißdehnung, die Weiterreißfestigkeit und die Tieftemperaturflexibilität.
Die Viskosität der Prepolymere hängt vom Umfang der bereits durchgeführten Vernetzungsreaktion ab. Prepolymere mit sehr niedrigen NCO-Gehalten (fortgeschrittene Reaktion) weisen in der Regel eine hohe Viskosität auf. In einigen Fällen sind dann Lösemittel zur Einstellung der Viskosität erforderlich.
Beim Mischen von Polyol/Harz- und Härterkomponenten kann es zu Unverträglichkeiten kommen, bei denen sich die Komponenten zunächst schlecht oder gar nicht mischen lassen. Speziell angepasste Prepolymere können diese Unverträglichkeiten umgehen, indem ihre Struktur entsprechend angepasst wird, um Harz- und Härterkomponenten miteinander verträglich zu machen. Ein weiterer Vorteil von Prepolymeren ist ihre geringere Toxizität, bedingt durch den niedrigeren Dampfdruck.
Neben den besprochenen Stoffgruppen existieren auch weitere Nebengruppen wie blockierte Isocyanate, die durch Wärme aktiviert und einkomponentig verarbeitet werden können.
Durch unsere langjährige Erfahrung als Verwender und Entwickler stehen wir Ihnen auch bei individuellen Wünschen und Produktanforderungen flexibel zur Seite.
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