Klassische Isocyanat verarbeitende Industrien sind die Kunststoffbranche, die Automobilindustrie, die Bau- und Baustoffindustrie, die Textil- und Schuhindustrie die Möbelindustrie (Polsterschäume) und die Lackindustrie. Isocyanate sind eine der notwendigen Aufbaukomponenten eines 2 Komponenten Gießharzes. Dabei kommen je nach Verwendung Stoffe mit 2,3 oder mehreren funktionellen Isocyanatgruppen zum Einsatz. Die Isocyanate werden selbst in zwei Hauptgruppen unterteilt:
- Aromatische Isocyanate
- Aliphatische Isocyanate
Dabei stellen die aromatischen Typen die bei weitem wichtigeren Vertreter dar. Die am häufigsten industriell verwendeten Isocyanate sind das Toluoldisocyanat (TDI) für elastische Systeme und das Methyldiphenyldiisocyanat (MDI) für härtere Systeme, die besonders leistungsfähige Hartphasen ausbilden. (Abb. 5). Vorteile der aromatischen Isocyanate liegen insbesondere in ihrer gegenüber aliphatischen Isocyanaten erhöhten Reaktivität der Isocyanatgruppe. Außerdem sind aromatische Isocyanate technisch leichter zugänglich, was mit geringeren Kosten der Gießharze verbunden ist, die derartigen Typen als Härter verwenden. Ihre Herstellung erfolgt letztlich aus Erdöl über eine mehrstufige Syntheseprozedur, in deren Verlauf auch das hochtoxische Phosgen zum Einsatz kommt.
Das Isocyanat mit der weltweit mengenmäßig größten Bedeutung ist MDI. Aufgrund des technischen Herstellungsverfahren fällt bei der MDI- Synthese eine jedoch Mischung aus verschiedenen „reinen“ MDI-Isomeren und mehrkernigen MDI-Oligomeren an, die destillativ getrennt werden. Rein-MDI-Typen weisen eine NCO-Funktionalität von 2 auf. Bei technischem MDI handelt es sich in der Regel um mehrkernige aromatische MDI Typen, die eine Funktionalität von mehr als zwei aufweisen und daher für den Aufbau quervernetzter Polymerstrukturen gut geeignet sind. Sie werden auch als Roh-MDI und in ausgewählten Fällen als pMDI (polymeres MDI) bezeichnet. Eben diese pMDI Typen finden im großen Umfang Verwendung als Härter für kalthärtende 2K Polyurethangießharze, z.B. ISO-CURE MDI 32-120. Neben den Rein-MDI-Typen werden pMDI Typen in einer großen Vielfalt von der chemischen Industrie zur Verfügung gestellt. Je nach konkreter Struktur und Abmischung (oder Modifikation) haben sie großen Einfluß auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften der aus Ihnen resultierenden Gießharze. Die mechanischen Eigenschaften eines Gießharzes oder eines sonstigen PUR-Polymeren können zum Beispiel maßgeblich über die Isomerenverteilung eines Rein-MDI bzw. über dessen Zumischung zu einem pMDI beeinflusst werden. Üblicherweise wird eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Bezug auf Zugfestigkeit und Reißdehnung durch Zusatz von Rein-MDI Typen zu pMDI erreicht. Beispielsweise findet 4,4’MDI Einsatz bei der Herstellung besonders hochwertiger Elastomere Verwendung. Rein-MDI Typen sind wesentlich reaktionsträger als pMDI. Aus diesem Grund kann durch Zusatz bei Gießharzhärtern eine Verlängerung von Topfzeiten erreicht werden. Ein Nachteil von Rein-MDIs ist Ihr höheres Preisniveau. Außerdem liegen sie bei Raumtemperatur nicht als leicht handhabbare Flüssigkeiten vor, sondern gehen erst bei erhöhten Temperaturen von 40-150°C (je nach Isomer) in den flüssigen Aggregatzustand über. pMDI Typen werden in großem Umfang in der Industrie und insbesondere Im Bereich der Gießharze eingesetzt. Sie liegen im Normalfall flüssig vor und sind bei Raumtemperatur nur sehr wenig flüchtig, was die Verarbeitung erleichtert. Außerdem sind sie als nicht giftig eingestuft. Zudem sind sie im Gegensatz zu Rein –MDI lagerstabiler (geringere Kristallisationsneigung) und stehen kostengünstig zur Verfügung.
TDI Systeme werden hauptsächlich bei der Herstellung von Weichschäumen eingesetzt und sind für den Gießharzsektor von beschränkter Bedeutung. Außerdem ist Ihnen eine hohe Toxizität zu Eigen.
Die wichtigsten aliphatischen Isocyanattypen sind das Isophorondiisocyanat (IPDI), Hexamethylendisocyanat (HDI) und hydriertes MDI (H12MDI). Ebenfalls zu den aliphatischen Isocyanaten werden die trimere des HDI das Isocyanurat und das Biuret gezählt, obwohl es sich dabei streng genommen um modifizierte Isocyanante handelt (Abb. 6.), welche aus drei monomeren HDI-Einheiten aufgebaut sind. Da sie besonders rein mit Diisocyanatgehalt < 0,1% hergestellt werden können ist einfacherer Einsatz ohne die bereits erwähnte Schulungspflicht möglich. Ein Beispiel für ein solches System ist das ISO-CURE HDI 23-2000.
Aufgrund Ihrer fehlenden konjugierten Doppelbindungen zeigen sie keine Wechselwirkung mit Licht und sind daher die Stoffe der Wahl, für besonders licht- und wetterbeständige Polyurethane. Daher finden sie Verwendung in transparenten Gießharzen, in Gießharzen mit Außenanwendungen vor allem aber in Lacken. Aus arbeitstechnischer Sicht sind viele aliphatische Isocyanate problematisch, da es sich bei Ihnen um stark toxische Verbindungen handelt. Dies gilt jedoch nicht für die modifizierten HDI Isocyanate (trimere Isocyanurate und Biurete), die lediglich als „Reizend“ klassifiziert werden. Isocyanurate des HDI finden vielfach Einsatz bei der Herstellung von Elastomeren. Polymere des IDPI ergeben Gießharzformkörper mit sehr guten mechanischen Eigenschaften. Verglichen mit den pMDI- Typen weisen die aliphatischen Isocyante zum Teil deutlich höhere Preise auf und finden deshalb nicht in dem Umfang Verwendung als Härter in Gießharzen wie pMDI Typen. Die Reaktivität ist deutlich geringer als die von aromatischen Isocyanaten. Dies kann zu Vorteilen führen, falls eine lange Verarbeitungszeit des formulierten Gießharzes gewünscht wird. Sind schnell härtende Harze erforderlich, so müssen mitunter erheblich Mengen an Katalysatoren zugesetzt werden, was einen Kostenfaktor darstellen kann.
Modifizierte Isocyanate: Prepolymere
Prepolymere können und werden aus allen Basisisocyanten und Mischungen dieser hergestellt. Sie werden entsprechend Ihrer großen Bedeutung von der chemischen Industrie in einer fast unüberschaubaren Anzahl zur Verfügung gestellt. Aufgrund des recht aufwendigen Herstellungsverfahrens sind sie in der Regel jedoch deutlich teurer als Ihre Basisisocyanate.
Prepolymere werden erhalten, wenn ein Überschuss an Isocyanat mit Polyolen umgesetzt wird. Als Produkt dieser Reaktion werden polymere Isocyanate mit erniedrigten Isocyanatgehalten und mit niedrigeren oder höheren Restgehalten an monomeren Isocyanaten gebildet. Für Isocyanate mit Gehalten an Diisocyanaten von < 0,1 %, die nicht unter die gesetzlichen Schulungspflichten fallen würden ist generell eine Aufreinigung, z.B. durch „Strippen“ erforderlich. Auch Gemische aus umgesetzten Isocyanaten und verbleibende „monomere Isocyanate“ sind möglich. Derartige Gemische werden mitunter als Semiprepolymere bezeichnet. Dabei ist der Reaktionsansatz von Beginn an so ausgelegt, dass ein bestimmter Anteil eines unreagierten Isocyanats in der Mischung verbleibt. Um dann den ausgehärteten Kunststoff zu erhalten, kann die Reaktion zu einem späteren Zeitpunkt durch weitere Zugabe von Polyol bzw. einer formulierten Harzkomponente vervollständigt werden. Da man im Prinzip jede beliebige Zwischenstufe einer Vernetzungsreaktion einstellen und die Reaktion an diesem Punkt abbrechen kann, kann man durch Ihren Einsatz eine sehr große Kontrolle über die molekulare Struktur und damit über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der späteren Kunstsoffe/Gießharze gewinnen.
Aufgrund des verringerten NCO-Gehalts von Prepolymeren ist Ihre Reaktivität in der Regel erniedrigt, wenn sie als Härter eines Gießharzes einsetzt werden. Praktisch bedeutet dies verlängerte Verarbeitungs-/Aushärtungszeiten mit einer verringerten Wärmeentwicklung während des Aushärtens. Aufgrund der schon angesprochenen direkten Kontrolle über den Aufbau des molekularen Netzwerks kann man durch den Einsatz von Prepolymeren als Härterkomponente in fast allen Fällen eine Verbesserung von mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf Reißfestigkeit, Reißdehnung, Weiterreißfestigkeit, Tieftemperaturflexibilität etc. erzielen. Als Folge der bereits teilweise durchgeführten Vernetzungsreaktion steigt die Viskosität der Prepolymere in Abhängigkeit vom Umfang der durchgeführten Reaktion. Prepolymere mit sehr niedrigen NCO Gehalten (sehr weit fortgeführte Reaktion) weisen in der Regel eine hohe Viskosität auf, so dass derartige Systeme, häufig aber nicht immer, Lösemittel zur Viskositätseinstellung enthalten. Dieser Effekt, obgleich für manche Anwendungen störend, kann auch dazu genutzt werden die Viskosität einer Härterkomponente maßzuschneidern.
Bei verschiedenen Polyol/Harz und Härterkombinationen kann es beim Vermischen der Komponenten zunächst zu einer Unverträglichkeit kommen, d.h. dass sich beide Komponenten zunächst nur schlecht oder gar nicht mischen. Unverträglichkeiten dieser Art können in den meisten Fällen ebenfalls durch den Einsatz speziell angepasster Prepolymere umgangen werden, da diese in Ihrer Struktur entsprechend angepasst werden können, damit Harz- und Härterkomponenten verträglich sind. Als weitere Eigenschaft ist die Toxizität durch den erniedrigten Dampfdruck von Prepolymeren verringert.
Neben den oben besprochenen Stoffgruppen existieren noch weitere Nebengruppen wie z.B. blockierte Isocyanate, die durch Wärme aktiviert werden und einkomponentig verarbeitet werden können.
