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Die Erfindung betrifft ein Flüssigschaum-gefülltes Schaumstoffformteil, bestehend aus
- a) 0,5 bis 10 Vol.-% eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten und
- b) 90 bis 99,5 Vol.-% eines flüssigen Schaums,
sowie Verfahren zur Stabilisierung von flüssigen Schäumen.
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Offenzellige Schaumstoffe auf Basis eines Melamin/Formaldehyd-Kondensationsproduktes sind für verschiedene wärme- und schalldämmende Anwendungen in Gebäuden und Fahrzeugen, sowie als isolierendes und stoßdämmendes Verpackungsmaterial bekannt.
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Die
US 6,503,615 beschreibt die Verwendung eines offenzelligen Melamin-Formaldehydschaumstoff als Reinigungsschwamm. Die offenzellige Struktur erlaubt die Aufnahme und Speicherung geeigneter Reinigungs-Schleif- und Poliermittel bei der Anwendung als Reinigungs-Schleif- und Polierschwamm (
WO 01/94436 ) oder der Aufnahme von Seife für Hygieneanwendungen (
DE 202007001353 ).
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Die
WO 2006/077253 beschreibt die Verwendung von kleinen Partikeln aus offenzelligem Aminoplastschaumstoff in wässrigen Tensidmischungen zur Körperreinigung.
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Fluide Schäume sind thermodynamisch metastabile Gebilde. Die Stabilisierung wässriger Schäume in porösen Strukturen ist komplex und von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie z. B. Tensidmenge, Temperatur, Salzkonzentration aber auch physikalische Prozesse wie Adsorptionskinetik, Oberflächenspannung und Gasdiffusion.
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Grundsätzlich übt die feste Porenstruktur Spannungen auf das fluide Schaumsystem aus. Wenn die Größe der Schaumbläschen deutlich kleiner ist als die Porengröße der porösen Struktur, dann unterscheidet sich der Schaum nur wenig von einem freien Schaum. Dagegen wird im umgekehrten Fall der Schaum aus einem Netzwerk von dünnen Lamellen gebildet, die die Poren und Kanäle der porösen Struktur umspannen.
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Die Zerstörung fluider Schaumsysteme kann durch folgende Mechanismen erfolgen: a) Ausdünnen (Kapillardruck, Drainage), b) Reißen der Lamellen oder c) Gasdiffusion (Oswald Reifung). Da in porösen Strukturen die Lamellenkrümmung keinen Bezug zum Bläschenvolumen aufweist, ist die Diffusion vernachlässigbar. Die Stabilität dünner Lamellen ist eng mit dem sog. Spaltdruck verbunden, d. h. der Druck, welcher durch Wechselwirkung der parallelen Tensidgrenzflächen entsteht. Dieser setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: a) elektrostatischen Abstoßung, b) van-der-Waals-Anziehung und c) sterisch, repulsive Kräfte. Wenn der Kapillardruck dem Spaltdruck entspricht ändert sich die Filmdicke nicht mehr.
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Es bleibt anzumerken, dass die Stabilität eines Schaums nicht der Summe der Eigenschaften seiner Einzelfilme entspricht, da es sich um ein dreidimensionales Netzwerk von vielen Filmen handelt, die nicht unabhängig voneinander sind.
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Zur Stabilisierung von flüssigen Schäumen in Polymerschäumen sind vor allem Studien zur erweiterten Erdölforderung zu nennen, die z. B. in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Tensidsystem die Schaumbildung und den Schaumtransport in Anwesenheit von Erdölen sowohl praktisch als auch theoretisch untersuchen. Die Stabilisierung wässriger Schaumsystem mit (porösen) Partikeln ist bekannt, z. B. als Pickering-Systeme, Sägemehl oder PVC. Die Herstellung von porösen Keramiken ausgehend von flüssigen, mit kolloidalen Aluminapartikel stabilisierten Schäumen ist bekannt Ferner ist die Einsatz von porösen Materialien im Waschmittelbereich beschrieben (
US20030207630 ).
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Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Stabilisierung von flüssigen Schäumen zu finden.
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Demgemäß wurde das eingangs beschriebene Flüssigschaum-gefüllte Schaumstoffformteil sowie eine Verfahren zur Stabilisierung von flüssigen Schäumen gefunden, wobei man einen offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten mit einer Tensidlösung tränkt und durch ein- oder mehrmaliges Verpressen des Schaumstoffformteils in den Zellen flüssigen Schaum erzeugt.
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Als offenzellige Schaumstoffe werden bevorzugt elastische Schaumstoffe auf Basis eines Melamin/Formaldehyd-Kondensationsproduktes mit einer spezifischen Dichte von 5 bis 100 g/l, insbesondere von 8 bis 20 g/l verwendet.
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Die Zellzahl liegt üblicherweise im Bereich von 50 bis 300 Zellen/25 mm. Der mittlere Zellendurchmesser liegt in der Regel im Bereich von 80 μm bis 500 μm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 250 μm.
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Die Zugfestigkeit liegt bevorzugt im Bereich von 100 bis 150 kPa und die Bruchdehnung im Bereich von 8 bis 20%.
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Zur Herstellung kann nach
EP-A 071 672 oder
EP-A 037 470 eine hochkonzentrierte, treibmittelhaltige Lösung oder Dispersion eines Melamin-Formaldehyd-Vorkondensates mit Heißluft, Wasserdampf oder durch Mikrowellenbestrahlung verschäumt und ausgehärtet werden. Derartige Schaumstoffe sind im Handel unter der Bezeichnung Basotect
® der Firma BASF Aktiengesellschaft erhältlich.
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Das Molverhältnis Melamin/Formaldehyd liegt im allgemeinen im Bereich von 1:1 bis 1:5.
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Um die anwendungstechnischen Eigenschaften zu verbessern, können die Schaumstoffe anschließend getempert und verpresst werden. Die Schaumstoffe können zur gewünschten Form und Dicke zugeschnitten und ein- oder beidseitig mit Deckschichten kaschiert werden. Beispielsweise kann eine Polymer- oder Metallfolie als Deckschicht aufgebracht werden.
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Der offenzellige Schaumstoff kann aufgrund der weitgehenden chemischen Beständigkeit des Melamin/Formaldehyd-Kondensats auch direkt mit verschiedenen, auch kryogenen Flüssigkeiten in Kontakt kommen. Selbst bei tiefen Temperaturen, beispielsweise unter –80°C bleibt der Schaumstoff elastisch. Eine Schädigung durch Verspröden tritt nicht auf.
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Die Stabilisierung des flüssigen Schaumes hängt in der Regel von der Größe des offenzelligen Schaumstoffes ab. Die optimale Stabilisierung wird mit regelmäßigen Schaumstofffomteilen, insbesondere Quader und Würfel mit Kantenlängen im Bereich vonm 5 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 mm erreicht.
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Das Volumen dieses Schaumstoffes besteht aus 0,5 bis 10 Volumenprozent aus dem Aminoplastharz und zu 90 bis 99,5 Volumen Prozent aus Luft. Diese Luft lässt sich durch Tauchen in eine Flüssigkeit austreiben. Verwendet man als Flüssigkeit ein Tensidlösung kann man durch ein- oder mehrmaliges Verpressen des Schaumstoffformteils in den Zellen flüssigen Schaum erzeugen. Durch die Verwendung des offenzelligen Schaumstoffs auf Basis eines Aminoplasten wird auf diese Weise ein flüssiger Schaum stabilisiert.
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Als Tensidlösungen eigen sich bevorzugt wässrige Lösungen eines Tensides oder Tensidgemisches. Es ist vorteilhaft zur Erzeugung und Stabilisierung des Schaums 0,1 bis 15 Gewichtsteile, vorzugsweise 1 bis 10 Gewichtsteile eines Tensides oder Kombinationen mehrerer Tenside zu verwenden.
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Besonders vorteilhaft sind Tensidsysteme, die zur Erzeugung und Stabilisierung von wässrigen Schäumen in alkalischen Medien und bei hohen Elektrolytkonzentrationen geeignet sind.
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Als Tenside können anionische, kationische, nichtionische oder ambivalente Tenside oder deren Mischungen verwendet werden. Es können sowohl niedermolekulare als auch polymere Tenside eingesetzt werden.
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Nichtionische Tenside sind beispielsweise Additionsprodukte von Alkylenoxiden, insbesondere Ethylenoxid, Propylenoxid und/oder Butylenoxid an Alkohole, Amine, Phenole, Naphthole oder Carbonsäuren. Vorteilhaft setzt man als Tenside Additionsprodukte von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid an mindestens 10 Kohlenstoffatome enthaltende Alkohole ein, wobei die Additionsprodukte pro Mol Alkohol 3 bis 200 Mol Ethylenoxid und/oder Propylenoxid angelagert enthalten. Die Additonsprodukte enthalten die Alkylenoxid-Einheiten in Form von Blöcken oder in statistischer Verteilung. Beispiele für nichtionische Tenside sind die Additionsprodukte von % Mol Ethylenoxid an 1 Mol Talgfettalkohol, Umsetzungsprodukte von 9 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Talgfettalkohol und Additonsprodukte von 80 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Talgfettalkohol.
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Weitere handelsübliche nichtionische Tenside bestehen aus Umsetzungsprodukten von Oxoalkoholen oder Ziegler-Alkoholen mit 5 bis 12 Mol Ethylenoxid pro Mol Alkohol, insbesondere mit 7 Mol Ethylenoxid. Weitere handelsübliche nichtionische Tenside werden durch Ethoxylierung von Rizinusöl erhalten. Pro Mol Rizinusöl werden beispielsweise 12 bis 80 Mol Ethylenoxid angelagert. Weitere handelsübliche Produkte sind beispielsweise die Umsetzungsprodukte von 18 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Talgfettalkohol, die Additionsprodukte von 10 Mol Ethylenoxid an 1 Mol eines C„/C„-Oxoalkohols, oder die Umsetzungsprodukte von 7 bis 8 Mol Ethylenoxid an 1 Mol eines C„/C„-Oxoalkohols.
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Weitere geeignete nichtionische Tenside sind Phenolalkoxylate wie beispielsweise p-tert.-Butylphenol, das mit 9 Mol Ethylenoxid umgesetzt ist, oder Methylether von Umsetzungsprodukten aus 1 Mol eines C„-C„-Alkohols und 7,5 Mol Ethylenoxid.
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Weitere geeignete nichtionische Tenside sind alkoxylierte, vozugsweise ethoxylierte Silikone. Bevorzugt sind hier wasserlösliche Silikontenside, die durch Umsetzung von kurzkettigen Silikonen (Diemthicone) mit einem hohen Molanteil Ethylenoxid erhalten werden.
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Die oben beschriebenen Tenside können beispielsweise durch Veresterung mit Schwefelsäure in die entsprechenden Schwefelsäurehalbester überführt werden. Die Schwefelsäurehalbester werden in Form der Alkalimetall- oder Ammoniumsalze als anionische Tenside eingesetzt. Als anionische Tenside eignen sich beispielsweise Alkalimetall- oder Ammoniumsalze von Schefelsäurehalbestern von Additionsprodukten von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid an Fettalkohole, Alkalimetall- oder Ammoniumsalze von Alkylbenzolsulfonsäure oder Alkylphenolethersukfaten. Produkte der genannten Art sind im Handel erhältlich.
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Auch kationische Tenside sind geeignet. Beispiele hierfür sind die mit Dimethylsufat quarternierten Umsetzungsprodukte von 6,5 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Oleylamin, Distearyldimetyhlammoniumchlorid, Lauryltrimethylammoniumchlorid, Cetylpyridiniumbromid und mit Dimethylsulfat quarternierter Stearinsäuretriethanolaminester. Aufgrund von Wechselwirkungen mit anionischen Silikaten sind ausschließlich kationische Tenside häufig nicht zur Schaumstabilisierung geeignet. Die Kombination von kationischen Tensiden mit anionisch stabilisierter Polymerlatex kann zur Destabilisierung der Dispersion führen.
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Beispiele:
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Für die folgenden Beispiele wurde ein offenzelliger Melamin/Formaldehyd-Schaumstoff mit einer Dichte von etwa 10 kg/m3 (Basotect® der BASF SE) eingesetzt.
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Beispiele 1 und 2: Stabilisierung in Schaumblöcken
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Basotect® V3012 (8 g/l) und ein um 50% komprimierter Basotect®-Schaumstoff (16 g/l) wurden mit Seifenlösung (Cremeseife Douxan, 1 g pro 1500 ml Wasser) getränkt und mind. 10 mal gepresst, eine gute Verteilung des wässrigen Schaums im gesamten Schaumstoffblock zu erzielen.
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Das Schwimmverhalten auf dem Wasser wurde über einen längeren Zeitraum beobachtet. Basotect® V3012 taucht zu einem Viertel ins Wasser ein. Mehrere Tage danach ist ein langsames, vollständiges Absinken zu beobachten. Komprimiertes Basotect® verhält sich ähnlich, aber die Eintauchtiefe beträgt zu Beginn schon ca. die Hälfte des Schaumkörpers.
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Vergleichsversuch 1:
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Analog Beispiel 1 wurde ein retikulierter PU-Schaumstoff (30 g/l) behandelt. Der offenzellige PU-Schaum verliert den wässrigen Seifenschaum viel schneller und ist nach ca. 24 h vollständig eingetaucht.
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Beispiel 3: Trennung gemahlener Basotect®-Fraktionen
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40 gemahlenes Basotect® (200–800 μm) wurden in einem 10 l Kanister gegebenen, anschließend mit 41 einer wässrigen Seifenlösung versetzt (Douxan 2 g/4 l) und verschlossen. Nach dem Aufschütteln wurde der wässrige Seifenschaum abgetrennt und das Basotect/Wasser-Gemisch erneut aufgeschüttelt. Dieser Vorgang wurde 4 mal wiederholt. Der wässrige Schaum wurde getrocknet und der Rückstand mehrmals mit Wasser gewaschen und im Trockenschrank bei 100°C getrocknet. Das Basotect/Wasser-Gemisch wurde filtriert und der Rückstand mehrmals mit Wasser gewaschen und im Trockenschrank bei 100°C getrocknet. Es wurden 11,5 g (29%) gemahlenes Basotect aus dem Seifenschaum und 28,5 g (71%) aus der wässrigen Phase isoliert. Lichtmikroskopische Aufnahmen belegen, dass sich in dem Schaum die sperrige Fraktion aus Knoten und Stegen verfangen hat, während bei in der wässrigen Phase vorwiegend Stege zu beobachten sind
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Beispiel 4: Stabilisierung mittels gemahlenem Basotect®
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Zur Untersuchung der Stabilisierung von flüssigen Schäumen wurden verschiedene gemahlene Fraktionen von Basotect eingesetzt:
- a) gemahlen (200–800 μm)
- b) gemahlen (vorwiegend Stege)
- c) gemahlen (vorwiegend Sterne)
- d) gröbere Flocken (1–5 mm)
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In einem verschließbaren Glas wurde wässriger Seifenschaum mit gemahlenem Basotect versetzt und aufgeschüttelt. Die Schaumstabilisierung wurde über einen Zeitraum von 7 h beobachtet. Es konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Proben festgestellt werden. Die Schaumhöhe ist nahezu identisch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6503615 [0003]
- WO 01/94436 [0003]
- DE 202007001353 [0003]
- WO 2006/077253 [0004]
- US 20030207630 [0009]
- EP 071672 A [0015]
- EP 037470 A [0015]