Was ist Polyurethan (PU)? Eine genaue Betrachtung
Polyurethan (PU) ist eine anpassungsfähige Polymerklasse, die in einer Vielzahl von industriellen und Verbraucherprodukten eingesetzt wird, um Herausforderungen zu bewältigen. Die Vielseitigkeit des Materials ermöglicht die Isolierung sensibler Komponenten, bietet Verbraucherkomfort und widersteht widrigen Umweltbedingungen. Polyurethan kann auch in zahlreiche Größen und Formen geformt werden.
In unserem Artikel erläutern wir, was Polyurethan ist, die Eigenschaften des Materials, die Anwendungen, in denen dieses Material verwendet wird, und präsentieren einen Materialfall zu Polyurethan, durchgeführt von den Anwendungsspezialisten von sensXPERT.
Was ist Polyurethan?
Diese vielseitige Polymerklasse entsteht durch eine Reaktion zwischen Isocyanaten und Polyolen. Polyurethane (PU), können je nach chemischer Formulierung und Herstellungsprozess starr und hart oder flexibel und weich sein. PUs haben eine breite Palette von Eigenschaften, die sie in zahlreichen Anwendungen beliebt machen.
Allgemeine Struktur von Polyurethanen. Quelle: Wikipedia
Während der Bildung durchlaufen Polyurethane häufig eine Reaktion namens Polyurethanpolymerisation. Im Bildungsprozess reagieren Isocyanate mit Polyolen, um Urethanketten zu bilden, und Materiallieferanten können diese Reaktion anpassen, um die Härte, Flexibilität oder andere Eigenschaften des endgültigen Polyurethanmaterials zu beeinflussen.
| Eigenschaft | Polyurethan (PU) | Andere Kunststoffe |
|---|---|---|
| Flexibilität | Variabel, je nach Mischung | Oft eingeschränkt |
| Hitzebeständigkeit | Sehr hoch | Abhängig vom Materialtyp |
| Anwendungsmöglichkeiten | Vielseitig in Industrie & Konsumgütern | Meist spezifische Anwendungen |
| Verarbeitung | Spritzguss, Verguss, Beschichtungen | Variabel, aber oft komplex |
Tabelle: Polyurethan (PU) vs. andere Kunststoffe
Materiallieferanten produzieren Polyurethane, die verschiedene Eigenschaften aufweisen, darunter:
| Eigenschaft | Beschreibung |
|---|---|
| Haltbarkeit | Polyurethane sind extrem langlebig und widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen. |
| Vielseitigkeit | Kann je nach Formulierung flexibel oder starr sein und in vielen Industrien eingesetzt werden. |
| Wasserbeständigkeit | Beständig gegen Feuchtigkeit, was sie ideal für den Einsatz in feuchten Umgebungen macht. |
| Chemikalienbeständigkeit | Resistent gegenüber vielen aggressiven Chemikalien und Lösungsmitteln. |
Tabelle: Eigenschaften von Polyurethan (PU)
Dementsprechend gibt es mehrere Arten von Polyurethanen, die für verschiedene Anwendungen ausgewählt werden:
| Polyurethan-Typ | Anwendungsbereich |
|---|---|
| Flexible Schaumstoffe | Werden für Komfortprodukte wie Kissen, Autositze und Matratzen verwendet. |
| Starre Schaumstoffe | Dienen als Isolationsmaterial im Bauwesen oder bei Haushaltsgeräten. |
| Beschichtungen | Schutzbeschichtung für Oberflächen wie Metall, Beton oder Holz. |
| Klebstoffe und Dichtungsmassen | Wird zum Kleben oder Abdichten von Bauteilen eingesetzt. |
| Elastomere | Besitzen gummiartige Eigenschaften und finden Anwendung in Rädern, Dichtungen oder Reifen. |
Tabelle: Arten von Polyurethan und ihre Anwendunge
Neben den oben genannten Anwendungen wird Polyurethan häufig in der Elektromobilität und Elektronikherstellung eingesetzt, um Komponenten vor schädlichen Einflüssen zu isolieren.
Was ist Verguss?
Verguss (engl. Potting) ist ein in der Fertigung angewandter Prozess, um Komponenten oder Geräte in schützenden Materialien einzukapseln oder einzubetten. Verguss wird durchgeführt, um mechanische Unterstützung, Umweltschutz und in einigen Fällen Isolierung für eingeschlossene Elemente zu bieten. Dieser Prozess wird in der Regel durchgeführt, um Komponenten vor Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Vibrationen, thermischer Belastung und mehr zu schützen.
Beim Verguss geht es um das Gießen oder Dosieren eines Verguss-Materials um Komponenten in einer offenen Form oder einem Gehäuse.
| Vergussmethode | Merkmale | Typische Anwendungen |
|---|---|---|
| Offener Verguss | Material wird um die Komponente gegossen | Schutz von Schaltkreisen, LED-Komponenten |
| Geschlossener Verguss | Komponente wird in eine Kavität gelegt und versiegelt | Hochleistungs-Elektronik, industrielle Sensoren |
Tabelle: Vergleich: Offener vs. Geschlossener Verguss
Verguss vs. Beschichtung
Doch worin unterscheiden sich Verguss und Beschichtung? Verguss und Beschichtungen sind zwei verschiedene Verfahren, die zum Schutz von Bauteilen eingesetzt werden. Beim Verguss wird das gesamte Bauteil in ein spezielles Material eingebettet, sodass es vollständig umhüllt ist. Dies bietet einen umfassenden Schutz vor Feuchtigkeit, chemischen Einflüssen, mechanischen Belastungen und Temperaturschwankungen.
Im Gegensatz dazu bildet eine Beschichtung lediglich eine dünne Schutzschicht auf der Oberfläche des Bauteils. Diese schützt zwar ebenfalls vor äußeren Einflüssen, bietet jedoch nicht denselben umfassenden Schutz wie der Verguss. Während Beschichtungen vor allem in Anwendungen mit geringeren Schutzanforderungen eingesetzt werden, eignet sich der Verguss besonders für empfindliche elektronische Komponenten oder Bauteile, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind.
Verguss vs. Verkapselung
Verguss und Verkapselung sind zwei Verfahren, die zum Schutz elektronischer Bauteile eingesetzt werden, unterscheiden sich jedoch in ihrer Anwendung und dem Grad des Schutzes.
Beim Verguss wird das Material in eine offene Form oder ein Gehäuse gegossen, sodass es die Komponenten umhüllt und schützt. Dies bietet mechanische Stabilität und Schutz vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Vibrationen oder Temperaturschwankungen.
Im Gegensatz dazu beschreibt die Verkapselung einen Prozess, bei dem elektronische Bauteile in eine geschlossene Form oder Kavität gelegt und anschließend mit Kapselungsmaterial umschlossen werden. Dadurch wird das Bauteil vollständig isoliert und noch besser vor Umwelteinflüssen geschützt. Verkapselung wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen, elektrischen oder mechanischen Belastungen erforderlich ist.
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Ein Werkstoff-Fall: Polyurethan-Verguss
Je nach Typ reagiert Polyurethan bei Raumtemperatur extrem schnell. In diesem Fall haben die Anwendungsspezialisten von sensXPERT Materialversuche mit Hartschaum-Polyurethan durchgeführt, um das Verhalten des Materials während des Reaktionsprozesses zu ermitteln.
Konkret handelt es sich bei Hartschaum-PU um einen Schaum mit Gasblasen, der sich nach dem Aushärten nicht mehr verformen lässt. Dieses Material ist für verschiedene Anwendungen wünschenswert, da die Gasblasen dafür sorgen, dass das Gesamtgewicht des fertigen Bauteils geringer ist als bei der Verwendung kompakter Materialien.
Die Spezialisten von sensXPERT führten die Versuche mit dem Ziel durch, die effektivsten Möglichkeiten des Einsatzes der Digital Mold Sensortechnologie zur Charakterisierung des Polyurethanverhaltens in einem Vergussprozess zu verstehen.
Zunächst wählten die Spezialisten eine Reihe von Verarbeitungstemperaturen aus, um zu untersuchen, ob Polyurethan bei verschiedenen Temperaturen ein unterschiedliches molekulares Verhalten zeigt. Zusätzlich überprüften die Materialspezialisten von sensXPERT die Auswirkungen auf die Messungen, wenn eine dünne Folie – genauer gesagt eine Teflonfolie – zwischen unserer Sensorik und dem Polyurethan eingelegt wird.
Studienergebnisse
Die Studie zum Polyurethan-Material führte zu mehreren Erkenntnissen. Hinsichtlich der Auswirkungen einer dünnen Folie zwischen den dielektrischen Sensoren von sensXPERT und dem Polyurethan kamen unsere Spezialisten zu dem Schluss, dass es keine nachteiligen Auswirkungen auf die Messungen gibt.
Abbildung 1 zeigt den Aushärtungsverlauf von Polyurethan bei 45°C mit einer Teflonfolie. Diese Ergebnisse sind bemerkenswert, da einige Hersteller aufgrund der Klebeeigenschaften von Polyurethan eine dünne Folie verwenden möchten, um zu verhindern, dass das Material an ihren Formen haftet, was die dielektrischen Sensoren jedoch nicht daran hindert, Materialmessungen in Echtzeit durchzuführen.
Vergleich der Aushärtung von PU bei 30°C und 45°C
Abbildung 3 schließlich zeigt die relative Dielektrizitätskonstante des Polyurethans, die angibt, inwieweit ein Material polarisiert werden kann. Die Messtechnik misst in diesem Fall die Dipolmobilität und untersucht den Aufschäumprozess des PU. Der anfängliche Tropfen in Abbildung 3 stellt den Beginn der Aufschäumungsreaktion des Materials dar.
Die Überwachung der Aufschäumungsreaktion ist von entscheidender Bedeutung, da die Menge und Größe der Gasblasen im Schaum die endgültige Leistung des Bauteils stark beeinflussen kann. Durch die Überwachung der Schaumreaktion in Echtzeit können die Hersteller ihre Prozessparameter anpassen, um das gewünschte Schaumverhalten zu erreichen.
Polarisierbarkeit von PU bei 30°C und 45°C
Insgesamt stellt unsere Technologie sicher, dass das Materialverhalten in Echtzeit ausreichend überwacht wird, um die Hersteller dabei zu unterstützen, die gewünschten Aushärtungsgrade zu erreichen und sicherzustellen, dass ihre Endkomponenten die für die angestrebten Anwendungen erforderlichen Eigenschaften besitzen.
Durch das Verständnis des Materialverhaltens erhalten die Hersteller in Echtzeit Einblicke in die Qualität ihrer Endkomponenten, ohne dass sie nachgelagerte Qualitätssicherungsprüfungen durchführen müssen.