DE10038130A1

DE10038130A1 - Verfahren zur Herstellung eines festen Polyurethan-Schaums

Info

Publication number: DE10038130A1
Application number: DE10038130A
Authority: DE
Inventors: Jo Suk Sang; Ku Kim Bong; Bu Jeon Sang; Min Hur Cheol
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2001-08-23
Also published as: US6635685B2; US20020103269A1; JP2001220421A; JP3553470B2; US6384098B1; KR100609851B1; KR20010078565A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines festen Polyurethan-Schaums, der eine Porengröße von etwa 80 bis 130 mum besitzt, und so eine verbesserte wärmeisolierende Eigenschaft hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von festem Polyurethan- Schaum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Feste Polyurethan-Schäume werden normalerweise durch Reaktion einer Polyolkomponente und einer Isocyanatkomponente in Anwesenheit eines Blähmittels, eines Katalysators und eines Schaumstabilisators erhalten. Um einen Polyurethan-Schaum mit hervorragenden wärmeisolierenden Eigenschaften zu erhalten, ist es bekannt, Chlorfluorkohlenstoffe (CFC's) wie Trichlormonofluormethan oder Dichlorfluormethan als ein Blähmittel zu verwenden. Jedoch sind CFC's kaum zersetzbar und, wenn sie in die Atmosphäre freigegeben werden, zerstören sie die Ozonschicht in der Stratosphäre oder verursachen eine Erhöhung der Erdoberflächentemperatur aufgrund des sogenannten Treibhauseffektes. So stellt ihr Gebrauch ein globales Umweltverschmutzungsproblem dar. Es wird erwartet, daß die Produktion und der Verbrauch der CFC's in der nahen Zukunft beschränkt wird, und verschiedene Ansätze, um ihren Gebrauch zu reduzieren, sind gemacht worden. Ein Beispiel ist, Substituenten für die CFC's zu benutzen. Als vielversprechende Substituenten sind Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFC's) vorgeschlagen worden. HCFC's wurden beispielsweise als Blähmittel zur Herstellung von festen Polyurethan- Schäumen benutzt. So hergestellte geschlossenporige Polyurethan-Schäume besitzen eine Porengröße von 200 bis 300 µm, sind aber trotzdem immer noch hervorragend wärmeisolierend.

Da auch die HCFC's die Ozonschicht bis zu einem gewissen Grad zerstören können, ist ihr Gebrauch Gegenstand einer stufenweisen Reduktion. Stattdessen werden Kohlenwasserstoffblähmittel wie Cyclopentan jetzt bei der Herstellung von festen Polyurethan-Schäumen benutzt.

Da jedoch der feste Polyurethan-Schaum mit Cyclopentan als Blähmittel hergestellt eine Porengröße von 200 bis 300 µm besitzt und der adiabatische Index von Cyclopentan 0,0121 mW/mK beträgt, welcher höher ist als der von CFC oder HCFC, ist die wärmeisolierende Eigenschaft des festen Polyurethan- Schaums nicht zufriedenstellend. Somit wird ein größeres Volumen von festem Polyurethan-Schaum für dieselbe Wärmeisolierung benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es ermöglicht, einen festen Polyurethan-Schaum mit hervorragender Wärmeisolation herzustellen.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Allgemein wird die wärmeisolierende Eigenschaft durch die folgende Gleichung dargestellt:

λ_total = λ_gas + λ_fest + λ_Strahlung (1)

In der Gleichung (1) ist λ_gas der adiabatische Index des Blähmittels, das sich in der geschlossenen Pore des festen Polyurethan-Schaums befindet und 74% des totalen adiabatischen Indexes (λ_total) ausmacht. Weiter wird er durch die Zusammensetzung des Blähmittels beeinflußt. Je höher die Menge des Blähmittels mit einem geringen adiabatischen Index ist, eine desto bessere Wärmeisolierung kann erhalten werden. λ_fest ist der adiabatische Index des Urethan-Harzes, das in dem festen Polyurethan-Schaum enthalten ist, und macht 10% von λ_total aus. Er kann durch die Dichte des festen Polyurethan-Schaums beeinflußt werden. Aber die meisten der festen Polyurethan-Schäume werden kaum dadurch beeinflußt. Allgemein zeigt der feste Polyurethan-Schaum die beste wärmeisolierende Eigenschaft, wenn seine Dichte zwischen 30 bis 40 kg/m³ beträgt. λ_Strahlung ist der adiabatische Index, wenn die Strahlung zwischen den geschlossenen Poren des festen Polyurethan-Schaums vor sich geht, und macht dadurch 16% von λ_total aus. Weiter wird er durch die Porengröße des festen Polyurethan-Schaums beeinflußt und ist proportional zu der Porengröße.

Dementsprechend sollte, wenn Cyclopentan mit einem hohen adiabatischen Index als Blähmittel verwendet wird, λ_Strahlung der Gleichung (1) erhöht werden, um die wärmeisolierende Eigenschaft zu verbessern.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß, wenn Polyetherpolyol im wesentlichen ein polyaromatisches Polyol umfassend für die Produktion von festen Polyurethan-Schaum verwendet wird, der entstehende feste Polyurethan- Schaum eine Porengröße von 80 bis 130 µm besitzt und exzellente wärmeun durchlässige Eigenschaft zeigt.

Das polyaromatische Polyol kann ein solches aus der Gruppe umfassend Polyole auf Toluoldiamin-Basis, Polyole auf Methylendiphenyldiamin-Basis und Polyole auf Bisphenol-A-Basis sein und einen mittleren OH-Wert von 200 bis 650 besitzen. Sie können einzeln oder in Kombination verwendet werden.

Die Polyole auf Toluoldiamin-Basis können allgemein durch Polymerisierung von Alkylenoxiden mit 2,3- oder 2,4-Toluoldiamin dargestellt werden. So präparierte Polyole können einen mittleren OH-Wert von 300 bis 450 haben. Jedes geeignete Alkylenoxid wie Ethylenoxid, Propylenoxid und Gemische dieser Oxide können benutzt werden.

Die Polyole auf Methylendiphenyldiamin-Basis können durch Polymerisierung von Propylenoxiden mit Methylendiphenyldiamin dargestellt werden. So dargestellte Polyole können einen mittleren OH-Wert von 300 bis 650 haben.

Die Polyole auf Bisphenol-A-Basis können durch Polymerisierung von Alkylenoxiden mit Bisphenol-A auf die gleiche Art wie die Polyole auf Toluoldiamin-Basis dargestellt werden. So dargestellte Polyole können einen mittleren OH-Wert von 200 bis 500 haben.

Für das Verfahren wird ein polyaromatisches Polyol, wenn es alleine verwendet wird, in einer Menge von 5 bis 70 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet. Vorzugsweise können 50 Gewichtsteile oder mehr von Polyolen auf Toluoldiamin-Basis bzw. 5 bis 40 Gewichtsteile von Polyolen auf Methylendiphenyldiamin-Basis bzw. 5 bis 20 Gewichtsteile von Polyolen auf Bisphenol-A-Basis verwendet werden. Die wärmeisolierende Wirkung der Feststoffe um die Poren des festen Polyurethan-Schaums wird durch eine große Menge aromatischer Komponenten verbessert und kann so den Wärmeleitfähigkeits-Index verringern. Jedoch wird der Polyurethan-Schaum bruchanfälliger, wenn die Menge an aromatischen Komponenten übermäßig ist.

Wenn zwei oder mehr polyaromatische Polyole in Kombination verwendet werden, beträgt die Menge des Gemisches vorzugsweise 40 bis 70 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol.

Außerdem nimmt vorzugsweise das polyaromatische Polyol, wenn es einzeln benutzt wird, 40 Gewichtsteile oder weniger pro 100 Gewichtsteile des gesamten Polyols bzw. 40 Gewichtsteile oder weniger der Polyole auf Toluoldiamin-Basis, 5 bis 10 Gewichtsteile der Polyole auf Methylendiphenyl-Basis und 5 bis 10 Gewichtsteile der Polyole auf Bisphenol-A-Basis oder polyaromatisches Polyol ein, wenn es in Kombination verwendet wird, wobei insbesondere 40 Gewichtsteile oder weniger Polyaromatikester-Polyole und 5 bis 20 Gewichtsteile Polyaliphatikester-Polyole verwendet werden können. So kann die Porengröße des Polyurethan-Schaums 80 bis 130 µm betragen. Wenn jedoch die Menge des Polyester-Polyols übermäßig ist, wird die Porengröße klein, aber die Festigkeit des Polyurethan-Schaums wird gering, da der Quervernetzungsgrad gering ist. Weiter wird Cyclopentan von den Polyolen getrennt, da die Polyester- Polyole nicht mit Cyclopentan kompatibel sind.

Das Reaktionsmedium enthält ein Blähmittel, Wasser, einen Katalysator und Schaumstabilisator, welche herkömmlicherweise in der Produktion von festen Polyurethan-Schaum verwendet werden.

Die Dichte des festen Polyurethan-Schaums wird hoch, wenn Wasser in einer Menge von 0,5 Gewichtsteilen oder weniger verwendet wird. Daher wird die eingesetzte Menge für den Schaum erhöht, wenn der feste Polyurethan-Schaum als wärmeisolierendes Material oder wärmeisolierende Struktur für Kühltruhen, Tiefkühltruhen, etc. verwendet wird. Weiter wird die wärmeisolierende Eigenschaft durch die Rauhigkeit der geschlossenen Pore schlechter, wenn Cyclopentan als Blähmittel übermäßig verwendet wird, um die Dichte zu verringern. Wenn Wasser in Mengen von 2 Gewichtsteilen oder mehr verwendet wird, wird die wärmeisolierende Eigenschaft nicht verbessert, da die Menge an Kohlendioxidgas, das in den geschlossenen Poren vorliegt, groß ist. Daher wird Wasser vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 2,0 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol oder insbesondere in Mengen von 1,0 bis 1,8 Gewichtsteilen benutzt.

Cyclopentan oder HFC kann als Blähmittel verwendet werden. Ihre verwendete Menge beträgt vorzugsweise 12 bis 25 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Gesamtpolyole und insbesondere 15 bis 17 Gewichtsteile Cyclopentan und 15 bis 20 Gewichtsteile HFC. Im oberen Bereich wird der adiabatische Index durch geeignetes Abgleichen des Mischungsverhältnisses von Kohlendioxidgas und Blähmittel, das in der geschlossenen Pore existiert, gering. Aber in diesem Fall sollte die Druckfestigkeit kontrolliert werden, um 1,40 kg/cm² oder mehr zu betragen.

Der produzierte feste Polyurethan-Schaum kann als wärmeisolierendes Material für Kühlschränke verwendet werden. Als Ergebnis kann der Energieverbrauch um bis zu 5 bis 10% reduziert werden.

Um die Ergebnisse der Beispiele der folgenden Tabelle 1 zu erhalten, wurden Musterstücke aus festem Polyurethan-Schaum mit Vertikalform (1100 × 300 × 50 mm) und Hochdruckschaumgenerator hergestellt. Die verwendete Menge aller Komponenten stellte die Basis als 100 Gewichtsteile des Gesamtpolyols dar und die Temperatur aller Komponenten wurde auf 20°C vor dem Aufschäumen eingestellt.

Tabelle 1

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wird, wenn die polyaromatischen Polyole der Beispiele 1 und 4, die aromatische Komponenten enthaltenden Polyole, übermäßig verwendet werden, die Porengröße des Schaums 80 bis 130 µm und so der adiabatische Index erheblich verbessert. Jedoch besitzt der Schaum des Vergleichsbeispiels 1, der mit Cyclopentan konventionell hergestellt wird, eine Porengröße von 200 bis 300 µm, und so ist die wärmeisolierende Eigenschaft gering, da der adiabatische Indexwert 0,0165 kcal/mh°C beträgt. Weiter zeigen die Schäume der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 keinen ausreichenden Grad an Wärmeisolierung, obwohl der adiabatische Index verbessert wurde, da das Polyol mit 45, 40 bzw. 20 Gewichtsteilen verwendet wurde. Da der Schaum des Vergleichsbeispiels 4 einen bivalent-funktionalen Index besitzt, ist der Grad der Quervernetzung gering und übt einen schlechten Einfluß auf die Druckfestigkeit und die Dimensionsänderung bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit aus.

Obwohl der adiabatische Index durch den Gebrauch von 40 Gewichtsteilen oder weniger des polyaromatischen Polyol-Gemisches und 25 Gewichtsteilen des Polyaliphatikester-Polyols in Vergleichsbeispiel 5 sinkt, sinkt der funktionale Index des festen Polyurethan-Schaums und so werden die Festigkeit und die Volumenänderungsrate durch übermäßiges Polyaliphatikester-Polyol schlechter. Da das Polyaliphatikester-Polyol nicht mit Cyclopentan kompatibel ist, erfolgt eine Trennung von Cyclopentan und Polyol und so wird eine Cyclopentan-Schicht gebildet.

In Vergleichsbeispiel 6 beträgt die Porengröße 80 bis 100 µm und so wird die wärmeisolierende Eigenschaft erheblich verbessert, da das polyaromatische Polyol in Mengen von 80 Gewichtsteilen verwendet wird. Aber die Porenfestigkeit wird schwach und so wird die Volumenänderungsrate schlechter. Da die verwendete Menge an Wasser gering ist, wird die eingesetzte Menge für den Schaum erhöht.

Wie oben beschrieben, wird der feste Polyurethan-Schaum durch Reaktion von polyaromatischem Polyol mit einer Polyisocyanat-Komponente in Anwesenheit von Cyclopentan hergestellt und so beträgt die Porengröße des festen Polyurethan-Schaums 80 bis 130 µm und als ein Ergebnis wird die wärmeisolierende Eigenschaft verbessert. Daher kann der Energieverbrauch um bis zu 5 bis 10% gesenkt werden, wenn der feste Polyurethan-Schaum als wärmeisolierendes Material für Kühlschränke verwendet wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines festen Polyurethan-Schaums durch Reaktion einer Polyol-Komponente mit einer Polyisocyanat-Komponente in einem ein Blähmittel enthaltendes Reaktionsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyol-Komponente ein Polyether-Polyol, der im wesentlichen polyaromatisches Polyol enthält, und als Blähmittel Cyclopentan oder HFC verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Polyole ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyole auf Toluoldiamin- Basis, Polyole auf Methylendiphenyldiamin-Basis und Polyole auf Bisphenol-A- Basis verwendet wird, die einen mittleren OH-Wert von 200 bis 650 besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blähmittel in Mengen von 12 bis 25 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktionsmedium enthaltend einen Katalysator, einen Schaumstabilisator und Wasser verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das polyaromatische Polyol, einzeln verwendet, in einer Menge von 5 bis 70 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das polyaromatische Polyol, in Kombination verwendet, in einer Menge von 40 bis 70 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyol ein Polyester-Polyol in einer Menge von 5 bis 20 Gewichtsteilen umfassend und das polyaromatische Polyol in einer Menge von 40 Gewichtsteilen oder weniger auf 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser in einer Menge von 0,5 bis 2,0 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile Gesamtpolyol verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum mit einer Porengröße von etwa 80 bis 130 µm hergestellt wird.