Polyisocyanurat-Schaumstoff (PIR) ist ein duroplastischer, geschlossenzelliger Kunststoffschaum, der durch die exotherme Reaktion zwischen Polyisocyanaten und Polyolen entsteht. Seine einzigartige Molekularstruktur - gekennzeichnet durch eine hohe Konzentration thermisch stabiler Isocyanurat-Ringe - verleiht ihm im Vergleich zu herkömmlichen Polyurethan-Schaumstoffen (PUR) hervorragende Wärmedämmeigenschaften und Feuerbeständigkeit. PIR-Schaum wurde in den 1960er Jahren entwickelt und hat sich zu einem wichtigen Material im Bauwesen, beim Transport von Flüssiggas, in der Luft- und Raumfahrt und bei der industriellen Isolierung entwickelt, da er in der Lage ist, zwischen -196°C und +150°C unter Beibehaltung der strukturellen Integrität.
Kerneigenschaften und Leistungsmetriken
Die molekulare Architektur von PIR-Schaum ermöglicht eine Kombination von physikalischen und thermischen Eigenschaften, die von herkömmlichen Hartschaumstoffen nicht erreicht wird.
Thermische Leistung
Niedrige Wärmeleitfähigkeit: Frische PIR-Schaumstoffproben weisen eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,019 W/(m-K)die im Laufe der Zeit stabil bleibt (gealterte Proben: ≤0,0218 W/(m-K)). Dies übertrifft PUR-Schäume und Mineralwolle.
Hohe R-Werte: Der R-Wert (Wärmewiderstand pro Zoll) von PIR liegt normalerweise zwischen R-6.0 und R-7.0Das macht es zu einem der effizientesten Dämmstoffe auf dem Markt.
Breite Betriebstemperatur: PIR behält seine Eigenschaften bei extremen Temperaturen, von kryogene Bedingungen (-196°C) in der LNG-Lagerung zu +150°C bei Anwendungen im Dachbereich .
Mechanische Festigkeit
Druckbeständigkeit: Bei Umgebungstemperaturen hält der PIR-Schaumstoff einer Druckfestigkeit von ≥200 kPa bei einer Verformung von 10% stand. Nach einem 8-stündigen Eintauchen in flüssigen Stickstoff (-196°C) erhöht sich dieser Wert auf ≥280 kPa, was seine Zuverlässigkeit in kryogenen Umgebungen beweist.
Dimensionsstabilität: Die lineare Wärmeausdehnung ist minimal (≤70×10-⁶ m/m-K), was ein Verziehen oder Schrumpfen bei Temperaturschwankungen verhindert.
Feuerbeständigkeit und Sicherheit
Flammenausbreitung: PIR erreicht eine maximale Flammenausbreitungsrate von <25und erfüllt die Brandschutzklasse B1 (gemäß GB8264-Norm) und zur Verringerung der Rauchentwicklung.
Sauerstoff-Index: Mit einem Sauerstoffindex ≥26 erlischt PIR selbst, wenn die Zündquelle entfernt wird.
Geringe Toxizität: Im Gegensatz zu früheren PUR-Schaumstoffen minimieren moderne PIR-Formulierungen toxische Nebenprodukte wie aromatische Amine durch optimierte Aushärtung.
Umweltverträglichkeit
Wasserbeständigkeit: Die Wasseraufnahme ist begrenzt auf ≤5%und seine geschlossenzellige Struktur begrenzt die Dampfdurchlässigkeit (≤0,8 g/m²).
Chemische Beständigkeit: Aufgrund seiner inerten Polymermatrix ist es korrosions-, schimmel- und lösungsmittelbeständig.
Herstellungsprozess: Chemie und Produktion
Rohmaterialien
Isocyanate: Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) ist aufgrund seiner Reaktivität und thermischen Stabilität die wichtigste Komponente.
Polyole: Polyole auf Erdölbasis (OH-Zahl >200) oder biobasierte Alternativen (z. B. aus Rapsöl gewonnene Polyole) dienen als Co-Reaktanten.
Katalysatoren: Kaliumacetat oder quaternäre Ammoniumsalze treiben die Isocyanurat-Trimerisierungsreaktionund bilden robuste Ringstrukturen.
Treibmittel: Wasser reagiert mit Isocyanaten unter Bildung von CO₂, obwohl zunehmend Hydrofluorolefine (HFOs) mit niedrigem Treibhauspotenzial verwendet werden.
Mechanismus der Reaktion
Die PIR-Synthese hängt ab von der Trimerisierungsreaktion, bei der drei Isocyanatgruppen (NCO) zu Isocyanuratringen cyclisieren. Diese Reaktion dominiert die Urethanbildung (>70%-Umsatz), wenn die Katalysatoren optimiert werden. Die resultierende Struktur enthält Urethan-, Harnstoff-, Biuret- und Isocyanurat-Bindungen.
Produktionsmethoden
Kontinuierliche Laminierung: Für DämmplattenDie Chemikalien werden gemischt, auf Deckschichten (z. B. Aluminiumfolie) aufgetragen und in einem Doppelförderofen ausgehärtet. Temperatursensoren überwachen den Schaumanstieg (140-160 °C), um die Qualität zu gewährleisten.
Sprühen/Gießen Schäumen: Für Anwendungen vor Ort (z. B. Bedachungen oder LNG-Tanks) liefert ein Zweikomponenten-Sprühsystem Schaum, der innerhalb von Sekunden expandiert und aushärtet. Bei den von der NASA entwickelten Formulierungen für Space-Shuttle-Tanks wurde Gießschaum verwendet, der sich bei kryogenen Temperaturen mit Aluminium verbindet.
Batch-Produktion: Individuelle Formen werden durch Gießen von Schaum in Formen und anschließendes Aushärten im Ofen hergestellt.
Umweltverträgliche Innovationen
Bio-Polyole: Polyole auf Rapsölbasis, die durch Epoxidierung oder Umesterung hergestellt werden, verringern die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
Flammhemmende Modifikatoren: Expandierbarer Graphit (3-9 Gew.%) erhöht die Feuerbeständigkeit ohne halogenhaltige Zusatzstoffe.
Branchenübergreifende Anwendungen
Bauwesen und Konstruktion
PIR-Platten dominieren die Flachdach- und Wanddämmung aufgrund ihres hohen R-Werts und ihrer Brandsicherheit. Die Dicken sind CNC-geschnitten und minimieren die Wärmebrückenbildung.
Industrielle kryogene Isolierung
Pipelines und Lagertanks für verflüssigtes Erdgas (LNG) (-196°C) sind aufgrund ihrer thermischen Stabilität und Druckfestigkeit unter der Einwirkung von flüssigem Stickstoff auf PIR angewiesen.
Luft- und Raumfahrt und spezialisierte Anwendungen
Die externen Tanks des Space Shuttle der NASA PIR-Gießschaum als Wärmeschutz. Neuere Formulierungen verbessern die Haftung an Aluminium und die kryogene Leistung.
Polyisocyanurat vs. Polyurethan-Schaumstoff: Kritische Unterschiede
Obwohl es sich bei beiden um Sprühdämmung oder Plattenisolierung handelt, bietet die Molekularstruktur von PIR deutliche Vorteile:
Tabelle: PIR vs. PUR Leistungsvergleich
| Eigentum | PIR-Schaum | PUR-Schaum |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | 0,019-0,022 W/(m-K) | 0,022-0,025 W/(m-K) |
| Betriebstemperatur | -196°C bis +150°C | -50°C bis +120°C |
| Druckfestigkeit | ≥200-280 kPa | 100-150 kPa |
| Feuerbeständigkeit | Einstufung B1, Sauerstoffindex ≥26 | Einstufung B2, Sauerstoffindex ~22 |
| Typische Kosten | 10-15% höher | Niedrigere Grundkosten |
Tabelle: Technische Spezifikationen von PIR-Schaum (gemäß Industriestandards)
| Parameter | Einheit | Wert |
|---|---|---|
| Dichte | kg/m³ | ≥35 |
| Wärmeleitfähigkeit | W/(m-K) | ≤0,019 (frisch) |
| Druckfestigkeit | kPa | ≥200 (Umgebung) |
| Sauerstoff-Index | - | ≥26 |
| Wasserabsorption | % | ≤5 |
| Chloridgehalt | ppm | ≤60 |
Polyisocyanurat-Schaumstoff setzt den Maßstab für starre duroplastische Dämmstoffe durch seine Mischung aus ultraniedrige Wärmeleitfähigkeit, außergewöhnliche Feuerbeständigkeitund mechanische Haltbarkeit. Innovationen bei biobasierten Rohstoffen und Treibmitteln mit niedrigem Treibhausgasanteil verbessern sein Nachhaltigkeitsprofil, während Fortschritte bei der Herstellung für Präzision in anspruchsvollen Anwendungen von der LNG-Infrastruktur bis zur Luft- und Raumfahrt sorgen. Obwohl es teurer ist als PUR, rechtfertigen seine Lebenszykluseffizienz und Sicherheit die Investition für das kritische Wärmemanagement.
