Roofing Holland 1997-06-12 Polyurethaan maken is geen wetenschap maar kunst

Polyurethaan is een kunststof die rond 1937 ontwikkeld is in Duitsland als antwoord op 'nylon' dat door Du Pont ontwikkeld en gepatenteerd was. Polyurethaan of gewoon PUR is een van de meest veelzijdige kunststoffen die tegenwoordig bekend zijn. Het heeft inmiddels zijn weg gevonden in talloze toepassingen en is niet meer weg te denken uit onze samenleving. We schilderen en lijmen ermee, we slapen en zitten erop, onze schoenzolen zijn ervan gemaakt, en binnenkort loopt een enkeling rond met een kunsthart van polyurethaan.

Ook in de bouw is polyurethaan niet meer weg te denken. Wie kan zich voorstellen dat de PUR-spuitbus niet meer zou bestaan; wat te doen met al die naden en kieren? En als isolatiemateriaal is polyurethaan hardschuim ongeëvenaard. Het is weliswaar duurder dan alternatieve isolatiematerialen, maar door zijn unieke eigenschappen heeft het zeker als dakisolatieplaat een vaste plaats in de nieuwbouw- en renovatiesector.

Hoogste tijd dus om eens iets meer duidelijkheid te verschaffen in al die verschillende kreten en termen die in de markt rondgaan. Hoe zit het eigenlijk precies met PUR en PIR, wat is de rol van de verschillende productietechnieken en wat zijn de toekomstige ontwikkelingen en mogelijkheden. Laten we maar eens bij het begin beginnen: Het materiaal zelf.

PUR

Polyurethaan wordt geproduceerd uit twee hoofdcomponenten: polyol en isocyanaat, kortweg iso. De iso-groepen gaan een chemische reactie aan met polyol-groepen: De kunststof wordt gevormd; hierbij komt veel warmte vrij. Om polyurethaan hardschuim te maken moet ervoor gezorgd worden dat tijdens de vorming van het polyurethaan ook nog een schuim gevormd wordt. Men moet dan als het ware in de limonade blazen om belletjes te krijgen. Hiervoor wordt een blaasmiddel gebruikt. Dit is een vloeistof die tijdens de reacties tussen de polyol en iso door de warmte gaat 'koken' en gasbelletjes geeft. Aan de blaasmiddelen zal in een later artikel meer aandacht worden besteed.
Even terug naar de reactie(s) die optreden tijdens de vorming van het polyurethaan. De binding die tijdens de genoemde reactie gevormd wordt, is de urethaanbinding. Omdat de polyol en de iso meerdere actieve groepen hebben, worden deze componenten tijdens het proces aan elkaar geknoopt tot een groot netwerk en de kunststof is een feit. Tot zover de basiscursus polyurethaan chemie.

Meer reacties

We gaan verder voor gevorderden. Naast de reactie met polyol kan het iso ook met zichzelf reageren. Hierbij ontstaat uit drie iso-groepen een ringstructuur. Dit is het zogenaamde polyisocyanuraat, kortweg PIR genoemd. Om deze reactie plaats te laten vinden zijn hogere temperaturen nodig.
Iso kan naast bovengenoemde reacties ook nog reageren met water. Bij deze reactie wordt in twee stappen een zogenaamde ureabinding gevormd, waarbij het gasvormige CO2 ontstaat. Dit CO2 kan meteen dienst doen als blaasmiddel en zorgt dus tijdens het chemische proces voor schuimvorming. Voor de liefhebber zijn de bovengenoemde reacties uitgewerkt in het kader.

De schuimpraktijk

In de dagelijkse praktijk van schuimmaken spelen de bovengenoemde reacties allemaal een rol. De verschillende reacties worden gestuurd door katalysatoren en door de temperatuur tijdens het productieproces. Er zijn katalysatoren die voornamelijk zorgen voor de urethaan reactie en weer andere die de PIR-vorming bevorderen.
De verhouding tussen iso-groepen en polyol-groepen is ook van belang. Bij PUR schuimen zijn er evenveel iso-groepen als polyol-groepen aanwezig. Bij PIR schuimen worden vier tot vijf maal meer iso-groepen dan polyol-groepen gebruikt.
De aanduidingen 'PIR gemodificeerd PUR', 'PUR/ PIR' of 'PUIR' worden ook wel eens gebruikt in de markt. Men heeft het dan over schuimen waar bijvoorbeeld twee maal zoveel iso als polyol wordt gebruikt. Deze platen worden overigens ook wel (ten onrechte) als PIR platen verkocht.
Tijdens de productie van polyurethaan hardschuim platen kan men door een goede keuze van katalysatoren, temperaturen en verhoudingen de samenstelling van het eindproduct sturen.

De reactie met water verloopt al zonder katalysatoren en bij lage temperatuur, zodat die eigenlijk altijd plaatsvindt zodra er water aanwezig is. Dit speelt een belangrijke rol bij de PUR-spuitbussen. In deze bussen is maar één component aanwezig, onder druk gebracht met een gasvormig blaasmiddel. Het iso heeft hierbij voor een deel al met polyol gereageerd, dit geeft het zogenaamde prepolymeer. Met dit prepolymeer gebeurt verder niets totdat het in de buitenlucht in contact komt met water (vocht). Door de reactie van het restant iso-groepen met water vindt de laatste 'verknoping' plaats en ontstaat het polyurethaanschuim.

PUR en PIR eigenschappen

Waarom is het nu nodig dat er bij de polyurethaanproductie op verschillende reacties aangestuurd wordt. We weten wat chemisch gezien het verschil is tussen PUR en PIR, maar waarom kiezen we als verwerker en als producent voor de een of de ander?

De PUR reactie start bij lagere temperatuur en loopt al als de PIR nog beginnen moet. Bij de productie van een PUR-plaat hebben we daarom eigenlijk alleen met de PUR-vorming te maken, de PIR-vorming is een neven-reactie en speelt geen rol van betekenis.
Bij de productie van een PIR-plaat echter, spelen beide reacties een grote rol. Om tot een goed schuim te komen moeten de reacties mooi in elkaar overlopen. Als het proces als een twee-traps raket verloopt, dan geeft dit een slecht schuim met een slechte plaatkwaliteit als gevolg. Hier zit niemand op te wachten.
Een ander aspect van de hogere temperatuur bij PIR-productie is het 'koken' van het blaasmiddel. Omdat de temperaturen hoger zijn gaat het blaasmiddel veel harder koken. Het schuim zou dan meer opgeblazen raken. En een sterk opgeblazen ballon is nu eenmaal zwakker dan een matig opgeblazen ballon. Bij de PIR-productie wordt dit gecorrigeerd door iets meer materiaal te gebruiken om als het ware een dikkere ballonhuid te maken. Kortom, productietechnisch is een PIR-plaat gecompliceerder dan een PUR-plaat.

 Maar dit is niet het enige. De verschillende bindingen die in het netwerk ontstaan geven de platen verschillende eigenschappen mee. De PUR-binding heeft als voordeel dat deze flexibel is. De PIR-ring, is daarentegen tamelijk star. Hierdoor voelt een PIR-plaat in het algemeen brosser aan dan een PUR-plaat. Ook heeft dit tot gevolg dat een PIR-plaat optisch vaak niet zo fraai is als een PUR-plaat.

Zo te zien lijken er alleen nadelen verbonden te zijn aan PIR platen. Als dit zo was dan zou geen enkele producent de moeite nemen om PIR platen te produceren. Wat is dan het grote voordeel van PIR? Dit zit in de stabiliteit en de samenstelling van de gevormde ringstructuur. Als we het hebben over stabiliteit, dan hebben we het over thermische stabiliteit. Zoals de PIR-ring pas wordt gemaakt bij hogere temperaturen, zo heeft hij ook hogere temperaturen nodig om weer kapot te gaan. Daarnaast ontstaat er door de chemische samenstelling van de PIR-ring bij de verbranding meer koolstof dan bij de PUR-structuur. Deze koolstof kan extra bescherming bieden tegen verdere verbranding. Dit alles leidt ertoe dat een PIR plaat in het algemeen beter brandgedrag vertoont dan een PUR plaat. In bepaalde toepassingen is dit een belangrijk verschil. PIR-platen zijn dan ook niet weg te denken uit de isolatiebranche.

De schuim-eigenschappen worden niet alleen bepaald door de bovengenoemde reacties. Naast de machinetechniek, waarover later meer, is de samenstelling van de polyolen en de isocyanaten uiteindelijk bepalend voor de schuimvorming en de uiteindelijke plaatkwaliteit.
Niet iedere polyol is geschikt voor een PIR schuim. Er zijn diverse soorten isocyanaten op de markt die gebruikt kunnen worden voor schuimvorming. Echter isocyanaten die geschikt zijn voor bijvoorbeeld zacht-schuimen (matrassen en dergelijke) zijn niet per se geschikt voor hardschuim. Een goede keuze in polyolen en isocyanaten speelt dan ook een cruciale rol. Dit is de specialiteit van systeemhuizen die al dan niet verbonden zijn aan de grote grondstoffenleveranciers. Grotere polyurethaan fabrikanten stellen vaak zelf hun polyolsystemen samen. Hiervoor is veel deskundigheid en ervaring nodig, want zoals men wel beweert: Polyurethaan maken is geen wetenschap maar een kunst!

Polyurethaan hardschuim isolatieplaten zijn meer dan alleen een verzameling chemische reacties. De chemie vormt weliswaar de basis van dit product, maar met chemie alleen maakt men nog geen isolatieplaat. Hierover later meer.

door: H. Cremers, plant-manager van Ecotherm