So schöpfen Sie das enorme Potenzial von Polyurethan-Dispersionen voll aus

Polyurethan-Dispersionen sind wahre Multitalente. Sie bringen das enorme Potenzial des Polymers auf den Punkt, das zu den vielseitigsten Kunststoffen überhaupt zählt. Mithilfe hochmoderner Fertigungsprozesse und unter Einsatz von Nanotechnik kann PUR mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgestattet werden. Verschiedene Härtegrade, gewünschte mechanische Merkmale sowie die Abwehr äußerer Einflüsse sind realisierbar. Polyurethan in Form von Dispersionen ist deshalb die ultimative stoffliche Lösung, um effektive Oberflächen für zahlreiche Produkte zu erzeugen. In diesem Beitrag gehen wir den Möglichkeiten auf den Grund.

Beschichtungen und Kleber der neuesten Generation

Polyurethan-Dispersionen sind vielseitig auslegbare, fließfähige Gemische, die aus Polyurethan, einem Dispersionsmedium und weiteren Komponenten bestehen. Enthält das Gemisch keine Lösemittel, handelt es sich um die zukunftsweisende, umweltgerechte Alternative zu herkömmlichen Systemen. Umweltbewusstsein und die steigenden Anforderungen der Gesetzgebung weisen zunehmend den Weg in den Fertigungsprozessen führender Hersteller, z. B. für die Ausstattung von:

• Textilien, Schuhen, Schutzbekleidung,
• Fahrzeugen, Möbeln,
• Technischen Geräten und Anlagen.
• Dem Material Kunstleder kommt gewissermaßen eine Sonderstellung zu, da es branchenübergreifend Verwendung findet.

VOC-freie Dispersionen sind für die Herstellung innovativer Produkte mehr denn je gefragt. Es geht um nicht weniger als die Begrenzung von Emissionen flüchtiger, organischer Verbindungen. Der wasserbasierte Ansatz bei der Produktion von Polyurethan-Dispersionen hat daher höchste Priorität. Funktionale Additive können hier als wichtige Einflussgröße gesehen werden, um die Risiken für Umwelt und Mensch weitestgehend einzugrenzen. Kommen bei der Herstellung der wässrigen Lösungen per Nanotechnologie optimierte Kunststoffe zum Einsatz, sind die besten Rahmenbedingungen gesetzt.

Das Ziel, das für alle Branchen gleichermaßen gilt, obwohl sie so different sind: der Einsatz von Kunststofftechnologien, die den aktuellen Erkenntnissen der Wissenschaft folgen. Festkörperanteile, Inhaltsstoffe und Rezepturen können optimal austariert werden. Erstklassige Polyurethan-Dispersionen der neuesten Generation spielen in den genannten Bereichen die final ausschlaggebende Rolle. Denn sie sind Garant für beste Qualitäten, hoch wirksame und mit vielseitigen Merkmalen ausgestattete Oberflächen und Klebeverbindungen.

Der Markt ist groß: von feinen Textilien bis zu schwerem Gerät

Flächengewebe im Bekleidungssektor und Ausstattungselemente bei Möbeln oder im Bereich Automotive haben den allzeit hohen Anforderungen der Verbraucher und Verbraucherinnen zu genügen. Auf den jeweiligen Bedarf genau zugeschnittene Produkte mit zentralen Eigenschaften sind zu entwickeln und herzustellen:

• Textilien, die als Schutz- und Komfort-Bekleidung in verschiedensten Lebenslagen fungieren. Deren Optik, Haptik, Pflegbarkeit etc. bei gleichzeitig hoher Schutzwirkung sind die ausschlaggebenden Faktoren für den Erfolg.
• Straßenschuhe, aber vor allem Sportschuhe oder Arbeitsschuhe, sollen bei zunehmender Funktionalität immer leichter und komfortabler werden. Die Ansprüche an Form, Dämpfung und Sohlentechnologie sind zu erfüllen.
• Fahrzeuginnenteilen kommt sowohl eine hohe dekorative als auch eine sicherheits- und komfortbezogene Relevanz zu. Oberflächen müssen optisch und haptisch überzeugen, Innovativität oder gar ein Lebensgefühl vermitteln – und im Ernstfall den Schutz der Insassen gewährleisten.
• Möbel und weitere Dinge, die in Haushalten ihren Platz finden, stehen für die Philosophie und die Anforderungen der Bewohner und Bewohnerinnen. Es geht um Mode, Trends, Individualität ebenso wie um die Langlebigkeit, Nachhaltigkeit und Strapazierfähigkeit.

Flüssigkunststoffe als Schutz gegen Korrosion und Verschleiß werden des Weiteren bei der Beschichtung von Rohren, Geräten oder Bauteilen angewendet. Damit einhergehende Effekte sind die Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen. Ein nicht zu unterschätzender Aspekt ist die gesteigerte Abriebfestigkeit bei verschiedenen Oberflächen. Denn Abrieb bedeutet auch immer, dass Partikel in die Umwelt abgegeben werden. Kann man dies mithilfe von mit Nanotechnik optimierten Polyurethan-Dispersionen verhindern, ist ein wichtiger Schritt getan.

Unabhängig von der Branche, um die es bei Beschichtungen geht: Die Zukunft liegt in dem Herausarbeiten von High-Tech-Produkten, die vieles leisten und darüber hinaus nachhaltig sind. Hersteller der unterschiedlichen Industrien suchen nach den besten Technologien und immer neuen Materialien und Werkstoffen, die den weiter zunehmenden Ansprüchen gerecht werden. Insbesondere die internationalen Unternehmen der Automobilindustrie sind die Abnehmer für optimierte und leichte Komponenten, Halbzeuge, Hilfsstoffe, Kleber etc., die gleichzeitig äußerst robust und langlebig sind.

Polyurethan-Dispersionen: Besonderheiten und Herausforderungen

Da Polyurethan schwerer als Wasser ist, sind im Grunde Hilfsmittel oder Eingriffe in den Aufbau des Polymers notwendig, um dessen Sedimentation oder Koagulation wirksam etwas entgegenzusetzen. Verdickungsmittel, Emulgatoren oder ionische Gruppen sorgen für die nötige Stabilisierung. Sie verzögern beispielsweise das Absetzen der Teilchen und stellen in der Folge eine gewisse Lagerfähigkeit sicher.

Der Anteil an Festkörpern der dispersen Phase liegt bei einer üblichen Polyurethan-Dispersion, kurz PUD, zwischen ca. 30 bis 60 %. Je höher der stoffliche Anteil ist, umso mehr kann man von den daraus resultierenden Vorteilen profitieren:

• Erhalt eines stabilen Gemischs in Anbetracht von Transport und Lagerung,
• effektivere Trocknung im Verhältnis zum Masseanteil,
• stärkere Auftragsschicht nach abgeschlossener Trocknung.

Jedoch ist es nicht trivial, ein stoffliches Gemisch mit einem hohen Festkörperanteil herzustellen, und auch nicht in jeder Kombination von Phase und Dispersionsmedium möglich. Vor diesem Hintergrund sind in PU-Dispersionen oft Additive enthalten. Sie unterstützen den Produktionsprozess oder gewährleisten zum Beispiel die Filmbildung beim Einsatz harter Polyurethane. Diese organischen Lösemittel tragen jedoch zu den nicht erwünschten Emissionen bei.

Erfreulicherweise hat der Einsatz von Alternativen in Form von lösemittelfreien Formulierungen bereits gezeigt, dass die so hergestellten Polyurethan-Dispersionen vergleichbar gute Endeigenschaften aufweisen. Darüber hinaus sind sie mit einem unschlagbaren Zusatznutzen ausgestattet: die insgesamt bessere Umweltbilanz. Die Herstellung stabiler, lösemittelfreier Dispersionen ist ergo die Messlatte, die es für die Erschließung neuer Märkte zu erreichen und zu übertreffen gilt.

Nanocomposites als Bindemittel für wasserbasierte Fassadenbeschichtungen sind ein vielversprechendes Beispiel aus der F+E. Eine damit einhergehende hohe Beständigkeit, Abriebfestigkeit und ein geringer Materialverbrauch sind weitere Pluspunkte.

Nanoadditive bringen die Polyurethan-Dispersion funktional auf den Punkt

Die folgende Übersicht gibt uns eine Idee davon, wie zahlreich und vielfältig die Anwendungsmöglichkeiten für Polyurethan-Dispersionen und andere Formulierungen mit möglichst geringem VOC-Gehalt sind:

• Guter Griff, Weichheit, Flexibilität, Knitterschutz etc. für Flächengewebe;
• Hydrolysebeständigkeit, Härte, Kratzfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit bei der Herstellung verschiedener Oberflächen;
• herausragende Wetterbeständigkeit, Wasserdampfdurchlässigkeit, gute Haftung und Festigkeit für Funktions- und Arbeitsschutzbekleidung;
• spezielle Beschichtungen für Kunststoff, Metall, Papier, Holz oder Holzwerkstoffe;
• Beschichtungen für Böden und Beläge mit den Einsatzschwerpunkten Wohn-Design, Sport, Industrie, Medizin etc.
• Zum Spektrum zählen darüber hinaus Kleber für Spezialanwendungen, 2-Komponenten-Kleber, Schäume, Farben, Lacke u. v. m.

Die Einbringung funktionaler Additive ermöglicht es, die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe optimal auf die Anforderungen einzustellen. Außerdem nehmen diese leistungsstarken Zusatzstoffe positiven Einfluss auf den Herstellungsprozess. Bereits geringe Mengen – im unteren einstelligen Bereich –eines hoch konzentrierten Nanopulvers oder Nanocomposites, z. B. auf der Basis von Wolfram, führt zu der gewünschten Justierung der Merkmale des Polymers und Ausstattung mit diversen Funktionalitäten. Der Vorteil: Es ist nicht notwendig, bestehende Abläufe zu verändern.

Nanoskalige Additive sorgen unter anderem dafür,

• dass der Auftrag einer PUR-Beschichtung (Beispiel: Herstellung von Lederimitat) sehr gleichmäßig ausfällt,
• sich die Masse bzw. Paste dem Aufbau oder der Struktur des Untergrunds perfekt anpasst,
• Beschichtungen einfach und mit weniger Material- und Energieeinsatz aufgetragen werden können,
• Feinheiten, wie Fließfähigkeit, Konsistenz etc., für den jeweiligen Prozess genauestens einzustellen sind.

Die Gradwanderung auf dem Weg zur idealen Polyurethan-Dispersion

Eine der typischen Anwendungen der variantenreichen Polyurethan-Lösungen liegt bei den flächigen Applikationen auf unterschiedliche Trägermaterialien. Nach dem Verdampfen des Wassers und gegebenenfalls anderer Bestandteile bleibt ein Film aus PUR zurück. Die entstehenden Kräfte zwischen den Teilchen führen zu deren Verschmelzung.

Sind in der Polyurethan-Dispersion Vernetzungsmittel enthalten, unterstützen diese zwar den Prozess, bleiben jedoch in der Schicht zurück. Zweitens: Ihre Wirkung sorgt dafür, dass die endgültige Härte des Auftrags erst nach einer gewissen Zeit erreicht wird. Das wirkt sich positiv auf das Endergebnis aus. Dem entgegen steht natürlich die Forderung nach umweltgerechten Lösungen.

Die industrielle Verarbeitung von Lacken und Beschichtungsstoffen unterliegt seit 2010 der VOC-Richtlinie. Es geht hier um die so wichtige Begrenzung von Emissionen flüchtiger, organischer Verbindungen. Aus diesem Grund ist der Einsatz geringer Mengen oder besser kein Einsatz von Colösern zunehmend das Maß der Dinge.

Wässrige Dispersionen haben allerdings den Nachteil, dass mehr Wärme für den Trocknungsvorgang aufgebracht werden muss. Die Herstellung einer Oberfläche ist aus dieser Perspektive energetisch ungünstiger. Insgesamt betrachtet – inklusive der Produktion der Lösemittel – ist die wasserbasierte PUR-Lösung aber zweifelsfrei vorzuziehen.

Vorteil Nachhaltigkeit: Wasserbasis und nachwachsende Rohstoffe

Polyurethan-Dispersionen werden bereits seit Jahrzehnten erfolgreich genutzt. Das Ziel, vermehrt und nahezu ausschließlich auf wässrige Lösungen zu setzen, ist nicht mehr wegzudenken. Es ist vielmehr die Zukunft im Bereich der Kunststoffbeschichtungen und Herstellung synthetischer Materialien. Es wird permanent daran geforscht, diese Maßgabe möglichst schnell und umfassend zu erreichen.

Darüber hinaus liegen die Ansätze verschiedener Hersteller darin, Formulierungen auf der Basis von nachwachsenden bzw. abbaubaren Rohstoffen herzustellen. Sogenannte Impranil-Produkte für die Erzeugung von Oberflächenveredelungen oder die Ausstattung von Outdoor-Bekleidung sind etabliert und werden seit Langem angewendet. Diese spezielle Produktfamilie steht für bioabbaubare Polyurethan-Dispersionen ohne Colöser.

Mit Nanotechnik schaffen Sie PUR-Rezepturen der Zukunft

Ein weiterer Blickwinkel liegt bei den Komponenten, aus denen die Dispersionen bestehen. Die Festkörper, in diesem Fall das Polyurethan, wirken ebenso auf das Niveau ein, bei dem die Umweltvereinbarkeit berücksichtigt ist oder (noch) nicht. Selbst auf Wasser basierende, lösemittelfreie Dispersionen mit Polyurethan enthalten zumeist Polyole, die auf der Basis von Erdöl hergestellt werden. Darüber hinaus sind die Zusatzstoffe zu betrachten. Können Kunststoff-Additive, wie zum Beispiel Nanopulver oder funktionale Additive (Masterbatches), durch das Recycling von Hartmetallschrott hergestellt werden, kommt die essenziell wichtige Schonung wertvoller Ressourcen ins Spiel.

Die Summe aller Einflussfaktoren macht am Ende den Fortschritt aus. Ihre Fertigungsverfahren und Ihre Erzeugnisse haben das Potenzial, das es für einen stabilen Markterfolg braucht. Auf dem Weg zu leistungsstärkeren Produkten profitieren Sie mit der Anwendung der Nanotechnologie von einer signifikanten Steigerung der Prozesseffizienz – inklusive deutlicher Einsparungen beim Material und bei der Energie. Dieses Konzept steht für die neueste Generation hochwertiger Werkstoffe, die für die Herstellung zukunftsweisender Artikel unabdingbar sind. Mit Fokus auf die Oberflächen gilt es, die Möglichkeiten der Variabilität von Polyurethan-Dispersionen voll auszuschöpfen.

Wir sind uns sicher, dass annähernd jede gewünschte Beschichtungsart oder Materialbeschaffenheit in überragender Qualität herzustellen ist. Seien Sie eine der treibenden Kräfte, die den Wechsel zu rein wasserbasierten Lösungen vollziehen!

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