PIR og PUR

Polyurethan (forkortet PUR) er en familie af plastpolymerer dannet ved en kemisk reaktion mellem to flydende grundkomponenter:

1. En polyol — en alkohol med flere hydroxyl-grupper (-OH)
2. Et isocyanat — en kemikalie med reaktive (-N=C=O)-grupper, typisk MDI (methylen-difenyl-diisocyanat) eller TDI (toluen-diisocyanat)

Når de to komponenter blandes, reagerer -OH-gruppen med -N=C=O-gruppen og danner en urethan-binding (-NH-CO-O-). Reaktionen er eksotermisk (afgiver varme), den sker i løbet af sekunder til minutter, og resultatet er en fast plastpolymer. Det er denne urethan-binding der har givet hele familien dens navn.

Det interessante er, at man kan styre processen og dermed produkt­egenskaberne ved at justere:

• Forholdet mellem polyol og isocyanat
• Type af polyol (kort kæde vs. lang kæde → blød vs. hård)
• Tilsætning af opskumningsmiddel (driftgas) → giver porøst skum
• Katalysatorer → styrer reaktionshastigheden og bindings­typen
• Tilsætningsstoffer som brandhæmmere, UV-stabilisatorer, pigmenter

Resultatet er en bemærkelsesværdigt fleksibel materiale­familie. Den samme grund­kemi kan give:

• Stift skum (køleskab, FJV-rør, byggepladers tagisolering)
• Blødt skum (sofapuder, madras, biler­sæder)
• Lim og fugemasse (PUR-lim, sko­sål-lim)
• Maling og lak (PUR-lak til træ og metal)
• Elastomerer (skihjul, transportbånd, tætningsringe)
• Fibre og tekstiler (Spandex / Lycra)

I teknisk isolering bruges udelukkende den hårde, lukkecellede skum-form — det er det stive, gule eller off-white skum du ser i en gennemskåret FJV-rørskål.

PUR blev opdaget i Tyskland i 1937 af kemikeren Otto Bayer (1902-1982) hos IG Farben i Leverkusen — det firma der senere blev til Bayer AG. Opdagelsen var oprindeligt et alternativ til amerikansk nylon (Du Pont's nyligt patenterede polyamid-fiber). Bayer-teamet fandt frem til diisocyanat-polyaddition som en helt ny polymerisations­metode, og det åbnede døren til en hel familie af materialer.

Industriel produktion af PUR-skum begyndte for alvor først i 1950'erne. Det var i 1960-70'erne, at PUR-skummet for alvor slog igennem som isolerings­materiale — først i køleskabe, derefter i fjernvarme­rør og bygningskonstruktioner. I 1970-80'erne udvikledes PIR (polyisocyanurat) som en brandsikrere variant til samme anvendelse, og dette skift faldt sammen med skærpede brandkrav i nordeuropæiske bygnings­reglementer.

Forskellen mellem PUR og PIR er ikke et nyt grund­materiale, men en justering af reaktions­opskriften:

• PUR: ca. lige stort molforhold af isocyanat og polyol → urethan-bindinger dominerer → "almindelig" polyurethan-skum
• PIR: stort overskud af isocyanat (typisk 1,5-3 gange polyol-mængden) + en katalysator der fremmer isocyanat-isocyanat-reaktion → en del af isocyanaterne reagerer med hinanden i en trimerisering og danner isocyanurat-ringe — en tæt seks-kantet ring­struktur med tre nitrogen-atomer

Trimeriseringen er nøglen. Isocyanurat-ringen er termisk og kemisk meget mere stabil end den lineære urethan-binding. Det skyldes flere ting:

1. Aromatisk-lignende stabilitet — ringstrukturen er energimæssigt favorabel, ligesom benzen-ringen
2. Højere nitrogen­indhold — nitrogen­rige polymerer brænder dårligere end ren kulbrintekæde
3. Mere tværbundet netværk — sværere at smelte og deformere

Konkrete konsekvenser:

På λ-værdien er forskellen lille — cellestrukturen og driftgassen er stort set den samme. PIR ligger typisk 1-3 hundrededele lavere end PUR, men ikke meget. Den helt store forskel ligger i brand- og temperatur­område.

Tommelfingerregel: PUR til skjulte og lavtemperatur­anvendelser (typisk FJV i jord). PIR der hvor brand er en reel risiko eller temperaturen kommer over 100 °C.

Den lave lambda-værdi i PUR/PIR skyldes ikke at selve polymer-materialet er specielt godt til at isolere — polymerernes "egen" varmeledning ligger faktisk omkring 0,20-0,25 W/(m·K), altså 10 gange dårligere end den færdige skum. Hemmeligheden er strukturen.

Et stykke hård PUR-skum består af milliarder af mikroskopiske lukkede celler — typisk 0,1-0,5 mm i diameter — adskilt af tynde polymer-vægge. Hver celle indeholder en gas­fyldt boble. Når varme skal transporteres gennem skummet, sker det via fire mekanismer:

1. Ledning gennem polymer­væggene (~30-40 % af total)
2. Ledning gennem gassen (~40-50 % af total)
3. Konvektion i cellerne (næsten 0 — cellerne er for små til at gassen kan cirkulere)
4. Stråling mellem cellevægge (~10-20 %)

Det er driftgassen der gør udslaget. Hvor luftens lambda er ca. 0,026 W/(m·K), ligger fluor­kulbrinter (de gamle CFC) på 0,008-0,010, og cyklopentan — den moderne erstatning — på 0,012-0,015 W/(m·K). En celle fyldt med cyklopentan leder altså 40-50 % mindre varme end en celle fyldt med almindelig luft.

Det er grunden til at man får en samlet lambda ned mod 0,022 W/(m·K) for friske PIR-skåle — det er en kombination af lukkede celler, tæt polymernet og en tung gas med lav varmeledning.

Til sammenligning: mineraluld har normalt λ ~0,033-0,040. PUR/PIR isolerer altså ca. 20-35 % bedre pr. millimeter — den eneste plads PIR/PUR slår mineraluld på den fysiske præstation.

Her bliver det fagligt vigtigt. Driftgassen i cellerne forbliver ikke i cellerne for evigt. Den diffunderer langsomt ud gennem polymer­væggene, og samtidig diffunderer luftens N₂ og O₂ ind. Det er en irreversibel proces — over tid skifter cellernes indhold fra "ren cyklopentan" til "blanding med stigende luft­andel".

Konsekvensen: lambda stiger.

Diffusionshastigheden afhænger af:

• Cellevæggenes tykkelse og tæthed — godt produktionskvalitet → langsommere aldring
• Beskyttelses­barriere — aluminiums­folie er nær diffusions­tæt og bremser aldringen drastisk
• Temperatur — varme accelererer diffusion
• Skum­tykkelse — tykkere skum betyder længere diffusionsvej for gassen

Producenter er forpligtet til at angive en declared λ ("deklareret" eller "aldret" λ) — en værdi der svarer til hvad man kan forvente efter ca. 25 år under simulerede driftsforhold. Målemetoden er specificeret i EN ISO 8497 (for rørskåle) og EN 253 (specifikt for FJV-rør).

FAGLIG KERNEREGEL: I dimensionering skal du ALTID bruge den deklarerede aldrede λ. Aldrig den friske initialværdi som ofte vises i marketing­materiale. Hvis du regner med 0,022 W/(m·K), og produktet 25 år senere ligger på 0,028, har du undervurderet varmetabet med ~27 % — og kunden får en varmeregning der er meget højere end forventet.

For Logstor-FJV-rør med diffusions­tæt alu-folie kan aldringen være så langsom at λ kun stiger nogle få procent over 30 år [logstor.com]. For en simpel PUR-skål uden barriere kan aldringen være signifikant inden for 10-15 år.