DE102019128696A1

DE102019128696A1 - Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102019128696A1
Application number: DE102019128696.4A
Authority: DE
Inventors: Ming Wei; Brian Litke
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2020-04-30
Also published as: KR20200047356A; US20200131363A1; GB2583389A; GB201914270D0; JP2020066738A; GB2583389B; CN111100602A; TW202028273A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, umfassend das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung, die eine homogene Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, und einem Phasenwechselmaterial umfasst; und das Härten der härtbaren Zusammensetzung, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu erhalten, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C aufweist.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung betrifft Phasenwechselmaterialien (PCMs), Verfahren zur Herstellung derselben und Gegenstände, die die PCMs enthalten.
Wärmemanagement ist bei einer Vielzahl von Geräten wünschenswert, einschließlich Batterien, Geräten, die Leuchtdioden (LEDs) enthalten, und Geräten, die Schaltkreise enthalten. So sind beispielsweise der Schaltungsaufbau für elektronische Geräte wie Fernseher, Radios, Computer, medizinische Geräte, Büromaschinen und Kommunikationsgeräte immer kleiner und dünner geworden. Die zunehmende Leistung solcher elektronischen Komponenten hat zu einer zunehmenden Wärmeentwicklung geführt. Darüber hinaus werden kleinere elektronische Komponenten auf immer kleinerem Raum dicht gepackt, was zu einer intensiveren Wärmeentwicklung führt. Darüber hinaus ist das schnelle Laden ein neuer Trend für die Industrie der tragbaren elektronischen Geräte. Allerdings führt die Schnellladung tendenziell zu dem Problem der Überhitzung im Gerät.
Gleichzeitig können elektronische Geräte sehr empfindlich gegenüber Überhitzung sein, was die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Teile negativ beeinflusst. Temperaturempfindliche Elemente in elektronischen Geräten müssen möglicherweise innerhalb einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur gehalten werden, um einen signifikanten Leistungsabfall oder gar einen Systemausfall zu vermeiden. Daher stehen die Hersteller weiterhin vor der Herausforderung, die in elektronischen Geräten erzeugte Wärme abzuführen, d.h. das Wärmemanagement. Darüber hinaus kann der interne Aufbau von elektronischen Geräten unregelmäßig geformte Hohlräume einschließen, die eine große Herausforderung für bekannte Ansätze des Wärmemanagements darstellen.
Dementsprechend besteht weiterhin Bedarf an neuen Ansätzen für das Wärmemanagement in verschiedenen Geräten, insbesondere in elektronischen Geräten. Es wäre ein zusätzlicher Vorteil, wenn die Lösungen für kleine oder dünne Geräte oder Geräte mit unregelmäßig geformten Hohlräumen wirksam wären.
KURZDARSTELLUNG
Verfahren zur Herstellung einer Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, umfassend das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung, umfassend eine homogene Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5 und einem Phasenwechselmaterial; und das Härten der härtbaren Zusammensetzung, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu erhalten, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung umfasst das Reaktionsprodukt einer homogenen Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5 und ein Phasenwechselmaterial, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Ebenfalls offenbart werden durch das Verfahren hergestellte Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung und Gegenstände, die die Polyurethan- Phasenwechselzusammensetzung umfassen.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden Abbildungen und die detaillierte Beschreibung veranschaulicht.
Figurenliste
Das Folgende ist eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen, die zur Veranschaulichung der hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen und nicht zu Zwecken der Einschränkung derselben vorgelegt werden.

1 ist ein Diagramm, das den Wärmefluss (J/g) als Funktion der Temperatur (°C) zeigt, die durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) an einer Probe der gelierten Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung von Beispiel 1 erhalten wurde.
2 ist ein Diagramm, das den Wärmefluss (J/g) als Funktion der Temperatur (°C) darstellt, die durch Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) auf dem Polyurethan-Phasenwechselfilm von Beispiel 2 erhalten wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin offenbart werden neue Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen mit hoher Schmelzwärme bei der Phasenübergangstemperatur und Verfahren zur Herstellung der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen. Polyurethane werden im Allgemeinen aus reaktiven Mischungen gebildet, die polyurethanbildende Komponenten, insbesondere organische Isocyanatkomponenten und polyolhaltige Komponenten einschließen, die im Wesentlichen miteinander reaktiv sind. Die hierin offenbarten Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen werden aus reaktiven Gemischen gebildet, die ferner Phasenwechselmaterialien einschließen, die mit den reaktiven organischen Isocyanatkomponenten und Polyolkomponenten kompatibel sind. Vor dem Härten kann die härtbare Zusammensetzung, die das reaktive organische Isocyanat, Polyol und Phasenwechselmaterial umfasst, durch einfache Injektion leicht an eine gewünschte Stelle beliebiger Form eingebracht oder als Film lösungsmittelfrei gegossen werden.
Diese Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen eignen sich besonders gut für den hervorragenden Wärmeschutz einer breiten Vielzahl von Geräten, insbesondere von elektronischen Geräten. Der interne Aufbau von elektronischen Geräten kann unregelmäßig geformte Hohlräume einschlie-ßen, die nur schwer vollständig mit festen Phasenwechselmaterialien gefüllt werden können, um die Wärmeaufnahmekapazität zu maximieren. Die hierin offenbarten Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen haben den Vorteil, dass die härtbaren Zusammensetzungen vor dem Gelieren leicht in unregelmäßig geformte Hohlräume in solchen Geräten injiziert werden können, um die Wärmeaufnahmekapazität zu maximieren. Nach dem Gelieren liegen die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen in Gelform vor und laufen daher bei der Betriebstemperatur des Gerätes (z.B. weniger als 100°C oder weniger als 50°C) nicht aus dem Gerät aus.
Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung wird durch ein Verfahren hergestellt, umfassend das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung, umfassend eine homogene Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, vorzugsweise 1,5 bis 2,9, und einem Phasenwechselmaterial; und das Härten der härtbaren Zusammensetzung, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu erhalten. Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung weist eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C auf. In einigen Ausführungsformen weist die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Schmelzwärme von mindestens 140 J/g, vorzugsweise mindestens 170 J/g, insbesondere mindestens 190 J/g auf, die durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418 bestimmt wird.
Die sorgfältige Auswahl des organischen Isocyanats, des Polyols und des Phasenwechselmaterials ermöglicht die Abstimmung der Eigenschaften der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen.
In einigen Ausführungsformen kann das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung das Kombinieren einer ersten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem organischen Isocyanat und dem Phasenwechselmaterial umfasst, und einer zweiten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem Polyol und dem Phasenwechselmaterial umfasst, unter Bildung der härtbaren Zusammensetzung umfassen. Das Phasenwechselmaterial in der ersten Komponente und der zweiten Komponente kann gleich oder unterschiedlich sein. Das Phasenwechselmaterial in der ersten Komponente oder der zweiten Komponente kann ein geschmolzenes Phasenwechselmaterial sein. In bevorzugten Ausführungsformen durchläuft das Phasenwechselmaterial bei einer Temperatur von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C einen Übergang von fest zu flüssig.
Das organische Isocyanat wird so ausgewählt, dass es mit dem Phasenwechselmaterial kompatibel ist und der endgültigen Polyurethanzusammensetzung die gewünschten Eigenschaften wie Gelzeit oder Kompatibilität mit dem Phasenwechselmaterial verleiht. Die Art und Menge des organischen Isocyanats in der ersten Komponente wird so gewählt, dass es eine gute Verträglichkeit mit dem Phasenwechselmaterial aufweist, um eine homogene Mischung aus dem organischen Isocyanat und einer großen Menge des Phasenwechselmaterials zu bilden. Das mit dem organischen Isocyanat vermischte Phasenwechselmaterial kann aufgeschmolzen werden. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der ersten Komponente kann beispielsweise mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% der ersten Komponente, wie beispielsweise 50 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% der ersten Komponente betragen. Beispielhafte organische Isocyanate sind Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Diisocyanato-p-methan, Xylyldiisocyanat, Diisocyanatocyclohexan, Phenylendiisocyanate, Toluylendiisocyanate (einschließlich 2,4-Toluylendiisocyanat), 2,6-Toluoldiisocyanat und rohes Toluoldiisocyanat), Bis(4-isocyanatophenyl)methan, Chlorphenylendiisocyanate, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat (auch bekannt als 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, oder MDI) und Addukte davon, Naphthalin-1,5-Diisocyanat, Triphenylmethan-4,4',4"-Triisocyanat, Isopropylbenzol-alpha-4-Diisocyanat, polymere Isocyanate wie ein Isocyanat-terminiertes Polybutadien, ein Isocyanat-terminiertes Polyolefin, ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl, ein Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, ein Quasi-Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, oder eine Kombination davon. In bestimmten Ausführungsformen ist das organische Isocyanat bei Temperaturen von 20 bis 120°C eine Flüssigkeit. Vorzugsweise ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl; bevorzugter ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Rizinusöl.
Das Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, vorzugsweise 1,5 bis 2,9, wird mit Bedacht ausgewählt, um die Kompatibilität mit dem Phasenwechselmaterial zu gewährleisten und der endgültigen Polyurethanzusammensetzung die gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise die Gelzeit oder die Kompatibilität mit dem Phasenwechselmaterial, zu verleihen. Die Art und Menge des Polyols in der zweiten Komponente wird so gewählt, dass sie eine gute Kompatibilität mit dem Phasenwechselmaterial aufweist, um eine homogene Mischung aus dem Polyol und einer großen Menge des Phasenwechselmaterials zu bilden. Das mit dem Polyol vermischte Phasenwechselmaterial kann aufgeschmolzen werden. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der zweiten Komponente kann beispielsweise mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-% oder sogar mindestens 90 Gew.-% der zweiten Komponente, wie beispielsweise 50 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% der zweiten Komponente betragen. Beispiele für ein geeignetes Polyol sind ein Polyesterpolyol, ein Polyetherpolyol, ein Polycaprolacton, ein hydriertes, hydroxyl-terminiertes Polyolefin, ein hydroxyl-terminiertes Polybutadien und eine Kombination davon. In bestimmten Ausführungsformen ist das Polyol bei Temperaturen von 20 bis 120°C eine Flüssigkeit. Vorzugsweise umfasst das Polyol ein hydriertes, hydroxyterminiertes Polyolefin, ein hydroxyterminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon. Das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polyols kann 500 bis 10.000 Dalton (Da) oder 600 bis 8000 Da oder 700 bis 6000 Da oder vorzugsweise 800 bis 4000 Da betragen.
Die Polyole können Hydroxylzahlen aufweisen, die über einen weiten Bereich variieren. Im Allgemeinen können die Hydroxylzahlen der Polyole, einschließlich anderer Vernetzungsadditive, wenn verwendet, 11 bis 1250 oder 27 bis 200 betragen. Die Hydroxylzahl ist definiert als die Anzahl der Milligramm Kaliumhydroxid, die für die vollständige Neutralisation des Hydrolyseprodukts des vollacetylierten Derivats aus I Gramm Polyol oder Polyolgemischen mit oder ohne andere Vernetzungszusätze erforderlich ist. Die Hydroxylzahl kann auch durch die Gleichung definiert werden: $\begin{array}{l} OH = \underline{56,1 \times 1000 \times f} \\ M_{W} \end{array}$
wobei:

OH die Hydroxylzahl des Polyols ist,
f die durchschnittliche Funktionalität ist, die die durchschnittliche Anzahl von Hydroxylgruppen pro Molekül Polyol ist, und
Mw ist das durchschnittliche Molekulargewicht des Polyols.

Kettenverlängerer (f = 2) oder Vernetzer (f ≥ 3) können in der zweiten, polyolhaltigen Komponente eingeschlossen sein. Beispielhafte Kettenverlängerer und Vernetzer haben ein Molekulargewicht von 60 bis 450.. Beispielhafte Kettenverlängerer sind Diole, wie Alkandiole und Dialkylenglykole. Beispiele für Kettenverlängerer sind Ethylenglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, Cyclohexandimethanol, Hydrochinon-bis(2-hydroxyethyl)ether und dergleichen. Eine Kombination aus Kettenverlängerungen kann verwendet werden. Beispielhafte Vernetzungsmittel sind mehrwertige Alkohole, vorzugsweise Triole und Tetrole. Die Kettenverlängerer und Vernetzer können in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-% (Gew.-%), vorzugsweise von 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der härtbaren Zusammensetzung, eingesetzt werden.
Das organische Isocyanat wird beispielsweise in Anteilen von 70 Prozent bis 130 Prozent stöchiometrischem Überschuss oder 80 Prozent bis 120 Prozent stöchiometrischem Überschuss, vorzugsweise 90 Prozent bis 110 Prozent stöchiometrischem Überschuss, verwendet, wobei die Stöchiometrie auf Äquivalenten der Isocyanatgruppe pro Äquivalent Hydroxyl im Polyol basiert. Die Menge des verwendeten organischen Isocyanats variiert etwas, je nach Art des herzustellenden Polyurethans.
Es wurde unerwartet festgestellt, dass eine bedachte Auswahl des organischen Isocyanats und Polyols zu einem Polyurethan führt, das mit großen Mengen des Phasenwechselmaterials kompatibel ist, was ein Elastomer bereitstellt, das das Phasenwechselmaterial effizient in seiner eigenen Matrix halten und der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung ein ausgezeichnetes Wärmemanagement über lange Zeiträume verleihen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine große Menge an Phasenwechselmaterial in der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung vorhanden, insbesondere 40 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 95 Gew.-% oder 60 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 90 Gew.-% oder 60 bis 90 Gew.-% oder 70 bis 85 Gew.-% oder 80 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung.
Die Kompatibilität zweier Materialien, z.B. eines organischen Isocyanats, eines Polyols oder eines resultierenden Polyurethans mit einem bestimmten Phasenwechselmaterial, kann durch Vergleich des „Löslichkeitsparameters“ (δ) eines jeden Materials beurteilt werden. Die Löslichkeitsparameter können mit jeder geeigneten Methode der Technik bestimmt oder für viele Verbindungen aus veröffentlichten Tabellen entnommen werden. Das organische Isocyanat, Polyol oder das resultierende Polyurethan sollte einen Löslichkeitsparameter aufweisen, der dem Löslichkeitsparameter des Phasenwechselmaterials ähnlich ist, um eine kompatible Mischung zu bilden. Zwei Löslichkeitsparameter können als ähnlich angesehen werden, wenn sie sich um nicht mehr als ±1 oder ±0,9 oder ±0,8 oder ±0,7 oder ±0,6 oder ±0,5 oder ±0,4 oder ±0,3 unterscheiden.
Ein Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz mit hoher Schmelzwärme, die während eines Phasenübergangs wie z.B. Schmelzen und Verfestigen, hohe Mengen an latenter Wärme aufnehmen und abgeben kann. Während des Phasenwechsels bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials nahezu konstant. Das Phasenwechselmaterial hemmt oder stoppt den Fluss der Wärmeenergie durch das Material während der Zeit, in der das Phasenwechselmaterial Wärme aufnimmt oder abgibt, typischerweise während der Phasenänderung des Materials. In einigen Fällen kann ein Phasenwechselmaterial die Wärmeübertragung während einer Zeitspanne verhindern, in der das Phasenwechselmaterial Wärme absorbiert oder abgibt, typischerweise da das Phasenwechselmaterial einen Übergang zwischen zwei Zuständen durchläuft. Dieser Vorgang ist typischerweise vorübergehend und tritt ein, bis eine latente Wärme des Phasenwechselmaterials während eines Heiz- oder Kühlvorgangs aufgenommen oder freigesetzt wird. Wärme kann gespeichert oder aus einem Phasenwechselmaterial entfernt werden, und das Phasenwechselmaterial kann typischerweise durch eine Wärme- oder Kältequelle effektiv wieder aufgeladen werden.
Phasenwechselmaterialien weisen daher eine charakteristische Übergangstemperatur auf. Der Begriff „Übergangstemperatur“ oder „Phasenwechseltemperatur“ bezieht sich auf eine ungefähre Temperatur, bei der ein Material einen Übergang zwischen zwei Zuständen erfährt. In einigen Ausführungsformen, z.B. für ein handelsübliches Paraffinwachs mit gemischter Zusammensetzung, kann die Übergangstemperatur ein Temperaturbereich sein, in dem der Phasenübergang stattfindet.
Grundsätzlich ist es möglich, Phasenwechselmaterialien mit einer Phasenwechseltemperatur von -100 bis 150°C in den Phasenwechselzusammensetzungen zu verwenden. Insbesondere für den Einsatz in LED und elektronischen Komponenten kann das in die Phasenwechselzusammensetzungen eingearbeitete Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur von 0 bis 115°C, 10 bis 105°C, 20 bis 100°C oder 30 bis 95°C aufweisen. In einer Ausführungsform weist das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C auf.
Die Auswahl eines Phasenwechselmaterials hängt typischerweise von der Übergangstemperatur ab, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht wird, die das Phasenwechselmaterial einschließt. So kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial mit einer Übergangstemperatur nahe der normalen Körpertemperatur oder um 37°C für Elektronikanwendungen wünschenswert sein, um Verletzungen des Benutzers zu vermeiden und überhitzte Komponenten zu schützen. Das Phasenwechselmaterial kann eine Übergangstemperatur im Bereich von -5 bis 150°C oder 0 bis 90°C oder 30 bis 70°C oder 35 bis 50°C aufweisen.
Die Übergangstemperatur kann durch Ändern der Reinheit des Phasenwechselmaterials, der Molekularstruktur, der Mischung von Phasenwechselmaterialien oder einer beliebigen Kombination davon erweitert oder eingeengt werden.
Das Phasenwechselmaterial in der ersten, die Isocyanatkomponente und das Phasenwechselmaterial in der zweiten Polyolkomponente können identisch oder unterschiedlich sein. Für bestimmte Ausführungsformen sind das Phasenwechselmaterial in der ersten, die Isocyanatkomponente und das Phasenwechselmaterial in der zweiten Polyolkomponente unterschiedliche Materialien.
Weiterhin kann das Phasenwechselmaterial als einzelnes Material oder als Materialgemisch ausgewählt werden. Durch die Auswahl von zwei oder mehreren verschiedenen Phasenwechselmaterialien und die Bildung einer Mischung kann der Temperaturstabilisierungsbereich des Phasenwechselmaterials für jede gewünschte Anwendung eingestellt werden. Ein Temperaturstabilisierungsbereich kann eine bestimmte Übergangstemperatur oder einen Bereich von Übergangstemperaturen einschließen. Das resultierende Gemisch kann zwei oder mehr unterschiedliche Übergangstemperaturen oder eine einzige modifizierte Übergangstemperatur aufweisen, wenn es in die hierin beschriebenen Phasenwechselzusammensetzungen eingearbeitet wird.
In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, mehrere oder breite Übergangstemperaturen zu haben. Wenn eine einzige schmale Übergangstemperatur verwendet wird, kann dies zu einem Wärme-/Energieaufbau vor Erreichen der Übergangstemperatur führen. Sobald die Übergangstemperatur erreicht ist, wird Energie absorbiert, bis die latente Energie verbraucht ist, und die Temperatur steigt dann weiter an. Breite oder mehrere Übergangstemperaturen ermöglichen eine Temperaturregelung und Wärmeabsorption, sobald die Temperatur ansteigt, was den Aufbau von Wärme/Energie mindert. Mehrere oder breite Übergangstemperaturen können auch effizienter helfen, Wärme von einem Bauteil wegzuleiten, indem sie Wärmeabsorptionen überlagern oder staffeln. Für eine Zusammensetzung, die beispielsweise ein erstes Phasenwechselmaterial (PCM1), das bei 35 bis 40°C absorbiert, und ein zweites Phasenwechselmaterial (PCM2), das bei 38 bis 45°C absorbiert, enthält, beginnt PCM1 mit der Absorption und Steuerung der Temperatur, bis ein Großteil der latenten Wärme genutzt wird, wobei PCM2 beginnt, Energie aus PCM1 zu absorbieren und zu leiten, wodurch PCM1 verjüngt wird und weiteres Funktionieren ermöglicht wird.
Die Auswahl des Phasenwechselmaterials kann von der latenten Wärme des Phasenwechselmaterials abhängen. Eine latente Wärme des Phasenwechselmaterials korreliert typischerweise mit seiner Fähigkeit, Energie/Wärme aufzunehmen und abzugeben oder die Wärmeübertragungseigenschaften des Gegenstands zu verändern. In einigen Fällen kann das Phasenwechselmaterial eine latente Schmelzwärme von mindestens 20 J/g aufweisen, wie beispielsweise mindestens 40 J/g, mindestens 50 J/g, mindestens 70 J/g, mindestens 80 J/g, mindestens 90 J/g oder mindestens 100 J/g. So kann beispielsweise das Phasenwechselmaterial eine latente Schmelzwärme von 20 J/g bis 400 J/g aufweisen, wie 60 J/g bis 400 J/g, 80 J/g bis 400 J/g oder 100 J/g bis 400 J/g.
Als Phasenwechselmaterialien können verschiedene organische und anorganische Substanzen verwendet werden. Beispiele für Phasenwechselmaterialien sind Kohlenwasserstoffe (z.B. geradkettige Alkane oder paraffinische Kohlenwasserstoffe, verzweigtkettige Alkane, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe und alicyclische Kohlenwasserstoffe), Silikonwachs, Alkane, Alkene, Alkene, Alkine, Arenen, hydratisierte Salze (z.B., Calciumchlorid-Hexahydrat, Calciumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Lithiumnitrat-Trihydrat, Kaliumfluorid-Tetrahydrat, Ammoniumaluminium, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Natriumcarbonat-Decahydrat, Dinatriumphosphat-Dodecahydrat, Natriumsulfat-Decahydrat und Natriumacetat-Trihydrat), Wachse, Öle, Wasser, Fettsäuren (Kapronsäure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure und Cerotinsäure, etc.), Fettsäureester (Methylcaprylat, Methylcaprat, Methyllaurat, Methylmyristat, Methylpalmitat, Methylstearat, Methylarachidat, Methylbehenat, Methyllignocerat und dergleichen), Fettalkohole (Caprylalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol, Stearylalkohol, Arachidylalkohol), Behenylalkohol, Lignocerylalkohol, Cerylalkohol, Montanylalkohol, Myricylalkohol und Geddylalkohol und dergleichen), zweibasige Säuren, zweibasige Ester, 1-Halogenide, primäre Alkohole, sekundäre Alkohole, tertiäre Alkohole, aromatische Verbindungen, Clathrate, Semi-Clathrate, Gas-Clathrate, Anhydride (e.g., Stearinsäureanhydrid), Ethylencarbonat, Methylester, mehrwertige Alkohole (z.B, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 2-Hydroxymethyl-2-methyl-1,3-propandiol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Pentaglycerin, Tetramethylolethan, Neopentylglykol, Tetramethylolpropan, 2-Amino-2-methyl-1,3-propandiol, Monoaminopentaerythritol, Diaminopentaerythritol und Tris(hydroxymethyl)essigsäure), Zuckeralkohole (Erythrit, D-Mannit, Galactit, Xylit, D-Sorbit), Polymere (z.B. Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol, Polytetramethylenglykol, Polypropylenmalonat, Polyneopentylglykolsebacat, Polypentan-Glutarat, Polyvinylmyristat, Polyvinylstearat, Polyvinyllaurat, Polyhexadecylmethacrylat, Polyoctadecylmethacrylat, Polyester, hergestellt durch Polykondensation von Glykolen (oder deren Derivaten) mit Disäuren (oder deren Derivate), und Copolymere, wie Polyacrylat oder Poly(meth)acrylat mit Alkylkohlenwasserstoff-Seitenkette oder mit Polyethylenglykol-Seitenkette und Copolymere einschließlich Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol oder Polytetramethylenglykol), Metalle und Mischungen davon. Es können verschiedene pflanzliche Öle verwendet werden, z.B. Sojaöl, Palmöl, Rizinusöl oder dergleichen. Diese Öle können gereinigt oder anderweitig behandelt werden, um sie für die Verwendung als Phasenwechselmaterialien geeignet zu machen. In einer Ausführungsform ist ein Phasenwechselmaterial, das in der Phasenwechselzusammensetzung verwendet wird, eine organische Substanz.
Paraffinische Phasenwechselmaterialien können ein paraffinischer Kohlenwasserstoff sein, d.h. ein Kohlenwasserstoff der Formel C_nH_n+2, wobei n von 10 und 44 Kohlenstoffatomen reichen kann. Der Schmelzpunkt und die Schmelzwärme einer homologen Reihe von Paraffinkohlenwasserstoffen stehen in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Kohlenstoffatome.
Ebenso hängt der Schmelzpunkt einer Fettsäure von der Kettenlänge ab.
In einer Ausführungsform umfasst das Phasenwechselmaterial einen paraffinischen Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester mit 15 bis 40 Kohlenstoffatomen, 18 bis 35 Kohlenstoffatomen oder 18 bis 28 Kohlenstoffatomen. Das Phasenwechselmaterial kann ein einzelner paraffinischer Kohlenwasserstoff, Fettsäure oder Fettsäureester oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren oder Fettsäureestern sein. Das Phasenwechselmaterial kann ein Pflanzenöl sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C oder 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C auf.
Die Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, kann größer als 150 Joule/Gramm, vorzugsweise größer als 180 Joule/Gramm, vorzugsweise größer als 200 Joule/Gramm sein.
Die Menge des Phasenwechselmaterials in der ersten, isocyanathaltigen Komponente hängt von der Art des verwendeten Phasenwechselmaterials, der gewünschten Phasenwechseltemperatur, der Art des verwendeten organischen Isocyanats und ähnlichen Überlegungen ab, wird aber so gewählt, dass nach dem Mischen eine kompatible Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und dem organischen Isocyanat entsteht. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der ersten Komponente kann mindestens 50 Gew.-%, mindestens 55 Gew.-%, mindestens 60 Gew.-%, mindestens 65 Gew.-%, mindestens 70 Gew.-%, mindestens 75 Gew.-%, mindestens 80 Gew.-%, mindestens 85 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% und nicht mehr als 97 Gew.-% oder nicht mehr als 95 Gew.-% des Gesamtgewichts der ersten Komponente betragen, vorausgesetzt, dass nach dem Mischen eine kompatible Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und dem organischen Isocyanat erhalten wird. Das mit dem organischen Isocyanat vermischte Phasenwechselmaterial kann aufgeschmolzen werden.
Die Menge des Phasenwechselmaterials in der zweiten, polyolhaltigen Komponente hängt von der Art des verwendeten Phasenwechselmaterials, der gewünschten Phasenwechseltemperatur, der Art des verwendeten Polyols und ähnlichen Überlegungen ab, wird aber so gewählt, dass nach dem Mischen eine kompatible Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und dem Polyol entsteht. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der zweiten Komponente kann mindestens 45 Gew.-%, mindestens 50 Gew.-%, mindestens 55 Gew.-%, mindestens 60 Gew.-%, mindestens 65 Gew.-%, mindestens 70 Gew.-%, mindestens 75 Gew.-%, mindestens 80 Gew.-%, mindestens 85 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% und nicht mehr als 97 Gew.-% oder nicht mehr als 95 Gew.-% betragen, wobei sich die Gew.-% auf das Gesamtgewicht der zweiten Komponente beziehen, vorausgesetzt, dass nach dem Mischen eine kompatible Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und dem Polyol erhalten wird. Das mit dem Polyol vermischte Phasenwechselmaterial kann geschmolzen werden.
Das Phasenwechselmaterial schließt ein ungekapseltes („rohes“) Phasenwechselmaterial ein und kann optional ein verkapseltes Phasenwechselmaterial einschließen. Die Menge des verkapselten Phasenwechselmaterials, wenn es im Phasenwechselmaterial vorhanden ist, kann 10 bis 95 Gew.-%, 30 bis 90 Gew.-%, 40 bis 75 Gew.-% oder 50 bis 70 Gew.-% des Gesamtgewichts des Phasenwechselmaterials betragen.
Ein Katalysator kann in der härtbare Zusammensetzung mit eingeschlossen sein, um die Gelzeit für die Elastomerbildung zu beschleunigen. Der Katalysator, falls vorhanden, kann in die zweite, polyolhaltige Komponente eingeschlossen oder der härtbaren Zusammensetzung in einer dritten Komponente zugesetzt werden. Das Härten der härtbaren Zusammensetzung in Gegenwart eines Katalysators erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 20° C bis 120°C und dauert 1 Minute bis 6 Stunden oder 5 Minuten bis 4 Stunden.
Beispiele für Katalysatoren sind tertiäre Amine und metallorganische Katalysatoren. Das Metall kann Zinn, Wismut, Eisen, Zink oder eine Kombination davon sein. Beispiele für Zinnkatalysatoren sind Zinn(II)-acetat, Zinn(II)-octanoat, Zinn(II)-laurat, Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinndimaleat, Dioctylzinndiacetat und Dibutylzinndichlorid. Beispiele für tertiäre Amine sind Triethylamin, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2.]octan (DABCO), N-Methylmorpholin, N-Ethylmorpholin, N,N,N',N'-Tetramethylhexamethylendiamin und 1,2-Dimethylimidazol. Ein einzelner Katalysator oder eine Kombination derselben Katalysatoren kann gegebenenfalls in die Reaktion mit eingeschlossen werden. Die Art und Menge des Katalysators wird ausgewählt, um eine gewünschte Gelzeit nach dem Mischen der ersten und zweiten Komponente zu erhalten. Die Menge des Katalysators, wenn vorhanden, kann 0,1 bis 10 Gew.-% (Gew.-%), vorzugsweise 1 bis 8 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyols und des Isocyanats, betragen. Alternativ kann die Menge des Katalysators, wenn vorhanden, 0,1 bis 2,5 Gew.-% (Gew.-%), vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-%, besser bevorzugt 0,5 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, betragen.
Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen können ferner weitere Komponenten als Additive umfassen, wie beispielsweise ein Flammschutzmittel, einen Füllstoff wie einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff oder einen magnetischen Füllstoff; eine Dispergierhilfe, einen Haftvermittler, ein Farbmittel, einen Weichmacher, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidans, Epoxidverbindungen oder eine Kombination derselben. Diese zusätzlichen Komponenten werden so ausgewählt, dass sie die gewünschten Eigenschaften der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen, wie beispielsweise die Gelierzeit der härtbaren Zusammensetzung und die Schmelzwärme der Polyurethan-Phasenwechsel-Zusammensetzungen, nicht wesentlich beeinträchtigen. Normalerweise ist die Menge des verwendeten Additivs, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, bis zu 50 Gew.-% oder 0,01 bis 30 Gew.-% oder 0,01 bis 15 Gew.-% oder 0,01 bis 10 Gew.-% oder 0,01 bis 5 Gew.-%, wobei Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung und Gewichtsprozente insgesamt bis zu 100 Gew.-% bezogen ist. Bei der Herstellungsmethode kann das Additiv in die Polyolkomponente aufgenommen werden oder eine separate Komponente sein.
Gegebenenfalls kann ein Füllstoff vorhanden sein, um die dielektrischen, wärmeleitenden oder magnetischen Eigenschaften der Phasenwechselzusammensetzung einzustellen. Ein Füllstoff mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie Glasperlen, Kieselsäure oder gemahlene Mikroglasfasern, kann verwendet werden. Es kann eine thermisch stabile Faser, wie beispielsweise ein aromatisches Polyamid oder ein Polyacrylnitril, verwendet werden. Zu den repräsentativen dielektrischen Füllstoffen gehören Titandioxid (Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, geschmolzenes amorphes Siliziumdioxid, Korund, Wollastonit, Aramidfasern (z.B, KEVLAR™ von Du-Pont), Glasfaser, Ba2Ti9O20, Quarz, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Beryllium, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Glimmer, Talk, Nanoton, Aluminiumsilikate (natürlich und synthetisch), Eisenoxid, CoFe₂O₄ (nanostrukturiertes Pulver erhältlich bei Nanostrukturierte & Amorphe Materialien, Inc.) einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen und pyrogene Kieselsäure (z.B. Cab-O-Sil, erhältlich bei Cabot Corporation), die jeweils einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
Weitere Arten von Füllstoffen, die verwendet werden können, sind ein wärmeleitender Füllstoff, ein wärmeisolierender Füllstoff, ein magnetischer Füllstoff oder eine Kombination davon. Zu den wärmeleitenden Füllstoffen gehören beispielsweise Bornitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumnitrid. Beispiele für wärmeisolierende Füllstoffe sind beispielsweise organische Polymere in Partikelform. Die magnetischen Füllstoffe können nanoskalig sein.
Die Füllstoffe können in Form von festen, porösen oder hohlen Partikeln vorliegen. Die Partikelgröße des Füllstoffs beeinflusst eine Reihe wichtiger Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Modul, Dehnung und Flammschutz. In einer Ausführungsform weist der Füllstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,1 bis 15 Mikrometern auf, insbesondere 0,2 bis 10 Mikrometer. Der Füllstoff kann ein Nanopartikel, d.h. ein Nanofiller, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 bis 100 Nanometern (nm) oder 5 bis 90 nm, oder 10 bis 80 nm, oder 20 bis 60 nm sein. Eine Kombination von Füllstoffen mit einer bimodalen, trimodalen oder höheren durchschnittlichen Partikelgrößenverteilung kann verwendet werden. Der Füllstoff kann in einer Menge von 0,5 bis 60 Gew.-% oder 1 bis 50 Gew.-% oder 5 bis 40 Gew.-%, bezogen auf ein Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung, eingeschlossen sein.
Zu den repräsentativen Flammschutzzusätzen gehören Brom-, Phosphor- und Metalloxid enthaltende Flammschutzmittel. Geeignete bromierte Flammschutzmittel sind im Allgemeinen aromatisch und enthalten mindestens zwei Brome pro Verbindung. Einige im Handel erhältliche Produkte sind z.B. von Albemarle Corporation unter den Handelsnamen erhältlisches Saytex BT-93W (Ethylenbistetrabromnaphthalamid), Saytex 120 (Tetradecabormodiphenoxybenzol) und von Great Lake unter den Handelsnamen erhältliches BC-52, BC-58, Esschem Inc unter dem Handelsnamen FR1025.
Unter den geeigneten phosphorhaltigen Flammschutzmitteln sind verschiedene organische Phosphorverbindungen, zum Beispiel ein aromatisches Phosphat der Formel (GO)₃P=O, wobei jedes G unabhängig eine C_1-36-Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkylarylen- oder Arylalkylengruppe ist, vorausgesetzt, dass mindestens ein G eine aromatische Gruppe ist. Zwei der G-Gruppen können miteinander verbunden werden, um eine cyclische Gruppe zu bilden, z.B. Diphenylpentaerythritoldiphosphat. Weitere geeignete aromatische Phosphate können z.B. Phenylbis(dodecyl)phosphat, Phenylbis(neopentyl)phosphat, Phenylbis(3,5,5'-trimethylhexyl)phosphat, Ethyldiphenylphosphat, 2-Ethylhexyldi(p-tolyl)phosphat, Bis(2-ethylhexyl)p-tolylphosphat sein, Tritolylphosphat, Bis(2-ethylhexyl)phenylphosphat, Tri(nonylphenyl)phosphat, Bis(dodecyl)p-tolylphosphat, Dibutylphenylphosphat, 2-Chlorethyldiphenylphosphat, p-Tolyl-bis(2,5,5'-trimethylhexyl)phosphat, 2-Ethylhexyldiphenylphosphat oder dergleichen. Ein spezielles aromatisches Phosphat ist eines, bei dem jedes G aromatisch ist, zum Beispiel Triphenylphosphat, Tricresylphosphat, isopropyliertes Triphenylphosphat und dergleichen. Beispiele für geeignete di- oder polyfunktionelle aromatische phosphorhaltige Verbindungen sind Resorcinoltetraphenyldiphosphat (RDP), das Bis(diphenyl)phosphat von Hydrochinon und das Bis(diphenyl)phosphat von Bisphenol-A, deren oligomere und polymere Gegenstücke und dergleichen.
Metallphosphinatsalze können ebenfalls verwendet werden. Beispiele für Phosphinate sind Phosphinatsalze wie z.B. alicyclische Phosphinatsalze und Phosphinatester. Weitere Beispiele für Phosphinate sind Diphosphinsäuren, Dimethylphosphinsäure, Ethylmethylphosphinsäure, Diethylphosphinsäure und die Salze dieser Säuren, wie zum Beispiel die Aluminiumsalze und die Zinksalze. Beispiele für Phosphinoxide sind Isobutyl-bis(hydroxyalkyl)phosphinoxid und 1,4-Diisobutylen-2,3,5,6,6-tetrahydroxy-1,4-diphosphinoxid oder 1,4-Diisobutylen-1,4-diphosphoryl-2,3,5,6-tetrahydroxycyclohexan. Weitere Beispiele für phosphorhaltige Verbindungen sind NH1197® (Chemtura Corporation), NH1511® (Chemtura Corporation), NcendX P-30® (Albemarle), Hostaflam OP5500® (Clariant), Hostaflam OP910® (Clariant), EXOLIT 935 (Clariant) und Cyagard RF 12040, Cyagard RF 1241® und Cyagard RF 1243R (Cyagard sind Produkte von Cytec Industries). In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist eine halogenfreie Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung bei Verwendung mit EXOLIT 935 (einem Aluminiumphosphinat) eine ausgezeichnete Flammhemmung auf. Weitere Flammschutzmittel sind Melaminpolyphosphat, Melamincyanurat, Melam, Melone, Melem, Guanidine, Phosphazane, Silazane, DOPO (9,10-Dihydro-9-oxa-10-oxa-10-phosphenathren-10-oxid) und DOPO (10-5-Dihydroxyphenyl, 10-H-9-oxaphosphaphenanth renelo-oxid).
Geeignete Metalloxid-Flammschutzmittel sind Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Zinkstannat und Boroxid. Ein flammhemmendes Additiv kann in einer Menge vorhanden sein, die in der Technik für die jeweilige Art des verwendeten Additivs bekannt ist.
Beispielhafte Antioxidantien sind Radikalfänger und Metalldeaktivatoren. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Radikalfänger ist Poly[[6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)am ino-s-triazin-2,4-dyil][(2,2,6,6,6,-tetramethyl-4-piperidyl)imino]hexamethylen[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]]], das von Ciba Chemicals unter dem Markennamen Chimassorb 944 im Handel erhältlich ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Metalldesaktivator ist 2,2-Oxalyldiamido-bis[ethyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionat], das von der Chemtura Corporation unter dem Markennamen Naugard XL-1 im Handel erhältlich ist. Ein einzelnes Antioxidans oder eine Mischung aus zwei oder mehr Antioxidantien kann verwendet werden. Antioxidantien sind typischerweise in Mengen von bis zu 3 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, vorhanden.
Ein Gegenstand, der die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung umfasst, kann hergestellt werden durch Injektion der härtbaren Zusammensetzung in einen Gegenstand, beispielsweise in einen Hohlraum in dem Gegenstand und Härten der härtbaren Zusammensetzung. Der Hohlraum des Gegenstands kann in jeder Form und Größe vorliegen. Wie vorstehend beschrieben, ist die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung jedoch besonders nützlich für kleine Hohlräume oder Hohlräume mit komplizierten Eigenschaften, da solche Hohlräume durch die härtbaren Zusammensetzungen leicht gefüllt werden können.
Ein Gegenstand, der die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung umfasst, kann auch hergestellt werden durch Aufbringen der härtbaren Zusammensetzung auf einen Gegenstand und Härten der härtbaren Zusammensetzung, um die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu bilden. Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung kann als Beschichtung, Laminat, Film oder Folie unter Verwendung jeder beliebigen geeigneten Technik zum Beschichten, Laminieren oder Schichten der härtbaren Zusammensetzung implementiert werden.
Die härtbare Zusammensetzung kann gemäß bekannten Verfahren, wie z.B. Extrudieren, Formen oder Gießen, zu einem Gegenstand geformt werden. So kann beispielsweise eine Schicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung unter Gießen der härtbaren Zusammensetzung auf einen Träger, von dem die gehärtete Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung später gelöst werden kann, oder alternativ auf ein Substrat gebildet werden. Die Gegenstände können alle gängigen Polyurethane sein, z.B. Dichtungen, Schutzverpackungen, Wärmedämmung, Gel-Pads, Druckrollen, elektronische Teile, Gurte, Bänder, Autos, Möbel, Bettwäsche, Teppichunterlage, Schuheinlagen, Gewebebeschichtungen und dergleichen.
Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung kann in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden. Die Polyurethan-Phasenwechsel-Zusammensetzungen können in einer breiten Vielfalt von elektronischen Geräten verwendet werden, einschließlich von tragbaren elektronischen Geräten und allen anderen Geräten, die Wärme zum Nachteil der Leistung der Prozessoren und anderer Betriebskreise (Speicher, Videochips, Telekom-Chips und dergleichen) erzeugen. Beispiele für solche elektronischen Geräte sind Mobiltelefone, PDAs, Smartphones, Tablets, Laptops und andere allgemein tragbare Geräte. Die Polyurethan-Phasenwechsel-Zusammensetzungen können jedoch in praktisch jedes elektronische Gerät eingearbeitet werden, die während des Betriebs gekühlt werden muss. So kann beispielsweise die Elektronik, die in LED-Geräten, Automobilkomponenten, Flugzeugkomponenten, Radarsystemen, Leitsystemen und GPS-Geräten in zivilen und militärischen Geräten und anderen Fahrzeugen verwendet wird, von Aspekten der vorliegenden Erfindung profitieren, wie Motorsteuergeräte (ECU), Airbagmodule, Karosseriesteuerungen, Türmodule, Tempomatmodule, Instrumententafeln, Klimamodule, Antiblockiermodule (ABS), Getriebesteuerungen und Stromverteilungsmodule. Die Polyurethan-Phasenwechsel-Zusammensetzungen und Gegenstände daraus können auch in die Gehäuse von Elektronik- oder anderen Strukturbauteilen oder in Batterien einarbeitet werden. Im Allgemeinen kann jedes Gerät, das sich auf die Leistungsmerkmale eines elektronischen Prozessors oder einer anderen elektronischen Schaltung stützt, von den erhöhten oder stabileren Leistungsmerkmalen profitieren, die sich aus der Verwendung von Aspekten der hierin offenbarten Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen ergeben.
Die hierin beschriebenen Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen können einem Gerät eine verbesserte Wärmestabilität verleihen, was zu der Fähigkeit führt, eine Verschlechterung der Leistung und Lebensdauer der elektronischen Geräte zu vermeiden. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen sind vorteilhaft, da die härtbaren Zusammensetzungen als Schichten lösungsmittelfrei gegossen, und anschließend für den Einsatz im Wärmemanagement gehärtet werden können. Die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen sind für den Einsatz als Wärmemanagementmaterialien, insbesondere in der Elektronik, von großem Vorteil, da die härtbaren Zusammensetzungen leicht in Hohlräume mit unregelmäßigen Formen eingebracht werden können, die schwer vollständig mit fester Phasenwechselzusammensetzungen zu füllen sind, was eine maximale Wärmeaufnahmekapazität ermöglicht, während sie bei einer Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur des Geräts (z.B. weniger als 100°C) liegen, um Schäden an elektronischen Komponenten zu vermeiden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen lediglich die hierin offenbarten Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzungen und -Herstellungsverfahren und sollen den Anwendungsbereich nicht einschränken.
BEISPIELE
Die Schmelztemperatur und Enthalpie (ΔH) des Übergangs eines Materials kann durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) bestimmt werden, z.B. mit einem Perkin Elmer DSC 4000 oder gleichwertig gemäß ASTM D3418. Das DSC-Material kann ein Phasenwechselmaterial, ein verkapseltes Phasenwechselmaterial, die Phasenwechselzusammensetzung oder die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung sein.
Beispiel 1. Injizierbare Polyurethan-Phasenwechsel-Zusammensetzung
Komponente A wurde hergestellt aus einer Mischung mit 21 Gramm KRASOL HLBH-P-3000 Polyol (Cray Valley USA, LLC), 1,1 Gramm REAXIS C216 (Dioctylzinndilaurat-Katalysator, Reaxis, Inc.) und 27,9 Gramm vollständig geschmolzenem PURETEMP 37 (pflanzlich ölbasiert; PureTemp LLC.).
Komponente B wurde hergestellt aus einer Mischung mit 7 Gramm eines Isocyanat-Prepolymers, das durch isocyanatfunktionalisierendes Rizinusöl hergestellt wurde, um einen Prozentsatz von 7,76% Isocyanat (NCO) und eine Funktionalität von etwa 2,7 („XP527“; Anderson Development Co.) zu erhalten, und 43 Gramm vollständig geschmolzenem PURETEMP 37. Tabelle 1. Komponenten der härtbaren Zusammensetzung

Komponente A Komponente B

Bestandteil Gewicht Gewicht

Bestandteil

(g) (g)

P3000 21 XP527 7

PURETEMP 27.9 PURETEMP 43

37 37

C216 1.1
Die Komponenten A und B wurden bei etwa 60°C gemischt und dann wurde die Mischung in ein elektronisches Gerät injiziert. Die Mischung begann etwa 9 Minuten nach dem Mischen zu gelieren, um ein Elastomer zu bilden. Wie in 1 dargestellt, weist die gelierte Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Schmelzwärme von etwa 149,7 J/g auf.
Beispiel 2. Polyurethan Phasenwechselfilm
Komponente A ist eine Mischung aus 8,5 Gramm HLBH-P-3000-Polyol, 27,1 Gramm MPCM37D (verkapselte Phasenwechselmaterialien, Microtek Laboratories, Inc.), 0,4 Gramm REAXIS C216 und 14 Gramm vollständig geschmolzenem PURETEMP 37.
Komponente B ist eine Mischung aus 2,8 Gramm XP527, 31,8 Gramm MPCM37D und 15,4 Gramm vollständig geschmolzenem PURETEMP 37.
Die Komponenten A und B wurden bei etwa 60°C gemischt. Anschließend wurde die Mischung auf eine PET/PSA-Film aufgebracht. Der Film wurde 15 Minuten lang bei 325°F gehärtet. Eine Schicht aus PET/PSA-Film wurde auf die Oberseite des mit einer Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung beschichteten Films laminiert. 2 zeigt das DSC-Ergebnis für den produzierten Film. Wie in 2 dargestellt, beträgt die Schmelzwärme etwa 153,9 J/g für einen 0,24 mm dicken Film der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung.
Beispiel 3. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung mit einem Kettenverlängerer
In diesem Beispiel wurde die Wirkung der Einbeziehung eines Kettenverlängerers, 1,4-Butandiol (BD) auf das Elastomerprodukt untersucht.
Die Komponentenkonzentrationen der härtbaren Zusammensetzung einschließlich BD sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 2. Komponenten der härtbaren Zusammensetzung

Bestandteil Gew.-%

P-3000 12.8%

BD 0.5%

XP527 10.2%

PURETEMP 37 75.4%

C216 1.1%
12,8 Teile HLBH-P-3000-Polyol, 0,5 Teile BD und 10,2 Teile XP527-Isocyanat wurden in ein Glas gegeben und von FlackTek-Hochgeschwindigkeitsmischer bei 2500 U/min für eine Minute gemischt. 75,4 Teile geschmolzenes PURETEMP 37 wurden dem Gemisch zugegeben und von FlackTek Hochgeschwindigkeitsmischer bei 2500 U/min für eine Minute gemischt. Die Mischung wurde trüb. 1.1 Teile des REAXIS C216 wurden der Mischung zugegeben und eine Minute lang mit dem FlackTek Hochgeschwindigkeitsmischer bei 2500 U/min gemischt. Die Mischung wurde in ein 100°C Gelzeitmessgerät gegeben. Nach 10 Minuten war die Mischung ausgehärtet und bildete ein transparentes Weichgel.
Beispiel 4. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung ohne Katalysator
Eine härtbare Zusammensetzung wurde nach dem vorstehend in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei die Komponenten identisch mit denen in Tabelle 1 sind, aber der Katalysator fehlt. Die härtbare Zusammensetzung wurde über Nacht in einen 100°C Ofen gegeben. Die Zusammensetzung bildete ein transparentes Gel mit Weichheit, die mit der des Gels in Beispiel 3 vergleichbar ist.
Die Ansprüche werden durch die folgenden Aspekte weiter veranschaulicht, die nicht einschränkend sind.
Aspekt 1. Verfahren zur Herstellung einer Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, umfassend das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung, umfassend eine homogene Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, vorzugsweise 1,5 bis 2,9, und einem Phasenwechselmaterial; und das Härten der härtbaren Zusammensetzung, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu erhalten, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Aspekt 2. Verfahren nach Aspekt 1, wobei das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung Folgendes umfasst: Kombinieren einer ersten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem organischen Isocyanat und dem Phasenwechselmaterial umfasst, vorzugsweise Schmelzen des Phasenwechselmaterials und einer zweiten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem Polyol und dem Phasenwechselmaterial umfasst, vorzugsweise Schmelzen des Phasenwechselmaterials, um die härtbare Zusammensetzung zu bilden.
Aspekt 3. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, wobei das Polyol ein Polyesterpolyol, ein Polyetherpolyol, ein Polycaprolacton, ein hydriertes, hydroxylterminiertes Polyolefin, ein hydroxylterminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon umfasst; vorzugsweise umfasst das Polyol ein hydriertes, hydroxylterminiertes Polyolefin, ein hydroxylterminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon.
Aspekt 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 3, wobei das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polyols 500 bis 10000 oder 600 bis 8000 oder 700 bis 6000 oder vorzugsweise 800 bis 4000 beträgt.
Aspekt 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 4, wobei das organische Isocyanat Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Diisocyanato-p-methan, Xylyl-Diisocyanat, Diisocyanatocyclohexan, Phenylendiisocyanat, Toluylendiisocyanat, Bis(4-isocyanatophenyl)methan, Chlorphenylendiisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat, Triphenylmethan-4,4',4"-triisocyanat, Isopropylbenzol-alpha-4-diisocyanat, ein Polybutadien mit Isocyanat-Endgruppen, ein Polyolefin mit Isocyanat-Endgruppen, ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl, ein Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, ein Quasi-Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, oder eine Kombination davon umfasst; vorzugsweise ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl; mehr bevorzugt ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Rizinusöl.
Aspekt 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 5, wobei das Phasenwechselmaterial ein C_10-35-Alkan, C_10-35-Fettsäure, C_10-35-Fettsäureester, ein Pflanzenöl oder eine Kombination davon umfasst.
Aspekt 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 6, wobei das Phasenwechselmaterial ein verkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst.
Aspekt 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 7, wobei das Phasenwechselmaterial 10 bis 95 Gew.-%, 30 bis 90 Gew.-%, 40 bis 75 Gew.-% oder 50 bis 70 Gew.-% eingekapseltes Phasenwechselmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Phasenwechselmaterials, umfasst.
Aspekt 9. Verfahren nach einem oder mehrere der Aspekte 1 bis 8, wobei das Phasenwechselmaterial in der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung in einer Menge von 40 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 95 Gew.-% oder 60 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 90 Gew.-% oder 60 bis 90 Gew.-% oder 70 bis 85 Gew.-% oder 80 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, vorhanden ist.
Aspekt 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 9, wobei das Phasenwechselmaterial eine Schmelzübergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Aspekt 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 10, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Schmelzwärme aufweist, die durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, bei einer Übergangstemperatur von mindestens 140 Joule/ Gramm, vorzugsweise mindestens 170 Joule/ Gramm, mehr bevorzugt mindestens 190 Joule/ Gramm bestimmt wird.
Aspekt 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 10, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner eine Additivzusammensetzung umfasst, wobei die Additivzusammensetzung ein Flammschutzmittel, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidans, einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff, einen Farbstoff oder eine Kombination derselben umfasst.
Aspekt 13. Verfahren nach Aspekt 12, wobei das Flammschutzmittel ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung, ein Phosphinatsalz oder eine Kombination davon umfasst; oder das Flammschutzmittel vorzugsweise Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis(tetrabromophthalimid), Melamin, Zinkstannat, Boroxid oder eine Kombination davon umfasst.
Aspekt 14. Verfahren nach Aspekt 12 oder 13, wobei die Additivzusammensetzung in einer Menge von bis zu 50 Gew.-% oder 0,01 bis 30 Gew.-% oder 0,01 bis 15 Gew.-% oder 0,01 bis 10 Gew.-% oder 0,01 bis 5 Gew.-% vorliegt, wobei Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung basiert und Gewichtsprozente insgesamt bis zu 100 Gew.-% betragen.
Aspekt 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 14, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner einen Katalysator umfasst.
Aspekt 16. Verfahren nach Aspekt 15, wobei der Katalysator ein Metallkatalysator ist, wobei das Metall Zinn, Wismut, Eisen, Zink oder eine Kombination davon ist, vorzugsweise der Metallkatalysator ein metallorganischer Katalysator ist.
Aspekt 17. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 16, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner einen Kettenverlängerer umfasst, vorzugsweise ist der Kettenverlängerer 1,4-Butandiol.
Aspekt 18. Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 14, ferner umfassend das Injizieren der härtbaren Zusammensetzung in einen Gegenstand; oder das Beschichten eines Gegenstandes mit der härtbaren Zusammensetzung.
Aspekt 19. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 18.
Aspekt 20. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, umfassend das Reaktionsprodukt einer homogenen Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, vorzugsweise 1,5 bis 2,9, und ein Phasenwechselmaterial, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Aspekt 21. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Aspekt 20, wobei das Polyol ein Polyesterpolyol, ein Polyetherpolyol, ein Polycaprolacton, ein hydriertes, hydroxyl-terminiertes Polyolefin, ein hydroxyl-terminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon umfasst; vorzugsweise umfasst das Polyol ein hydriertes, hydroxylterminiertes Polyolefin, ein hydroxylterminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon.
Aspekt 22. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Aspekt 20 oder 21, wobei das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polyols 500 bis 10000 oder 600 bis 8000 oder 700 bis 6000 oder vorzugsweise 800 bis 4000 beträgt.
Aspekt 23. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 22, wobei das organische Isocyanat Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Diisocyanato-p-methan, Xylyl-Diisocyanat, Diisocyanatocyclohexan, Phenylendiisocyanat, Toluylendiisocyanat, Bis(4-isocyanatophenyl)methan, Chlorphenylendiisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat, Triphenylmethan-4,4',4"-Triisocyanat, Isopropylbenzol-alpha-4-diisocyanat, ein Polybutadien mit Isocyanat-Endgruppen, ein Polyolefin mit Isocyanat-Endgruppen, ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl, ein Prepolymer, das mindestens eines der vorgenannten umfasst, ein Quasi-Prepolymer, das mindestens eines der vorgenannten umfasst, oder eine Kombination derselben umfasst; vorzugsweise ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl; bevorzugter ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Rizinusöl.
Aspekt 24. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 23, wobei das Phasenwechselmaterial ein C_10-35-Alkan, C_10-35-Fettsäure, C_10-35-Fettsäureester, ein Pflanzenöl oder eine Kombination davon umfasst.
Aspekt 25. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 24, wobei das Phasenwechselmaterial ein verkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst.
Aspekt 26. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 25, wobei das Phasenwechselmaterial 10 bis 95 Gew.-%, 30 bis 90 Gew.-%, 40 bis 75 Gew.-% oder 50 bis 70 Gew.-% verkapseltes Phasenwechselmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Phasenwechselmaterials, umfasst.
Aspekt 27. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 26, wobei das Phasenwechselmaterial in der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung in einer Menge von 40 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 95 Gew.-% oder 60 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 90 Gew.-% oder 60 bis 90 Gew.-% oder 70 bis 85 Gew.-% oder 80 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, vorhanden ist.
Aspekt 28. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 27, wobei das Phasenwechselmaterial eine Schmelzübergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Aspekt 29. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 28 mit einer Schmelzwärme, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, bei einer Übergangstemperatur von mindestens 140 Joule/ Gramm, vorzugsweise mindestens 170 Joule/ Gramm, bevorzugter mindestens 190 Joule/ Gramm.
Aspekt 30. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 29, wobei die homogene Mischung ferner eine Additivzusammensetzung umfasst, wobei die Additivzusammensetzung ein Flammschutzmittel, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidans, einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff, einen Farbstoff oder eine Kombination derselben umfasst.
Aspekt 31. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Aspekt 30, wobei das Flammschutzmittel ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung, ein Phosphinatsalz oder eine Kombination davon umfasst; oder das Flammschutzmittel umfasst vorzugsweise Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis(tetrabromophthalimid), Melamin, Zinkstannat, Boroxid oder eine Kombination davon.
Aspekt 32. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Aspekt 30 oder 31, wobei die Additivzusammensetzung in einer Menge von bis zu 50 Gew.-% oder 0,01 bis 30 Gew.-% oder 0,01 bis 15 Gew.-% oder 0,01 bis 10 Gew.-% oder 0,01 bis 5 Gew.-% vorliegt, wobei Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung und Gewichtsprozente insgesamt auf 100 Gew.-% basiert.
Aspekt 33. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 32, wobei die homogene Mischung ferner einen Katalysator umfasst.
Aspekt 34. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Aspekt33, wobei der Katalysator ein Metallkatalysator ist, wobei das Metall Zinn, Wismut, Eisen, Zink oder eine Kombination davon ist, vorzugsweise der Metallkatalysator ein metallorganischer Katalysator ist.
Aspekt 35. Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 34, wobei die homogene Mischung ferner einen Kettenverlängerer umfasst, vorzugsweise den Kettenverlängerer 1,4-Butandiol.
Aspekt 36. Gegenstand, umfassend die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach einem oder mehreren der Aspekte 19 bis 35 oder hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 18.
Aspekt 37. Gegenstand nach Aspekt 36, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung in einem Hohlraum des Gegenstandes angeordnet ist.
Aspekt 38. Gegenstand nach Aspekt 36 oder 37, wobei der Artikel eine Spritzgussform, ein Film oder ein elektronisches Gerät ist, vorzugsweise ein tragbares elektronisches Gerät, eine LED-Vorrichtung oder eine Batterie.
Im Allgemeinen können die hierin beschriebenen Gegenstände und Verfahren alternativ alle hierin offenbarten Komponenten oder Schritte umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Gegenstände und Verfahren können zusätzlich oder alternativ so hergestellt oder durchgeführt werden, dass sie frei oder im Wesentlichen frei von Inhaltsstoffen, Schritten oder Komponenten sind, die für die Erreichung der Funktion oder der Ziele der vorliegenden Ansprüche nicht erforderlich sind.
Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ schließen Pluralbezüge ein, sofern der Kontext nichts anderes vorschreibt. „Oder“ bedeutet „und/oder“. Sofern nicht anders definiert, haben die hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Fachmann der Technik verstanden werden, zu der die Ansprüche gehören. Eine „Kombination“ schließt Gemische , Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein. Die hierin beschriebenen Werte beinhalten einen akzeptablen Fehlerbereich für den jeweiligen Wert, der durch eine der üblichen Fertigkeiten in der Technik bestimmt wird, der zum Teil davon abhängt, wie der Wert gemessen oder bestimmt wird, d.h. von den Einschränkungen des Messsystems. Die Endpunkte aller Bereiche, die auf dieselbe Komponente oder Eigenschaft gerichtet sind, sind einschließlich der Endpunkte und Zwischenwerte und unabhängig kombinierbar. Die Offenbarung eines engeren Bereichs oder einer spezifischeren Gruppe zusätzlich zu einem breiteren Bereich ist kein Haftungsausschluss für den breiteren Bereich oder die größere Gruppe. Eine „Kombination davon“ ist offen und schließt Kombinationen von einem oder mehreren der benannten Elemente, gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren ähnlichen, nicht benannten Elementen, ein.
Alle zitierten Patente, Patentanmeldungen und andere Referenzen werden hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Wenn jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung einem Begriff in der aufgenommenen Referenz widerspricht oder entgegensteht, hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem widersprüchlichen Begriff aus der aufgenommenen Referenz.
Während der offenbarte Gegenstand hierin in Form einiger Ausführungsformen und repräsentativer Beispiele beschrieben wird, werden die Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen und Verbesserungen am offenbarten Gegenstand vorgenommen werden können, ohne vom Umfang abzuweichen. Zusätzliche, in der Technik bekannte Merkmale können ebenfalls integriert werden. Obwohl einzelne Merkmale einiger Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands hierin und nicht in anderen Ausführungsformen diskutiert werden können, sollte außerdem klar sein, dass einzelne Merkmale einiger Ausführungsformen mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform oder Merkmalen aus einer Vielzahl von Ausführungsformen kombiniert werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer härtbaren Zusammensetzung, umfassend eine homogene Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5 und einem Phasenwechselmaterial; und Härten der härtbaren Zusammensetzung, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu erhalten, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden einer härtbaren Zusammensetzung Folgendes umfasst: Kombinieren einer ersten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem organischen Isocyanat und dem Phasenwechselmaterial umfasst, und einer zweiten Komponente, die eine homogene Mischung aus dem Polyol und dem Phasenwechselmaterial umfasst, um eine Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Polyol ein Polyesterpolyol, ein Polyetherpolyol, ein Polycaprolacton, ein hydriertes, hydroxylterminiertes Polyolefin, ein hydroxyl-terminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon umfasst; vorzugsweise umfasst das Polyol ein hydriertes, hydroxylterminiertes Polyolefin, ein hydroxyl-terminiertes Polybutadien oder eine Kombination davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polyols 500 bis 10000 Da oder 600 bis 8000 Da oder 700 bis 6000 Da oder vorzugsweise 800 bis 4000 Da beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das organische Isocyanat Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Diisocyanato-p-methan, Xylyldiisocyanat, Diisocyanatocyclohexan, Phenylendiisocyanat, Toluylendiisocyanat, Bis(4-isocyanatophenyl)methan, Chlorphenylendiisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat, Triphenylmethan-4,4',4"triisocyanat, Isopropylbenzol-alpha-4-diisocyanat, ein Polybutadien mit Isocyanat-Endgruppen, ein Polyolefin mit Isocyanat-Endgruppen, ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl, ein Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, ein Quasi-Prepolymer, das mindestens eines der Vorgenannten umfasst, oder eine Kombination davon umfasst; vorzugsweise ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Pflanzenöl; mehr bevorzugt ist das organische Isocyanat ein isocyanatderivatisiertes Rizinusöl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Phasenwechselmaterial ein C_10-35-Alkan, C_10-35-Fettsäure, C_10-35-Fettsäureester, ein Pflanzenöl oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Phasenwechselmaterial ein verkapseltes Phasenwechselmaterial umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Phasenwechselmaterial 10 bis 95 Gew.-%, 30 bis 90 Gew.-%, 40 bis 75 Gew.-% oder 50 bis 70 Gew.-% verkapseltes Phasenwechselmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Phasenwechselmaterials, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Phasenwechselmaterial in der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung in einer Menge von 40 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 95 Gew.-% oder 60 bis 95 Gew.-% oder 70 bis 95 Gew.-% oder 80 bis 95 Gew.-% oder 90 bis 95 Gew.-% oder 50 bis 90 Gew.-% oder 60 bis 90 Gew.-% oder 70 bis 85 Gew.-% oder 80 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Phasenwechselmaterial eine Schmelzübergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Schmelzwärme aufweist, die durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, bei einer Übergangstemperatur von mindestens 140 Joule/ Gramm, vorzugsweise mindestens 170 Joule/ Gramm, mehr bevorzugt mindestens 190 Joule/ Gramm bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner eine Additivzusammensetzung umfasst, wobei die Additivzusammensetzung ein Flammschutzmittel, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidans, einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff, ein Farbmittel oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Flammschutzmittel ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung, ein Phosphinatsalz oder eine Kombination davon umfasst; oder das Flammschutzmittel vorzugsweise Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis(tetrabromophthalimid), Melamin, Zinkstannat, Boroxid oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Additivzusammensetzung in einer Menge von bis zu 50 Gew.-% oder 0,01 bis 30 Gew.-% oder 0,01 bis 15 Gew.-% oder 0,01 bis 10 Gew.-% oder 0,01 bis 5 Gew.-% vorliegt, wobei Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht der Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung basiert und Gewichtsprozente insgesamt bis zu 100 Gew.-% betragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner einen Katalysator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Katalysator ein Metallkatalysator ist, wobei das Metall Zinn, Wismut, Eisen, Zink oder eine Kombination davon ist, vorzugsweise der Metallkatalysator ein metallorganischer Katalysator ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die härtbare Zusammensetzung ferner einen Kettenverlängerer umfasst, wobei der Kettenverlängerer vorzugsweise 1,4-Butandiol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner umfassend Injizieren der härtbaren Zusammensetzung in einen Gegenstand; oder Beschichten eines Gegenstandes mit der härtbaren Zusammensetzung.
Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung, umfassend das Reaktionsprodukt einer homogenen Mischung aus einem organischen Isocyanat, einem Polyol mit einer Hydroxylfunktionalität von 1,5 bis 5, und ein Phasenwechselmaterial, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung eine Übergangstemperatur, bestimmt durch Differentialscanningkalorimetrie gemäß ASTM D3418, von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C aufweist.
Gegenstand, umfassend die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung nach Anspruch 19 oder 20 oder hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Gegenstand nach Anspruch 21, wobei die Polyurethan-Phasenwechselzusammensetzung in einem Hohlraum des Gegenstandes angeordnet ist.
Gegenstand nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Gegenstand eine Spritzgussform, ein Film oder ein elektronisches Gerät ist, vorzugsweise ein tragbares elektronisches Gerät, ein LED-Gerät oder eine Batterie.