Offenzelliger Schaumgummiartikel und Herstellungsverfahren Dièse Erfinclimg bezieht sich auf einen ofienzelligen Schaumgummiartikel, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er auf seinen ZellwÏnden eine Abscheidung eines versteifend wirkenden Materials aufweist, sowie auf ein Herstellungsverfahren für solche Schaum- gummiartikel.
Es ist von Bedeutung, dass man bei erfin dungsgemässen Artikeln im Verhältnis zu einem gegebenen Materialgewieht einen hohen Widerstand gegen Verformung durch Druck- krÏfte erzielen kann, womit f r einen Gegen- stand mit bestimmter geforderter Tragfähig- keit und Stossabdämpfung der Vorteil von 3laterialersparnis und leichtem Gewicht ge- geben ist.
Bei der heute allgemein üblichen Methode zur Herstellung von offenzelligem Schaum- ? wird eine wässerige Dispersion eines Elastomers mit versehiedenen Zusätzen, wie Schwefel, Antioxydantien, Beschleunigungskatalysatoren und Seifen innig durchmischt.
Die Mischung wird anschlie¯end entweder durch Znmisehen eines (¯1ases oder durch Gas- entwicklung in der Masse selbst in einen flüs sigenSchaumverwandelt. Die schaumige Dispersion wird entweder in Formen oder als fortlaufende gleichmässige Schicht zum Gelieren gebracht, das Gel wird vulkanisiert, die wasserl¯slichen Bestandteile durch Waschen entfernt und schliesslich die schaumige Masse getrocknet. Der so erhaltene offenzellige Schaumgummi (Schwammgummi) ist das bekannte elastische Produkt mit vielen praktischen Verwendungen, so fiir Kissen,'Sitz- polster, Matratzen usw.
Die Produite weisen die bekannte rÏumliche Netzstruktur auf, wobei die innern HohlrÏume des Produktes miteinander kommunizieren.
F r seine praktische Verwendung wird der Schaumgummi qualitativ gemäss seiner WiderstandsfÏhigkeit gegen ber Druck bewertet. Es ist. dabei üblich, die Druckfestig- keit von Schaumgummi in der Weise zu bestimmen, dass man die Kraft misst, welche natif ist, um das aus Sehaumgummi bestehende Gebilde auf 75% seiner urspr nglichen Hoche zusammenzudrücken, wobei man sieh eines Drucktellers von 322,, 55 cm2 FlÏche bedient. Das allgemein übliche Prüfverfah- ren wird in Buyers Specifieation-Latcx Foam , herausgegeben von der Rubber Manufaeturers Association, Inc., beschrieben.
Es wurde gezeigt, dass der Druckwiderstand von Sehwammgummi eine Funktion seiner Dichte und des Elastizitätsmoduls des in ihm enthaltenen Elastomers darstellt. Einer der Anmelder, Joseph A. Talalay, hat gefwn- den und in Ind. & Eng. Chem.
Band 44, S. 791 (1952) bereits berichtet, dass die Änderung des Druckwiderstandes von Schwamm- gummi in Abhängigkeit von der Dichte durch folgende Formel ausgedrückt werden kann : h=4(1-@)2/P in der
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bedeutet und h die für eine 25prozentige Kompression erforderliche Kraft in Pfund/ Zoll2 (= 0, 07 kg/cm2), Gf die Dichte des Schaum. in Pfund ! Zoll3 (= 0, 027 kg/cm3) und P ein Faktor, der vor allem eine Funk- tion des Moduls des Gummis und in geringerem Masse der Zellstruktur ist, bedeuten.
Aus Gründen der Bequemliehkeit wird an Stelle der Dichte Gf eine Kubikwurzel- funktion der Dichte (0) gesetzt.
F r Schaumgummi aus Naturlatex (60pro- zentiger zentrifugierter Latex von Hevea Bra ziliensis) fand man den Wert von P annähernd 10X10-3, wenn der Ka. utsehuk mit 2, 25 /o Schwefel und einem geeigneten Beschleuniger (wie zum Beispiel je 1, 25% Zink diäthyldithiocarbamat und Zinkmerkapto- benzothiazol) bei optimalen Bedingungen vul kanisiert war.
F r aus einem bei tiefer Temperatur von zum Beispiel 5 C durehi Emulsionspolymeri- sation erhaltenen Kopolymerisa t aus Butadien und Styrol mit hoher Mooney-Viskosität von zum Beispiel MS4 ber 70, hergestellten Schwammkautsehuk ist der Wert P etwas niedriger und kann im Bereich von'8,5X10-3 liegen, das hei¯t, dass das Produkt einen ver hältnismässig hohen Kompressionswiderstand aufweist.
Es wurde gefunden, dass der Kompressionswiderstand von Schaumgummi, wenn auch in sehr geringem Masse, auch durch die Grosse der Zellen des Schaums beeinfLusst wird.
Bei der Herstellung von Schaumgummi ist die Erzielung des grösstmöglichen Kompres sionswiderstandes für eine gegebene Dichte von äusserster wirtschaftlieher Bedeutung.
Das hei¯t anders ausgedruckt, da¯ es erwünscht ist, einen Schaumgummiartikel von gegebenem spezifischem. Kompressionswiderstand mit dem geringstmöglichen Verbrauch an elastomerem laterial herzustellen.
Der Kompressionswiderstand eines Zellenkörpers mit frei untereinander kommunizierenden Zellen wird f r eine bestimmte Dichte durch den Elastizitätsmodul des Gummis, aus dem die Zellwände gebildet sind, bestimmt.
In der Technologie des festen Kautschuks kann man den Elastizitätsmodul leicht durch überlegtes Mischen herauf-oder herabsetzen.
So kann man natürlichen oder synthetischen Trockenkautsehuk mit feinverteilten Zusätzen wie Russ, feinpulveriger Ton usw. verstÏrken, bis der modal der Mischung ein Vielfaches desjenigen des reinen Kautschuks beträgt.
Mit dieser Erhöhung des ElastizitÏtsmoduls geht vielfach eine Verbesserung anderer physi- kaliseher Eigensehaften, wie der Zugfestigkeit, Rei¯festigkeit und Abriebbeständigkeit Hand in Hand. Leider kann diese Verstär- kungstechnik bei Latex nicht angewendet werden. Mässige ZusÏtze von Ton, Tonerde hvdrat usw. k¯nnen eine Latexmischung etwas versteifen, doeh geht dies auf Kosten der Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Reissfestigkeit. Auch ist der Versteifungseffekt nicht sehr beständig und geht bei längerer und wiederholter Biegebeanspruehung zum Teil verloren.
Es wurde gefunden, dass zum Beispiel ein Zusatz einer kleinen Menge eines gemischten Latex zu einem offenzelligen Schaumgummi- artikel durch Eintauehen des letzteren in eine verdünnte Latexdispersion, wodureh die Zellwände überzogen werden, eine erhebliche Zunahme des Kompressionswiderstandes bewirkt, die nur von einergeringenGewichtserhöhung begleitet, ist. Gleiehzeitig wird die Zugfestigkeit des Schaums (unter Berücksichtigung der Korrektur für eine kleinere ¯nderung der Diehte) leicht verbessert.
Andere physika- lisere Eigenschaften des Schaumgummis bleiben, wie sich zeigte, im wesentlichen unver- ändert,
Es wurde weiter gefunden, da¯ die Zugabe eines versteifenden Mittels, zum Beispiel eine Dispersion von kolloidalem Silizium dioxyd, beispielsweise Ludox (eingetragene Marke), hergestellt nach US-Patent 2574902, zur Tauchlosung den gewünschten Effekt noch weiter verbessert.
Ludoxo ist eine 30prozentige kolloidale Dispersion von fast reinen amorphen Siliziumdioxydteilchen (SiO2) in Form von polymeri sierter Kieselsaure. Die durchschnittliche Teil- chengrosse von 17 mA ist kleiner als die des besten Russes.
Als spezielles Beispiel sei erwähnt, dass eine 2-bis 3prozentige Gewichts- zunahme des Schwammgummis, herrührend vom Eintauchen in eine verdünnte Dispersion einer Mischung, die gleiehe Teile einer Latexmischung und kolloidales Siliziumdioxyd enthÏlt, den spezifischen Kompressionswiderstand eines Schwammgummiartikels von mittlerer Dichte um 30 bis 40'"/ erhöht. Der Faktor P eines solchen Schaums kann den Wert 6X10-3 erreichen. Bei den bis jetzt iiblichen Methoden würde zur Erreichung einer vergleichbaren Erhöhung des Kompressionswiderstandes eine etwa 20 bis 215pro- zentige Erhöhung des Schaumgewichtes (Giessgewieht) erforderlich sein.
Für diese Erscheinung lässt sich nicht leieht eine Erklärung geben, doch, da die Versteifungswirkung offensichtlich grosser ist, als sie durch eine gleichmässige Verdickung der Zellwände erklärt werden könnte, scheint es wahrscheinlich, dass die Kapillarattraktion ein Faktor ist, der bewirkt, dass verhältnis- mässig grössere Mengen der zugesetzten Suhstanz in selektiven Zonen selektiv abgelagert (und koaguliert) werden. Eine solehe bevor zugte Ablagerung des zugesetzten Materials kann in den Winkeln aufeinandertreffender Zel wände stattfinden, wo sie als Verstrebung wirkt, ferner in den engen Durchgängen oder den zwisehen den Hauptzellen liegenden, diese verbindenden kleineren Zellen.
Man nimmt auch an, dass bei der beschriebenen Verwendung von ¸Ludox¯ die kolloidalen Siliziumdioxydteilchen genügend fein und beweglich sind, um in die Latexfilme der Zellstruktur einzudringen und so einen Bestandteil dieser zu bilden.
Bei der Durchf hrung des Verfahrens kann man von einem Schaumgebilde ausgehen, das nach dem Gefrier-Koagulationsverfahren des US-Patentes Nr. 2432353 von Talalay oder nach irgendeinem andern bevorzugten Verfahren erhalten worden ist.
Nach dem Vulkanisieren und Waschen und entweder vor oder nach dem Trocknen kann der Schwammgummi in eine verdünnte (insgesamt 5 /o Feststoffe) Dispersion einer Latexmischung eingetaucht und das überschüssige Material durch Ausquetschen zwischen Walzen (Auswringen) entfernt werden, wonach das Produkt im heissen Luftstrom getroeknet wird, wobei gleiehzeitig Vulkani- sation des Elastomers erfolgt.
Die gemäss vorliegendem Verfahren erhaltenen Ergebnisse werden durch die Kurven in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, welche die prozentuale Zunahme des spezifischen Kompressionswiderstandes eines Polsterkis- sens für Automobilsitze (ein flaches Schwammgummipolster von etwa 32 mm Dicke, das als Polstermaterial über einem Sprungfederge häuse f r Automobilsitze verwendet wird) als Funktion der prozentualen Gewichtszunahme darstellen, wobei diese Gewichtszunahme auf versehiedene Weise erreicht wird. Das PoNter- kissen wurde mit gleichen Teilen Naturkau- tschuk und bei 5 C polymerisiertem GR-S Latex von hohem Feststoffgehalt hergestellt.
Die Kurve A zeigt die Wirliung, die durch blosse Erhöhung des Gewichtes der Grundmasse, das heisst dureh Vergiessen eines dichteren'Schaums, erzielt wird, als prozentuale Zunahme des Kompressionswiderstandes mit zunehmender Dichte.
Die Kurve B zeigt die Wirkung beim Ein- tauchen des Polsters in die gleiche Latex misehung, aus der es hergestellt wurde, Trock. nen und Vulkanisieren des zusätzlichen Elastomermaterials, als prozentuale Zunahme des Kompressionswiderstandes mit zunehmendem Gewicht.
Die Kurve C zeigt die Wirkung des gleichen Vorgehens, wobei man jedoch in eine Mischung aus 75 Teilen Latexmisehung und 2'5 Teilen kolloidalem Siliziumdioxyd taucht.
Die Kurde D zeigt die Wirkung einer Tauchmischung aus gleichen Teilen Latexmischung und kolloidalem Siliziumdioxyd.
Die Iturve zeigt den Einfluss einer verdünnten Dispersion von kolloidalem Sili ziumdioxyd, ohne La. texzusatz.
Der Zusatz von einem Teil MonoÏthylamin verhindert die Floekenbildung im Latex- Lu- dox¯-System. Die Mischung muss zur Ver hinderung der Ausflockung und des Absitzens der Vulkanisationsmittel gut ger hrt werden.
Unter den gleichen Arbeitsbediagungen erhöht ein zunehmendes VerhÏltnis von ¸Ludox¯ zu Kautschuk den Kompressionswiderstand, setzt aber das bei einmaligem Tauchen aufgenommene Gewicht herab.
Es wurde ferner gefunden, dass die Won- zentration der Tauchdispersion dadurch begrenzt wird, dass der Schaum nach dem Durehgang durch die Abquetsehwalzen seine ur sprüngliche Form wieder annehmen muss.
Faktoren, welche die Grenzen der Konzentration der Tauchdisper. sion beeinflussen, sind :
1. Die Art des Latex in der Tauchdis persion (GR-S undoder Rohkautschuk).
2. Die Alenge des Latex in der Dispersion.
3. Die Einstellung der Quetschwalzen (Wal- zendruek) und 4. der Vulkanisationsgrad des zu tauehen- den Materials.
Die Erhöhung des Kompressionswiderstandes ist nieht auf eine einzige Tauehung beschränkt. Es wurde gefunden, dass bei einem zweiten Tauchvorgang und gew nschtenfalls sogar bei einem dritten, ein vergleiehbarer Effekt erzielt wird. Bei aufeinanderfolgendem.
Tauchen kann jedoch die prozentuale Zunahme des Kompressionswiderstandes bei den späteren Tauehungen geringer sein als bei der ersten. F nf Streifen eines Dichtungs- materials aus offenzelligem Schaumgummi f r Automobiltüren wurden dreimal in eine 10prozentige Dispersion von 50 Teilen GR-S Latex (bei 5¯ C polymerisiert) mit hoher Won- zentration an Feststoffen und 50 Teilen ¸Ludox¯ getaucht.
Zwischen jedem Tauchen wurden die Proben dureh die Quetschwalzen ge- f hrt, bei 990 C getrocknet und zusammenge drüekt. Die Kompressionswerte sind die Anzahl Pfunde (= 0, 454 kg), die erforderlich sind, um eine Lange von 30, 4 em mit 0, 454 kg Vorbelastung um 3, 17 mm zusammenzu- dr cken.
Die Versuchsergebnisse sind die folgenden : Urspr ngliche Dichte der Streifen :
0,130 bis 0, 138 g/cm3 Einmaliges Tauellen :
Gewichtszunahme 7, 6 % Zunahme des Kompressionswider standes 27,4 % Dreimaliges Tauchen :
Gewichtszunahme 21,1 %
Zunahme des Kompressionswider standes 94, 2 /o Obsehon im vorstellenden auf ein Taueh- verfahren Bezug genommen wird, ist die Art der Einverleibung der Dispersion in den Schaum nicht darauf beschrankt. Der Latex- znsat% kann auch erfolgen, indem man die Latexdispersion auf den Schaum giesst und über diesen fliessen lässt, oder indem man sie aufspritzt.
Beispiele f r im vorliegenden Verfahren zu verwendende Mischungen sind folgende :
Der für das Grundmateria verwendete Kautschuk kann Natur-oder synthetischer Kautschuk, insbesondere ein Butadien-Styrol- Kopolymerisat oder eine Mischung von Naturund Kunstkautsehuk sein.
Infolge ihrer geringeren Klebrigkeit werden GR-S-Kautschuke bevorzugt.
Im folgenden wird ein Rezept für eine Dispersion gegeben, die zur Behandlung von vulkanisiertem offen% elligem Sehaum verwen- det werden kann, A. Kautschukmischung: GR-S (S667) 100. 00 Kaliumoleat 2. 00 Monoäthylamin 1. 00 Styrolisiertes Phenol (Antioxydations mittel), z. B. Wingstay S (ein getragene Marke) 1. 50 Zinkoxyd 4. 00 Zinkdiäthyldithiocarbamat 1. 25 Zinkmercaptobenzothiazol 1. 25 Schwefel 2. 25
B.
Tauchdispersion : Kautschukmischung A 4. 5 Kolloidales Siliziumdioxyd ( Ludox ) 30 Wasser 92. 5 Gesamtfeststoffe : 7, 5 /a Die Konzentration der Dispersion ist gewohn- lieh geringer als 10 %.
Einwirkung auf die physikalischen Eigen- schaften : 1. Zugfestigkeit leicht erhöht.
2. Dehnung bleibt konstant.
3. Die Fähigkeit zur Beibehaltung einer per manenten Festigkeit (Heissverfestigung) des behandelten'Materials ist etwas besser als diejenige des unbehandelten (bestimmt nach The Rubber Manufacturers Associa tion Buyers Guide-Latex Foam).
4. Eine wiederholte Biegebeanspruchung des behandelten Materials erweist sich, als pro zentuale Abnahme des Kompressionswider standes ausgedrückt, derjenigen des unbe- handelten Grundmaterials nur wenig un terlegen und hinsichtlieh, des Verlustes an
Hohe gleich.
5. Andere physikalische Eigenschaften des behandelten Materials, wie Biegsamkeit bei tiefen Temperaturen und der Widerstand gegen die Luftbombenprobe (air bomb testing) bleiben verhältnismässig unver- ändert.
Als weitere Beobachtung bezüglich des Er findungsgegenstandes ist zu bemerken, da. ¯ die Form der Kurven für die Verformung durch Kompression sowohl für das unbehandelte als auch für das mehrmals getauchte Material in der Regelsehrähnlich, ist. Dies ergibt sich aus den Kurven der Fig. 2, in welcher die Kurve F das Verhalten des unbehandelten, die Kurve G dasjenige des be handeltenMaterials zeigt. Auf der Ordina. te ist der Kompressionswiderstand des Schaum- gummis in Einheiten von 1, 4 glcm2, auf der Abszisse die Kompression als prozentuale Abnahme der ursprünglichen Dicke aufgetragen.
An einem unbehandelten offenzelligen Schaumgummistück von 82, 55 mm Dicke wird nach je 10 /Verminderung seiner ursprünglichen Dicke der Kompressionswiderstand gemessen. Das gleiche St ck wird in eine Ludoxs. enthaltende Latexmisehung getaucht, die iibersehüssige Dispersion abgequetscht und dann wird getrocknet und vulkanisiert.
Die Gewichtszunahme beträgt 4, 3 % und die prozentuale Zunahme des spezifischen Kompressionswiderstandes gegenüber dem unbehandelten Material ist wie folgt : %Kompression % Zunahme des spezifischen
Kompressionswiderstandes 1X0 56 '20 56
30 56
40 56
50 64
60 51
70 47
80 41
Man hätte erwarten können, dass die Tauchbehandlung nur in den untern Kompressionsbereichen, wo die Steifheit der Zellwände der Hauptfaktor f r den Kompressionswiderstand ist, das heisst im Bereich von 10 bis 50 /o Kompression, wirksam ist.
Die Resultate zeigen aber, dass die Wirkung bis zu mindestens 80/m Kompression bemerkbar ist, was nahe bei der vollständigen Zusammendrückung des Schaumgummis liegt.
PATENTANSPRCHE
I. Offenzelliger Sehaumgummiartikel, da- durch gekennzeichnet, dass er auf seinen Zell
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.