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Die
Erfindung betrifft isocyanatfreie schäumbare Mischungen,
die zu Schaumkunststoffen weiter verarbeitet werden können.
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Schaumkunststoffe
im Sinne dieser Erfindung werden aus Einweg-Druckbehältern
am Ort ihrer Verwendung erzeugt, man spricht daher auch von einem
Ortschaum (DIN 18159), insbesondere handelt es
sich hier um feuchtigkeitshärtende Einkomponenten-Systeme.
Die zu verschäumende Zusammensetzung befindet sich dabei
in der Regel in Einweg-Druckbehältern (Aerosol-Dosen).
Diese sprühbaren Schäume dienen vor allem im Bauwesen
zum Dichten, Dämmen und Montieren, z. B. von Fugen, Dachflächen,
Fenstern und Türen oder zum Ausfüllen von Hohlräumen
vor allem im Baubereich. Als ausgezeichnet isolierende Materialien
führen sie zu einer guten Wärmedämmung
der ausgeschäumten Strukturen. Weitere Anwendungsfelder
sind unter anderem die Isolierung von Rohrleitungen oder das Ausschäumen
von Hohlräumen in technischen Geräten und Maschinen.
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Bei
den bisher hauptsächlich eingesetzten Montageschäumen
handelt es sich um Polyurethanschäume (PU-Schäume),
die im unvernetzten Zustand aus Prepolymeren bestehen, die über
eine hohe Konzentration an freien Isocyanatgruppen verfügen.
Diese Isocyanatgruppen sind in der Lage, mit geeigneten Reaktionspartnern
bereits bei Raumtemperatur Additionsreaktionen einzugehen, wodurch
eine Aushärtung des Sprayschaumes nach dem Auftrag erreicht
wird. Die Schaumstruktur wird dabei durch das Einmengen eines leichtflüchtigen
Treibmittels in das noch unvernetzte Rohmaterial und/oder durch
Kohlendioxid erzeugt, wobei letzteres durch eine Reaktion von der
Isocyanate mit Wasser gebildet wird. Das Ausbringen des Schaums
geschieht in der Regel aus Einweg-Druckbehältern (Druckdosen
oder Aerosol-Dosen) durch den Eigendruck des Treibmittels.
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Als
Reaktionspartner für die Isocyanate dienen Alkohole mit
zwei oder mehr OH-Gruppen – vor allem verzweigte und unverzweigte
Polyole – oder Wasser. Letzteres reagiert mit den Isocyanaten
unter der bereits erwähnten Freisetzung von Kohlendioxid
zu primären Aminen, die sich dann direkt an eine weitere,
noch unverbrauchte Isocyanatgruppe addieren können. Es
entstehen Urethan- bzw. Harnstoffeinheiten, die auf Grund ihrer
hohen Polarität und ihrer Fähigkeit zur Ausbildung
von Wasserstoffbrückenbindungen im ausgehärteten Material
teilkristalline Substrukturen ausbilden können und so zu
Schäumen mit hoher Härte, Druck- und Reißfestigkeit
führen.
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Neben
dem Kohlendioxid werden als Treibmittel meist Gase verwendet, die
bereits bei relativ geringem Druck kondensierbar sind und somit
der Prepolymermischung in flüssigem Zustand beigemischt
werden können, ohne dass die Spraydosen übermäßig
hohen Drücken ausgesetzt werden müssen.
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PU-Sprayschäume
werden sowohl als sogenannte einkomponentige (1K-) als auch als
zweikomponentige (2K-)Schäume hergestellt. Die 1K-Schäume
härten dabei ausschließlich durch den Kontakt
der isocyanathaltigen Prepolymermischung mit der Luftfeuchtigkeit
aus. Durch das bei den 1K-Schäumen während der Härtungsreaktion
freigesetzte Kohlendioxid kann zudem die Schaumbildung unterstützt
werden. 2K-Schäume enthalten eine Isocyanat und eine Polyolkomponente,
die direkt vor dem Verschäumen gut miteinander vermischt
werden müssen und durch die Reaktion des Polyols mit den
Isocyanaten aushärten. Vorteil der 2K-Systeme ist eine
extrem kurze Aushärtdauer von z. T. nur wenigen Minuten
bis zu einer vollständigen Härtung. Sie besitzen
jedoch den Nachteil, dass sie eine aufwändiger gestaltete
Druckdose mit zwei Kammern benötigen und zudem in der Handhabung
deutlich weniger komfortabel sind als die 1K-Systeme.
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Die
ausgehärteten PU-Schäume zeichnen sich vor allem
durch ihre ausgezeichneten mechanischen und wärmedämmenden
Eigenschaften aus, außerdem besitzen sie eine sehr gute
Haftung zu sehr vielen im Baubereich vorkommenden Untergründen
und sind unter trockenen und UV geschützten Bedingungen
von nahezu unbegrenzter Beständigkeit. Weitere Vorteile
liegen in der toxikologischen Unbedenklichkeit der ausgehärteten
Schäume ab dem Zeitpunkt, an dem sämtliche Isocyanatgruppen,
insbesondere denen der monomeren Isocyanate, quantitativ abreagiert
sind, Sie härten in sehrkurzer Zeit aus und sind leicht
handhabbar. Auf Grund dieser Eigenschaften haben sich PU-Schäume
in der Praxis sehr bewährt.
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Die
in Druckdosen zur Schaumerzeugung verwandten Prepolymer Mischungen
auf Basis von Polyisocyanaten und Polyolen enthalten, neben relativ
hochmolekularen Prepolymeren, zumeist auch nicht oder nur zu niedermolekularen
Prepolymeren abreagiertes Polyisocyanat. Diese Bestandteile der
Prepolymermischungen bilden, wegen ihrer höheren Flüchtigkeit,
das eigentliche Gefährdungspotential und sind deshalb unerwünscht
weil die Isocyanate, insbesondere die monomeren Isocyanate auf Grund
ihrer hohen Reaktivität und ihres hohen Dampfdruckes auch
ausgesprochen reizende und toxische Wirkungen entfalten können.
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Die
unvernetzten Sprayschaummassen sind bis zur vollständigen
Aushärtung somit toxikologisch nicht unbedenklich. Kritisch
ist hier neben dem direkten Kontakt der Prepolymermischung mit der
Haut vor allem auch eine mögliche Aerosolbildung während
des Aufbringen des Schaums oder das Verdampfen von niedermolekularen
Bestandteilen, z. B. von monomeren Isocyanaten. Dadurch besteht
die Gefahr, dass toxikologisch bedenkliche Verbindungen über
die Atemluft aufgenommen werden. Zudem besitzen Isocyanate ein erhebliches
allergenes und sensibilisierendes Potential und können
u. a. Asthmaanfälle auslösen. Verschärft werden
diese Risiken noch durch die Tatsache, dass die PU-Sprayschäume
oftmals nicht von geschulten und geübten Anwendern sondern
von Bastlern und Heimwerkern verwendet werden, so dass eine sachgerechte Handhabung
nicht immer vorausgesetzt werden kann.
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Auch
stehen die Amine, die sich durch eine Reaktion von monomeren Diisocyanaten
mit einem Überschuß an Wasser bilden können,
in vielen Fällen im Verdacht, krebserregend zu sein.
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Neben
diesem Gefährdungspotential, das bei sachgemäßer
Handhabung eher als niedrig einzustufen ist, besteht aber bei zahlreichen
Anwendern ein Akzeptanzproblem, das durch die Deklarierungspflicht
derartiger Produkte als toxisch und die Einstufung der entleerten
oder teilentleerten Behälter als Sonderabfall, der in einigen
Ländern wie z. B. Deutschland sogar mittels eines kostenintensiven
Recyclingsystems einer Wiederverwertung zugänglich gemacht
werden muss, noch gefördert wird.
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Um
diese Nachteile zu überwinden, wurden u. a. in
WO 96/06124 bereits Prepolymere
für Sprayschäume beschrieben, die keine bzw. nur
sehr geringe Konzentrationen an monomeren Isocyanaten enthalten. Nachteilig
an solchen Systemen ist jedoch die Tatsache, dass die so hergestellten
Prepolymere noch immer über reaktive Isocyanatgruppen verfügen,
so dass derartige PU-Sprayschäume unter toxikologischen
Gesichtspunkten zwar als günstiger als herkömmliche
Schäume, nicht aber als unbedenklich zu bezeichnen sind. Auch
werden die Akzeptanz- und Abfallprobleme durch derartige Schaumsysteme
nicht vollständig befriedigend gelöst.
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WO 2000/04069 beschreibt
Prepolymerabmischungen zur Erzeugung von Dicht und Dämmschäumen,
die eine Prepolymerkomponente, eine Treibgaskomponente und zur Schaumbildung
benötigte übliche Zusatzstoffe enthält.
Die Prepolymerkomponente soll dabei ein Silanterminiertes Polyurethan-Prepolymer sein,
das wenigstens zwei Si(OR)
x(R)
3-x-Gruppen
im Molekül aufweist, wobei R jeweils für einen
Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen steht und x eine ganze Zahl
von 1 bis 3 ist. Derartige Prepolymerkomponenten weisen häufig
eine sehr hohe Viskosität von über 1 000 000 mPa·s
auf und führen zu erheblichen Problemen in der Dosenschaumherstellung,
weshalb sie häufig bei hohen Temperaturen abgefüllt
werden müssen. Die Durchmischbarkeit der viskosen Prepolymere
mit den übrigen Bestandteilen ist ebenfalls unbefriedigend.
Derartige schäumbare Mischungen sind dadurch im Fertigungs-
und Abfüllprozess in die Druckdosen schwer zu handhaben.
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WO 2002/066532 offenbart
isocyanatfreie schäumbare Mischungen, die isocyanatfreie,
alkoxysilanterminierte Prepolymere und Treibmittel enthalten, wobei
die Prepolymeren über Silanterminierungen der allgemeinen
Formel
verfügen sollen.
in der Formel stellt X und Y ein Sauerstoffatom, eine N-R
3-Gruppe oder ein Schwefelatom dar, R
1 ist ein Alkyl-, Alkenyl- oder Arylrest
mit 1-10 Kohlenstoffatomen, R
2 ein Alkylrest
mit 1-2 Kohlenstoffatomen oder einen – Oxaalkyl-alkylrest
mit insgesamt 2-10 Kohlenstoffatomen, R
3 ein
Wasserstoffatom, einen Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- oder Arylrest
mit 1-10 Kohlenstoffatomen oder eine -CH
2-SiR
1 m(OR
2)
3-m-Gruppe und, z kann die Werte 0 oder 1
bedeuten, dabei soll mindestens eine der beiden Gruppen X oder Y
eine NH-Funktion sein. Diese Prepolymeren weisen ebenfalls bei Raumtemperatur
eine sehr hohe Viskosität auf.
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Die
WO 2005/049684 betrifft
Silylgruppen und NCO-Gruppen tragende Polyurethane oder Polyharnstoffe,
die unter Verwendung von asymmetrischen Diisocyanaten und substituierten
Alkoxyaminosilanen herstellbar sind. Es werden fernern Zubereitungen
beschrieben, sowie deren Verwendung als Oberflächenbeschichtungsmittel,
Klebstoffe, Montageschäume, Vergussmassen sowie Weich-,
Hart- und Integralschäume. Auch diese Prepolymeren werden
als mittelviskos bis hochviskos beschrieben.
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WO-A-96/38453 beschreibt
feuchtigkeitshärtende Alkoxysilan funktionelle Polyurethane
hergestellt aus einem hydroxyfunktionellen Alkoxysilan, insbesondere
einem Hydroxyalkylencarbamoylalkylen-alkoxysilan, und einem isocyanatfunktionellen
Polyurethanprepolymer. Gemäß der Lehre dieser
Schrift können die Alkoxysilan funktionellen Polyurethane
zur Anwendung in feuchtigkeitshärtenden Klebstoffen, Dichtstoffen
und ähnlichen Zubereitungen verwendet werden. Schaumbare
Zusammensetzungen werden nicht beschrieben.
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In ähnlicher
Weise wie die vorherzitierte Schrift offenbart
US-A-5866651 feuchtigkeitshärtende
Dichtstoffzusammensetzungen auf Basis von Polyetherurethanen hergestellt
aus Hydroxyalkylencarbamoylalkylen-alkoxysilanen. Gemäß der
Lehre dieser Schrift sollen die Polyethersegmente mehr als 15 mol%
und weniger als 40 mol% Ethylenoxideinheiten aufweisen, wobei die
Polyethersegmente ein zahlenmittleres Molekulargewicht zwischen
2000 und 8000 haben sollen, wobei die Ethylenoxideinheiten vorzugsweise
an den Enden der Propylenoxideinheiten angeordnet sind. Schäumbare
Zusammensetzungen werden auch in dieser Schrift nicht beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, isocyanatfreie schäumbare
Zusammensetzungen bereitzustellen, die eine niedrige Viskosität
aufweisen damit sie während der Herstellung und Konfektionierung in
Einweg-Druckbehältern (Druckdosen oder Aerosol-Dosen) leicht
zu handhaben sind.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist
den Patentansprüchen zu entnehmen. Sie besteht im wesentlichen
in der Bereitstellung von isocyanatfreien, schäumbaren
Mischungen, enthaltend
alkoxysilanterminierte Prepolymere herstellbar
aus Di- oder Polyisocyanaten, Polyolen und hydroxy- oder aminofunktionellen
Alkoxysilanen oder aus Polyolen und isocyanatofunktionellen Alkoxysilanen
oder
Mischungen von Prepolymeren aus Di- oder Polyisocyanaten,
Polyolen und hydroxy- oder aminofunktionellen Alkoxysilanen oder
aus Polyolen und isocyanatofunktionellen Alkoxysilanen mit flüssigen
Flammschutzmitteln und Treibmittel.
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Dabei
weist das Prepolymer oder die Mischung aus Prepolymer, Flammschutzmittel
und/oder Treibmittel bei 23°C eine dynamische Viskosität
von 100 bis 25 000 mPa·s, vorzugsweise 500 bis 10 000 mPa·s
auf.
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Dosenschaumformulierungen
enthalten Treibgase, die eine Bestimmung der Viskosität
nicht ohne weiteres zulassen. Um diese dennoch zu simulieren, ist
dem Fachmann bekannt, dass eine Substitution der Treibgase mit Methylal
und Pentan zu einer drucklosen Schaumformulierung führen.
Erfindungsgemäß werden hierzu die Treibgase der
Dosenschaumformulierung durch eine Mischung von 8,4% Methylal und
12,6% Pentan substituiert und offenbaren damit die rheologischen
Verhältnisse einer DME/Propan/Butan formulierten Schaumzusammensetzung.
Man beobachtet, dass sich Mischungen unterhalb von 25 000 mPa·s
noch mäßig, unterhalb von 10 000 besonders gut
applizieren lassen. Ein weiterer Vorteil ist die Art der Viskosität.
Eine strukturviskose Mischung zeigt beim applizieren eine geringe
Viskosität und nach Auftrag eine hohe, wobei der Aufbau
des Schaums während der Härtung stabilisiert wird.
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Die
Messung erfolgt mit einem deformationsgesteuerten Rotationsrheometer
der Fa. TA Instruments. Als Meßsysteme werden Kegel-Platte-Systeme
mit einem Kegelwinkel von 0,5° bis 3° und Platte-Platte-Systeme
mit einem Spalt zwischen 200 mm–800 mm eingesetzt. Die
Viskositätswerte werden mit einem Rotationsversuch bei
RT bestimmt. Nach einer Ruhezeit von 10 s wird die Scherdeformation
von 0 s–1 bis 100 s–1 in einer Zeit von 20 s in
linearen Schritten erreicht.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung der vorgenannten isocyanatfreien schäumbaren
Mischungen bei dem die Herstellung des Prepolymers in einer Einweg-Druckbehältern
(Aerosol-Dosen), ggf. in Abmischung mit Treibmitteln und/oder Flammschutzmitteln
erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der schäumbaren
Mischungen wird das alkoxysilanterminierte Prepolymere (A) wird
aus Di- oder Polyisocyanaten, Polyolen und Verbindungen mit der
allgemeinen Formel (1) hergestellt
worin
m 0, 1 oder 2 ist, R
1 ein Alkylrest mit
1 bis 4 Kohlenstoffatomen, R
2 ein Alkylrest
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, R
3 ein divalenter
organischer Rest mit 1 bis 10 Atomen ausgewählt aus C,
N, S und/oder O in der Kette ist, R
4 ein
Wasserstoffatom oder ein Alkylrest mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen
ist und R eine difunktionelle organische Gruppe ist.
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Alternativ
wird das alkoxysilanterminierte Prepolymere hergestellt aus Di-
oder Polyisocyanaten, Polyolen und aminofunktionellen Alkoxysilanen.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist R
3 in
Formel (1) die folgenden Strukturelemente (2) auf:
wobei n eine ganze Zahl zwischen
1 und 6 ist,
Q ist N, O, S, eine kovalente Bindung oder -NR
4 und
R
4 und
R
5 können unabhängig voneinander
ein Wasserstoffatom oder ein Alkylrest mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen
sein.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das alkoxysilanterminierte Prepolymere durch die allgemeine
Formel (3) darstellbar
worin
m 0, 1 oder 2 ist, R
1 ein Alkylrest mit
1 bis 4 Kohlenstoffatomen, R
2 ein Alkylrest
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, R
4 ein Wasserstoffatom
oder ein Alkylrest mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und R
6 ein
zwei- oder dreiwertiger Rest eines Prepolymers auf Basis von Polyoxyalkylenglycolen.
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In
den Formeln (1) und (3) kann R ein difunktioneller gerader oder
verzweigter Alkylrest mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen sein und m kann
null oder eins sein.
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In
einer Variante wird zunächst aus einem oder mehreren Polyolen
und di- oder Polyisocyanaten ein NCO-terminiertes Prepolymer hergestellt,
das in einem nachfolgenden Schritt mit einem oder mehreren hydroxy-
oder aminofunktionellen Alkoxysilanen zu einem isocyanatfreien,
alkoxysilanterminierten Prepolymer umgesetzt wird.
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In
einer weiteren Variante wird zunächst ein isocyanatfunktionelles
Alkoxysilan aus einem niedermolekularen hydroxy- oder aminofunktionellen
Alkoxysilan und einem Diisocyanat im stöchiometrischen Überschuß synthetisiert,
wobei das NCO/OH-Verhältnis 1,5 bis 3, vorzugsweise 2 beträgt.
In einer nachfolgenden Reaktion wird das so hergestellte isocyanatfunktionelle
Alkoxysilan mit einem Polyol oder einer Polyolmischung zu einem
isocyanatfreien, alkoxysilanterminierten Prepolymer oder einer Prepolymermischung
umgesetzt.
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Das
hydroxyfunktionelle Alkoxysilan wird vorzugsweise durch Umsetzung
eines Aminosilans mit primären oder sekundären
Aminogruppen mit einem Carbonat, ausgewählt aus Ethylencarbonat,
Propylencarbonat, Butylencarbonat, Carbonaten hergestellt aus 1,3-Propandiol,
3,5-Hexandiol, 3,5-Heptandiol, 3,5-Nonanandiol, oder einem Lacton,
ausgewählt aus Propiolacton, Butyrolacton oder Caprolacton
hergestellt. Alternativ kann das hydroxy funktionelle Alkoxysilan
ein Umsetzungsprodukt einer Michael-Addition eines Hydroxyalkyl(meth)acrylates
mit einem Aminosilan sein.
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Das
Aminosilan kann ausgewählt werden aus 3-Aminopropyl-trimethoxysilan,
3-Aminopropyl-triethoxysilan (beispielsweise Dynasilan AMMO, Fa.
Evonik oder Geniosil GF 96, Fa. Wacker), N-(n-butyl)-3-Aminopropyltrimethoxysilan,
3-aminopropylmethyldimethoxysilan, 3-Aminopropylmethyldiethoxysilan,
N-Cyclohexylaminomethylmethyldiethoxysilan, N-Cyclohexylaminomethyltriethoxysilan,
N-Phenylaminomethyltrimethoxysilan (z. B. Geniosil XL 973, Fa. Wacker),
N-Cyclohexyl-3-aminopropyltrimethoxysilan, 1-Anilinomethyldimethoxymethylsilan
(z. B. Geniosil XL 972, Fa. Wacker), N-Phenyl-3-Aminopropyltrimethoxysilan
(z. B. Y-9669 der Fa. Momentive) oder Bis(3-triethoxysilylpropyl)amin
(Silquest A-1170, Fa. GE).
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Hydroxyalkyl(meth)acrylate
können prinzipiell Monoester der Acrylsäure oder
Methacrylsäure mit C2 bis C20-Diolen sein, besonders bevorzugt werden
Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, 2-Hydroxypropylacrylat,
2-Hydroxypropylmethacrylat, 3-Hydroxypropylacrylat, 3-Hydroxypropylmethacrylat
oder 2-Hydroxybutylacrylat, 2-Hydroxybutylmethacrylat, 3-Hydroxybutylacrylat,
3-Hydroxybutylmethacrylat, 4-Hydroxybutylacrylat, 4-Hydroxybutylmethacrylat,
oder 6-Hydroxyhexylacrylat, 6-Hydroxyhexylmethacrylat.
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Als
Diisocyanate können verwendet werden:
Ethylendiisocyanat,
1,4-Tetramethylendiisocyanat, 1,4-Tetramethoxybutandiisocyanat,
1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI), Cyclobutan-1,3-diisocyanat, Cyclohexan-1,3-
und -1,4-diisocyanat, Bis(2-isocyanato-ethyl)fumarat, 1-Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan
(Isophorondiisocyanat, IPDI), 2,4- und 2,6-Hexahydrotoluylendiisocyanat,
Hexahydro-1,3- oder -1,4-phenylendiisocyanat, Benzidindiisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat,
1,6-Diisocyanato-2,2,4-trimethylhexan, 1,6-Diisocyanato-2,4,4-trimethylhexan, Xylylendi-isocyanat
(XDI), Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), 1,3- und 1,4-Phenylendiisocyanat,
2,4- oder 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI) oder Isomerengemische des
TDI, 2,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 2,2'-Diphenylmethandiisocyanat
oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI) sowie deren Isomerengemische.
Weiterhin kommen partiell oder vollständig hydrierte Cycloalkylderivate
des MDI, beispielsweise vollständig hydriertes MDI (H12-MDI),
alkylsubstituierte Diphenylmethandiisocyanate, beispielsweise Mono-,
Di-, Tri- oder Tetraalkyldiphenylmethandiisocyanat sowie deren partiell
oder vollständig hydrierte Cycloalkylderivate, 4,4'-Diisocyanatophenylperfluorethan,
Phthalsäure-bis-isocyanatoethylester, 1-Chlormethylphenyl-2,4-
oder -2,6-diisocyanat, 1-Brommethylphenyl-2,4- oder -2,6-diisocyanat,
3,3-Bis-chlormethylether-4,4'-diphenyldiisocyanat, schwefelhaltige
Diisocyanate, wie sie durch Umsetzung von 2 mol Diisocyanat mit
1 mol Thiodiglykol oder Dihydroxydihexylsulfid erhältlich
sind, die Diisocyanate der Dimerfettsäuren, oder Gemische
aus zwei oder mehr der genannten Diisocyanate, in Frage.
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Das
so hergestellte Isocyanatosilan weist vorzugsweise bei 23°C
eine dynamische Viskosität von 50 bis 500 000 mPa·s,
vorzugsweise 50 bis 250 000 mPa·s, gemessen nach DIN/EN/ISO
2555 auf. Gegebenenfalls erfolgt die Messung in Abmischung
mit Flammschutzmitteln und/oder Treibmitteln. Bei der Anwesenheit von
Treibmitteln kann die Messung der Viskosität auch bei tiefen
Temperaturen, d. h. unterhalb des Siedepunktes des Treibmittels
erfolgen und dann auf 23°C extrapoliert werden. Dies ist
möglich, da diese Mischungen newtonsches Fließverhalten
zeigen, wodurch eine fehlerfreie Extrapolation auf andere Temperaturen
ohne Probleme erfolgen kann.
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Als
Polyolverbindungen können zwar prinzipiell eine Vielzahl
von mindestens zwei Hydroxylgruppen-tragenden Polymeren eingesetzt
werden, beispielhaft genannt seien Polyesterpolyole, Hydroxylgruppen-haltige
Polycaprolactone, Hydroxylgruppen-haltige Polybutadiene oder Polyisoprene
sowie deren Hydrierungsprodukte oder auch Hydroxylgruppen-haltige
Polyacrylate oder Polymethacrylate. Der Molekulargewichtsbereich
der Polyole soll dabei aus Viskositätsgründen
(der Prepolymers) nicht höher als 4000 sein Ganz besonders
bevorzugt werden jedoch als Polyole Polyoxyalkylenglycole, insbesondere
Polyethylenoxide (PEG) und/oder Polypropylenoxide (PPG) mit einem
Molekulargewicht (Mn) zwischen 400 und 2000.
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Als
Reaktivverdünner kann man z. B. folgende Stoffe einsetzen:
mit Isocyanatosilanen umgesetzte Polyalkylenglykole (z. B. Synalox
100-50B, DOW), Carbamatopropyltrimethoxysilan, Alkyltrimethoxysilan,
Alkyltriethoxysilan, wie Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan
sowie Vinyltrimethoxysilan (VTMO, Geniosil XL 10, Wacker), Vinyltriethoxysilan,
Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Octyltrimethoxysilan,
Tetraethoxysilan, Vinyldimethoxymethylsilan (XL12, Wacker), Vinyltriethoxysilan
(GF56, Wacker), Vinyltriacetoxysilan (GF62, Wacker), Isooctyltrimethoxysilan
(10 Trimethoxy), Isooctyltriethoxysilan (10 Triethoxy, Wacker), N-Trimethoxysilylmethyl-O-methylcarbamat
(XL63, Wacker), N-Dimethoxy(methyl)silylmethyl-O-methyl-carbamat
(XL65, Wacker), Hexadecyltrimethoxysilan, 3-Octanoylthio-1-propyltriethoxysilan
und Teilhydrolysate dieser Verbindungen. Besonders bevorzugt sind
Methyl-, Vinyl-, und Phenyltrimethoxysilan und/oder deren Teilhydrolysate
sowie Mischungen davon in Konzentrationen von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%,
vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 Gew.-%, bezogen auf das Prepolymer.
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Als
Treibmittel können prinzipiell eine Vielzahl leichtflüchtiger
Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Besonders bevorzugte Treibmittel
werden aus ausgewählt Kohlenwasserstoffen und Fluorkohlenwasserstoffen
mit jeweils 1-5 Kohlenstoffatomen und Dimethylether (DME) sowie
deren Mischungen. Die Treibmittel werden in Mengen von 5 bis 40
Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die gesamte
schäumbare Mischung verwendet.
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Das
Flammschutzmittel wird ausgewählt aus der Gruppe halogenierte
(insbesondere bromierte) Ether vom Typ „Ixol” der
Fa. Solvay, bromierte Alkohole, insbesondere Dibromneopentylakohol,
Tribromneopentylalkohol und PHT-4-Diol (1,2-Benzenedicarboxylic
acid, 3,4,5,6-tetrabromo-, 2-(2-hydroxyethoxy)ethyl-2-hydroxypropyl
ester), organische Phosphate, insbesondere Diethyl-ethanphosphonat
(DEEP), Triethylphosphat (TEP), Dimethylpropylphosphonat (DMPP),
Diphenylkresylphosphat (DPK), sowie chlorierte Phosphate (z. B. TMCP,
Fa. Albemarle), insbesondere Tris-(2-chlorethyl)phosphat, Tris-(2-chlorisopropyl)phosphat
(TCPP), Tris(1,3-dichlorisopropyl)phosphat, Tris-(2,3-dibrompropyl)phosphat
und Tetrakis-(2-chlorethyl)-ethylendiphosphat oder deren Mischungen.
Vorzugsweise enthält die Mischung das Flammschutzmittel
in einer Menge von 1 bis 65 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis
65 Gew.-%, insbesondere von 15 bis 60 Gew.-%, insbesondere bevorzugt
zwischen 20 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung.
Es kann vorteilhaft sein, zumindest anteilig aus den vorgenannten
Flammschutzmitteln diejenigen auszuwählen, die Hydroxylgruppen
aufweisen, da diese in das polymere Schaumgerüst mit eingebaut
werden.
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Es
war bereits weiter oben darauf hingewiesen, dass ein besonders vorteilhaftes
erfindungsgemäßes Verfahren die Herstellung des
Prepolymers in dem Verkaufsgebinde, dem Einweg-Druckbehälter
(Aerosol-Dose) erfolgen kann, ggf. ist Abmischung mit Treibmitteln
und/oder Flammschutzmitteln nützlich. Für diese
Vorgehensweise eignet sich insbesondere die Verwendung der vorgenannten
Isocyanatosilane aus Diisocyanaten und hydroxy- oder aminofunktionellen
Alkoxysilanen.
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Als
Katalysatoren können alle bekannten Verbindungen eingesetzt
werden, die die hydrolytische Spaltung der hydrolysierbaren Gruppen
der Silangruppierungen sowie die anschließende Kondensation
der Si-OH-Gruppe zu Siloxangruppierungen (Vernetzungsreaktion bzw.
Haftvermittlungsfunktion) katalysieren können. Beispiele
hierfür sind Titanate wie Tetrabutyltitanat und Tetrapropyltitanat,
Zinncarboxylate wie Dibutylzinndilaulat (DBTL), Dibutylzinndiacetat,
Dibutylzinndiethylhexanoat, Dibutylzinndioctoat, Dibutylzinndimethylmaleat,
Dibutylzinndiethylmaleat, Dibutylzinndibutylmaleat, Dibutylzinn diiosooctylmaleat,
Dibutylzinnditridecylmaleat, Dibutylzinndibenzylmaleat, Dibutylzinnmaleat,
Dibutylzinndiacetat, Zinnoctaoat, Dioctylzinndistealeat, Dioctylzinndilaulat,
Dioctylzinndiethylmaleat, Dioctylzinndiisooctylmaleat, Dioctylzinndiacetat,
und Zinnnaphthenoat; Zinnalkoxide wie Dibutylzinndimethoxid, Dibutylzinndiphenoxid,
und Dibutylzinndiisoproxid; Zinnoxide wie Dibutylzinnoxid, und Dioctylzinnoxid;
Reaktionsprodukte zwischen Dibutylzinnoxiden und Phthalsäureestern,
Dibutylzinnbisacetylacetonat; Organoaluminumverbindungen wie Aluminumtrisacetylacetonat,
Aluminumtrisethylacetoacetat, und Diisopropoxyaluminum-ethylacetoacetat;
Chelatverbindungen wie Zirconumtetraacetylacetonat, und Titantetraacetylacetonat;
Bleioctanoat; Aminverbindungen oder ihre Salze mit Carbonsäuren,
wie Butylamin, Octylamin, Laurylamin, Dibutylamine, Monoethanolamine,
Diethanolamine, Triethanolamin, Diethylenetriamin, Triethylenetetramin,
Oleylamine, Cyclohexylamin, Benzylamin, Diethylaminopropylamin,
Xylylenediamin, Triethylenediamin, Guanidin, Diphenylguanidin, 2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phenol,
Morpholin, N-methylmorpholin, 2-Ethyl-4-methylimidazole, und 1,8-Diazabicyclo-(5,4,0)-undecen-7
(DBU), ein niedermolekulares Polyamid Harz erhalten aus einem Überschuß eines
Polyamins und einer Polybasischen Säure, Addukte aus einem
Polyamin im Überschuß mit einem Epoxid, Silanhaftvermittler mit
Aminogruppen, wie 3-Aminopropyltrimethoxysilan, und N-(β-aminoethylaminopropylmethyldimethoxysilan. Ganz
besonders bevorzugte Katalysatoren sind Titanium(di-isopropoxid)bis(acetylacetonat)
(TAA), Titan(IV)oxid-acetylacetonat, Aluminiumacetylacetonat, 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan,
N,N-Dimethylpiperazin, 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en, Dimorpholinodimethylether,
Dimorpholinodiethylether (DMDEE) oder deren Mischungen. Der Katalysator,
bevorzugt Mischungen mehrerer Katalysatoren, werden in einer Menge
von 0,01 bis etwa 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Zubereitung
eingesetzt.
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Weiterhin
können die erfindungsgemäßen schäumbaren
Mischungen weitere übliche Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten,
hierzu zählen insbesondere Schaumstablisatoren in Mengenbereichen
zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung.
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Die
erfindungsgemäßen schäumbaren Mischungen
härten nach dem Ausbringen aus der Aerosoldose mit der
umgebenden Luftfeuchtigkeit zu feinzelligen Schäumen aus,
so dass aus die schäumbare Mischungen zum Dichten, Dämmen
und Montieren, z. B. von Fugen, Dachflächen, Fenstern und
Türen oder zum Ausfüllen von Hohlräumen
geeignet sind.
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In
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen soll die Erfindung
näher erläutert werden, wobei die Auswahl des
Beispiels keine Beschränkung des Umfangs des Erfindungsgegenstandes
darstellen soll.
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Beispiele
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Herstellung von Vorprodukten und Prepolymeren:
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Beispiel 1:
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In
einem Rührkolben wurden 138 g Propylencarbonat und 220
g 3-Aminopropyltrimethoxysilan (Dynasilan AMMO, Fa. Evonik) 12 Stunden
bei Raumtemperatur gerührt. Eine im IR Spektrometer untersuchte
Probe zeigte die vollständige Umsetzung des Propylencarbonates
und indizierte die Weiterverarbeitung.
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Beispiel 2:
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In
einem Rührkolben wurden 144 g Hydroxpropylmethacrylat vorgelegt
und langsam 211 g 1-Anilinomethyldimethoxymethylsilan (Geniosil
XL972, Fa. Wacker) zugetropft. Es wurde bei Raumtemperatur nachgerührt.
Eine im IR Spektrometer untersuchte Probe zeigte die vollständige
Umsetzung des Michael Reaktionsproduktes und indizierte die Weiterverarbeitung.
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Beispiel 3:
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In
einem Rührkolben wurden 96 g TDI-100 vorgelegt und innerhalb
einer Stunde 155 g des Umsetzungsprodukt von Propylencarbonat mit
Aminosilan aus Beispiel 1 so zugetropft, dass die Temperatur unterhalb
von 40°C blieb. Das entstandene Polymer wurde abgekühlt
und mit 6 g Vinyltrimethoxysilan versetzt. Die Viskosität
des entstandenen Isocyanatosilans lag bei 25.000 mPa·s
bei Raumtemperatur (23°C).
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Beispiel 4:
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In
einem Rührkolben wurden 70 g MDI-50 und 25 g TMCP vorgelegt.
Anschließend werden innerhalb einer Stunde 80 g des Umsetzungsprodukts
von Propylencarbonat mit Aminosilan aus Beispiel 1 so zugetropft, dass
die Temperatur unterhalb von 40°C blieb. Das entstandene
Polymer wurde abgekühlt und mit 6 g Vinyltrimethoxysilan
versetzt. Die Viskosität des entstandenen Isocyanatosilans
lag bei 95.000 mPa·s bei Raumtemperatur (23°C).
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Beispiel 5:
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In
einem Rührkolben wurden 417 g roh MDI (Desmodur 44 V20)
und 160 g TMCP vorgelegt. Anschließend werden innerhalb
zwei Stunden 375 g des Umsetzungsprodukts von Propylencarbonat mit
Aminosilan aus Beispiel 1 so zugetropft, dass die Temperatur unterhalb
von 50°C blieb. Das entstandene Polymer wurde abgekühlt
und mit 6 g Vinyltrimethoxysilan versetzt. Die Viskosität
des entstandenen Isocyanatosilans lag bei 325.000 mPa·s
bei Raumtemperatur (23°C).
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Beispiel 6:
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130
g (20 mmol) TDI-100 und 1,3 g Benzoylchlorid wurden vorgelegt und
anschließend 170 g (10 mmol) PPG 400 zugetropft. Nach Erreichen
des theoretischen NCO Wertes, wurde langsam das Hydroxysilan aus
Beispiel 1 hinzu gegeben. Das entstandene Prepolymer besitzt eine
Viskosität lag bei 800 Pas bei 23°C.
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Beispiel 7:
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24,2
g PPG 400 wurden mit 51,6 g des Additionsproduktes aus Beispiel
3 gemischt und geschüttelt, wobei eine moderate Wärmetönung
entstand. Das entstandene Prepolymer besitzt eine Viskosität
von 900 Pas bei 23°C.
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Beispiel 8 (Vergleich):
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199
g (10 mmol) Polypropylenglycol mit einem Molekulargewicht (Mn) von 400 g/mol wurde mit 151 g (20 mmol)
TDI als Diisocyanat vorgelegt und unter Zinn-/Bismuth Katalyse (Borchikat
22/24) zum NCO terminierten Prepolymer bei 80°C umgewandelt.
Die Umwandlung erfolgt unter NCO Kontrolle und sobald der theoretische
NCO Wert des Prepolymers erreicht wurde (titrimetrisch), wurden
60 g von Aminosilan XL 972 zugegeben, wobei die Temperatur anstieg
und die Viskosität massiv anstieg. Nach Zugabe von 2% Vinyltrimethoxysilan
wurde das Produkt abgefüllt und wasserdicht verschlossen.
Die Viskosität lag bei 23°C außerhalb
des Messbereiches und somit weit oberhalb von 2000 Pas
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Herstellung von schäumbaren Mischungen:
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In
eine Aerosoldose wurde das Isocyanatosilan des Beispiels 3 mit Polyol,
Treibmittel (Mischung aus DME und Propan Butan), Flammschutzmittel,
Katalysator, Reaktivverdünner und Schaumstabilisator gefüllt. Die
Dose wurde mit einem Ventil verschlossen und der Inhalt durch Schütteln
vollständig vermischt. Die eigentliche Prepolymer-Synthese
erfolgte somit in der Aerosoldose.
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Weitere
erfindungsgemäße schäumbare Mischungen
wurden aus den Isocyanatosilanen der Beispiele 4 und 5 in analoger
Wiese hergestellt. Als Polyol wurde unter anderem auch das Stepanpol
PD 190LV der Fa. Stepan mit verwendet.
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Die
Viskositätsmessung der schäumbaren Mischungen
wurde, wie oben ausgeführt, unter Substitution des Treibmittels
durch eine Mischung von 8,4% Methylal und 12,6% Pentan (M/P Mischung)
durchgeführt.
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Nach üblicher
Ausbringung der schäumbaren Mischung härtet der
Schaum mit der umgebenden Luftfeuchtigkeit aus und wurde in seinen
Eigenschaften bewertet.
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Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst (Mengenangaben
in Gewichtsprozent). Aus den Daten ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen
schäumbaren Mischungen rasch zu Schäumen mit guten
Eigenschaften aushärten.
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Das
Prepolymer des Beispiels 8 war zu hochviskos, um bei Raumtemperatur
oder mäßiger Erwärmung in handelsübliche
Aerosoldosen abgefüllt werden zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 96/06124 [0012]
- - WO 2000/04069 [0013]
- - WO 2002/066532 [0014]
- - WO 2005/049684 [0015]
- - WO 96/38453 A [0016]
- - US 5866651 A [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 18159 [0002]
- - DIN/EN/ISO 2555 [0035]