DE10014593C2 - Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum und ein Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum und ein Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen halogenfreien, flammwidrigen Polyurethanhartschaum, ein Ver­ fahren zu seiner Herstellung sowie die Verwendung von oxalkylierten Alkylphosphonsäuren im Gemisch mit Ammoniumpolyphosphat zur Herstellung von solchen halogenfreien flamm­ widrigen Polyurethanhartschäumen.
Polyurethanhartschaumstoffe werden in vielen Bereichen, wie in der Kühlmöbelindustrie, als Dämmstoffe im Bau, etwa für Heizungs- und Verbundelemente, als Verpackungen und allge­ mein als technische Dämmung eingesetzt. Zum Erreichen der in diesen Branchen gewünsch­ ten und teilweise vom Gesetzgeber geforderten hohen Flammschutzanforderungen müssen Polyurethanhartschaumstoffe in der Regel mit Flammschutzmitteln ausgerüstet werden. Hier­ zu sind eine Vielzahl unterschiedlicher Flammschutzmittel bekannt und auch kommerziell erhältlich. Der Verwendung solcher Flammschutzmittel stehen allerdings vielfach erhebliche anwendungstechnische Probleme und toxikologische Bedenken entgegen.
So treten bei Verwendung fester Flammschutzmittel wie beispielsweise Melamin, Ammoni­ umpolyphosphat und Ammoniumsulfat dosiertechnische Probleme auf, die häufig aufwendige Umbauten und Anpassungen der Verschäumanlagen notwendig machen.
Aus ökotoxikologischen Gründen sowie aufgrund verbesserter Brandnebenerscheinungen bezüglich Rauchgasdichte und Rauchgastoxizität werden halogenfreie Flammschutzmittelsy­ steme grundsätzlich bevorzugt.
Für Polyurethanweichschaumsysteme können hydroxylgruppentragende oligomere Phosphor­ säureester (DE 43 42 972 A1) als Flammschutzmittel eingesetzt werden. Solche Verbindungen, deren Eigenschaften und Wirkungen lassen sich bekannterweise nicht auf Polyu­ rethanhartschaumsysteme übertragen.
Zwar können Polyurethanweich- und hartschaumsysteme grundsätzlich in etwa die gleiche Raumdichte und Zusammensetzung aufweisen jedoch sind die Polyurethanweichschäume nur gering vernetzt und weisen bei Druckbelastung nur einen geringen Verformungswiderstand auf.
Im Gegensatz dazu besteht die Struktur der Polyurethanhartschäume aus hoch vernetzten Ein­ heiten und der Polyurethanhartschaum zeigt bei Druckbelastung einen sehr hohen Verformungs­ widerstand. Der typische Polyurethanhartschaum ist geschlossenzellig und weist nur eine niedri­ ge Wärmeleitzahl auf.
Primär wird bei der Herstellung von Polyurethanen, die über die Reaktion von Polyolen mit Iso­ cyanaten abläuft, über die Art und Chemie des Polyols (Funktionalität) die spätere Schaumstru­ kur und seine Eigenschaften beeinflusst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flammwidrigen Polyurethanhartschaum sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen, daß die vorgenannten Nachteile vermeidet und bei dem Produkte erhalten werden, die den notwendigen und vorgegebenen An­ forderungen an Flammwidrigkeit, Verarbbeitbarkeit, niedrige Rauchgasdichte und geringe Rauchgastoxizität genügen.
Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Polyurethanhartschaum der eingangs genann­ ten Art, dadurch gekennzeichnet, daß er als Flammschutzmittel eine Kombination aus oxethy­ lierten Alkylphosphonsäuren, nämlich oxethylierter Methylphosphonsäure, oxethylierter E­ thylphosphonsäure und/oder oxethylierter Propylphosphonsäure und Ammoniumpolyphosphat enthält.
Bevorzugt sind in dem erfindungsgemäßen Polyurethanhartschaum die oxalkylierten Al­ kylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat im Gewichtserhältnis von 1 : 2 bis 2 : 1 ent­ halten.
Bevorzugt sind die oxalkylierten Alkylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat im Ge­ wichtserhältnis 1 : 1 enthalten.
Bevorzugt enthält der halogenfreie, flammwidrige Polyurethanhartschaum das Flammschutzmit­ tel in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den ausgehärteten Polyurethanhart­ schaum.
Besonders bevorzugt enthält er das Flammschutzmittel in einer Menge von 3 bis 15 Gew.-%, bezogen auf den ausgehärteten Polyurethanhartschaum.
Bevorzugt weist der Polyurethanhartschaum ein Raumgewicht von 25 bis 80 kg/m3 auf.
Besonders bevorzugt weist der Polyurethanhartschaum ein Raumgewicht von 30 bis 50 kg/m3 auf.
Die vorliegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines halogen­ freien, flammwidrigen Polyurethanhartschaums aus Polyisocyanaten und Polyolen in Gegenwart von Treibmitteln, Stabilisatoren, Aktivatoren und/oder weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstof­ fen, dadurch gekennzeichnet, daß man organische Polyisocyanate mit Verbindungen mit min­ destens 2 gegenüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen in Gegenwart von Treib­ mitteln, Stabilisatoren und einer Flammschutzmittel-Kombination aus den oxalkylierten Al­ kylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat umsetzt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Treibmittel um Wasser und/oder Pentan.
Bevorzugt handelt es sich bei den oxethylierten Alkylphosphonsäuren um bei Verarbeitungstem­ peratur flüssige Verbindungen. Unter Verarbeitungstemperatur wird dabei die Temperatur ver­ standen, bei der die Ausgangskomponenten vermischt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei den oxethylierten Alkylphosphonsäuren der allgemeinen Formel I um gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der oxethylierten Alkylphosphonsäuren im Gemisch mit Ammoniumpolyphosphat als halogenfreie Flammschutzmittel zur Herstellung von flamm­ widrigen Polyurethanhartschaumsystemen.
Zu den Polyurethanhartschäumen:
Es handelt sich dabei vorwiegend um Urethan- und/oder Isocyanurat- und/oder Allophanat- und/oder Uretdion- und/oder Harnstoff und/oder Carbodiimidgruppen aufweisende Schaumstof­ fe. Die erfindungsgemäße Verwendung erfolgt vorzugsweise bei der Herstellung von Polyu­ rethan- und Polyisocyanurat-Schaumstoffen.
Für die Herstellung der Schaumstoffe auf Isocyanatbasis werden eingesetzt:
Als Ausgangskomponenten: Aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische, aromatische und heterocyclische Polyisocyanate (z. B. W. Siefken in Justus Liebigs Annalen der Chemie, 562, S. 75-136), beispielsweise solche der Formel Q(NCO)n, in der n = 2 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3, und Q einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 18, vorzugsweise 6 bis 10 C-Atomen, einen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 15, vorzugsweise 5 bis 10 C-Atomen, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15, vorzugsweise 6 bis 13 C-Atomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 8 bis 15, vorzugsweise 8 bis 13 C-Atomen, be­ deuten, z. B. solche Polyisocyanate, wie sie in der DE 28 32 253 A1, Seiten 10 bis 11, beschrie­ ben werden. Besonders bevorzugt werden in der Regel die technisch leicht zugänglichen Polyi­ socyanate, die sich vom 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat bzw. von 4,4'- und/oder 2,4'- Diphenylmethandiisocyanat ableiten.
Ausgangskomponenten sind ferner Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 400 bis 10.000 ("Polyol­ komponente"). Hierunter versteht man neben Aminogruppen, Thiogruppen oder Carboxylgrup­ pen aufweisende Verbindungen, vorzugsweise Hydroxylgruppen aufweisende Ver­ bindungen, insbesondere 2 bis 8 Hydroxylgruppen aufweisende Verbindungen, speziell solche vom Molekulargewicht 1000 bis 6000, vorzugsweise 2000 bis 6000, in der Regel 2 bis 8, vor­ zugsweise aber 2 bis 6 Hydroxylgruppen aufweisende Polyether und Polyester sowie Polycar­ bonate und Polyesteramide, wie sie für die Herstellung von homogenen und von zellförmigen Polyurethanen an sich bekannt sind und wie sie etwa in der DE 28 32 253 A1 beschrieben werden. Die mindestens zwei Hydroxylgruppen aufweisenden Polyether und Polyester sind erfindungsgemäß bevorzugt.
Gegebenenfalls sind weitere Ausgangskomponenten Verbindungen mit mindestens zwei ge­ genüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen und einem Molekulargewicht von 32 bis 399. Auch in diesem Fall versteht man hierunter Hydroxylgruppen und/oder Amino­ gruppen und/oder Thiogruppen und/oder Carboxylgruppen aufweisende Verbindungen, vor­ zugsweise Hydroxylgruppen und/oder Aminogruppen aufweisende Verbindungen, die als Kettenverlängerungsmittel oder Vernetzungsmittel dienen. Diese Verbindungen weisen in der Regel 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 4 gegenüber Isocyanaten reaktionsfähige Wasserstoffatome auf. Beispiele hierfür werden ebenfalls in der DE 28 32 253 A1 beschrieben.
Gegebenenfalls werden Hilfs- und Zusatzmittel mitverwendet wie Katalysatoren der an sich bekannten Art, oberflächenaktive Zusatzstoffe, wie Emulgatoren und Schaumstabilisatoren, Reaktionsverzögerer, z. B. sauer reagierende Stoffe wie Salzsäure oder organische Säurehalo­ genide, ferner Zellregler der an sich bekannten Art wie Paraffine oder Fettalkohole und Di­ methylpolysiloxane sowie Pigmente oder Farbstoffe und weitere Flammschutzmittel, Kern­ verfärbungsinhibitoren, ferner Stabilisatoren gegen Alterungs- und Witterungseinflüsse, Weichmacher und fungistatisch und bakteriostatisch wirkende Substanzen sowie Füllstoffe, wie Bariumsulfat, Kieselgur, Ruß- oder Schlämmkreide (DE 27 32 292 A1).
Weitere Beispiele von gegebenenfalls erfindungsgemäß mitzuverwendenden oberflächenakti­ ven Zusatzstoffen und Schaumstabilisatoren sowie Zellreglern, Reaktionsverzögerern, Stabili­ atoren, flammhemmenden Substanzen, Weichmachern, Farbstoffen und Füllstoffen sowie fungistatisch und bakteriostatisch wirksamen Substanzen sowie Einzelheiten über Verwen­ dungs- und Wirkungsweise dieser Zusatzmittel sind im Kunststoff-Handbuch, Band VII, Carl Hanser Verlag, München, 1993, auf den Seiten 104 bis 123 beschrieben.
Polyisocyanuratschaumstoffe werden nach den hierfür bekannten Verfahren und Bedingungen hergestellt.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele erläutert.
Für die Versuche wurden die folgenden Bestandteile eingesetzt:
OMPS: oxethylierte Methylphosphonsäure mit einem Phosphor-Gehalt von 12,7 Gew.-%, einer Hydroxylzahl von 430 mg KOH/g und einer Viskosität von 275 mPas bei 25°C.
OEPS: oxethylierte Ethylphosphonsäure mit einem Phosphor-Gehalt von 12,2 Gew.-%, einer Hydroxylzahl von 447 mg KOH/g und einer Viskosität von 190 mPas bei 25°C.
OPPS: oxethylierte Propylphosphonsäure mit einem Phosphor-Gehalt von 12,3 Gew.-%, einer Hydroxylzahl von 421 mg KOH/g und einer Viskosität von 160 mPas bei 25°C.
®Exolit AP422: Ammoniumpolyphosphat (Hersteller jeweils: Clariant GmbH)
Polyetherpolyol: ®Lupranol 3323, Fa. BASF, ein Polyether-Polyol mit einer Hy­ droxylzahl von 340 mg KOH/g
Katalysatoren: N,N-Dimethylcyclohexylamin, Fa. Merck-Schuchardt
Stabilisator: ®Tegostab B8466, Th. Goldschmidt AG, ein Polyether-modifiziertes Polysiloxan
Isocyanat: Caradate 30, Fa. ICI-Huntsman
Beispiele 1 bis 3
Es wurde ein wassergetriebener Polyurethanhartschaum (Index 110) mit einem Raumgewicht von ca. 40 kg/m3 nach folgender Rezeptur hergestellt (Angaben in Gewichtsteilen):
Für die Herstellung des Polyurethanhartschaumes wurden die Komponenten in der vorgege­ benen Reihenfolge gemischt und verschäumt.
Prüfung des Brandverhaltens
Gemäß den Anforderungen der DIN 4102 erfolgt die Klassifizierung des Brandverhaltens nach dem Kleinbrenner-Test. Werden die Anforderungen im Kleinbrenner-Test erfüllt, so erfolgt die Einstufung m die Klasse B2. Erreichen die Flammenspitzen innerhalb von 15 Se­ kunden die Markierung, die 150 mm oberhalb des Flammangriffpunktes an der vertikal ange­ ordneten plattenförmigen Probe angebracht ist, so gilt die geprüfte Probe als leichtentflamm­ bar, d. h. sie wird der Baustoffklasse B3 zugeordnet.
Bei den vorgenannten, erfindungsgemäßen Polyurethanhartschäumen wurde in allen Fällen der B2-Test nach DIN 4102 bestanden. Eine zusätzliche Messung der Rauchgasdichte sowohl unter schwelenden als auch unter flammenden Bedingungen ergab, daß diese um einen Faktor 3 bis 10 gegenüber solchen Polyurethanhartschäumen verringert werden konnte, die mit halogenhaltigen Flammschutzmitteln anstatt der Mischung aus Ammoniumpolyphosphat und den oxalkylierten Alkylphosphonsäuren ausgerüstet wurden.
Mit dem Produkt des Beispiels 3 (Vergleich) wurde der B2-Test nicht bestanden.

Claims (11)

1. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum, dadurch gekennzeichnet, daß er als Flammschutzmittel eine Kombination aus oxethylierten Alkylphosphonsäuren, nämlich oxethylierter Methylphosphonsäure, oxethylierter Ethylphosphonsäure und/oder oxethylierter Propylphosphonsäure und Ammoniumpolyphosphat enthält.
2. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die oxethylierten Alkylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat im Ge­ wichtserhältnis von 1 : 2 bis 2 : 1 enthalten sind.
3. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die oxethylierten Alkylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat im Gewichtserhältnis von 1 : 1 enthalten sind.
4. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er das Flammschutzmittel in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf den ausgehärteten Polyurethanhartschaum, enthält.
5. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er das Flammschutzmittel in einer Menge von 3 bis 15 Gew.-%, bezogen auf den ausgehärteten Polyurethanhartschaum, enthält.
6. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Raumgewicht von 25 bis 80 kg/m3 auf­ weist.
7. Halogenfreier, flammwidriger Polyurethanhartschaum nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Raumgewicht von 30 bis 50 kg/m3 auf­ weist.
8. Verfahren zur Herstellung eines halogenfreien, flammwidrigen Polyurethanhartschaums nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 aus Polyisocyanaten und Polyolen in Gegenwart von Treibmitteln, Stabilisatoren, Aktivatoren und/oder weiteren üblichen Hilfs- und Zusatz­ stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man organische Polyisocyanate mit Verbindungen mit mindestens 2 gegenüber Isocyanaten reaktionsfähigen Wasserstoffatomen in Gegenwart von Treibmitteln, Stabilisatoren, einer Flammschutzmittel-Kombination aus den oxethylierten Alkylphosphonsäuren und Ammoniumpolyphosphat umsetzt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Treibmittel um Wasser und/oder Pentan handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den oxethylier­ ten Alkylphosphonsäuren um bei Verarbeitungstemperatur flüssige Verbindungen handelt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den oxethylierten Alkylphosphonsäuren um gegenüber Isocyanaten reaktive Ver­ bindungen handelt.
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