Polyurethan: überall und kaum bekannt

Während der Kunststoff Polyester weitestgehend bekannt ist, kennen wohl die wenigsten Polyurethan. Obwohl Polyurethan in vielen alltäglichen Produkten verarbeitet wird, kann kaum jemand etwas mit dem Begriff anfangen. Am ehesten begegnet man Polyurethan noch bei der Suche nach einer neuen Matratze. Denn Polyurethan ist der Grundstoff für nahezu jeden Matratzenschaumstoff: etwa für Komfortschaum, für Kaltschaum und für den QXSchaum^® der BODYGUARD^® Matratze. In diesem Beitrag zeigen wir, wie vielseitig das Ausgangsmaterial unseres Matratzenkerns ist und wie daraus einer der fortschrittlichsten Matratzenwerkstoffe der Welt wird.

Was genau ist Polyurethan?

Polyurethan entsteht durch die Vermischung zweier flüssiger Komponenten: Isocyanat und einem Polyol. Polyole sind eine Gruppe organischer Verbindungen, die beispielsweise die Lebensmittelindustrie als Süßungsmittel (Sorbitol, Xylitol) anstelle von Zucker einsetzt. Isocyanat ist der Ester der Isocyansäure. Die Industrie verwendet Isocyanat hauptsächlich zur Herstellung von Polyurethanen. Wird ein Polyol mit Isocyanat vermischt, entsteht durch die namensgebende Polyadditionsreaktion Polyurethan. Geschieht das in einer Umgebung, in der Wasser vorhanden ist, etwa in Form von Luftfeuchtigkeit, entsteht Gas und das führt zur Schaumbildung. Aus Polyurethanen werden allerdings auch harte Kunststoffe hergestellt, um zum Beispiel Gehäuse für elektronische Geräte oder Armaturen in der Autoindustrie zu fertigen.

Der erste Schaumschläger war ein Deutscher

Otto Bayer gilt als Entdecker der Polyurethane. 1937 gelang es einer Forschergruppe um den deutschen Chemiker, der im Übrigen nicht mit dem Gründer der Bayer AG verwandt ist, erstmals Polyurethan zu synthetisieren. Die Entdeckung fand unter dem Dach des I.G.-Farben-Werks in Leverkusen statt. Die I.G. Farben war ein Zusammenschluss acht deutscher Unternehmen, unter anderem von BASF und der Bayer AG. Zeitweise ist die I.G. Farben das größte Unternehmen Europas sowie das größte Chemie- und Pharmaunternehmen der Welt gewesen. Da sich die IG Farben in der Zeit des Nationalsozialismus mit Zwangsenteignungen jüdischer Konkurrenten stärkte, ist dieser Status jedoch mit Vorsicht zu genießen.

Krieg bremst Polyurethan aus

Bereits wenige Jahre nach ihrer Entdeckung begann 1940 die industrielle Polyurethanproduktion. Ein richtiger Markt konnte sich zunächst aber nicht entwickeln. Denn aufgrund der Rohstoffknappheit während des Zweiten Weltkrieges wurde Polyurethan anfangs nur in der Rüstungsindustrie eingesetzt, insbesondere beim Flugzeugbau. Erst nach Kriegsende war der Kunststoff für den freien Markt verfügbar. Im Jahr 1960 wurden bereits über 45.000 Tonnen an Polyurethan-Schaumstoffen produziert, unter anderem für die Matratzenindustrie. In den Folgejahren ist der Markt für jegliche Art von Polyurethanen kontinuierlich gewachsen. So lag der weltweite Verbrauch im Jahr 2007 bei mehr als 12 Millionen Tonnen, wobei die jährliche Zuwachsrate bei rund 5 % liegen soll.

Polyurethanschäume: Vorbild Natur

Dass aufgeschäumte Materie an Masse gewinnt, nicht aber an Gewicht, und dabei äußerst stabil bleibt, ist nicht erst mit der Entdeckung der Polyurethane bekannt geworden. Wie viele technische Errungenschaften sind Polyurethanschäume der Natur entlehnt. Sehr anschaulich lässt sich das Prinzip Schaum mit natürlichen Zutaten beim Brot beobachten. Werden dem Teig genügend Hefen hinzugegeben, produzieren die Hefepilze bei ihrer Vermehrung Kohlenstoffdioxid. Während der Teig ruht, entsteht im Inneren also das, was im Volksmund gerne Kohlensäure genannt wird. Nach dem Backen bleiben lediglich die kleinen durch die Gase entstandenen Hohlräume im Inneren des Brotes zurück.

Wie praktisch so eine Schaumstruktur sein kann, zeigt der menschliche Knochenbau. Angesichts der zu tragenden Masse ist unser Skelett eher spärlich ausgeprägt. Wir verfügen über enorm viele und teils sehr filigrane Knochen, die im Zusammenspiel nur so gut funktionieren, weil sie überaus stabil und trotzdem leicht sind. Grund dafür: Unsere Knochen besitzen nur äußerlich eine stabile und massive Ummantelung. Im Inneren sind sie mit Knochenmark gefüllt, das von kleinen Hohlräumen durchzogen ist – gewissermaßen eine natürliche, stabilisierende Schaumfüllung.

Polyurethane sind überall

Weil Polyurethane, je nachdem, wie sie verarbeitet werden, die unterschiedlichsten Formen annehmen können, finden sie sich in vielen alltäglichen Gebrauchsgegenständen. So werden etwa Küchenschwämme, die Polster vieler Möbel oder wärmedämmende Schaumstoffplatten für den Hausbau aus Polyurethanschäumen gefertigt. Die Bauindustrie belegt aufgrund der Dämmmaterialien sogar den ersten Platz (Stand 2007) unter den Branchen, die am meisten Polyurethan verarbeiten. Dicht gefolgt von der Möbelindustrie (Polster inklusive Matratzen) und der Autoindustrie (z. B. das Interieur).

Auch weniger Offensichtliches wie das Innere von Skiern oder die Rollen von Inline-Skates und Skateboards werden aus Polyurethan hergestellt. Laufschuhe federn unsere Gelenke meist auf Schaumgummi-Sohlen aus Polyurethan ab und auch die Stollen moderner Fußballschuhe bestehen daraus. Weil sich Polyurethan gut weiterverarbeiten und formen lässt, ist das Material zudem bei Produktdesignern sehr beliebt – erste Prototypen werden oft damit hergestellt. In vollkommen schaumfreier Form werden Polyurethane auch als Klebstoffe oder Lacke eingesetzt: Als PU-Möbel-Klarlack findet sich Polyurethan im Baummarkt und dient als farbloser Schutzanstrich, etwa für Holzmöbel.

Wie Polyurethan zur Matratze wird

Bevor aus einem Polyol und Isocyanat eine Matratze oder, genauer gesagt, ein Matratzenkern wird, sind einige Arbeitsschritte notwendig. Wie das im Detail abläuft, möchte natürlich kein Hersteller preisgeben. Das Grundprinzip ist jedoch ziemlich einfach und aufgrund der Schäumbarkeit von Polyurethanen sehr naheliegend: Am Anfang entsteht ein Schaum. Durch die Zusammensetzung der einzelnen Zutaten und die äußeren Bedingungen kann der Hersteller Einfluss auf das spätere Ergebnis nehmen. Zum Beispiel kann er so den Härtegrad des Schaums bestimmen.

Bei einigen Matratzen und vor allem bei der Herstellung von Autositzen wird das flüssige Ausgangsmaterial in eine Form gegossen und schäumt perfekt geformt zum fertigen Produkt auf. Normalerweise darf das flüssige Gemisch aber erst zu einem großen Block aufschäumen und wird anschließend auf die gewünschte Form zurechtgeschnitten. Nachdem der Matratzenkern auslüften konnte, fehlt noch der Matratzenbezug und fertig ist die Matratze. Die Sendung mit der Maus hat diesen vereinfachten Herstellungsprozess vor Jahren in einem Video anschaulich festgehalten.

Polyurethanschäume für Matratzen

Aus Polyurethan werden drei unterschiedliche Schäume für die Matratzenindustrie gefertigt. Am einfachsten herzustellen ist Komfortschaum. Das klingt vielversprechend, allerdings bietet dieser Schaum im Verhältnis zu anderen Schaumstoffen oft nicht die besten Liegeeigenschaften. Komfortschaum wird teils auch nur PU- oder PUR-Schaum genannt, was für nichts anderes als Polyurethanschaum steht. Diese Bezeichnung ist verwirrend, denn auch Kaltschäume und der QXSchaum^® sind Polyurethanschäume.

Kaltschaum ist aufwendiger in der Herstellung und in der Regel hochwertiger als einfache Komfortschäume. Der Name Kaltschaum kommt davon, dass der Schaumstoff kalt geschäumt wird. Früher unterschied man noch zwischen Heiß- und Kaltschäumen, heute werden fast alle Matratzenschäume kalt geschäumt – der Name beim Kaltschaum ist dennoch geblieben. Matratzen mit Kaltschaumkern stützen den Körper üblicherweise gut ab, haben mitunter aber nicht die längste Lebensdauer. Das kann im Einzelfall daran liegen, dass einige Kaltschäume nicht atmungsaktiv genug sind und sich deshalb Feuchtigkeit im Inneren staut. In der Folge kann die Schaumstruktur einbrechen und es können sich Liegekuhlen an den besonders beanspruchten Stellen bilden. Dieses Phänomen lässt sich allerdings nicht verallgemeinern, auch mit einem Kaltschaumkern lassen sich gute Matratzen herstellen.

Beim QXSchaum^® handelt es sich um eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Kaltschaums. Das Herstellungsverfahren wurde so weit optimiert, dass sich die verschiedenen Härtegrade gut reproduzieren lassen. Bei handelsüblichen Kaltschäumen gibt es dagegen Härtegradschwankungen von bis zu 40 %. Des Weiteren verfügt der QXSchaum^® über eine offenporige Zellstruktur, was die nachts entstehende Feuchtigkeit über den Tag besser verdunsten lässt. Einen Feuchtigkeitsstau gibt es beim QXSchaum^® daher nicht und das fördert die Langlebigkeit beziehungsweise trägt zur Vermeidung von Liegekuhlen bei. Darum geben wir auf den Matratzenkern der BODYGUARD^® zehn Jahre Garantie.

Mythos Raumgewicht

Noch immer wird von vielen in der Matratzenbranche behauptet, dass Raumgewicht und Qualität bei Matratzenschaumstoffen im unmittelbaren Zusammenhang stehen. Je höher das Raumgewicht, umso mehr Material wurde eingesetzt und umso stabiler ist der Matratzenkern, so die Behauptung. Dass an diesem Mythos nichts dran ist, beweist die BODYGUARD^® Matratze mit ihrem geringen Raumgewicht.