NIR-Spektroskopie in der Polymerindustrie: Das ideale Werkzeug für Qualitätskontrolle und Produktscreening – Teil 5
26.07.2021
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Die Geschichte der Polyurethane
1937 erfand der deutsche Chemiker Dr. Otto Bayer (1902–1982) die vielseitige Klasse von Kunststoffen, die wir Polyurethane nennen. Polyurethane gibt es in unzähligen Formen - sie werden in zahlreichen Produkten verwendet, von Beschichtungen und Klebstoffen bis hin zu Schuhsohlen, Matratzen und Schaumstoffisolierungen. Trotz der Vielfalt ihrer Eigenschaften ist die zugrunde liegende Chemie dieser verschiedenen Formen auffallend ähnlich.
Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Verwendung von Polyurethanen als Ersatz für Kautschuk populär, der damals teuer und schwer zu beschaffen war. Ab den 1950er Jahren wurden Polyurethane in Klebstoffen, Elastomeren, Hartschaumstoffen und Weichschaumstoffen, wie sie heute verwendet werden, eingesetzt.
Heutzutage ist ein Leben ohne Polyurethan nur schwer vorstellbar, da es überall in unserer Umgebung zu finden ist.
Wie wird Polyurethan hergestellt?
Polyurethane werden durch die Reaktion von Polyolen (d. h. Alkoholen mit mehr als zwei reaktiven Hydroxylgruppen in jedem Molekül) mit Diisocyanaten oder polymeren Isocyanaten hergestellt. Soweit erforderlich, werden geeignete Katalysatoren und Zusatzstoffe verwendet. Da sowohl eine Vielzahl von Di-Isocyanaten als auch eine breite Palette von Polyolen zur Herstellung von Polyurethan verwendet werden kann, lässt sich ein breites Spektrum von Polyurethanwerkstoffen herstellen, die den spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht werden. Polyurethane können in einer Vielzahl von Formen auftreten, darunter Hartschäume, Weichschäume, Spezialklebstoffe, chemikalienbeständige Beschichtungen, Dichtstoffe und Elastomere.
Physikalische und chemische Eigenschaften von Polyurethanen
Die Eigenschaften von Polyurethanen hängen in hohem Maße von ihrem Herstellungsverfahren ab. Wenn die Polyolkette (Abbildung 1) lang und flexibel ist, ist das Endprodukt weich und elastisch. Ist der Vernetzungsgrad hingegen sehr hoch, ist das Endprodukt zäh und steif. Die vernetzte Struktur von Polyurethanen besteht im Allgemeinen aus dreidimensionalen Netzwerken, die zu sehr hohen Molekulargewichten führen. Diese Struktur ist auch für die wärmehärtende Eigenschaft des Polymers verantwortlich, da Polyurethan in der Regel nicht erweicht oder schmilzt, wenn es Hitze ausgesetzt wird.
Eine der beliebtesten Formen von Polyurethan ist Schaumstoff. Diese Form entsteht, indem die Produktion von Kohlendioxidgas während des Urethan-Polymerisationsprozesses gefördert wird.
Typische Anwendungen von Polyurethan
Die Hauptanwendung von Polyurethan ist die Herstellung von Schaumstoffen (Hart- und Weichschaum). Weitere wichtige Anwendungen und Verwendungszwecke von Polyurethan sind im Folgenden aufgeführt.
- Polyurethan-Weichschaumstoffe mit geringer Dichte werden häufig in Matratzen und Autositzen verwendet.
- Bad- und Küchenschwämme werden häufig aus Polyurethan hergestellt. Es wird auch bei der Herstellung von Sitzpolstern und Sofas verwendet.
- Polyurethan wird auch zur Herstellung von Textilien für einige Kleidungsstücke und Polster verwendet.
- Aufgrund seiner guten Dämmeigenschaften werden Polyurethanmaterialien häufig im Bauwesen eingesetzt.
- Polyurethan-Formteile werden auch in Säulen und Türrahmen verwendet.
- Flexibles Polyurethan wird zur Herstellung teilelastischer Gurte und Bänder verwendet.
- Die Polyurethan-Elastomere mit niedriger Dichte werden häufig in der Schuhindustrie verwendet.
In Tabelle 1 sind verschiedene Eigenschaften von Polyurethan im Vergleich zu anderen herkömmlichen Materialien wie Gummi, Metall und Kunststoff aufgeführt.
| PU vs. Gummi | PU vs. Metall | PU vs. Kunststoff |
| Hohe Abriebfestigkeit | Leichtes Gewicht | Hohe Schlagfestigkeit |
| Hohe Schnitt- und Reißfestigkeit | Lärmminderung | Elastisches Gedächtnis |
| Überlegene Tragfähigkeit | Abriebfestigkeit | Abriebfestigkeit |
| Formteil mit dickem Querschnitt | Kostengünstigere Herstellung | Lärmminderung |
| Färbbarkeit | Korrosionsbeständigkeit | Variabler Reibungskoeffizient |
| Ölbeständigkeit | Widerstandsfähigkeit | Widerstandsfähigkeit |
| Ozonbeständigkeit | Schlagfestigkeit | Formteil mit dickem Querschnitt |
| Strahlungsbeständigkeit | Flexibilität | Geringere Werkzeugkosten |
| Breiterer Härtebereich | Leicht formbar | Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen |
| Ausgießbare Natur | Nicht leitend | Kaltflusswiderstand |
| Niederdruckwerkzeuge | Funkensicher | Strahlungsbeständigkeit |
Nahinfrarotspektroskopie als Werkzeug zur Qualitätsbeurteilung von Polyurethanen
Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist seit mehr als 30 Jahren eine etablierte Methode zur schnellen und zuverlässigen Qualitätskontrolle in der Polyurethanindustrie. Dennoch ziehen viele Unternehmen den Einsatz von NIRS in ihren QA/QC-Labors noch immer nicht konsequent in Betracht. Die Gründe dafür sind entweder begrenzte Erfahrungen mit den Anwendungsmöglichkeiten oder ein generelles Zögern bei der Einführung neuer Methoden.
Der Einsatz von NIRS bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen konventionellen Analysetechnologien. Zum einen ist NIRS in der Lage, mehrere Parameter in nur 30 Sekunden ohne jegliche Probenvorbereitung zu messen! Die nicht-invasive Licht-Materie-Wechselwirkung, die von der NIRS genutzt wird und die sowohl von den physikalischen als auch von den chemischen Eigenschaften der Probe beeinflusst wird, macht sie zu einer ausgezeichneten Methode für die Bestimmung beider Eigenschaftstypen.
Im weiteren Verlauf dieses Beitrags wird ein kurzer Überblick über Polyurethananwendungen gegeben, gefolgt von verfügbaren schlüsselfertigen Lösungen für die Polyurethananalyse, die gemäß den NIRS-Implementierungsrichtlinien der ASTM E1655 entwickelt wurden.
Anwendungen und Parameter für Polyurethane mit NIRS
Bei der Herstellung verschiedener Arten von Polyurethanen ist es wichtig, bestimmte Parameter zu überprüfen, um die Qualität der Endprodukte zu gewährleisten. Typische Parameter sind Hydroxylzahl, Säurezahl, Feuchtigkeit und Farbe in Polyolen sowie der NCO-Gehalt (Isocyanate), die (Gesamt-)Säurezahl und der Feuchtigkeitsgehalt in Polyurethanen. Die wichtigsten Anwendungen für die NIRS-Analyse in der Polyurethanproduktion sind weiter unten in diesem Artikel in Tabelle 2 aufgeführt.
Wo kann NIRS im Polyurethan-Produktionsprozess eingesetzt werden?
Abbildung 2 zeigt die einzelnen Schritte vom Kunststoffhersteller über den Kunststoffcompounder und den Kunststoffverarbeiter bis hin zum Kunststoffteile- und Schaumstoffhersteller.
Einfache Implementierung der NIR-Spektroskopie für Kunststoffhersteller
Metrohm verfügt über umfangreiches Know-how in der Analyse von Polymeren und bietet mit dem DS2500 Polyol Analyzer eine schlüsselfertige Lösung an. Dieses Gerät ist eine gebrauchsfertige Lösung für die Bestimmung mehrerer Qualitätsparameter in Polyolen und Polyurethanen. Für die Analyse von Polyurethan-Granulaten und -Teilen wird der Metrohm DS2500 Solid Analyzer empfohlen.
Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten der Polymeranalytik mit Metrohm DS2500 Analyzers in unserer kostenlosen Broschüre.
DS2500 Analyzer – Effizienzsteigerung im QC-Labor mit Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)
Anwendungsbeispiel: Vorkalibrierungen und Einstiegsmodell für die PU-Industrie auf dem DS2500 Polyol Analyzer
Die Bestimmung der unten in Tabelle 2 aufgeführten Parameter ist mit herkömmlichen Labormethoden ein langwieriger und schwieriger Prozess. Um sie alle zu messen, sind mehrere verschiedene Techniken erforderlich, was einen erheblichen Zeitaufwand bedeutet, nicht nur für die Analyse der Probe, sondern auch für die Geräteverwaltung und -wartung.
| Parameter | Primäre Methode | Zeit bis zum Ergebnis (primäre Methode) | Relevante NIRS-Application Notes | NIRS-Vorteile |
| Hydroxylzahl in Polyolen | Titration | 90 Min. Vorbereitung + 1 Min. Viskosimeter |
Alle drei Parameter werden innerhalb einer Minute gleichzeitig gemessen, ohne dass eine Probenvorbereitung oder chemische Reagenzien erforderlich sind. |
|
| NCO-Gehalt (Isocyanat) in PU | HPLC | 20 Minuten. Vorbereitung + 20 Min. HPLC | ||
| Feuchtigkeitsgehalt | Karl-Fischer-Titration | 25 Min. Vorbereitung + 5 Min. KF-Titration |
Die für Polyole erstellten NIRS-Prognosemodelle basieren auf einer großen Sammlung realer Produktspektren und wurden in Übereinstimmung mit der ASTM E1655 Standardpraxis für multivariate quantitative Infrarotanalyse entwickelt. Ausführlichere Informationen zu diesem Thema finden Sie in dem kostenlosen White Paper, das Sie unten herunterladen können.
Nahinfrarotspektroskopie: Quantitative Analyse gemäß ASTM E1655
Um mehr über Vorkalibrierungen für Polyole zu erfahren, laden Sie unsere Broschüre herunter und besuchen Sie unsere spezielle Webseite.
Broschüre: Qualitätskontrolle von Polyolen – Schnelle Ergebnisse mit NIR-Vorkalibrierungen
Ein Beispiel für einen speziellen ASTM-Standard, die sich auf NIRS bezieht, ist ASTM D6342 Standard Practice for Polyurethane Raw Materials: Bestimmung der Hydroxylzahl von Polyolen durch Nahinfrarotspektroskopie (NIR). Das folgende Anwendungsbeispiel zeigt, dass der DS2500 Polyol Analyzer, der im sichtbaren und nahen Infrarot-Spektralbereich (Vis-NIR) arbeitet, eine kostengünstige und schnelle Lösung für die Bestimmung der Hydroxylzahl in Polyolen und des NCO-Gehalts (Isocyanat) in Polyurethanen darstellt. Ohne Probenvorbereitung oder Chemikalien ermöglicht die Vis-NIR-Spektroskopie die Analyse aller drei in Tabelle 2 aufgeführten Qualitätsparameter in weniger als einer Minute. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt.
Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, dass sich die NIR-Spektroskopie hervorragend für die Analyse mehrerer Parameter in Polyolen und Polyurethanen in weniger als einer Minute ohne Probenvorbereitung oder Verwendung chemischer Reagenzien eignet.
Weitere Teile dieser Serie
Dieser Blog gibt einen detaillierten Überblick über den Einsatz der NIR-Spektroskopie als ideales Qualitätskontrollinstrument für Polyole und Isocyanate zur Herstellung von Polyurethan (PU). Weitere Beiträge in dieser Serie sind folgenden Themen gewidmet:
Überblick über NIRS in der Polymerproduktion
