DE102023116301A1 - Ein verfahren zur anwendung von disulfidreaktiven chemikalien auf polyurethanschaum zur verbesserung der wiederverarbeitbarkeit im heisspressverfahren mit höherer recyclingrate - Google Patents

Ein verfahren zur anwendung von disulfidreaktiven chemikalien auf polyurethanschaum zur verbesserung der wiederverarbeitbarkeit im heisspressverfahren mit höherer recyclingrate Download PDF

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Deborah Frances Mielewski
Wangcheng Liu
Jinwen Zhang
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Ford Motor Co
Washington State University WSU
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Abstract

Ein recycelbarer Polyurethanschaum wird durch Umsetzen einer disulfidreaktiven, chemikalienbasierten polyolhaltigen Zusammensetzung und einer Isocyanatzusammensetzung hergestellt. Der Polyurethanschaum kann ein Molverhältnis der disulfidreaktiven Chemikalie von mehr als oder gleich etwa 2:1 Mol-%, 4:1 Mol-% oder 6:1 Mol-% beinhalten, wobei das Verhältnis dem Molverhältnis der Hydroxylgruppen der disulfidreaktiven Chemikalie gegenüber dem Molverhältnis der Hydroxylgruppen des Polyols entspricht.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft recycelbare Polyurethanschäume.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar.
  • Herkömmliche Verfahren zum Entwickeln von Polyurethanschäumen beinhalten typischerweise das Reagieren eines Gemischs mit mindestens einem Polyol mit Hydroxylgruppen (wie etwa Polyolen auf Erdölbasis) mit einem Gemischs, das mindestens ein Isocyanat und/oder Diisocyanate bei Vorhandensein von Additiven aufweist, wie etwa Treibmitteln, oberflächenaktive Mittel, Katalysatoren und beliebige andere gewünschte Additive, durch Bilden eines Gases (z. B. Kohlendioxid), während die Urethanpolymerisation stattfindet (das Gemisch aus dem Polyolgemisch, dem Isocyanatgemisch und beliebigen Additiven wird auch als Reaktionsgemisch bezeichnet). Das Polyolgemisch kann die Additive beinhalten. Das Gas wird als Ergebnis des Treibmittels, das typischerweise Wasser ist, gebildet, das mit den Isocyanaten reagiert, wodurch Kohlendioxid und Polyharnstoff gebildet werden. Andere Additive verbessern die Eigenschaften des resultierenden Schaums, steuern die vorgenannten Reaktionen und dergleichen.
  • Polyurethanschäume sind Duroplaste und dementsprechend kann es am Ende ihres Lebenszyklus schwierig sein, derartige Polyurethanschäume wiederzuverwenden. Vitrimer sind eine kürzlich entdeckte Art von polymerem Duroplastmaterial, das unter hohen Temperaturen kunststoffartige Eigenschaften und Merkmale aufweist. Insbesondere zeigen Vitrimeren Verformbarkeit bei hohen Temperaturen, was eine Neuanordnung des makromolekularen Netzes ermöglicht und dadurch eine Wiederverarbeitbarkeit ermöglicht. Es sei angemerkt, dass die Carbamat- und Carbamidbindungen von Polyurethan von Natur aus austauschbar sind, was zu einem gewissen Grad an Neuanordnung der Netzstruktur und somit einer Art von Wiederverarbeitbarkeit führt. Die Wiederverarbeitung von Polyurethan ist jedoch üblicherweise ein langsamer Prozess, vor allem für solche, die aus erdölbasierten Ätherpolyolen hergestellt werden.
  • Diese Probleme im Zusammenhang mit der Gestaltung von Polyurethanschäumen auf Basis von recycelbaren Stoffen, insbesondere in Automobilanwendungen, werden durch die vorliegende Offenbarung angegangen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Teilabschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
  • [Wir werden dies als Letztes hinzufügen, sobald alles andere bestätigt ist. Es handelt sich lediglich um die Patentansprüche in Satzstruktur.]
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der in dieser Schrift bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und konkrete Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
  • ZEICHNUNGEN
  • Für ein umfassendes Verständnis der Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene Formen davon beispielhaft beschrieben, in denen Folgendes gilt:
    • 1 ist eine Vielzahl von Lichtmikroskopiebildern der wiederverarbeiteten Polyurethanfolien gemäß Tabelle 1 nach einer thermischen Wiederverarbeitung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder die Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass über alle Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
  • Im hier verwendeten Sinne beinhalten „Isocyanate“ Diocyanate, wie etwa aromatische Diisocyanate, Toluoldiocyanate („TDI“) und Methylendiphenyldiisocyanate („MDI“) sowie Polyisocyanate und Gemische davon. Nicht einschränkende Beispiele für Isocyanate beinhalten Methylendiphenyldiisocyanat (MDI), Toluoldiisocyanat (TDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 4,4'-Diisocyanatdicyclohexylmethan (H12MDI), 1,5-Naphthalindiisocyanat (NDI), Tetramethyllxyloldiisocyanat (TMXDI), p-Phenylendiisocyanat (PPDI), 1,4-Cyclohexandiisocyanat (CDI), Tolidindiisocyanat (TODI) und Kombinationen davon. Es wird in Betracht gezogen, dass Isocyanate Polymermaterialien beinhalten können.
  • Im hier verwendeten Sinne sind „Polyole“ Polymerpolyole, die in der Praxis der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können und gut bekannt und im Handel weit verbreitet sind. Nicht einschränkende Beispiele für Polyole beinhalten Polyetherpolyol, Polyesterpolyol, Polycarbonatpolyol, Polybutadienpolyol, Polyacrylatpolyol und Kombinationen davon. In anderen Ausführungsformen weisen die Polyole im Allgemeinen mindestens etwa 80 Gew.-% oder mehr einer Zusammensetzung auf, die direkt oder indirekt aus einem nicht erneuerbaren Rohstoff, wie etwa Erdöl, erhalten wird oder mindestens etwa 80 Gew.-% oder mehr einer Zusammensetzung, die direkt oder indirekt aus einem erneuerbaren Rohstoff, wie etwa biobasiertem Öl (das im vorliegenden Zusammenhang Pflanzenöle, einschließlich Canolaöl, Rapsöl, Kokosnussöl, Maisöl, Baumwollsamenöl, Olivenöl, Palmöl, Erdnussöl, Färberdistelöl, Sesamöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl, Leinsamenöl, Palmkernöl, Tungöl, Jatrophaöl, Senföl, Pennykresseöl, Carnellineöl und Rizinusöl beinhaltet); Tierfetten, einschließlich Schmalz, Talg, Vogelfett, gelbes Fett und Fischöl; Algenöl, einschließlich Nannochlorpsis, Spirulina, Chlorella; Algen, wie etwa unter anderem Rotalgen-Rhodophyta, Rotalgen, Pithophora oedegonia, Grünalgen; und Polyole, die aus den biobasierten Diolen 1,3-Propandiol (PDO) und 1,4-Butandiol (BDO) und Disäuren hergestellt sind, einschließlich Bernsteinsäure und größeren Säuren, wie etwa Inherent C18-Octadecandisäure (ODDA) von Elevance, erhalten wird; oder Mischungen von Zusammensetzungen, die direkt oder indirekt sowohl aus Erdölchemie als auch biobasierter Rohstoffen erhalten werden, beinhalten können. Die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Polyurethanschaums können von der Konsistenz des Polyols abhängen. Insbesondere bilden Polyole mit höherem Molekulargewicht im Allgemeinen flexiblere Polyurethane, während Polyole mit niedrigerem Molekulargewicht im Allgemeinen starrere Polyurethane bilden. Ein wünschenswertes Polyol ist ein erdölbasiertes Polyether, Polyoxyethylenglykole Voranol 4701, erhältlich von Dow Chemical. Es wird in Betracht gezogen, dass die Polyole ein Gemisch aus zwei oder mehr unterschiedlichen Arten von Polyolen sein können.
  • Im vorliegenden Zusammenhang ist „disulfidreaktive Chemikalie“ oder „Disulfid“ ein Monomer oder Oligomer, das Disulfidbindungen und reaktive Wasserstoffatome mit einer Funktionalität gleich zwei oder höher enthält. Eine wünschenswerte disulfidreaktive Chemikalie ist 2-Hydroxyethyldisulfid (HEDS), ein Disulfiddiol, es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere disulifidreaktive Chemikalien, die Amino-, Phenol- oder Carboxygruppen enthalten, einschließlich unter anderem 4-Hydroxyphenyldisulfid, 3,3'-Dihydroxdiphenyldisulfid, 2,2'-Dithiodiessigsäure, 3,3'-Dithiodipropionsäure oder 4,4'-Dithiodibuttersäure, 4-Aminophenyldisulfid, 2-Aminophenyldisulfid, 2,2'-Dithiodibenzoesäure, Cystamin, Cystin, L-Gluthion-oxidierte, polymerisierte Disulfid-Oligomere (auch als Polysulfid-Derivate, wie etwa Polysulfid-Diglycidylether bekannt) sowie Gemische davon zur Herstellung der in dieser Schrift offenbarten Polyurethanschäume geeignet sein können.
  • Wie vorstehend angemerkt, werden Polyurethanschäume typischerweise durch Umsetzen von Isocyanaten mit Polyolen in Gegenwart von Additiven hergestellt. Auf diese Weise wird in Betracht gezogen, dass eine Polyollösung gemäß der vorliegenden Offenbarung mindestens ein Polyol, eine disulfidreaktive Chemikalie und beliebige Additive enthält. Derartige Additive, von denen einige optional sein können, beinhalten mindestens eines von einem Zellöffner, einem Tensid, einem Vernetzungsmittel, einem Katalysator und einem Wassertreibmittel. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine Polyollösung ein Polyol, eine disulfidreaktive Chemikalie, Verstärkungsstoffe und beliebige gewünschte Additive enthalten kann.
  • Treibmittel unterstützen die Herstellung von Schaum, und Wasser ist als Treibmittel sehr wünschenswert. Andere Treibmittel, die gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, beinhalten Fluorkohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffkohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe. Es wird auch in Betracht gezogen, dass Gas direkt zu dem Polyolisocyanat-Reaktionsgemisch gegeben werden kann, um den Schaum zu bilden.
  • Tenside sind zur Zellkeimbildung und Zellöffnung in Schaumanwendungen nützlich und bieten Schaumstabilisierung. Ein wünschenswertes Tensid ist TEGOSTAB® B 4690, erhältlich von Evonik Degussa, es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere nichtionische Tenside zur Herstellung der in dieser Schrift offenbarten Polyurethanschäume geeignet sein können.
  • Vernetzungsmittel können verwendet werden, um die Biegeeigenschaften und andere Eigenschaften des Schaumstoffs zu steuern. Geeignete Vernetzungsmittel beinhalten Diethanolamin (DEA) und Triethanolamin, die bei Verwendung in der Schaumaufbringung Festigkeit aufbauen und die katalytische Aktivität erhöhen.
  • Katalysatoren verbessern die Verarbeitungseigenschaften und die physischen Eigenschaften von Polyurethanschäumen, indem sie die grundlegenden chemischen Reaktionen zwischen Polyol und Isocyanat, Reaktionen zwischen Wasser und Isocyanat und Reaktionen an Trimerisat-Isocyanaten fördern. Katalysatoren können gemäß den Bedürfnissen einer bestimmten Anwendung ausgewählt werden, um zum Beispiel den flexiblen Schaumprozess einer großen Vielfalt von Schäumen zu verbessern, einschließlich ungefüllter Schaumstoff mit hoher Dichte, gefüllter Schaumstoff, hochbelastbarer flexibler Schaumstoff, Schaumstoff mit niedriger Dichte und Formschaum mit hoher Elastizität. Andere Katalysatoren können ausgewählt werden, um den Schaumbildungsreaktionsprozess zu verzögern, was zu offeneren Schaumstrukturen führen kann. Geeignete Katalysatoren gemäß der vorliegenden Offenbarung sind verdünnte Aminether, wie etwa NIAX® A1, und flüssige, wasserlösliche tertiäre Amine, wie etwa NIAX® A-300, die jeweils von Momentive Performance Materials erhältlich sind. Tertiäre Amine können als Katalysatoren wünschenswert sein, wenn Wasser in dem Polyolisocyanat-Reaktionsgemisch vorhanden ist, da es das Isocyanat katalysiert, um mit Wasser dazu zu reagieren, Harnstoffbindungen mit Urethan zu bilden. Noch ein weiterer Katalysator ist Dibutylzinndilaurat (BDTDL). Gemäß einer Form kann der Katalysator einen ersten Katalysator, der aus einem verdünnten Aminether besteht, und einen zweiten Katalysator umfassen, der aus einem wasserlöslichen tertiären Amin besteht.
  • Zellöffner können verwendet werden, um Schaumstrukturen herzustellen, die vorwiegend offene Zellen aufweisen, was den Strukturen mehr Luftdurchlässigkeit verleiht, und wasserlösliche Emulgatoren, wie etwa LUMULSE® POE (26) GLYC, erhältlich von Vantage Speciality Chemicals, Inc., beinhalten.
  • Andere optionale Additive beinhalten Puffer, dendritische Makromoleküle, anorganische Partikel, andere Arten von Polyolen, die hier nicht aufgeführt sind, Polyisocyanate, Flammschutzmittel, Deodorisierungsmittel, Farbstoffe, Füllstoffe, Kombinationen davon und andere Zusatzstoffe, die dem Fachmann bekannt sind.
  • DISULFIDBASIERTE POLYURETHANSCHÄUME
  • Disulfidbasierte Schäume (Probe 1-3) mit unterschiedlichem HEDS-Gehalt (9,3 phr, 18,6 phr und 27,9 phr auf der Basis von Polyol), wie nachstehend in Tabelle 1 gezeigt, wurden gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung hergestellt und getestet. Ein Schaum ohne Verwendung von HEDS wurde ebenfalls als Referenz (Kontrolle) hergestellt. Die Mengen an Katalysator und Co-Katalysator basieren im Allgemeinen auf der Molzusammensetzung des Isocyanats (M(NCO)) (d. h. ob der Katalysator 0,6 phr, 0,77 phr, 0,93 phr oder 1,09 phr auf der Basis von Polyol betrug, oder ob der Co-Katalysator 0,3 phr, 0,39 phr, 0,47 phr oder 0,55 phr auf der Basis von Polyol betrug). Das Molverhältnis von aktiven Wasserstoffatomen (M(H)) zu Isocyanatgruppen (M(NCO)) aller Zusammensetzungen wurde auf 1:1 festgelegt. Die aktiven Wasserstoffatome zählen diejenigen in den Hydroxylgruppen von Polyol und HEDS (oder einem anderen Disulfid), Hydroxyl- und aktiven Amingruppen des Vernetzungsmittels und die zwei Wasserstoffgruppen von Wasser. Tabelle 1. Beispiel-/Testzusammensetzungen von disulfidbasierten Polyurethanschäumen und Kontrolle in Gewichtsprozent
    Chemikalie Kontrolle Probe-1 Probe-2 Probe-3
    Polyol (Polyetherpolyol) 100 100 100 100
    Zellenöffner 1 1 1 1
    Tensid 0,5 0,5 0,5 0,5
    Vernetzungsmittel (DEA) 1,5 1,5 1,5 1,5
    Katalysator 0,6 0,77 0,93 1,09
    Co-Katalysator 0,3 0,39 0,47 0,55
    Disulfidreaktive Chemikalie (HEDS) 0 9,3 18,6 27,9
    Treibmittel (Wasser) 3 3 3 3
    Isocyanat 51,4 72,1 87,7 108,3
  • Die Arbeitsbeispiele wurden gemäß der folgenden Prozedur hergestellt. Zunächst wurde ein Polyolgemisch durch Mischen von bis zu etwa 100 Gewichtsprozent eines Polyetherpolyols (z. B. VORANOL® 4701, erhältlich von Dow Chemical Co.), etwa 1 Gewichtsprozent Zellöffner (z. B. LUMULSE® POE (26) GLYC, erhältlich von der Lambent Corporation), etwa 0,5 Gewichtsprozent oberflächenaktives Mittel (z. B. TEGOSTAB® B4690, erhältlich von Evonik Nutrition & Care GmbH), etwa 1,5 Gewichtsprozent Vernetzungsmittel (z. B. DEA), mindestens etwa 0,6 Gewichtsprozent eines ersten Katalysators (z. B. NIAX® A1, erhältlich von Momentive Performance Materials) und mindestens etwa 0,3 Gewichtsprozent eines zweiten Katalysators (z. B. NIAX® A300, ebenfalls erhältlich von Momentive Performance Materials), etwa 3 Gewichtsprozent Treibmittel (z. B. entionisiertes Wasser) und mindestens etwa 9,3 Gewichtsprozent HEDS mit einem Bohrmischer mit 1500 U/min für fünf Minuten gebildet. Die Gewichtskonzentrationen der Katalysatoren und HEDS basieren auf dem Polyetherpolyolgewicht in der Formulierung. Somit ist, nachdem das Isocyanat zugegeben wurde, die Gewichtskonzentration von HEDS in den resultierenden Schäumen größer als etwa 4,93 Gewichtsprozent und kann als Beispiele bei etwa 8,71 Gewichtsprozent und etwa 11,72 Gewichtsprozent liegen. Ein Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) (z. B. RUBINATE® 7304, erhältlich von Huntsman International LLC) wurde zu dem Polyolgemisch gegeben und bei 1500 U/min 12 Sekunden mit dem Mischer gemischt. Das Reaktionsgemisch wurde in ein geschlossenes Formsystem gegossen, das mit dem Trennmittel Chem-Trend PU-11331 beschichtet worden war, und wurde in einem vorgeheizten Ofen 8 Minuten auf 65 °C erwärmt, um das Aufgehen, Modellieren und Aushärten zu ermöglichen. Die entformten Schäume wurden dann in einen für 2 Stunden bei 65 °C vorgeheizten Lüftungsofen platziert und anschließend aus dem Ofen entfernt und dann bei Raumtemperatur für mindestens 48 Stunden konditioniert.
  • Die resultierenden Schäume der in Tabelle 1 gezeigten Arbeitsbeispiele wurden gemäß ASTM D3574, Test A, auf ihre offensichtliche Dichte getestet; gemäß ASTM D3574-08, Test C, auf ihre Kompressionskraftauslenkung getestet; gemäß ASTM D3574-08, Test E, auf ihre Bruchfestigkeit getestet; und gemäß ASTM D3574-08, Test E, auf ihre Dehnung bei maximaler Last getestet. Für jeden Test wurden fünf Proben gemessen und die Ergebnisse wurden gemittelt. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der jeweiligen Tests. (Klammern stellen die Standardabweichung dar). Tabelle 2. Mechanische Eigenschaften der gemäß Tabelle 1 gebildeten Zusammensetzungen
    Probe Zugmodul (kPa) Festigkeit bei max (kPa) Bruchdehnung (%) Dichte (kg/m3) Spezifische Festigkeit (kNm/kg) Spezifischer Modul (kNm/kg)
    Kontrolle 197,1 (9,9) 135,6 (10) 73,3 (8,5) 51,7 (2,6) 2,62 3,81
    Probe-1 405,2 (40,9) 186,9 (20,1) 64,7 (9,2) 56,2 (2,8) 3,32 7,2
    Probe-2 755,6 (57,7) 264,6 (19,1) 58,5 (9,8) 60 (2,7) 4,41 12,59
    Probe-3 1125,8 (144,6) 263,4 (24,5) 48,6 (3,3) 65,5 (1,2) 4,02 17,18
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt, wies der Kontrollschaum mehr Flexibilität auf, ist jedoch schwächer als der disulfidbasierte Schaum. Die disulfidbasierten Schäume sind bei Raumtemperatur ebenfalls steifer als der Kontrollschaum, aber jeder der disulfidbasierten Schäume befand sich immer noch im Kautschukzustand seiner weichen Domänen (Polyol). Die disulfidbasierten Schäume waren etwas dichter als der Kontrollschaum, aber ihre Dichte kann durch Ändern des Volumenverhältnisses der Reaktantenmischung gegenüber der Formgröße (dem Raum) weiter beeinflusst werden.
  • Die resultierenden Schäume der in Tabelle 1 gezeigten Arbeitsbeispiele wurden auch auf Kompressionseigenschaften getestet. Die nachstehende Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der jeweiligen Tests. Tabelle 3. Kompressionseigenschaften der gemäß Tabelle 1 gebildeten Zusammensetzungen
    Probe Modul (kPa) Spannung bei max (kPa) Spannung bei 25 % Dehnung (kPa) Spannung bei 50 % Dehnung (kPa) Spannung bei 65 % Dehnung (kPa)
    Kontrolle 75,3 (11) 17,52 (1,11) 5,96 (0,24) 8,78 (0,43) 13,75 (0,79)
    Probe-1 96,4 (13,1) 22,24 (0,99) 7,83 (0,59) 11,39 (0,88) 17,87 (1,17)
    Probe-2 267,8 (32,2) 51,58 (2,8) 14,61 (1,82) 23,26 (1,94) 39,2 (2,0)
    Probe-3 366,5 (47,9) 74,42 (5,72) 21,52 (2,72) 34,95 (3,65) 57,53 (4,78)
  • Wie in Tabelle 2 gezeigt, waren die disulfidbasierten Schäume steifer als der Kontrollschaum und bieten dementsprechend eine bessere Stützung unter Belastung als die Kontrollschäume. Das HEDS hat zu den harten Domänen des Polyurethannetzwerks beigetragen und zu Erhöhungen der Kompressionseigenschaften geführt.
  • Das HEDS, das durch seine Reaktion mit MDI-Isocyanat in die harte Domäne eines vernetzten Netzwerks integriert wurde, fungierte als dynamischer kovalenter Mechanismus und modifizierte den flexiblen polyetherbasierten Polyurethanschaum. Die Zugabe von HEDS führte zu einer synergistischen Wirkung von Disulfidbindungen und einem erhöhten Carbamatgehalt (durch Diol-Isocyanat-Reaktion), um die Vitrimerchemie in Polyurethanschäumen zu ermöglichen. Auf diese Weise fungierte das HEDS auch als Kettenverlängerer, der die zweite Glasübergangstemperatur reduzierte und die Kettenmobilität bei einer Verarbeitungstemperatur von 150 °C erhöhte, was die thermische Verarbeitung der Polyurethanschäume weiter erleichterte.
  • Die gemäß Tabelle 1 hergestellten Schäume wurden dann einer Wärmebehandlung unterzogen. Genauer gesagt wurden die Schäume in zwanzig Stücke mit unregelmäßiger Form und Größe gerissen und dann einem Heißpressprozess unter einer 15-MPa-Presse und 60 Minuten lang einer Temperatur von 150 °C ausgesetzt, was die Zeit beinhaltete, die zum allmählichen Beladen der fragmentierten Stücke erforderlich ist. In diesem Prozess wurde der Schaum durch Formpressen in feste Folienprodukte umgewandelt. 1 zeigt die Lichtmikroskopiebilder der wiederverarbeiteten Polyurethanfolien.
  • Wie in 1 gezeigt, wurden die Schäume auf Disulfidbasis (Probe 1-3) nach der thermischen Wiederverarbeitung fein in kompakte und homogene Folien (als disulfidbasierte Folien) umgewandelt, was eine große Vitrimer-induzierte Verformbarkeit anzeigt. Ein thermoplastisches Phänomen trat für diese Schäume während der thermischen Wiederverarbeitung auf. Insbesondere wurde überschüssiges Material aus der Form gedrängt, da die disulfidbasierten Schäume ein fluidartiges Verhalten zeigten. Der Kontrollschaum wurde nicht zu einer homogenen und kompakten Folie (als Kontrollfolie) verdichtet, da er duroplastische Eigenschaften und eine hohe Elastizität beibehält, welche die Wiederverarbeitbarkeit einschränkten. Die Kontrollfolie zeigte dadurch eine große Menge an verbleibenden nicht verdichteten zellulären Strukturen, die als interne Risse und Hohlräume wirkten.
  • Wiederverarbeitete Polyurethanplatten wurden einem Dichte-, Zug- (einschließlich Modul, Bruchfestigkeit, Bruchdehnung, spezifischer Festigkeit und spezifischer Modul) und Shore-A-Härtetest gemäß ASTM D792-20, D412-16 bzw. D2240-15 unterzogen. Fünf Proben wurden für jeden Test gemessen und die Ergebnisse wurden gemittelt. Die nachstehende Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der jeweiligen Tests. (Klammern stellen die Standardabweichung dar). Tabelle 4. Mechanische Eigenschaften von wiederaufbereiteten Folien, die gemäß Tabelle 1 nach der thermischen Wiederverarbeitung gebildet wurden
    Probe Dichte (g/cm3) Shore-A-Härte Modul (MPa) Bruchfestigkeit (MPa) Bruchdehnung (%) Spezifische Festigkeit (kNm/kg) Spezifischer Modul (kNm/kg)
    Kontrolle 0,98 (0,06) Nicht zutreffend (aufgrund der inhomogenen Probenintegrität)
    Probe-1 1,05 (0,03) 89,1 (1,1) 31,0 (3,2) 14,1 (0,8) 98,9 (8,8) 29,5 (0,3) 13,3 (0,8)
    Probe-2 1,10 (0,02) 92,7 (1,0) 68,4 (10,3) 12,9 (1,1) 78,7 (18,4) 62,2 (0,9) 11,7 (1,0)
    Probe-3 1,12 (0,02) 95,5 (0,6) 120,4 (20,1) 10,3 (1,5) 44,3 (6,8) 107,5 (1,8) 9,2 (1,2)
  • Wie in Tabelle 4 gezeigt, behielten die disulfidbasierten Folien nach der thermischen Wiederverarbeitung einen Großteil ihrer mechanischen Eigenschaften bei, wohingegen die Kontrollfolie schnell ihre mechanischen Eigenschaften verlor, die selbst für das mechanische Testen unausführbar waren (inhomogene Probenintegrität). Insbesondere zeigten alle disulfidbasierten Folien einen annehmbaren Modul, eine annehmbare Festigkeit und Shore-A-Härte, die mit einigen kommerziellen schwefelvulkanisierten Kautschuk- oder Polyurethanelastomerprodukten vergleichbar sein könnten. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die Vitrimerisierung der flexiblen polyetherbasierten Polyurethanschäume es den disulfidbasierten Schäumen ermöglicht hat, bei einer hohen Temperatur mehr als Thermoplaste zu wirken. Im Gegensatz dazu behielten die Kontrollschäume ihre duroplastischen Eigenschaften bei und zeigten eine schlechte Formbarkeit und Verarbeitbarkeit unter der gleichen Verarbeitungsbedingung. Daher wird angenommen, dass die disulfidbasierten Schäume durch herkömmliche Verarbeitungstechniken wie Heißpressen recycelt werden könnten, wohingegen dies mit den Kontrollschäumen ohne HEDS oder anderen disulfidreaktive Chemikalien praktisch nicht machbar ist. Darüber hinaus scheint es, dass das HEDS die Glasübergangstemperatur der harten Domäne reduziert (von ~200 °C auf ~160 °C) und die molekulare Mobilität bei einer bestimmten Verarbeitungstemperatur wie 140~160 °C weiter fördert, was dementsprechend noch bessere recycelbare und wiederverwendbare Eigenschaften bereitstellt.
  • Basierend auf den Ergebnissen aus Tabelle 4 ist es möglich, dass übermäßige Mengen an HEDS (wie etwa mehr als oder gleich etwa 27,9 phr zu Polyol) ebenfalls nicht wünschenswert sind, da Proben, die mit derartigen Mengen hergestellt wurden, keine optimale Reproduzierbarkeit ermöglichten, was durch eine reduzierte mechanische Festigkeit widergespiegelt wird.
  • Die in dieser Schrift offenbarten Polyurethanschäume können in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, bei denen es wünschenswert ist, über Schaumstoffe mit den in dieser Schrift offenbarten Eigenschaften zu verfügen, z. B. als Schäume für die Möbelindustrie. Ferner können die in dieser Schrift offenbarten Polyurethanschäume in verschiedenen Automobilanwendungen und für Fahrzeugkomponenten verwendet werden, einschließlich unter anderem Sitzlehnen, Armlehnen, Sitzpolster, Dachhimmel, Kopfstützen, NVH (Noise, Vibration and Harshness)-Schaumstoffe, Motorabdeckungen, Ölpumpenabdeckungen, Kompressionsabdeckungen für Klimaanlagen, Kraftstoffabdeckungen und Abdeckungen unter der Motorhaube.
  • Sofern in dieser Schrift nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind alle numerischen Werte, die mechanische/thermische Eigenschaften, Prozentanteile von Zusammensetzungen, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Kenngrößen angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ modifiziert sind, wenn sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, die industrielle Praxis, Material-, Herstellungs- und Montagetoleranzen sowie Testfähigkeit beinhalten.
  • Wie in dieser Schrift verwendet, sollte die Formulierung mindestens eines von A, B und C dahingehend ausgelegt werden, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) bedeutet, wobei ein nicht ausschließendes logisches ODER verwendet wird, und sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C“ bedeutet.
  • In dieser Anmeldung kann sich der Ausdruck „Steuerung“ und/oder „Modul“ auf Folgendes beziehen, Teil von Folgendem sein oder Folgendes beinhalten: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC); eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (field programmable gate array - FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code speichert, der durch die Prozessorschaltung ausgeführt wird; andere geeignete Hardwarekomponenten (z. B. Integrierschaltkreis einer Operationsverstärkerschaltung als Teil des Wärmeflussdatenmoduls), welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination aus einigen oder allen der Vorstehenden, wie etwa in einem Ein-Chip-System.
  • Der Ausdruck Speicher ist eine Untergruppe des Ausdrucks computerlesbares Medium. Der Ausdruck computerlesbares Medium schließt im hierin verwendeten Sinne keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale ein, die sich durch ein Medium (wie etwa über eine Trägerwelle) ausbreiten; der Ausdruck computerlesbares Medium kann daher als greifbar und nichttransitorisch betrachtet werden. Nicht einschränkende Beispiele für ein nicht transitorisches, greifbares computerlesbares Medium sind nicht flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicher-Schaltung, eine Schaltung eines löschbaren programmierbaren Festwertspeichers oder eine Schaltung eines Masken-Festwertspeichers), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Schaltung eines statischen Direktzugriffsspeichers oder eine Schaltung eines dynamischen Direktzugriffsspeichers), magnetische Speichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-ray Disc).
  • Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen Spezialcomputer umgesetzt sein, der durch Konfigurieren eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen erstellt wird, die in Computerprogrammen verkörpert sind. Die vorstehend beschriebenen Funktionsblöcke, Ablaufdiagrammkomponenten und anderen Elemente dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
  • Die Beschreibung der Offenbarung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sollen Variationen, die nicht vom Kern der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Wesen und Umfang der Offenbarung zu betrachten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Polyurethanschaum durch Umsetzen einer polyolhaltigen Zusammensetzung und einer Isocyanatzusammensetzung hergestellt, wobei der Polyurethanschaum mehr als oder gleich etwa 5,5 Gewichtsprozent 2-Hydroxyethyldisulfid enthält und die polyolhaltige Zusammensetzung einen Katalysator in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 0,7 Gewichtsprozent bis weniger als oder gleich etwa 0,87 Gewichtsprozent enthält.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Polyurethanschaum hergestellt, indem eine polyolhaltige Zusammensetzung und eine Isocyanatzusammensetzung umgesetzt werden, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung 2-Hydroxyethyldisulfid, einen Katalysator in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 0,7 Gewichtsprozent und einen Co-Katalysator in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 0,35 Gewichtsprozent enthält.

Claims (15)

  1. Polyurethanschaum, hergestellt durch Umsetzen einer polyolhaltigen Zusammensetzung und einer Isocyanatzusammensetzung, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung mehr als oder gleich etwa 9,33 Gewichtsprozent disulfidreaktive Chemikalie bis weniger als oder gleich etwa 28 Gewichtsprozent disulfidreaktive Chemikalie umfasst.
  2. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum ferner mindestens eines von einem Zellöffner, einem Tensid, einem Vernetzungsmittel, einem Katalysator, einem Co-Katalysator und einem Wassertreibmittel umfasst.
  3. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung ferner Folgendes umfasst: einen Zellöffner mit etwa 1 Gewichtsprozent; ein Tensid mit etwa 0,5 Gewichtsprozent; ein Vernetzungsmittel mit etwa 1,5 Gewichtsprozent; einen Katalysator mit mehr als oder gleich etwa 0,7 Gewichtsprozent; einen Co-Katalysator mit mehr als oder gleich etwa 0,35 Gewichtsprozent; und ein Wassertreibmittel mit etwa 3 Gewichtsprozent.
  4. Polyurethanschaum nach einem der Ansprüche 1-3, ferner umfassend mindestens eines von Puffern, dendritischen Makromolekülen, anorganischen Partikeln, Flammschutzmitteln, Deodorantien, Farbstoffen und Füllstoffen.
  5. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung einen Katalysator mit mehr als oder gleich etwa 0,7 Gewichtsprozent bis weniger als oder gleich etwa 0,87 Gewichtsprozent enthält.
  6. Polyurethanschaum nach Anspruch 5, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung einen Co-Katalysator mit mehr als oder gleich etwa 0,35 Gewichtsprozent bis weniger als oder gleich etwa 0,44 Gewichtsprozent enthält.
  7. Polyurethanschaum nach Anspruch 6, wobei die polyolhaltige Zusammensetzung einen Katalysator mit etwa 0,77 Gewichtsprozent und einen Co-Katalysator mit etwa 0,39 Gewichtsprozent enthält.
  8. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum eine maximale Festigkeit von mehr als oder gleich etwa 186,9 kPa aufweist.
  9. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum eine Dichte von mehr als oder gleich etwa 56,2 kg/m3aufweist.
  10. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum einen Zugmodul von mehr als oder gleich etwa 405,2 kPa aufweist.
  11. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum einen spezifischen Modul von mehr als oder gleich etwa 7,20 kNm/kg aufweist.
  12. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei der Polyurethanschaum eine spezifische Festigkeit von mehr als oder gleich etwa 3,32 kNm/kg aufweist.
  13. Polyurethanschaum nach Anspruch 1, wobei die disulfidreaktive Chemikalie mindestens 2-Hydroxyethyldisulfid umfasst.
  14. Fahrzeugkomponente, die den Polyurethanschaum nach Anspruch 1 umfasst.
  15. Möbelkomponente, die den Polyurethanschaum nach Anspruch 1 umfasst.
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