BRPI0908296B1 - Método de obtenção de nanocomposto de poliuretano - Google Patents
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Abstract
método de obtenção de nanocomposto de poliuretano o objeto da invenção são as nanodispersões de argilas inorgânicas em isocianato que podem ser produzidas através da esfoliação prévia, deslaminação, ou ambas da argila e posterior mistura com isocianato. em uma modalidade, dita nanodispersão de isocianato é reagida com um material de isocianato-reativo ou substrato para formar um nanocomposto de poliuretano.
Description
“MÉTODO DE OBTENÇÃO DE NANOCOMPOSTO DE POLIURETANO” Relatório Descritivo Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório da patente norte-americana n ° 61/050, 844, depositado em 06 de maio de 2008. A presente invenção refere-se em geral à nanodispersões de argilas inorgânicas, e mais especificamente à nanodispersões de argilas em nanocompostos inorgânicos e isocianato de poliuretano produzido.
Uma grande variedade de produtos é fabricada a partir de poliuretanos, como solados de calçados, assentos para automóveis, revestimentos resistentes à abrasão, OSB, e painéis de porta só para citar alguns. Na maioria, se não todas, estas aplicações isocianato é reagido com um ou mais materiais reativos isocianato, como polióis, poliaminas, e lignocelulose. Outros materiais podem ser adicionados à mistura de reação como catalisadores, retardadores de fogo, agentes de sopro, a água, surfactantes, filler e como alguns exemplos.
Para atender às necessidades de uma determinada aplicação, o material, isocianato, isocianato-reativo, e outros aditivos, se necessário, podem ser adaptados com uma precisão notável. Por exemplo, sistemas de poliuretano podem ser adaptados para produzir espuma de célula fechada rígida, tais como as utilizadas como isolamento térmico em prédios e equipamentos; espumas de células abertas flexíveis, como as utilizadas como amortecimento e materiais absorventes de som em peças de mobiliário, automóveis e roupas de cama; elastômeros, tais como aqueles utilizados em calçados, equipamentos esportivos, e aplicações industriais; compostos de fibras reforçadas que podem ser utilizados nos mercados aeroespacial, automotivo e aplicações domésticas, revestimentos, tais como aqueles utilizados em veículos automóveis, pisos e pontes; adesivos que podem ser utilizados em produtos de madeira compostos e embalagens flexíveis e selantes e encapsulantes que podem ser utilizados na construção civil e automotivo. A versatilidade do poliuretano é também devido à facilidade com que os produtos são produzidos. Por exemplo, a polimerização pode ocorrer durante a formação do artigo final, que dá ao processador a capacidade de mudar e controlar a natureza e as propriedades do produto final. A capacidade de adaptação e facilidade de fabricação dão uma vantagem enorme de desempenho e custo para produtos à base de poliuretano e são as principais razões por trás de seu sucesso extraordinário de trabalho ao longo das últimas quatro décadas.
Embora o número de diferentes tipos de produtos de poliuretano, cada um com suas características únicas, é notável, o custo pode ser melhorado através da adição de nanopartículas, como as nanopartículas de argila para sistemas de poliuretano para formar nanocompostos de polímeros. Os poliuretanos produzidos com nanopartículas podem apresentar melhorias de propriedade além daquelas possíveis com mícron tradicional ou aditivos maiores.
Para produzir um nanocomposto de polímero com melhorias nas propriedades e no conteúdo de nanoargila relativamente baixa, a nanoargila deve ser uniformemente dispersa na matriz polimérica. Um desafio para produzir dito nanocomposto é separar ou deslaminar as nanopartículas menores e indivisível de argila, como plaquetas e uniformemente dispersar as plaquetas no polímero tudo a um custo relativamente baixo.
As argilas podem ser organicamente modificadas para auxiliar na deslaminação e/ou dispersão. Por exemplo, em cada uma das Patentes norte-americanas n° 6518324, pedido de patente norte-americana n° 2007/0072991, pedido de patente norte-americana n° 2007/197709, pedido de patente norte-americana n ° 2007/0227748, e Harikrishnan G. , T. Patro Umasankar e Khakhar DV, Espuma de Poliuretano - Nanocompostos de Argila: Nanoargilas como Abridores de Células, Eng. Ind.. Chem. Res. 2006, 45, 7126-7134 a argila foi organicamente modificada para deslaminar plaquetas de argila. Em geral, as argilas podem ser organicamente modificada pela associação de um íon, incorporando um grupo lipofilico com a carga iônica na superfície da argila. 0 uso de argila organicamente modificada, no entanto, aumenta significativamente o custo do produto acabado e, potencialmente, diminui ou elimina certas propriedades dos polímeros, tal como resistência ao fogo. Embora as patentes acima referidas e publicações foram direcionadas para poliuretanos, nanocompostos de polímeros, Processamento, Caracterização e Aplicações;. Thermoset nanocompostos para aplicações de engenharia e do artigo "Vinte Anos de nanocompostos polímero-argila," por Okada et al, os Materiais e Engenharia Macromoleculares, 2006, 291, 1449-1476 indicam que a modificação orgânica da argila também é usada para a formação de nanocompostos com outros polímeros.
Além de modificar argilas organicamente, um solvente pode usado para ajudar a nanodispersào.0 uso de solventes, porém, tem aplicabilidade limitada e os sistemas solventes compatíveis de polímero-silicato nem sempre estão disponíveis. Além disso, a remoção do solvente pode ser muito cara e prejudicial ao ambiente.
Outra técnica que vem ganhando atenção é a intercalação direta de polímero fundido. Com a intercalação direta de polímero, o polímero e silicato são misturados e a mistura é aquecida acima do ponto de amolecimento do polímero, geralmente usando uma extrusora. Essa técnica, porém, tem aplicabilidade limitada aos produtos de poliuretano, que a maioria deles sâo termofixos.
Assim, há uma necessidade contínua para a tomada de nanocompostos de poliuretano com reduzidas ou eliminadas modificações orgânicas por lipofílico contra-íons da argila, o uso de solventes, ou ambos.
De acordo com uma modalidade da presente invenção, uma argila inorgânica que não foi modificada pelo tratamento com um íon lipofílico contador é pré-esfoliada, pré-deslaminada, ou ambas são misturadas com um isocianato orgânico para formar uma nanodispersão. Posteriormente, a nanodispersão do isocianato pode ser reagida com um material de isocianato-reativo para formar um nanocomposto de poliuretano. A figura 1 ilustra os traços de difraçâo de raios X para vermiculita e certas dispersões contendo vermiculita; A figura 2 ilustra a reologia de certas misturas de vermiculita em comparação com misturas livres de vermiculita; A figura 3 ilustra Espectroscopia Fourier de Transformação Infra-Vermelho de vermiculita e uma mistura de isocianato com vermiculita para formar uma nanodispersão; A figura 4 ilustra os traços de difração de raios X paro laponite e certas dispersões contendo LAPONITE; e A figura 5 ilustra a reologia das misturas LAPONITE determinadas em relação às misturas livres de LAPONITE.
Em uma modalidade da presente invenção, as nanopartículas dispersas em um isocianato são adicionadas a um material de isocianato-reativo, como um poliol para formar um nanocomposto de poliuretano. As nanopartículas, como as nanopartículas de argila, têm pelo menos uma dimensão do nanômetro (nm), por exemplo 100 nm ou menos. As nanopartículas de argila dispersas em um nível molecular em uma matriz produz uma da área de polímero interfacial ultra-grande por unidade de volume. Isso pode contribuir para uma melhora dramática das propriedades de certos poliuretano, mesmo se um teor relativamente baixo de partículas nanoargila é adicionado a um sistema de poliuretano.
Geralmente, as nanoargilas são pilhas de silicatos em camadas com cada camada de silicato com espessura de cerca de um nanômetro e as outras duas dimensões sendo cerca de 30-1000 nm. As menores nanopartículas de argila indivisíveis podem ser em forma de plaquetas ou em forma de cilindro. O espaço entre as faces internas das camadas adjacentes das plaquetas de argila é galeria ou a intercamada, que pode ser ocupado por materiais iônicos. A soma da distância da galeria e espessura das plaquetas é o espaçamento basal "dOOl" (espaçamento de plaquetas) , que pode ser medido por difração de raios-X. A área interfacial das nanoargilas pode ser maior que 700 m2/g, e pode haver uma relação de aspecto de grande porte, tal como maior que 50, embora as modalidades não sejam assim limitadas. Deve-se notar que as modalidades da invenção não se limitam a utilização de nanoargilas com características específicas, tais como a forma ou dimensão, apesar de ser uma nanopartícula.
As plaquetas de argila podem ser empilhadas em profundidades de centenas ou mais para formar partículas primárias; as partículas primárias podem ser empilhadas juntas para formar agregados ou grânulos, que podem ser de 10-30 mícrons em tamanho. Este empilhamento de camadas de nanoargila pode ser causado por forças iônicas, juntamente com as interações de Van der Waals.
Em algumas modalidades, as nanodispersões podem ser produzidas com argilas minerais naturais inorgânicas e em outras modalidades, as argilas artificiais podem ser usadas. Nem as argilas naturais ou artificiais precisam ser modificadas pela associação com um contra-íon, como um íon ônio (por exemplo, amônio, fosfônio, oxônio e Sulfônio) que incorpora um grupo lipofilico, como um hidrocarboneto longo (superior a C8) ou oligoalquilenooxido para alcançar a nanodispersão de acordo com as modalidades da presente invenção. Na verdade, na maioria das modalidades, as argilas utilizadas carecem desta modificação. Exemplos de argilas adequadas inorgânicos incluem, sem limitação, esmectitas (silicatos de alumínio), vermiculita (silicato de magnésio-alumínio-ferro) , e haloisita (silicato de alumínio). As argilas esmectíticas incluem saponita, montmorilonita, bentonita, beidellite, montronite, hectorite e stevensite. Um exemplo de um material de argila de silicato sintético é o laponite.
Em uma modalidade preferida, a vermiculita é a argila a escolher. A vermiculita é um silicato de magnésio-alumínio-ferro hidratado com um ponto de fusão de 1315°C e uma temperatura de sinterização de 1260° C. Ele não é corrosivo, não inflamável, não alergênico, inodoro, resistente ao ataque de microrganismos, e não incha quando é molhado com água. A Vermiculita tem o atributo incomum que, quando aquecida a temperaturas acima de 450°C, esfolia e se expande em partículas como vermes. Esta esfoliação pode ser devido ao movimento das camadas devido à geração intercalada de vapor, que pode ser devido à liberação de água crisditoina de hidratação em temperaturas elevadas. Em outra modalidade preferida, o laponite é de argila a escolher. A estrutura química do LAPONITE é Nao.33 [Mg 2,6? Li o, 33 SÍ40ioFe (OH) 2] com uma proporção de 25-30.
Em algumas modalidades, a estrutura da argila pode ser pré-esfoliada antes da dispersão. Geralmente, a esfoliação prévia é um processo de sopro em que a densidade da superestrutura da argila é reduzida e os grupos de plaquetas são desagregados em grupos menores de plaquetas separados por "volume-livre." Em outras modalidades, a estrutura da argila pode ser deslaminada ou pré-esfoliada e deslaminada antes da dispersão. Geralmente, a deslaminação se refere à separação de plaquetas individuais e resulta em um aumento ou desaparecimento do espaçamento basal "dOOl". A pré-esfoliação e/ou deslaminação de uma estrutura de argila pode ser realizada por um ou mais métodos conhecidos tais como tratamento térmico, dispersão em água, dispersão em um meio aquoso acidificado para citar alguns. O processo e os princípios de tratamento térmico são descritos nas patentes norte-americanas n° 4400297 e 4826628; Midgley, HG e Midgley, CM 1960 "A mineralogia de alguns vermiculitas comerciais". Clay Min. . Bull, 4 (23) : 142-150, e Couderc, P. e Douillet, Ph. 1973 "Les vermiculite industrielles: exfoliation, caracteristiques, mineralogiques et chimques" Bull.Soc.Fr.Ceram, 99:51-59. Geralmente, com tratamento térmico, a argila é aquecida a elevadas temperaturas para converter umidade internamente presa em vapor e, consequentemente, ampliar os grânulos de argila em grânulos em forma de concertina. Esta esfoliação resulta na formação de poros entre os grupos de plaquetas e reduz a densidade da massa. 0 processo de tratamento térmico também pode levar a alguma deslaminação conforme evidenciado por uma redução do espaçamento basal "dOOl". A argila também podem ser pré-esfoliada, deslaminada, ou ambos por dispersão em água. Tais pré-dispersão podem levar à deslaminação como evidenciado pelo desaparecimento do pico de difração de raios X "dOOl".
Um meio aquoso acidificado pode ser utilizado para pré-esfoliar, deslaminar, ou ambos a argila. Por exemplo, a argila, que pode ser tratada termicamente, é agitada sob alto cisalhamento em um meio aquoso ácido. Acredita-se que o tratamento ácido remove cátions intercalados a partir da argila e proporciona um maior grau de hidratação, enquanto que a ação de divisão desaglomera os grânulos em grupos de plaquetas. A deslaminação parcial ou completa das plaquetas de argila pode ocorrer neste processo. 0 processo é descrito na patente norte-americana 4.400.297.
Em uma modalidade, a argila pré-esfoliada e/ou deslaminada é dispersa em um isocianato. Assim como a argila, o componente de isocianato não precisa ser modificado por um ion ônio orgânico, tais como amônio, fosfônio, oxônio ou íon sulfônio para permitir a nanodispersão. De fato, em uma modalidade preferida o isocianato não é modificado por esse íon ônio orgânico. Os isocianatos adequados incluem isocianatos orgânicos, que poderão ser modificados ou que podem ter sofrido certas modificações de íon ônio não orgainco. Por exemplo, os poliisocianatos adequados não modificados incluem, sem limitação, poliisocianatos aromáticos e alifáticos, tais como 2,4 - e 2,6-tolueno-diisocianatos, 2,4- e 2,6-metilciclohexilenodiisocianato, isoforonadiisocianato (IPDI), 2,4' 4,4- e 2,2 '- difenilmetano-diisocianatos (MDI), poliisocianato polimetileno polifenil (PMDI) e diisocianato de hexametileno (HDI). Os poliisocianatos modificados com vários grupos contendo éster, uréia, biureto allophanate, carbodiimida, uretdione, isocianurato e grupos de uretano também podem ser adequados para uso em modalidades da presente invenção.
Em uma modalidade preferida, o isocianato é um ou mais isocianatos de difenil diisocianatos de metileno {MDI} em série. Em uma modalidade, o isocianato é uma mistura de um ou mais isômeros difenilmetano diisocianato com um ou mais oligômeros de maior peso molecular da série MDI poliisocianatos de polifenil polimetileno. Em algumas modalidades, o isocianato pode incluir um ou mais isocianatos modificados, tais como aqueles contendo um ou mais grupo de éster, grupo de uréia, grupo de biureto de allophanate, grupo de carbodiimida, grupo de isocíanurato, grupo de uretdione, ou grupos de uretano.
Antes da dispersão nanoargila em isocianato, o mineral de argila pode ser reduzido em tamanho. Por exemplo, em uma modalidade, o tamanho da nanoargila pode ser reduzido para 1-100 mícrons. As técnicas que podem ser usadas para reduzir o tamanho incluem as técnicas moagem ou trituração de pós, tais como moinho de esfera, moinho de mmatérialo, moinho de vibração, moinho de pinos, moinho do jato, ou misturador, embora as modalidades não sejam assim limitadas. O pó fino resultante pode ser seco para remover a água livre da nanoargila utilizando qualquer técnica conhecida, incluindo secagem por spray, secagem à vácuo e secagem por flash, embora as modalidades não sejam limitadas a este respeito. A quantidade de argila dispersa em isocianato pode depender da propriedade do poliuretano a ser melhorado, nas limitações da viscosidade, se houver, ou ambos. Por exemplo, alguns equipamentos de processamento usados para produzir produtos de poliuretano só poderão ser capazes de lidar com líquidos de viscosidade inferior a 100 poises (P) e, como tal, pode limitar a quantidade de argila que pode ser adicionada ao isocianato. Dadas estas considerações, em algumas aplicações a quantidade de argila dispersas no isocianato está entre 0 e cerca de 30% em peso do total de isocianato. Em outras aplicações, a quantidade de argila dispersas no isocianato é entre 0,5% a cerca de 20% ou entre 1,0% a cerca de 15%, em peso, do total de isocianato.
Uma vez que a quantidade desejada da argila pré-esfoliada e/ou deslaminada é determinada, esta é misturada com o isocianato para formar uma nanodispersào de argila-isocianato. A mistura da argila pré-esfoliada e/ou deslaminada com o isocianato pode desempenhar um papel importante na deslaminação da argila com isocianato. Por exemplo, o tipo e a intensidade da mistura e da seqüência de mistura, condições, ou ambos, podem afetar a dispersão da argila. Assim, diferentes combinações de argila isocianato podem ter diferentes requisitos de mistura. Geralmente, quaisquer processos de mistura de pó-líquido adequado podem ser usados para misturar a argila pré-esfoliada e/ou deslaminada e isocianato, tais como, e sem limitação, mistura mecânica de baixo a alto cisalhamento, sonicação, extrusão, e agitação magnética. Além disso, um determinado período de tempo e freqüência do ultra-som, juntamente com a taxa de corte, velocidade e duração da mistura mecânica também pode ser usado para a mistura e pode influenciar o estado de nanodispersào da argila isocianato. Microondas, radiação infravermelha ou outra radiação eletromagnética também podem auxiliar na realização da dispersão e deslaminação das partículas de argila. Em uma modalidade particular, a sonicação seguida de agitação suave pode ser usada para dispersar a vermiculite seca esfoliada de 38 mícrons em tamanho dentro do poli-MDI (PMDI) de viscosidade 50-1000 cP. 0 grau de dispersão da nanoargila no isocianato pode depender do grau de esfoliação da argila, deslaminação, ou ambos, a manutenção ou a melhoria da dispersão da nanopartícula na mistura reativa com isocianato, e a reação dos grupos de isocianato com os grupos de isocianato-reativo na superfície, bordas, ou ambas as plaquetas de argila. De acordo com uma modalidade da presente invenção, estes fatores podem contribuir para a estabilidade de armazenamento de uma nanodispersào de argila-isocianato, para os benefícios de propriedade melhorada de nanocompostos de poliuretano derivado, ou a ambos. Em uma modalidade de uma nanodispersào deslaminada, espaçamento intercalado de plaquetas pode ser superior a 7 nm. Isto pode ser determinado através de difração de Raios-X pela ausência total ou quase total dos picos de reflexão a partir da nanoargila. Em contraste, no sistema de isocianato-argila intercalado, ou seja, apenas algumas correntes de isocianato estão entre as plaquetas de argila, e o espaçamento entre as camadas é cerca de 1,5 a 6 nm, dependendo da argila e do isocianato. Além disso, o estado de dispersão de argila na estabilidade isocianato e armazenamento das nanodispersões da argila isocianato podem ser o resultado da medida em que o isocianato reage com grupos de hidroxila na superfície, bordas, ou ambas as plaquetas de argila e também podem contribuir para o desempenho dos nanocompostos de poliuretano derivado. A comparação da espectroscopia Fourier de Transformação Infra-Vermelho (FTIR) das dispersões de argila-isocianato com a argila única pode ser utilizada como uma técnica para caracterizar essa reação.
Uma modalidade de uma nanodispersão de argila isocianato pode ser usada para produzir um nanocomposto de poliuretano. Geralmente, uma modalidade de uma nanodispersão de argila isocianato é reagida com um material de isocianato-reativo ou substrato para formar os nanocompostos de poliuretano desejados. Essa reação pode ocorrer na presença de um ou mais aditivos, tais como catalisadores, retardante de fogo, como agente de sopro, água, agente de acoplamento de surfactante, modificador de fluxo, estabilizador de UV, antioxidante, e enchimentos, embora as modalidades não sejam assim limitadas. Os materiais de isocianato-reativo podem ser grupo de hidroxila contendo compostos (polióis) útil na preparação de poliuretanos, como glicóis alifáticos simples, aromáticos dihidróxi, Bisfenóis, poliéteres de hidroxila terminada, poliésteres e poliacetais, só para citar alguns. Embora as modalidades não sejam limitadas a um material de isocianato-reativo específico, de interesse específico, são os polioxialquileno de hidroxila-terminada, polióis de poliéster e suas misturas.
Qualquer tipo de nanocompostos de poliuretano pode ser produzido pela reação de uma modalidade de uma dispersão de argila-isocianato com material isocianato-reativo. Por exemplo, elastômeros, polímeros termoplásticos e/ou polímeros de grupo térmico podem ser produzidos de acordo com uma modalidade. Além disso, esses três tipos de polímeros podem ser na forma de espuma, um filme, uma folha, um tubo, um revestimento, uma tinta, um adesivo, uma resina de fundição ou uma moldagem por compressão. A quantidade relativa de uma modalidade de uma dispersão de argila-isocianato, o material isocianato-reativo, e um ou mais aditivos opcionais depende tanto do tipo e da forma do polímero.
Em uma modalidade particular, um revestimento pode ser formado pela reação de uma modalidade de um nanodispersão de nanopartícula- isocianato e um material de isocianato-reativo. Esses revestimentos podem ser reativos e podem ser isentos de solventes ou que contenham solventes e podem ser um ou dois componentes. Além disso, um ou mais aditivos, tais como, um catalisador, um solvente (exceto em um revestimento isento de solventes), um agente de ligação cruzada, um estabilizador de luz, e um antioxidante podem ser adicionados ao material de isocianato-reativo, ou a mistura de reação, ou ambos. A barreira, o desempenho de abrasão, ou ambas as propriedades de revestimento produzidas através de uma modalidade da nanodispersào da argila-isocianato podem ser superiores aos produzidos usando apenas um isocianato.
Em outras modalidades específicas, as células abertas ou células fechadas ou espumas flexíveis ou rígidas podem ser produzidas. Em uma modalidade preferida, as espumas rígidas, de célula fechada são produzidas. E em outra modalidade preferida, um agente de sopro é retido no interior das células fechadas de uma espuma rígida. Em alguns casos, o conteúdo de célula fechada de uma espuma rígida pode ser superior a 8 0%, superior a 90%, ou superior a 95%. Uma modalidade de uma espuma de célula fechada pode ser produzida por reação de uma modalidade de uma nanodispersào de argila-isocianato com um material de isocianato-reativo na presença de um ou mais aditivos opcionais conhecidos na matéria da tecnologia de espuma isolante à base de isocianato rígido. Por exemplo, os aditivos opcionais incluem os agentes físicos e químicos de sopro, retardadores de fogo, catalisadores, surfactantes, inibidores de fumo, pigmentos, cargas, reforços, corantes, agentes antiestáticos, agentes biocidas e afins, que podem ser adaptados para determinada aplicação. Os especialistas na matéria devem apreciar as proporções de uso destes aditivos em um sistema de reação geral, o posicionamento adequado de cada um no sistema de reação, e as condições quando necessário.
Dos aditivos opcionais, aqueles que são usados em muitas modalidades da invenção incluem agentes de sopro, catalisadores e surfactantes, embora as modalidades não sejam assim limitadas. Os agentes de sopro incluem agentes de sopro físicos e agentes de sopro químicos. Os agentes de sopro físicos incluem os hidrocarbonetos (HC), hidrofluorocarbonetos (HFC), e hidroclorofluorocarbonetos (HCFC). Os HCs geralmente usados incluem isômeros de pentano, tais como n-pentano, iso-pentano e ciclopentano, HFCs comumente usados incluem 1,1,1,3,3 Pentafluoropropano (HFC-245fa); 1,1,1,3, 3 -pentafluorobutane (HFC-365mfc); 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a); HCFC e 1,1-difluoroetano (HFC-152a), e os HCFC comumente usados incluem o HCFC-141b (CC12FCH3) e HCFC- 22 (CHC1F2), embora as modalidades não sejam limitadas a estes exemplos específicos. Os agentes químicos de sopro incluem, sem limitação, água ou outros componentes que liberam C02, quando reagidos com isocianato, tais como compostos de ácido carboxílico. Em algumas modalidades, a quantidade de agente de sopro na formulação de espuma produz uma densidade de 1-3 lb/ft3, e preferivelmente 1,5-2,5 lb/ft3.
Os catalisadores que podem ser utilizados em uma modalidade da presente invenção incluem, sem limitação, aminas terciárias alifáticas e compostos de metais orgânicos. Exemplos destes últimos incluem vários ésteres de carboxilato de estanho e sais alcalinos de ácidos carboxílicos. Os catalisadores de amina terciária estão geralmente presentes. Os surfactantes que podem ser utilizados em modalidades da presente invenção incluem, sem limitação, os surfactantes de silicone, que estabilizam a estrutura celular da espuma para produzir células predominantemente fechadas. Os surfactantes de silicone também podem ser importantes no controle do tamanho das células e da regularidade. Muitos exemplos de catalisadores adequados e surfactantes são conhecidos na matéria, e as identidades específicas destes compostos, bem como a forma como são utilizados, serão conhecidas pelos especialistas na matéria.
Em uma modalidade de um sistema de espuma rígida de célula fechada, os componentes podem ser processados em espuma sob condições que proveem um índice de 0,8-15. O índice é a proporção de grupo de isocianato (NCO) equivalente ao grupo de isocianato reativo equivalente e às vezes é expresso como uma percentagem. Em outras modalidades, o alcance do índice é de 1 (100%) para cerca de 6 (600%), ainda em outras modalidades o índice variável é de 1,5 a 4,5, e uma modalidade preferida, o índice variável é de 2 a 4. Se um sistema é processado em um índice superior a 1,5, é preferível incluir, no recipiente do catalisador, um catalisador adequado para a conversão de grupos de isocianato em grupos de isocianurato. As espumas rígidas preparadas em índices maiores que 2 são geralmente chamadas de espumas de poliuretano-poliisocianurato.
Para preparar uma espuma de acordo com uma modalidade da presente invenção, dois componentes, um componente de nano-dispersão de argila-isocianato, e um componente isocianato-reativo são misturados. Além disso, quando utilizados, os aditivos, tais como um tens oa ti vo ou catalisador pode ser adicionado ao componente isocianato-reativo antes de reagir esse componente com o componente de isocianato. Os dois componentes reativos podem ser misturados com a mão ou a máquina de mistura. A mistura de reação pode ser moldada, laminada, pulverizada, ou permitida aumentar livremente como uma espuma de crescimento livre.
Exemplos Os exemplos seguintes ilustram as modalidades particulares, o escopo da invenção e as reivindicações não são limitadas à estes.
Uso dos materiais nos exemplos 1 e 2: Vermiculita pré-esfoliada, Grau No. 3, CAS. n° 1318-00-9, de Sigma Aldrich.
Laponite ® JS: uma argila Esmectita sintética suprida por Southern Clay Products (SCP).
Rubinate ® M: Um poliisocianato polimetileno de polifenileno polimérico (PMDI), com um conteúdo do grupo de isocianato livre (-NCO) de cerca de 31% em peso e uma viscosidade a 25°C de cerca de 170 cps. Este possui um número padrão de funcionalidade do grupo de isocianato de cerca de 2.7 e está disponível de Huntsman.
Jeffol® SD 361: Um poliol líquido de poliéter de sacarose de dietileno glicol iniciado com número OH de 360 de Huntsman.
Polycat® 8: N, N-dimetil ciclohexilamina de Air Products.
Polycat® 5: Pentamethyldiethylenetriamine de Air Products.
Tegostab ® 8404: um surfatante de silicone de Evonik.
Cyclopentane: ciclopentano de grau puro de Sigma Aldrich.
Exemplo 1 Neste exemplo, a vermiculita grossa pré-esfoliada foi moída num moinho redondo por várias horas e foi peneirada para um tamanho de partícula inferior a 38 microns. O pó fino resultante foi seco a 80°C por 48 horas em um forno a vácuo. Posteriormente, o pó foi disperso em separado em poliol e isocianato. Por exemplo, referindo-se a figura 2, dois pesos percentuais diferentes de argila foram adicionados ao poliol e dois pesos percentuais diferentes de argila foram adicionados ao isocianato. Cada amostra foi aquecida sob agitação.
As misturas de poliol-vermiculita e as misturas de argila isocianato foram colocadas em recipientes fechados e agitados a 1000 rpm a aproximadamente 50°C. As misturas de poliol-vermiculita foram agitadas por uma hora enquanto as misturas de argila isocianato foram agitadas por 30 minutos. As misturas vermiculita-isocianato foram agitadas por 30 minutos para reduzir a chance de umidade atmosférica que reagem com o isocianato. Cada mistura de vermiculita foi ultrasonifiçada por 6 horas e resfriada à temperatura ambiente. Referindo-se a Tabela 1, abaixo, o componente de isocianato-reativo é mostrado. Este componente foi preparado para misturar-se com as misturas de isocianato-vermiculita misturando por 15 segundos a uma velocidade de 2500 rpm. Para as misturas de poliol-vermiculita, os ingredientes listados na Tabela 1, que ainda não estavam presentes foram adicionados à mistura de poliol-vermiculita, misturando por 15 segundos a uma velocidade de 2500 rpm.
Tabela 1 0 Rubinate ® Μ foi utilizado como ο componente isocianato para cada espuma do exemplo 1, um indice de isocianato de 110 foi utilizado em todos os casos. A quantidade calculada de isocianato foi adicionada às misturas de poliol-vermiculita e a quantidade calculada das nanodispersões de isocianato-vermiculita foi adicionada ao componente de vermiculita livre de isocianato-reativo. À temperatura ambiente, cada mistura foi misturada por 8 segundos a uma velocidade de 2500 rpm e foi colocada em um molde de madeira de dimensões 33 x 33 x 7 cm3. Após a colocação, os moldes foram rapidamente fechados e as espumas foram permitidas a encher os moldes. As espumas foram desmoldadas após 20 minutos. As espumas de aumento livre também foram produzidas em um copo de papel de 16 oz para determinar os tempos de corrente e aumento.
Referindo-se a figura 1, difração de raios-X (XRD) padrão, ilustrando a dispersão de vermiculita em poliol e isocianato, respectivamente são mostrados. O pico agudo com maior intensidade ilustra o XRD padrão para a vermiculita. O pico representa o espaçamento basal dOOl (1,12 nm) para a vermiculita não modificada. Em contraste, a linha sem um pico agudo ilustra o XRD padrão para a mistura de vermiculita-isocianato. O padrão de difração de raios X entre os dois outros padrões ilustra o XRD padrão para a mistura de vermiculita-poliol. 0 desaparecimento do pico da vermiculita formada para a dispersão de isocianato-vermiculita indica que a vermiculita foi deslaminada para formar uma nanodispersão. 0 pico de difraçâo pequena da mistura do poliol-vermiculita sugere que alguma vermiculita foi deslaminada, mas a vermiculita não deslaminada ainda está presente na mistura.
As figuras 2a e 2b mostram variações de viscosidade com taxa de corte para as diferentes concentrações da mistura de vermiculita com o poliol e isocianato respectivamente. Usamos reometria de placas paralelas (reômetro Modelo AR G2 de TA Instruments} para investigar a reologia das várias misturas.
Como é mostrado na figura 2A, há um aumento na viscosidade quando a vermiculita é incorporada no poliol, mas a viscosidade aumentada não representa uma barreira para o processamento subseqüente. Referindo-se a figura 2b, há também um aumento na viscosidade das misturas de isocianato-vermiculita, que também não foi uma barreira para o processamento. Mas diferentemente das misturas de poliol-vermiculita, as misturas de isocianato-vermiculita mostram uma pequena tosa. Esse efeito é benéfico para ambientes industriais.
Referindo-se a figura 3, os espectros da Espectroscopia Fourier de Transformação Infra-Vermelho (FTIR) são mostrados. O espectro com o pico na faixa de 3000-3800 cm-1 é o espectro para a vermiculita e o espectro sem o dito um pico afiado é o espectro para uma mistura de isocianato-vermiculita. Sem estar vinculada a teoria, a ausência de tais picos na mistura de isocianato-vermiculita sugere que os grupos de hidroxila (tanto estruturais como H-OH) presentes na argila tenham reagido com os grupos -NCO de isocianato. Uma corrente de vermiculita para isocianato pode causar ou contribuir para o aumento da deslaminação de vermiculita em isocianato, em comparação ao de poliol.
Como mostrado na tabela 2, abaixo, os valores de condutividade térmica de espumas rígidas de poliuretano de nanocomposto de vermiculita são melhores que os de espuma sem uma dispersão nanoargila. Ou seja, na comparação dos valores da tabela 2, é evidente que as espumas do nanocomposto de vermiculita têm baixas condutividades térmicas iniciais.
Tabela 2 Portanto, de acordo com os parâmetros definidos para este primeiro exemplo, o isocianato pode ser reativo com a vermiculita pré-esfoliada para formar as nanodispersões reativas e estas nanodispersões podem ser usadas para sintetizar o nanocomposto de espumas rígidas de poliuretano com propriedades, tais como os valores de isolamento do fator k aumentados que são superiores às espumas desprovidas de tal nanocomposto. Além disso, o nanocomposto de espuma rígida de poliuretano formado pela dispersão da vermiculita pré-esfoliada em poliol mostra deslaminação incompleta ao passo que a mesma vermiculita dispersa em isocianato parece ser quase totalmente deslaminada se não totalmente deslaminada. É surpreendentemente descoberto que o uso da nanodispersão de argila-isocianato melhora o grau de isolamento das espumas rígidas de células fechadas em comparação com aqueles produzidos sem o uso de nanoargila.
Exemplo 2 Como um exemplo, a formulação da tabela 1 foi a formulação escolhida para o componente de isocianato-reativo ao produzir os nanocompostos do exemplo 2. Da mesma forma, Rubinate® M num índice de isocianato de 110 foi utilizado em cada caso. A argila usada no exemplo 2, porém, foi laponite JS, uma argila esmectita sintética provida por Southern Clay Products.
Para esfoliar a argila, uma pequena quantidade de Laponite JS (menos de 5% em peso) foi dispersa em água destilada. A mistura foi agitada magneticamente por 30 minutos para produzir uma suspensão clara. Esta suspensão foi mantida estável por 2 dias. Depois disso, a água foi evaporada por aquecimento em um recipiente de alumínio para produzir a laponite esfoliada, as plaquetas resultantes no entanto, mostrou alguma agregação física. A lapolite esfoliada (doravante denominada x-laponite) foi triturada com um pilão e passada numa peneira de 38 microns. A x LAPONITE peneirada foi dispersa em ambos poliol e isocianato de acordo com o procedimento descrito no exemplo 1.
Referindo-se a figura 4, os traços DRX para a laponite e x-laponite são mostrados. 0 traço da laponete não tratada tem um pico afiado. 0 pico representa o espaçamento basal dOOl (1 nm) para a laponite inalterada. Em contraste, o traço para a x-laponite apresenta um pico diminuído, o que sugere que há uma esfoliação substancial das plaquetas. Ou seja, as plaquetas esfoliadas mostram alguma agregação física, mas devido a intensidade do pico dOOl ser baixa, é sugerido que apenas alguns conjuntos de plaquetas não deslaminadas estão presentes após a dispersão em água.
Referindo-se às figuras 5a e 5b, a alteração da viscosidade com taxa de corte da x-laponite misturada com poliol e isocianato, respectivamente, é mostrada. A investigação de reología mostrou o mesmo desempenho do exemplo 1. Em ambas as figuras 5a e 5b há um aumento na viscosidade após a modalidade de quantidades crescentes de x laponite. Em ambos os casos, o aumento da viscosidade não deve ser alto o suficiente para limitar a capacidade do processo. Na figura 5, a mistura de x-laponite no poliol mostra um comportamento Newtoniano, e na figura 5b, a mistura de isocianato-x-laponite mostra um leve afinamento natural com a argila. 0 aumento relativamente pequeno na viscosidade de cisalhamento, no caso da dispersão de argila-isocianato é um benefício potencial para as aplicações industriais.
Como mostrado na tabela 3, abaixo, os valores de condutividade térmica das espumas de nanocomposto de laponite são mostradas. As condutividades térmicas foram medidas por um analisador Foxpro. As condutividades térmicas de ambas as espumas nanocompostas são melhores do que as de espuma convencional, sem laponite. Sem estar vinculada a teoria, acredita-se que a melhor condutibilidade térmica é devido às menores células obtidas por nucleação de bolhas induzidas pela argila.
Tabela 3 Embora a presente invenção tem sido descrita em relação a um número limitado de modalidades, os especialistas na matéria irão apreciar inúmeras modificações e respectivas variações. As reivindicações anexadas a presente invenção devem cobrir todas essas modificações e variações que se enquadrem no verdadeiro espírito e escopo desta presente invenção.
REIVINDICAÇÕES
Claims (4)
1. Método, caracterizado por compreender: adicionar uma argila inorgânica pré-esfoliada em um isocianato, dita argila inorgânica pré-esfoliada sendo livre de modificação por um contra-íon lipofílico; fazer com que a argila inorgânica delamine para formar uma nanodispersão de argila; misturar dita nanodispersão de argila com um componente reativo a isoacianato e um agente de sopro para formar uma mistura reativa; e permitir que a mistura reativa espume.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dita adição de uma argila inorgânica pré-esfoliada para um isocianato compreender a adição de uma argila natural inorgânica para um diisocianato.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dita adição de uma argila inorgânica pré-esfoliada para um isocianato compreender a adição de uma argila inorgânica sintética para um diisocianato.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por compreender pré-esfoliar a argila inorgânica.
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