PIR und PUR

Polyurethan (abgekürzt PUR) ist eine Familie von Kunststoff­polymeren, die durch eine chemische Reaktion zwischen zwei flüssigen Grundkomponenten entsteht:

1. Einem Polyol — einem Alkohol mit mehreren Hydroxyl-Gruppen (-OH)
2. Einem Isocyanat — einer Chemikalie mit reaktiven (-N=C=O)-Gruppen, typischerweise MDI (Methylen-diphenyl-diisocyanat) oder TDI (Toluol-diisocyanat)

Wenn die beiden Komponenten gemischt werden, reagiert die -OH-Gruppe mit der -N=C=O-Gruppe und bildet eine Urethan-Bindung (-NH-CO-O-). Die Reaktion ist exotherm (gibt Wärme ab), sie geschieht innerhalb von Sekunden bis Minuten, und das Ergebnis ist ein festes Kunststoff­polymer. Es ist diese Urethan-Bindung, die der gesamten Familie ihren Namen gegeben hat.

Das Interessante ist, dass man den Prozess steuern und damit die Produkt­eigenschaften beeinflussen kann, indem man Folgendes anpasst:

• Das Verhältnis zwischen Polyol und Isocyanat
• Den Typ des Polyols (kurze Kette vs. lange Kette → weich vs. hart)
• Die Zugabe eines Treibmittels (Treibgas) → ergibt porösen Schaum
• Katalysatoren → steuern die Reaktions­geschwindigkeit und den Bindungs­typ
• Zusatzstoffe wie Brandhemmer, UV-Stabilisatoren, Pigmente

Das Ergebnis ist eine bemerkenswert flexible Material­familie. Dieselbe Grund­chemie kann ergeben:

• Hartschaum (Kühlschrank, FW-Rohre, Dachisolierung von Bauplatten)
• Weichschaum (Sofakissen, Matratze, Autositze)
• Klebstoff und Fugenmasse (PUR-Kleber, Schuhsohlen-Kleber)
• Farbe und Lack (PUR-Lack für Holz und Metall)
• Elastomere (Skirollen, Förderbänder, Dichtungsringe)
• Fasern und Textilien (Spandex / Lycra)

In der technischen Isolierung wird ausschließlich die harte, geschlossen­zellige Schaumform verwendet — das ist der steife, gelbe oder cremeweiße Schaum, den man in einer aufgeschnittenen FW-Rohrschale sieht.

PUR wurde in Deutschland im Jahr 1937 von dem Chemiker Otto Bayer (1902-1982) bei IG Farben in Leverkusen entdeckt — dem Unternehmen, das später zur Bayer AG wurde. Die Entdeckung war ursprünglich eine Alternative zum amerikanischen Nylon (Du Ponts kürzlich patentierte Polyamid-Faser). Das Bayer-Team fand die Diisocyanat-Polyaddition als eine völlig neue Polymerisations­methode, und das öffnete die Tür zu einer ganzen Familie von Materialien.

Die industrielle Produktion von PUR-Schaum begann erst in den 1950er Jahren richtig. In den 1960er-70er Jahren setzte sich der PUR-Schaum dann ernsthaft als Isolierungs­material durch — zuerst in Kühlschränken, dann in Fernwärme­rohren und Bau­konstruktionen. In den 1970er-80er Jahren wurde PIR (Polyisocyanurat) als brandsicherere Variante für dieselbe Anwendung entwickelt, und diese Umstellung fiel mit verschärften Brand­anforderungen in den nordeuropäischen Bau­ordnungen zusammen.

Der Unterschied zwischen PUR und PIR ist kein neues Grund­material, sondern eine Anpassung der Reaktions­rezeptur:

• PUR: etwa gleich großes Molverhältnis von Isocyanat und Polyol → Urethan-Bindungen dominieren → "gewöhnlicher" Polyurethan-Schaum
• PIR: großer Überschuss an Isocyanat (typischerweise 1,5-3-fache Polyol-Menge) + ein Katalysator, der die Isocyanat-Isocyanat-Reaktion fördert → ein Teil der Isocyanate reagiert miteinander in einer Trimerisierung und bildet Isocyanurat-Ringe — eine dichte sechs­eckige Ring­struktur mit drei Stickstoff-Atomen

Die Trimerisierung ist der Schlüssel. Der Isocyanurat-Ring ist thermisch und chemisch wesentlich stabiler als die lineare Urethan-Bindung. Das liegt an mehreren Dingen:

1. Aromatisch-ähnliche Stabilität — die Ringstruktur ist energetisch günstig, ebenso wie der Benzol-Ring
2. Höherer Stickstoff­gehalt — stickstoff­reiche Polymere brennen schlechter als reine Kohlenwasserstoff­ketten
3. Stärker vernetztes Netzwerk — schwerer zu schmelzen und zu verformen

Konkrete Folgen:

Beim λ-Wert ist der Unterschied gering — die Zellstruktur und das Treibgas sind weitgehend dieselben. PIR liegt typischerweise 1-3 Hundertstel niedriger als PUR, aber nicht viel. Der ganz große Unterschied liegt im Brand- und Temperatur­bereich.

Faustregel: PUR für verdeckte und Niedertemperatur­anwendungen (typischerweise FW im Erdreich). PIR dort, wo Brand ein reales Risiko ist oder die Temperatur über 100 °C steigt.

Der niedrige Lambda-Wert von PUR/PIR liegt nicht daran, dass das Polymer­material selbst besonders gut isoliert — die "eigene" Wärmeleitung der Polymere liegt tatsächlich bei etwa 0,20-0,25 W/(m·K), also 10-mal schlechter als der fertige Schaum. Das Geheimnis ist die Struktur.

Ein Stück harter PUR-Schaum besteht aus Milliarden mikroskopisch kleiner geschlossener Zellen — typischerweise 0,1-0,5 mm im Durchmesser — getrennt durch dünne Polymer-Wände. Jede Zelle enthält eine gas­gefüllte Blase. Wenn Wärme durch den Schaum transportiert werden soll, geschieht das über vier Mechanismen:

1. Leitung durch die Polymer­wände (~30-40 % der Gesamtmenge)
2. Leitung durch das Gas (~40-50 % der Gesamtmenge)
3. Konvektion in den Zellen (nahezu 0 — die Zellen sind zu klein, als dass das Gas zirkulieren könnte)
4. Strahlung zwischen den Zellwänden (~10-20 %)

Es ist das Treibgas, das den Ausschlag gibt. Während das Lambda von Luft etwa 0,026 W/(m·K) beträgt, liegen Fluor­kohlenwasserstoffe (die alten FCKW) bei 0,008-0,010, und Cyclopentan — der moderne Ersatz — bei 0,012-0,015 W/(m·K). Eine mit Cyclopentan gefüllte Zelle leitet also 40-50 % weniger Wärme als eine mit gewöhnlicher Luft gefüllte Zelle.

Das ist der Grund, warum man ein Gesamt-Lambda bis hinunter zu 0,022 W/(m·K) für frische PIR-Schalen erreicht — es ist eine Kombination aus geschlossenen Zellen, dichtem Polymernetz und einem schweren Gas mit niedriger Wärmeleitung.

Zum Vergleich: Mineralwolle hat normalerweise λ ~0,033-0,040. PUR/PIR isoliert also etwa 20-35 % besser pro Millimeter — der einzige Bereich, in dem PIR/PUR Mineralwolle bei der physikalischen Leistung schlägt.

Hier wird es fachlich wichtig. Das Treibgas in den Zellen bleibt nicht für immer in den Zellen. Es diffundiert langsam heraus durch die Polymer­wände, und gleichzeitig diffundieren N₂ und O₂ der Luft hinein. Es ist ein irreversibler Prozess — im Laufe der Zeit wechselt der Inhalt der Zellen von "reinem Cyclopentan" zu einer "Mischung mit steigendem Luftanteil".

Die Folge: Lambda steigt.

Die Diffusions­geschwindigkeit hängt ab von:

• Dicke und Dichte der Zellwände — gute Produktionsqualität → langsamere Alterung
• Schutz­barriere — Aluminium­folie ist nahezu diffusions­dicht und bremst die Alterung drastisch
• Temperatur — Wärme beschleunigt die Diffusion
• Schaum­dicke — dickerer Schaum bedeutet einen längeren Diffusionsweg für das Gas

Hersteller sind verpflichtet, ein declared λ ("deklariertes" oder "gealtertes" λ) anzugeben — einen Wert, der dem entspricht, was man nach etwa 25 Jahren unter simulierten Betriebsbedingungen erwarten kann. Die Messmethode ist in EN ISO 8497 (für Rohrschalen) und EN 253 (speziell für FW-Rohre) festgelegt.

FACHLICHE KERNREGEL: Bei der Dimensionierung musst du IMMER das deklarierte, gealterte λ verwenden. Niemals den frischen Initialwert, der oft im Marketing­material gezeigt wird. Wenn du mit 0,022 W/(m·K) rechnest und das Produkt 25 Jahre später bei 0,028 liegt, hast du den Wärmeverlust um ~27 % unterschätzt — und der Kunde bekommt eine Heizkosten­rechnung, die viel höher ist als erwartet.

Bei Logstor-FW-Rohren mit diffusions­dichter Alu-Folie kann die Alterung so langsam sein, dass λ über 30 Jahre nur einige wenige Prozent steigt [logstor.com]. Bei einer einfachen PUR-Schale ohne Barriere kann die Alterung innerhalb von 10-15 Jahren signifikant sein.