Isocyanate — Härter für 2K-PUR

Die Bausteine: Diisocyanate

Härter für 2K-PUR bauen auf Diisocyanaten auf. Aromatische Typen sind Toluylendiisocyanat (TDI) und Diphenylmethandiisocyanat (MDI); sie tragen die Isocyanatgruppe an einem aromatischen Ring. Aliphatisch ist Hexamethylendiisocyanat (HDI) — eine reine, offenkettige Kohlenstoffkette ohne Ring. Cycloaliphatisch ist Isophorondiisocyanat (IPDI): Es trägt einen gesättigten Ring (vom Isophoron) und besitzt sogar zwei unterschiedlich reaktive NCO-Gruppen — eine ringständige (sekundäre) cycloaliphatische und eine primäre aliphatische an der Seitenkette. Ohne Katalysator reagiert die ringständige Gruppe schneller; mit Zinnkatalysator (DBTL) kehrt sich das um, dann ist die Gruppe an der Seitenkette die schnellere. Angeliefert und verarbeitet werden diese Härter meist in Butylacetat, Xylol oder Methoxypropylacetat (siehe L-25) — entscheidend ist, dass das Lösemittel selbst frei von OH- und NH-Gruppen ist, sonst würde es mit dem NCO reagieren, statt nur zu verdünnen.

Warum Oligomere statt Monomere

Monomere Diisocyanate unterscheiden sich stark in ihrer Flüchtigkeit; ihre Isocyanatgruppen können die Atemwege sensibilisieren. Deshalb setzt man sie zu höhermolekularen Oligomeren um: Diese haben einen sehr geringen Dampfdruck — das senkt vor allem die Flüchtigkeit — und eine höhere Funktionalität, die zugleich die Vernetzungsdichte des Films erhöht. Der freie Monomeranteil wird niedrig gehalten. Seit dem 24. August 2023 dürfen Diisocyanate für industrielle und gewerbliche Anwendungen oberhalb der REACH-Schwelle von 0,1 Gew.-% nur verwendet werden, wenn die vorgeschriebene Schulung zur sicheren Verwendung erfolgreich absolviert wurde; maßgeblich ist die Konzentration der Diisocyanate einzeln und in Kombination — nicht lediglich der freie Monomeranteil eines Polyisocyanats. Ganz ungefährlich sind die Oligomere aber nicht: Ihre freien Isocyanatgruppen wirken weiter haut- und atemwegssensibilisierend, vor allem als Spritznebel (Aerosol) — beim Spritzen bleiben Kabine und Atemschutz Pflicht. Das allgemeine Muster zeigt L-173.

Die wichtigsten Oligomere

• Isocyanurat (Trimer) — drei Isocyanate zu einem Ring verknüpft; wetter- und chemikalienbeständig.
• Biuret — aus drei Isocyanaten über eine Harnstoffbrücke; ähnlich beständig.
• Uretdion (Dimer) — zwei Isocyanate zu einem Ring; abspaltungsfreier Vernetzer, u. a. in Pulverlacken.
• Allophanat und Addukte mit Triolen (z. B. Trimethylolpropan) — weitere Härtertypen.
• Noch größer: NCO-terminierte Präpolymere — große Vorstufenmoleküle mit freien Isocyanat-Enden — für feuchtigkeitshärtende 1K-PUR-Systeme, z. B. Zinkstaubgrundierungen (siehe L-101). Zu unterscheiden von Präpolymeren für wässrige Polyurethandispersionen (siehe L-74) — dort läuft die Kettenverlängerung im Wasser ab, nicht über Luftfeuchtigkeit.

Aromatisch, aliphatisch oder cycloaliphatisch

Aromatische Härter (TDI, MDI) sind reaktiv und kostengünstig, neigen aber zur Vergilbung unter Licht — sie werden deshalb bevorzugt für Grundierungen, Füller und Innenanwendungen eingesetzt. Aliphatische und cycloaliphatische Härter (HDI, IPDI) sind wetter- und vergilbungsbeständig und damit die Wahl für hochwertige Decklacke, etwa in der Automobilreparatur. Unter ihnen ergibt das aliphatische HDI eher flexible, das cycloaliphatische IPDI eher harte Filme.

Die Kennzahl: NCO-Gehalt

Härter werden über ihren NCO-Gehalt (Massenanteil freier Isocyanatgruppen) charakterisiert. Er sagt, wie viel reaktive Gruppe je Gramm zur Verfügung steht, und ist die Grundlage für die Berechnung des Mischungsverhältnisses mit dem OH-Bindemittel (siehe L-27). Je höher der NCO-Gehalt, desto weniger Härter wird je Gramm Bindemittel gebraucht.

Reaktionsgleichung: Monomer → Oligomer

Trimerisierung zum Isocyanurat:
  3 O=C=N–R–N=C=O → Isocyanurat-Ring (3 freie NCO)

Biuret-Bildung (über Wasser):
  R–NCO + H₂O → R–NH₂ + CO₂
  R–NH₂ + 2 R–NCO → Biuret (3 freie NCO)

Aus den flüchtigen, sensibilisierenden Diisocyanat-Monomeren werden so dampfdruckarme Härter mit mehreren NCO-Gruppen.

Merksatz