DE10024097A1

DE10024097A1 - Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE10024097A1
Application number: DE10024097A
Authority: DE
Original assignee: Otto Bock Orthopadische Industrie KG
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-11-29
Also published as: US20020031659A1

Abstract

Der Verbundwerkstoff aus einem Polyurethangel und darin verteilten grobkörnigen Feststoffteilchen kann optisch ansprechend gestaltet werden und ermöglicht gleichzeitig die Nutzung der Eigenschaften eines Polyurethangels in einem neuen Verbundwerkstoff. Die Teilchen bestehen aus Kork, Schaumstoff, textilen Materialien usw.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, genauer einen Verbundwerkstoff mit einem Polyurethan-Gel.

Polyurethangele sind im Allgemeinen glasklare Werkstoffe mit relativ hohem spezifischen Gewicht, die für viele Anwendungs zwecke eingesetzt werden können. Die Gele sind vor allem sehr elastisch, stoß- und schockabsorbierend und mit guten Rück stellwerten verformbar.

Die in der Patentschrift EP 57838 beanspruchten Gele zur Vermei dung von Dekubitus sind durch eine niedrige Kennzahl d. h. durch sogenannte Untervernetzung gekennzeichnet. Sie werden durch die Umsetzung eines Polyisocyanats mit langkettigen Polyolen, die frei von kurzkettigen Anteilen sein sollen, hergestellt. Diese formstabilen Gele aus Polyurethan-Rohstoffen können als Matra zen, Matrazeneinlagen, Automobilsitze und Polstermöbel zum Ein satz kommen. Diese durch Untervernetzung hergestellten Polyu ethangele zeichnen sich durch Formstabilität, hervorragende me chanische Eigenschaften und Klebrigkeit aus. Die Klebrigkeit wird häufig als störend empfunden. Durch Umhüllen des Gels mit verschiedenartigen Beschichtungen kann eine klebfreie Oberflä che erzeugt werden.

Die Patentschrift EP 511570 schützt vebesserte Gele aus Polyo len und Polyisocyanaten mit niedriger Kennzahl, die aus Gemi schen von langkettigen und kurzkettigen Polyethern hergestellt werden. Diese Gele sind verarbeitungstechnisch günstiger und können als Polster in Schuhen, auf Fahrradsätteln und auf Sitz flächen, Auflagen zur Vermeidung und Verhinderung von Verlet zungen, Gesichtsmasken und Abpolsterungen unter Pferdesätteln sowie für weitere Anwendungen eingesetzt werden.

Das hohe Gewicht sowie die hohe Wärmekapazität von Sitzkissen aus reinem Gel können als Nachteil angesehen werden. Die hohe Wärmekapazität kann zu einem kalten Sitzgefühl führen, da zum Aufheizen eines kompletten Kissens aus Gel Körperwärme wahr nehmbar entzogen wird.

Um die beschriebenen Gele spezifisch leichter zu machen, könnte man an den Einsatz spezifisch leichterer Füllstoffe denken. Füllstoffe für Kunststoffe sind an sich bekannt. Sie werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Erniedrigung der Materialkosten und Recycling von anderweitig nicht mehr verwendbaren Rohstoffen sind drei Beispiele für die Verwendung von Feststoffen bei der Kunst stoffverarbeitung. Im Rahmen der Polyurethanchemie sind ver schiedenartige Füllstoffe ebenso seit langem bekannt. In den verschiedenen Erscheinungsformen von Werkstoffen aus Polyuret hanen existieren jeweils spezifische Füllstoffe. Im Weichschaum wird beispielsweise Melamin zur Verbesserung der Flammwidrig keit eingesetzt. Im Bereich der massiven Polyurethan- Elastomeren - den sogenannten RIM Produkten - wird Glas zur Er höhung der Festigkeit den reagierenden Komponenten zugemischt. Bei den in reiner Form üblicherweise glasklaren Polyurethange len führt jedoch der Zusatz von Füllstoffen zu einem milchig trüben Erscheinungsbild, das den Werkstoff optisch unattraktiv erscheinen läßt.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht daher darin, einen auf Polyurethangel basierenden Werkstoff zur Verfügung zu stellen, bei welchem die oben beschriebenen Nachteile weniger stark in Erscheinung treten und der gleichzeitig ein optisch interessantes und/oder attraktives Äußeres besitzt. Nach Mög lichkeit sollte auch eine Verringerung des spezifischen Ge wichts und eine Verminderung des Kältegefühls bei Körperkontakt erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbundwerkstoff aus einem Po lyurethan-Gel und darin verteilten grobkörnigen Feststoffteil chen gelöst, wobei der Durchmesser der Feststoffteilchen zwi schen 0,1 Milimeter bis 1 Zentimeter liegt. Der Werkstoff be sitzt ein interessantes, ansprechendes Aussehen und gleichzei tig gute, durch Form, Größe und Art der Teilchen einstellbare Werkstoffeigenschaften. Durch die Grobkörnigkeit der eingear beiteten Teilchen wird das optische Erscheinungsbild in jedem Falle geprägt, und zwar in einem weiten durch Auswahl der Teil chen und der Teilchengröße bestimmbaren Bereich. Da die Teil chen diskret erkennbar sind, ergibt sich ein optisch völlig neuer Gel-Verbundwerkstoff.

Bevorzugt ist die Einarbeitung spezifisch leichterer (Dichte kleiner als 1,5 Kg pro Liter) und relativ grobkörniger Fest stoffe.

Bevorzugt sind Feststoffmaterialien, die aus Naturstoffen wie beispielsweise Kork hergestellt werden. Der Feststoff kann die Wärmeleitfähigkeit des Gels reduzieren. Ebenso wird zumeist die Klebrigkeit des nichtabgedeckten resultierenden gelenthaltenden Verbundwerkstoffes erniedrigt. Besonders hervorzuheben ist aber die optische Attraktivität des sich ergebenden efindungsgemäßen Verbundmaterials.

Die Feststoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Teil chengröße von 0,1 Milimeter bis zu etwa 1 Zentimeter besitzen. Es handelt sich somit um mit dem Augen zu unterscheidende dis krete Teilchen. Der Verbundwerstoff ist sichtbar körnig. Die Geometrie der Teilchen ist im allgemeinen unregelmäßig. Die Kombination des im Grundzustand glasklaren Gels mit den unre gelmäßigem Feststoff verleit den erfindungsgemäßen Verbundwerk stoffteilen ein attraktives Aussehen.

Vorzugsweise liegt der Durchmesser der Fesstoffteilchen zwi schen 0,1 und 15 Milimeter.

Die Feststoffteilchen werden bevorzugt in einer solchen Menge zugegeben, dass sie 5 bis 90 Volumenprozent, vorzugsweise 20 bis 70 Volumenprozent des Endprodukts ausmachen.

Die erfindungsgemäß verwendeten Fesstoffe sind des weiteren be vorzugt organischer Natur. Erfindungsgemäße Feststoffe sind Korkstücke, Korkmehl, Holzstücke, Holzspäne, Sägespäne, Schaum stofflocken, Reste von Textilien, Textilfasern, Schaumstoffre ste verschiedener Flockengröße. Unter Schaumstoffen sind alle Arten von aufgeschäumten Kunststoffen insbesondere Polyurethan stoffe zu verstehen. Sie können offenzelliger und geschlossen zelliger Natur sein.

Die Gelmassen des Polyurethangels werden vorzugsweise mit Roh stoffen einer Isocyanatfunktionalität und Funktionalität der Polyolkomponente von mindesten 7,5 hergestellt. Die Polyolkom ponente des Gel kann bevorzugt aus einem Gemisch aus

- einem oder mehreren Polyolen mit Hydroxylzahlen unter 112 und
- einem oder mehreren Polyolen mit Hydroxylzahlen im Be reich 112 bis 600 bestehen,
- wobei das Gewichtsverhältnis von Komponente a) zu Kompo nente b) zwischen 90 : 10 und 10 : 90 liegt, die Isocyanat- Kennzahl des Reaktionsgemische im Bereich von 15 bis 60 liegt und das Produkt aus Isocyanat-Funktionalität und Funktionalität der Polyolkomponente mindestens 6 beträgt.

Die Polyolkomponente kann aus einem oder mehreren Polyolen mit einem Molekulargewicht zwischen 1000 und 1200 und einer OH- Zahl zwischen 20 und 112 bestehen, wobei das Produkt der Funktionalitäten der polyurethanbildenden Komponenten mindestens 5 beträgt und die Isocyanatkennzahl zwischen 15 und 60 liegt.

Als Isocyanat für die Polyurethanherstellung können solche der Formel Q(NCO)_n eingesetzt werden, wobei n für 2 bis 4 steht und Q einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 18 C- Atomen, einen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 15 C-Atomen, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 C-Atomen oder einem araliphatischen Kohlenwasser stoffrest mit 8 bis 15 C-Atomen bedeutet.

Die Isocyanate können in reiner Form oder auch in Form üblicher Isocyanatmodifizierungen eingesetzt werden, vorzugsweise uret hanisiert, allophanatisiert oder biuretisiert.

Die Erfindung umfasst auch Formteile aus den beschriebenen er findungsgemäßen Verbundwerkstoff.

Bevorzugte Anwendungen für den neuen Verbundwerkstoff bzw. dar aus hergestellten Formteile sind Schuhinnensohlen, Fußbetten, Schuhsohlen, ganze Schuhe, Sitzauflagen, Matratzen, Sessel, Sitzkissen, Fahrradsättel oder auch Teppichrückenbeschichtun gen, allgemein Dämpfungselemente. Viele andere Anwendungen sind denkbar.

Durch die Wahl eines geeigneten Abdeckmaterials bzw. einer ge eigneten Deckschicht in Kombination mit dem Füllstoff lassen sich Eigenschaften wie beispielsweise die Wasseraufnahme ge zielt steuern. Bei der Wasseraufnahme sind die guten Wasserauf nahmeeigenschaften des reinen Gels von Vorteil. Bei Einsatz als Innensohlenmaterial kann der Tragekomfort, das heißt das mecha nische Eigenschaftsprofil, durch Variation des Feststoffgehal tes und der Härte des Gels gezielt eingestellt werden.

Kombinationen des erfindungsgemäßen Werkstoffes mit Schaumstof fen, Kunstoffen, Metallen oder anderen Werkstoffen zu Sandwich konstruktionen sind einfach möglich, da dabei die Adhesivität des Stoffes ausgenutzt werden kann.

Beispiele

Die erfindungsgemäßen Muster wurden durch Mischen der Polyol komponente mit dem Feststoff und anschließender Zugabe des Iocyanates hergestellt. Es wurde ein konventioneller Laborrüh rer eingesetzt. Die Herstellung von Formkörpern durch Einbrin gen des reagierenden Polyol-Feststoff-Isocyanatgemischs in eine offene oder geschlossene Form entspricht der üblichen Verfah renstechnik. Die kontinuierliche Herstellung von Blöcken aus den erfindungsgemäßen Rohstoffen ist ebenfalls möglich.

Beispiel 1

200 ml eines trifunktionellen Polyetherpolyols der OH Zahl 36, das mit 0,05 Gew-% eines Katalysators (Coscat 83 der Firma Co san Chemicals Co.) versetzt ist, wird mit 200 ml eines Korkpul vers einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 mm intensiv ver mischt. Anschließend wird die entstandene Masse mittels eines Laborrührers mit 27,6 g eines modifizierten aliphatischen Isocyanats (Desmodur KA 8114 der Bayer AG) vermischt. Das rea gierende Gemisch wird in eine Plattenform de Größe 20 × 20 × 1 cm gegossen. Nach drei Minuten wird das Formteil aus der Form genommen. Es hat ein ähliches Aussehen wie eine Korksohle. Die mechanischen Eigenschaften sind wie folgt:
Dichte: 0,8 g/l
Shore L: 46
Zugfestigkeit: 320 kPa
Bruchdehnung: 130%

Beispiel 2

300 ml eines trifunktionellen Polyetherpolyols der OH Zahl 36, das mit 0,05 Gew-% eines Katalysators (Coscat 83 der Firma Co san Chemical Co.) versetzt ist, wird mit 150 ml eines Korkpul vers einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 mm intensiv ver mischt. Das reagierende Gemisch wird in eine Plattenform der Größe 20 × 20 × 1 cm gegossen. Nach drei Minuten wird das Form teil aus der Form genommen. Es hat ein ähliches Aussehen wie eine Korksohle. Die mechanischen Eigenschaften sind wie folgt:
Dichte: 0,8 g/l
Shore A: 39
Zugfestigkeit: 280 kPA
Bruchdehnung: 310%

Beispiel 3

150 ml eines trifunktionellen Polyetherpolyols der OH Zahl 36, das mit 0,05 Gew.-% eines Katalysators (Coscat 38 der Firma Co san Chemical Co.) versetzt ist, wird mit 300 ml eines Korkpul vers einer mittleren Teilchengrösse von etwa 1 mm intensiv ver mischt. Anschließend wird die entstandene Masse mittels eines Laborrührers mit 20,8 g eines modifizierten aliphatischen Isocyanats (Desmodur KA 8114 der Bayer AG) vermischt. Das rea gierende Gemisch wird in eine Plattenform der Grösse 20 × 20 × 1 cm gegossen. Nach drei Minuten wird das Formteil aus der Form genommen. Es hat ein ähnliches Aussehen wie eine Korksohle. Die mechanischen Eigenschaften sind wie folgt:
Dichte: 0,7 g/l
Shore A: 56
Zugfestigkeit: 440 kPa
Bruchdehnung: 118%

Vergleichsbeispiel

400 ml eines trifunktionellen Polyetherpolyols der OH Zahl 36, das mit 0,05 Gew.-% eines Katalysators (Coscat 83 der Firma Co san Chemical Co.) versetzt ist, wird mittels eines Laborrührers mit 13 g eines modifizierten aliphatischen Isocyanats (Desmodur KA 8114 der Bayer AG) vermischt. Das reagierende Gemisch wird in eine Plattenform der Grösse 20 × 20 × 1 cm gegossen. Nach drei Minuten wird das Formteil aus der Form genommen. Es hat ein durch die beim Rühren eingerührten Luftblasen ein leicht milchiges Aussehen. Die mechanischen Eigenschaften sind wie folgt:
Dichte: 1,1 g/l
Shore A: 34
Zugfestigkeit: 263 kPa
Bruchdehnung: 437%

Das Formteil aus reinem Gel fühlt sich deutlich kälter an.

Durch die Variation des Korkanteils lässt sich die Shorehärte gezielt einstellen. Darüberhinaus ist keine negative Wirkung auf die Zugfestigkeit festzustellen. Hervorzuheben ist der po sitive Einfluß des eingearbeiteten Korks auf das Aussehen des Formteils und auf die Dichte.

Claims

1. Verbundwerkstoff aus einem Polyurethan-Gel und darin ver teilten grobkörnigen Feststoffteilchen, bei welchem der Durch messer der Feststoffteilchen zwischen 0,1 mm bis 1 cm liegt.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Feststoffteilchen zwischen 0,1 und 15 mm beträgt.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Feststoffteilchen 5 bis 90 Vol.-% des End produktes ausmachen.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteilchen 20 bis 70 Vol.-% des Endproduktes ausmachen.

5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Feststoffe organische Materialien ein gesetzt werden, vorzugsweise Korkstücke, Korkmehl, Holzstücke, Holzspäne, Schaumstofflocken, Textilfasern oder Textilstücke.

6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelmassen des Polyurethan-Gels mit Rohstoffen einer Isocyanat-Funktionalität und einer Funktiona lität der Polyolkomponente von mindestens 7,5 hergestellt wer den.

7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyolkomponente zur Herstellung des Polyurethan-Gels aus einem Gemisch aus

- einem oder mehreren Polyolen mit Hydroxylzahlen unter 112 und
- einem oder mehreren Polyolen mit Hydroxylzahlen im Bereich 112 bis 600 besteht,
- wobei das Gewichtsverhältnis der Komponente a) zu Komponente b) zwischen 90 : 10 und 10 : 90 liegt, die Isocyanat-Kennzahl des Reaktionsgemisches im Bereich von 15 bis 60 liegt und das Produkt aus Isocyanat-Funktionalität und Funktionalität der Polyolkomponente mindestens 6, beträgt.

8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyolkomponente zur Herstellung des Polyurethan-Gels aus einem oder mehreren Polyolen mit einem Mo lekulargewicht zwischen 1000 und 12 000 und einer OH-Zahl zwi schen 20 und 112 besteht, wobei das Produkt der Funktionalitä ten der polyurethanbildenden Komponenten mindestens 5,2 beträgt und die Isocyanat-Kennzahl zwischen 15 und 60 liegt.

9. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Isocyanate für die Polyurethan-Gel- Herstellung solche der Formel Q(NCO)_n eingesetzt werden, wobei n für 2 bis 4 steht und Q einen aliphatischen Kohlenwasser stoffrest mit 6 bis 18 C-Atomen, einen cycloaliphatischen Koh lenwasserstoffrest mit 4 bis 15 C-Atomen, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 C-Atomen oder einen arali phatischen Kohlenwasserstoffrest mit 8 bis 15 C-Atomen bedeu tet.

10. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isocyanate in reiner Form oder in Form üblicher Isocyanat-Modifizierungen eingesetzt werden, vorzugs weise urethanisiert, allophanatisiert oder biuretisiert.

11. Formteile aus einem Verbundwerkstoff nach einem der Ansprü che 1 bis 10.

12. Verwendung des Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von Schuhen, Schuhinnensohlen, Matrat zen, Sitzauflagen, Sitzkissen oder Teppichrückenbeschichtungen.