Was Polyurethan-Elastomere langlebig und leistungsfähig macht
PU-Elastomere zählen zu den vielseitigsten Werkstoffen der modernen Kunststofftechnik. Sie werden in einer Vielzahl von Industrien und Anwendungen eingesetzt – von der Intralogistik bis zur Sportinfrastruktur. Ihre mechanischen Eigenschaften – von hoher Zugspannung und Elastizität bis zu überlegener Abriebfestigkeit – lassen sich durch gezielte Variation der chemischen Rezeptur präzise steuern. Der globale Markt für PU-Elastomere wurde 2023 auf rund 19,14 Mrd. US-Dollar geschätzt und soll bis 2032 mit einem CAGR von 5,5 % wachsen.
Und dennoch: Auswahlbedingte Mängel – vorzeitiger Abrieb, Härteverlust unter Dauerlast, Delaminierung von Metall-PU-Verbunden – sind eine häufige Ursache für Reklamationen und verkürzte Lebensdauer von Bauteilen. Mit der EU-Richtlinie 2024/869 kommen verschärfte Arbeitsschutzanforderungen hinzu (Diisocyanat-Grenzwert: 6 µg NCO/m³) – Formulierungsoptimierung bedeutet heute also gleichzeitig Performance- und Compliance-Management. Einen Überblick über regulierte Stoffe bietet unser Fachartikel zu REACH 2026 regulierte Stoffe.
Dieser Artikel zeigt auf Basis der Produkte aus dem Safic-Alcan-Portfolio, wann welche Systemkomponente die richtige Wahl ist – für Spielplatzbeläge, Räder, Rollen und Sicherheitsschuhe. Den Einstieg liefert Artikel #1 der Serie #ThePUFormula.
Mechanische Eigenschaften durch Polyol-Isocyanat-Abstimmung
Polymerketten und Segmentstruktur: chemische Basis des Werkstoffs Polyurethan-Elastomer
PU-Elastomere entstehen durch die Polyadditionsreaktion – eine stufenweise Polymerisation – von Polyolen, Isocyanat und Kettenverlängerer. Der Schlüssel zu ihren besonderen Eigenschaften liegt in der segmentierten Struktur der Polymerketten: Flexible, elastisch verformbare Weichsegmente aus langen Polyolketten wechseln sich mit steifen Hartsegmenten aus Isocyanat-Kettenverlängerer-Blöcken ab. Diese Mikrophasenseparation – vergleichbar dem Prinzip einer Vulkanisation bei klassischen Elastomeren, jedoch chemisch anders realisiert – ist die Ursache dafür, dass PU-Elastomere gleichzeitig hohe Elastizität und gute mechanische Festigkeit aufweisen.
Die mechanischen Eigenschaften von PU-Elastomeren im Überblick:
- Hohe Zugspannung und Reißfestigkeit: PU-Elastomere erzielen bei Gummihärte Zugfestigkeiten, die deutlich über denen von Naturkautschuk liegen können.
- Überlegene Abriebfestigkeit: PU-Elastomere zeichnen sich durch eine außergewöhnlich hohe Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit aus. Oberflächen, die im Betrieb abreiben oder starker Reibung ausgesetzt sind, profitieren besonders davon – beispielsweise Rollen, Räder, Fördertechnikkomponenten, Dichtungen oder Prall- und Verschleißschutzbauteile.
- Variabel einstellbarer Härtegrad: PU-Elastomere können durch gezielte Rezepturanpassung von weich-elastisch (Shore A < 50) bis hartelastisch (Shore A 80–95) eingestellt werden. Thermoplastische Varianten (TPU) ermöglichen zudem die Herstellung präziser Formteile im Spritzgussverfahren – ein wichtiger Vorteil im Maschinenbau und in der industriellen Serienfertigung.
- Gute thermische Beständigkeit: PUR-Elastomere sind je nach System typischerweise bis etwa 70–90 °C dauerhaft und stabil einsetzbar; speziell formulierte Hochtemperatursysteme erreichen auch höhere Einsatztemperaturen. Durch die thermische Beständigkeit gegenüber dauerhaften Betriebslasten – auch bei hohen Temperaturen und Schwingungsdämpfungsanforderungen – lassen sich deutlich längere Standzeiten und eine lange Lebensdauer erzielen als mit konventionellen Gummiwerkstoffen.
- Chemische Beständigkeit: Gute Beständigkeit gegenüber Ölen, Kraftstoffen, aggressiven Chemikalien und weiteren Medien – eine Anforderung, die besonders in industriellen Umgebungen der Logistik, Fertigung und im Maschinenbau entscheidend ist.
Das Diprane C590/45 Polyol von DOW ist im Safic-Alcan-Portfolio für PU-Anwendungen mit hohen mechanischen Anforderungen positioniert. Es liefert die chemische Grundlage für Elastomere mit definierten mechanischen Eigenschaften und bildet die Basis für Systeme, bei denen Abriebfestigkeit, Zugspannung und Elastizität präzise eingestellt werden müssen.
Polyester vs. Polyether: flexibel die richtige Basis für jede Anwendung wählen
Bei der Polyolauswahl gilt: Polyester-Urethane (AU) bieten bessere mechanische Eigenschaften – höhere Zugspannung und Abriebfestigkeit –, während Polyether-Urethane (EU) mit überlegener Hydrolyse- und Witterungsbeständigkeit punkten.
Shore-Härte als Steuerungsparameter
Die Shore-Härte ist ein zentraler messbarer Kennwert zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von PU-Elastomeren. Sie wird maßgeblich durch die chemische Zusammensetzung des Systems beeinflusst, insbesondere durch die Wahl von Polyoltyp und -molekulargewicht, Isocyanatstruktur sowie Art und Anteil des Kettenverlängerers. Dadurch lässt sich das Eigenschaftsprofil von weich-elastisch (Shore A < 50) bis hartelastisch (Shore A 80–95) gezielt einstellen; darüber hinaus sind auch deutlich härtere Systeme bis in den Shore-D-Bereich realisierbar. Diprane C590/45 ermöglicht dabei eine prozesssichere Einstellung definierter Härte- und Eigenschaftsbereiche.
Praxisbeispiel 1: Räder und Rollen aus Gummi und PU für industrielle Anwendungen
Die Rezeptur des PU-Werkstoffs ist bei Rädern und Rollen für intralogistische Anwendungen der entscheidende Qualitätsfaktor – sie beeinflusst Belagshärte, Rückprallelastizität, Abrieb, Tragfähigkeit, Rollwiderstand, Schwingungsdämpfung und Kälteflexibilität maßgeblich. PU-Elastomere mit hoher Abriebfestigkeit und guten Dämpfungseigenschaften sind dabei Gummirädern klar überlegen und gelten als Standard in der Intralogistik.
Ein grundlegendes technisches Problem im Hochleistungsbetrieb: Bei Dauerbetrieb über 22 km/h entstehen im Belag thermische Belastungen, die zur Ablösung des Radbelags vom Metallkern führen können. Hier entscheidet neben dem Elastomersystem auch der Haftvermittler die Lebensdauer und Betriebssicherheit des Rades.
Die thermische Belastung im Hochleistungsbetrieb überschreitet die Toleranzgrenze schwacher Haftvermittler und führt zur Belagslösung. DuPont's Systeme adressieren dieses Problem durch thermisch stabile Primer. Thixon 406, Thixon 409 und Thixon 422 kombinieren mechanische Scherfestigkeit, gute Beständigkeit gegen Öle und Chemikalien sowie thermische Stabilität.
Praxisbeispiel 2: Spielplatzbelag nach DIN EN 1177
Polyurethane kommen nicht nur als klassische PU-Elastomere zum Einsatz, sondern bieten auch als Beschichtungen und Bindemittel vielfältige Einsatzmöglichkeiten in sicherheitsrelevanten Außenanwendungen. Ein typisches Beispiel sind Spielplatzbeläge aus Gummigranulat (SBR oder EPDM), die mit feuchtigkeitshärtenden PUR-Bindemitteln verarbeitet werden.
Die Anforderungen an diese Systeme sind hoch: Der Belag muss dauerhaft abriebfest, witterungs- und UV-beständig sein und gleichzeitig definierte stoßdämpfende Eigenschaften erfüllen. Grundlage hierfür ist die DIN EN 1177:2018, die zwei sicherheitsrelevante Grenzwerte vorgibt: den HIC-Wert (≤ 1.000) sowie den gmax-Wert (≤ 200 g). Beide Kennwerte beschreiben das Stoßverhalten des Bodens und sind entscheidend für den Fallschutz auf Spielplätzen.
Die Qualität des PUR-Bindemittels beeinflusst dabei maßgeblich das mechanische Verhalten und die Langzeitstabilität des Gesamtsystems. Besonders im Außenbereich müssen die Eigenschaften des Belags über viele Jahre unter wechselnden Temperaturen, Feuchtigkeit und UV-Belastung erhalten bleiben. Entscheidend sind daher hydrolyse- und witterungsbeständige Isocyanatsysteme mit dauerhaft hoher Bindekraft und Elastizität. Flexibel einstellbare PUR-Beschichtungen ermöglichen dabei, Härtegrad und Elastizität an die spezifischen Anforderungen der Spielfläche anzupassen.
DuPont Thixon 406, 409, 422 und Diluant D16 – Haftvermittler für dauerhafte Elastomer-Metall-Verbindungen
Was Haftvermittler leisten müssen – mechanisch und chemisch
Haftvermittler (auch Primer, Haftprimer, Adhäsionsförderer) stellen in der Grenzfläche zweier unverträglicher Werkstoffe eine chemische oder physikalische Bindung her. Ihr Wirkmechanismus beruht auf der Erhöhung der Benetzbarkeit der Substratoberfläche, der chemischen Aktivierung durch funktionelle Gruppen sowie der Bildung einer Intermediärschicht, die unterschiedliche Oberflächenenergien überbrückt.
Die mechanischen Anforderungen an einen Haftvermittler in der Elastomerverarbeitung sind hoch: Er muss Scherkräfte, thermische Wechselbelastung und den Kontakt mit Chemikalien, Ölen und Witterungseinflüssen dauerhaft überstehen, ohne an Haftfestigkeit zu verlieren. Nur dann ist eine lange Lebensdauer des Gesamtbauteils – ob Sicherheitsschuh oder Gabelstapler-Rad – wirklich gesichert. Der richtige Haftvermittler ist damit die Lösung für anspruchsvolle Anwendungen, in denen Haftversagen keine Option ist.
Thixon 406, 409 und 422: drei Systeme für unterschiedliche Belastungsprofile
Safic-Alcan führt drei DuPont-Haftvermittler, die für die Bindung von Polyurethan-Elastomeren an Metallsubstrate eingesetzt werden:
- Thixon 406: Einschift Haftvermittler für langlebige Verbindungen auch unter anspruchsvollen Bedingungen.
- Thixon 409: Einschicht-Haftvermittler für die direkte Haftung von Polyurethan an Metallen bei höheren Aushärtungstemperaturen (> 80 °C).
- Thixon 422: Einschicht-Haftvermittler zur Haftung von Polyurethan bzw. TPU an Metallen und anderen festen Werkstoffen.
Diluant D16: Viskositätssteuerung als Qualitätsfaktor
DILUANT D 16 ist ein speziell formulierter Lösungsmittel‑Verdünner für die PU-Haftvermittler der THIXON‑Serie (z. B. 406, 409, 422), der zur Einstellung von Viskosität und Verarbeitungseigenschaften eingesetzt wird. Das spezielle Lösungsmittelgemisch ermöglicht eine gleichmäßige Applikation beim Sprühen, Tauchen oder Streichen.
Praxisbeispiel 3: Hochwertige Schuhsohlen – Formteile, Beschichtungen und kompakte PU-Systeme
PU-Elastomere haben sich für hochwertige Schuhsohlen als vielseitiger Kunststoff und Werkstoff etabliert. Durch ihre flexiblen Formulierungsmöglichkeiten lassen sich PU-Systeme als elastische Lösungen für sicherheitskritische Anwendungen gezielt anpassen: Sie kombinieren gute Dämpfungseigenschaften mit hoher Abriebfestigkeit, geringem Gewicht und dauerhaftem Tragekomfort. Je nach Anwendung stehen dabei Elastizität, Rückprallverhalten, Hydrolysebeständigkeit oder mechanische Belastbarkeit im Fokus.
Da die Anforderungen je nach Schuhtyp stark variieren, werden PU-Systeme individuell auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. Reaktionsprofil, Dichte, Härte und Schaumeigenschaften der eingesetzten Komponenten – darunter Polyole, Isocyanate und ggf. Weichmacher – lassen sich gezielt anpassen – beispielsweise für weich gedämpfte Freizeitschuhe, sportliche Anwendungen oder hochbelastbare Sicherheits- und Arbeitsschuhe.
Entscheidungshilfe: Einsatzgebiete und Systeme für Polyurethan-Elastomeren im Vergleich
Die Systeme ergänzen sich in der Praxis – ihre Kombination liefert das vollständige Leistungsprofil:
- Diprane C590/45 (DOW) eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Abriebfestigkeit, Zugfestigkeit und Elastizität. Typische Einsatzgebiete sind Siebbeläge, Verschleißschutzkomponenten, Dämpfungselemente sowie Räder, Rollen und Walzen
- Thixon 406 (DuPont) oder Thixon 409 (DuPont) wählen, wenn: eine schnell verarbeitbare Einschicht-Lösung bei höheren Verarbeitungstemperaturen (> 80 °C) gefragt ist.
- Thixon 422 (DuPont) wählen, wenn: sehr gute Hydrolyse- und Temperaturbeständigkeit bei niedrigeren Verarbeitungstemperaturen gefragt ist.
- Diluant D16 (DuPont) wählen, wenn: Thixon 400-Serie für Sprüh-, Tauch- oder Pinselapplikation auf die korrekte Viskosität und Verarbeitungseigenschaften eingestellt werden müssen.
Fazit: Mechanische Eigenschaften und Beständigkeit entstehen durch Systemkompetenz
Performance entsteht nicht durch einen einzelnen Rohstoff – sie entsteht durch das Zusammenspiel aus der Formulierung des PU-Systems, Haftvermittler und Verarbeitungsparametern. Diprane C590/45 von DOW definiert die mechanischen Kerneigenschaften: Abriebfestigkeit, Zugspannung und Elastizität des PU-Elastomers. Die DuPont-Haftvermittler Thixon 406, Thixon 409 und Thixon 422 sichern die dauerhafte Bindung an Metallsubstrate – mit guter Beständigkeit gegen mechanische, thermische und chemische Belastung. Diluant D16 gibt Formulierern die Kontrolle über den Verarbeitungsprozess. Wer diese Systeme kennt und aufeinander abstimmt, verlängert die Lebensdauer seiner Produkte und reduziert Reklamationen. Interessieren Sie sich für weitere Hochleistungskunststoffe aus unserem Portfolio? Unser Fachartikel zu PVDF (Polyvinylidenfluorid) zeigt, wie ein weiterer technischer Kunststoff in Beschichtungen, Batteriesystemen und Filtration eingesetzt wird.
Im nächsten Beitrag #3 von #ThePUFormula zeigen wir, wie Momentive-Silikone Schaumstrukturen für Komfort und Dämpfung steuerbar machen.
FAQ – Häufig gestellte Fragen zu mechanischen Eigenschaften, Haftvermittlern und PU-Formulierung
Was sind die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von PU-Elastomeren?
Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von PU-Elastomeren sind: hohe Abriebfestigkeit (PU gilt als Verschleißfestester Elastomerwerkstoff), breite Zugspannungswerte je nach Rezeptur, gute Elastizität über einen weiten Shore-Härtebereich sowie thermische Beständigkeit bis ca. 90 °C und chemische Beständigkeit gegen Öle und Kraftstoffe. Diese Kombination macht PU-Elastomere zu einem der meisteingesetzten Werkstoffe in Intralogistik, Verschleisschutz, und Schutzausrüstung.
Was ist der Unterschied zwischen Vulkanisation bei Gummielastomeren und der PU-Aushärtung?
Bei klassischen Gummielastomeren werden durch Vulkanisation Schwefelbrücken zwischen den Polymerketten gebildet, die das Material vernetzen und elastisch machen. PU-Elastomere funktionieren nach einem anderen chemischen Prinzip: Durch die Polyadditionsreaktion von Polyol und Isocyanat entstehen Urethan-Bindungen entlang der Polymerketten – bei wassergetriebenen Systemen entsteht CO₂ als Nebenprodukt, das den Schaum treibt. Das Ergebnis ist vergleichbar – ein vernetztes, elastisches Material –, aber PU erreicht bei gleicher Härte deutlich höhere Abriebfestigkeit und ein höhres mechanisches Anfoderungsprofil (Zugfestigkeit etc.) als vulkanisierter Gummi.
Wie beeinflusst die Zugspannung die Lebensdauer von PU-Bauteilen?
Die Zugspannung beschreibt die Kraft, die ein Elastomer aufnehmen kann, bevor es zu plastischer Verformung oder Riss kommt. Hochwertige PU-Elastomere lassen sich unter Last verformen lassen und kehren reversibel in ihre ursprüngliche Form – die Ausgangsform – zurück. In der Praxis ist die Zugspannung für die Lebensdauer von PU-Bauteilen unter dynamischer Belastung entscheidend: Ein zu weiches Elastomer (geringe Zugspannung) verformt sich dauerhaft, ein zu hartes verliert Elastizität und bricht früher. Die Polyolwahl mit Produkten wie Diprane C590/45 steuert diesen Parameter direkt.
Was ist der Unterschied zwischen Polyester- und Polyether-Polyolen bezüglich mechanischer Eigenschaften?
Polyester-Urethane (AU) bieten bessere mechanische Eigenschaften – höhere Zugspannung und eine bessere Abriebfestigkeit – und eignen sich für statisch und dynamisch hochbelastete Bauteile. Polyether-Urethane (EU) punkten mit überlegener Witterungsbeständigkeit und Hydrolyseresistenz, was sie für Außenanwendungen und feuchte Umgebungen zur besseren Wahl macht. Die Entscheidung beeinflusst maßgeblich, welches Polyol – wie Diprane C590/45 – für eine Zielanwendung die bessere Grundlage liefert.
Wie wirkt sich die Witterungsbeständigkeit auf die Formulierungswahl aus?
Für Außenanwendungen ist Witterungsbeständigkeit ein primäres Selektionskriterium: UV-Strahlung, Temperaturwechsel und Feuchte degradieren PU-Systeme unterschiedlich schnell, abhängig von Polyoltyp und Formulierung. Polyether-basierte Systeme zeigen dabei generell bessere Langzeitbeständigkeit unter Witterungseinfluss, während Polyester-Systeme bei erhöhter Luftfeuchtigkeit durch Hydrolyse schneller altern.
Wie beeinflusst die EU-Richtlinie 2024/869 die Formulierungspraxis?
Die EU-Richtlinie 2024/869 legt erstmals europaweit einheitliche Grenzwerte für Diisocyanate fest: Der Arbeitsplatz-Expositionsgrenzwert beträgt 6 µg NCO/m³. Das bedeutet für Formulierer: Prozessplanung, Schutzausrüstung und Ventilation müssen explizit auf diese Grenzwerte ausgerichtet werden.