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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen
durch katalysierte Anlagerung von Alkylenoxiden an feste Startsubstanzen.
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Der
Einsatz von Polyetherolen auf Basis von Startermolekülen hinreichend
hoher Funktionalitäten
ist auf Grund der damit erreichbaren hochfunktionellen Polyetherole
eine wesentliche Voraussetzung für
die Ausbildung von hochvernetzenden Hartschäumen guter mechanischer Stabilität. Dies
ist für
die Herstellung technischer Hartschäume, wie beispielsweise für Sandwich-Systeme
und für
Systeme in Kühlschränken und
in Fernwärmeanwendungen,
zwingend erforderlich.
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Einige
der gebräuchlichen
und kostengünstigen
Startsubstanzen bei der Herstellung von Polyetherolen sind feste
Stoffe, wie zum Beispiel Pentaerythrit, Glukose und deren Isomere,
Sorbit und dessen Isomere, Trimethylolpropan und dessen Dikondensat,
auch Bisphenole und vor allem Saccharose und ihre Abkömmlinge.
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Die
Herstellung von Polyetherolen nach der anionischen Polymerisation
unter Einsatz von zum Beispiel Mono-, Di- oder Polysacchariden und
weiteren hochfunktionellen Verbindungen ist seit langem bekannt. Näheres hierzu
kann beispielsweise dem Kunststoffhandbuch, Band VII, Polyurethane,
Carl-Hanser-Verlag, München,
1. Auflage 1966, herausgegeben von Dr. R. Vieweg und Dr. A. Höchtlen,
sowie 2. Auflage 1983 und 3. Auflage 1993, herausgegeben von Dr.
G. Oertel, entnommen werden.
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Eine
Reihe fester Startsubstanzen, deren Schmelzpunkte über den üblichen
Reaktionstemperaturen der Alkoxylierung liegen, benötigen einen
flüssigen
Costarter, um rührfähig zu sein
und somit homogen gemischt mit Alkylenoxiden umgesetzt werden zu
können. Üblich sind
Alkoxylierungen von zum Beispiel Saccharose im Gemisch mit flüssigen Costartern,
wie Diolen, Triolen oder auch Alkanolaminen und primären und
sekundären
Aminen. Je nach Anteil dieses Costarters wird eine mehr oder weniger
hohe Funktionalität
des Polyetherols erhalten. In jedem Fall tragen diese Costarter,
die aus technologischen Gründen
und zur Erzielung von speziellen Eigenschaften Verwendung finden,
zu einem Absenken der Funktionalität des hochfunktionellen Polyetherols
bei. Das ist ein Mangel der gegenwärtigen Technologie.
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Bereits
sehr früh,
wie zum Beispiel in US-A-605178 beschrieben, werden Polyetherole
auf Basis von Saccharose und aliphatischen Aminen, wie Ethylendiamin,
und Alkylen oxiden für
den Einsatz im Hartschaum vorgeschlagen. Weiterhin wird beispielsweise
in
GB 049449 der Einsatz
von Saccharose und flüssigen
Alkanolaminen, wie Diethanolamin, zur Herstellung von Polyetherolen
vorgesehen. Auch in
DD 147469 werden
die Verwendung von Oligosacchariden, wie Saccharose, und flüssigen Costartern,
wie primären
und/oder sekundären
Aminogruppen tragenden Verbindungen und beispielsweise auch Hydroxylgruppen
aufweisenden Substanzen, wie Glycerin, zur Herstellung von Polyetherolen
aufgezeigt.
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Aufgrund
der bekannten technologischen Probleme, die bei Verwendung insbesondere
fester hochfunktioneller Starter auftreten, war es bisher nicht
möglich,
funktionalitätsreine
Polyetherole, insbesondere solche mit einer Funktionalität von 6
und höher,
herzustellen. Hinzu kommen häufig
erforderliche aufwändige
Reinigungsverfahren zur Entfernung der aus der Katalyse stammenden
Salzrückstände.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, hochfunktionelle Polyetherole
auf Basis Hydroxylgruppen enthaltender fester Startsubstanzen herzustellen
und dabei möglichst
ohne oder mit einer geringen Menge an zusätzlichen reaktiven flüssigen Verbindungen
auszukommen, die als Costarter wirksam werden und die mittlere Funktionalität der Startermischung
herabsetzen. Die hochfunktionellen Polyetherole sollen günstige Verarbeitungsviskositäten und
Fließeigenschaften
besitzen, zu einer ausreichend hohen Netzwerkdichte im Schaum beitragen
und hellfarbig sein. Dabei werden neue Möglichkeiten gesucht, die Eigenschaften
für die Verarbeitung
und am Schaum selbst, wie gutes Aushärteverhalten, zügige Enttormung
der Schäume,
hohe mechanische Eigenschaften, gutes Dämmverhalten, hohe Wärmestabilität und weitere
anwendungsbezogene Werte, zu verbessern sowie einen ökonomisch
günstigen
Einsatz der Rohstoffe zu gewährleisten.
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Die
Aufgabe wurde dadurch gelöst,
dass die festen Startsubstanzen in flüssigen katalytisch aktiven Stoffen,
die vorteilhafterweise keine funktionelle Gruppen, vorzugsweise
aber tertiäre
Aminogruppen tragen, aufgenommen und in deren Suspension und/oder
Lösung
umgesetzt werden.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass es möglich
ist, feste Startsubstanzen in flüssigen
katalytisch aktiven Stoffen, insbesondere in flüssigen tertiären Aminen,
aufzunehmen, zu homogenisieren und dieses Gemisch einer Alkoxylierung
zu unterwerfen. Die eingesetzten flüssigen tertiären Amine
wirken somit als Katalysator für
die Alkoxylierung und gleichzeitig werden darin die festen Startsubstanzen
aufgenommen. Dabei hat sich gezeigt, dass unter diesen Bedingungen
eine direkte Alkoxylierung ohne technologische Hilfsmittel, wie
z. B. flüssige
Costarter, bei relativ milden Reaktionsbedingungen möglich ist.
Der Überschuss
der eingesetzten katalytisch aktiven Stoffe kann gegebenenfalls
nach Reaktionsende abgetrennt oder auf ein gewünschtes Maß reduziert werden.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Polyetherolen
durch katalysierte Anlagerung von Alkylenoxiden an feste Startsubstanzen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass feste Startsubstanzen in flüssigen katalytisch
aktiven Stoffen aufgenommen und in deren Suspension und/oder Lösung umgesetzt
werden.
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Gegenstände der
Erfindung sind weiterhin die so hergestellten Polyetherole selbst
sowie deren Verwendung zur Herstellung von Polyurethanen.
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Es
ist auf diesem Wege möglich,
feste Substanzen mit hoher Hydroxylzahl als Starter für hochfunktionelle
Polyetherole einzusetzen, ohne dass weitere reaktive flüssige Costarter
benötigt
werden. Damit werden nunmehr auch hochfunktionelle funktionalitätsreine
Polyetheralkohole zugänglich
gemacht, die insbesondere für
die Herstellung hochvernetzender Hartschäume sehr gefragt sind.
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Die
bereitgestellten Polyetherole weisen neben einer hohen Anzahl an
funktionellen Gruppen insbesondere gute Verarbeitungsviskositäten, ausgezeichnete
Fließeigenschaften
und eine gute thermischer Stabilität auf und können so mit Polyisocyanaten
und üblichen
Zusatzstoffen zu Polyurethanen umgesetzt werden. Es können damit
Polyurethan-Hartschäume
hoher Netzwerkdichte und guter mechanischer Eigenschaften, insbesondere
mit einem verbesserten Aushärteverhalten,
hergestellt werden. Dabei können
kostengünstige Rohstoffkombinationen
und Technologien eingesetzt und ein hohes Eigenschaftsniveau erreicht
werden.
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Als
Startsubstanzen können
im erfindungsgemäßen Verfahren
alle üblicherweise
in der Polyurethanchemie eingesetzten feste Startsubstanzen, wie
Mono-, Di- oder Polysaccharide, beispielsweise Glukose und deren
Isomere, Sorbit und dessen Isomere und vor allem Saccharose und
deren Abkömmlinge,
aber auch Pentaerythrit und dessen Kondensate, Trimethylolpropan
und seine Kondensate sowie Bisphenole Verwendung finden. Die festen
Startsubstanzen können
einzeln oder im Gemisch untereinander eingesetzt werden. Bei Einsatz
einzelnen Startsubstanzen können
auch besonders funktionalitätsreine
Polyetherole hergestellt werden. Besonders bevorzugt wird Saccharose
verwendet.
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Die
festen Startsubstanzen werden erfindungsgemäß in flüssigen katalytisch aktiven
Stoffen aufgenommen und in ihnen suspendiert oder gelöst.
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Als
solche flüssige
katalytisch aktive Stoffe sind beispielsweise geeignet: Aliphatische,
cycloaliphatische und/oder aromatische tertiäre Amine, wie zum Beispiel
Trimethylamin, Triethylamin, Tributylamin, N,N-Dimethylcyclohexylamin,
N,N-Dimethylbenzylamin, Diazabicyclo(2,2,2)octan oder auch N-methylmorpholin.
Vorteilhafterweise werden hierfür
Stoffe eingesetzt, die tertiäre
Aminogruppen aufweisen. Besonders geeignet sind N,N-Dimethylcyclohexylamin,
N,N-Dimethylbenzylamin oder auch Triethylamin und Tributylamin.
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Die
eingesetzten katalytisch aktiven Stoffe besitzen vorteilhafterweise
tertiäre
Aminogruppen und sind in einer Menge von 5 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise
von 10 bis 30 Gew.-%, im Startergemisch enthalten.
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Die
flüssigen
katalytisch aktiven Stoffe können
einzeln oder im Gemisch untereinander eingesetzt werden.
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Bei
Verfahren des Standes der Technik ist bei Einsatz fester Starter
die Mitverwendung von flüssigen, hydroxylgruppenhaltigen
Costartern notwendig, um den Feststoff aufzunehmen, zu durchmischen
und alkoxylieren zu können.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann der Einsatz von Costartern entfallen, was die oben bereits
beschriebenen Vorteile bewirkt. Natürlich können im vorliegenden Verfahren
auch Costarter in praktisch beliebiger Menge mitverwendet werden.
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Dies
beinhaltet in einem solchen Fall eine Reaktion fester Substanzen,
wie Saccharose, in Kombination mit reaktiven flüssigen Costartern und bei gleichzeitigem
Dispergieren in katalytisch aktiven Substanzen mit Alkylenoxiden.
Hier können
ein ausgewogenes und optimiertes Verhältnis zwischen Reaktanden,
Katalysatoren und der flüssigen
Bestandteile zu festen Substanzen eingestellt und somit der Reaktionsablauf
und die Endeigenschaften der Polyetherole beeinflusst werden.
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Solche
flüssigen
Kostarter sind beispielsweise Glykole, wie Ethylen-, Propylen- oder
Butylenglykole, Triole, wie Glycerin oder Trimethylolpropan (flüssig nach
Erwärmen),
Polyalkylpolyamine, wie Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin
oder Propylendiamin, Dipropylentriamin und Tripropylentetramin,
Hexamethylendiamin und N,N-Dialkylpolyamine, wie N,N-Dimethylpropylendiamin
und N,N-Dimethyldipropylentriamin, und auch Alkanolamine, wie Ethanolamin
oder Diethanolamin. Außerdem
können
flüssige
Alkoxylate unterschiedlichster Struktur und selbst ausreagierte
Polyetherole, beispielsweise bei Saatverfahren, als Costarter für feste
Startsubstanzen eingesetzt werden.
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Werden
neben der erfindungsgemäßen Suspension
bzw. Lösung
fester Startsubstanzen Costarter mitverwendet, dann sinnvollerweise
in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der
eingesetzten festen Startsubstanzen, um die Funktionalität des Startergemisches
nicht zu weit zu senken.
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Die
Funktionalität
des Startergemisches beträgt
vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere bevorzugt 4 bis 6.
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Die
in den flüssigen
katalytisch aktiven Stoffen aufgenommenen und in ihnen suspendierten
oder gelösten
festen Startsubstanzen, gegebenenfalls im Gemisch mit begrenzten
Mengen an Costartern, werden mit Alkylenoxiden auf bekannte Art
und Weise zu Polyetherolen umgesetzt.
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Vorzugsweise
werden für
die Alkoxylierungsreaktion niedere Alkylenoxide, vorteilhafterweise
Ethylenoxid, Propylenoxid und/oder Butylenoxid, eingesetzt. Die
Alkylenoxide werden dabei einzeln, im Block nacheinander oder in
Form eines statistischen Gemisches angelagert.
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Als
Katalysatoren für
die Alkoxylierungsreaktion fungieren insbesondere die erfindungsgemäß eingesetzten
flüssigen
katalytisch aktiven Stoffe. Die Suspension bzw. Lösung der
festen Startsubstanzen in beispielsweise tertiären Aminen stellt ein hochkatalysiertes
Startergemisch dar.
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Zusätzlich können aber
auch Anteile an konventionellen Alkoxylierungskatalysatoren, insbesondere basische
Verbindungen, wie Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen, mitverwendet
werden. Dies kann in Anteilen von bis zu 0,15 Gew.-%, bevorzugt
von 0,03 bis 0,1 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,03 bis zu 0,05
Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht des Endproduktes, erfolgen.
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Für die Optimierung
des Reaktionsablaufes werden ggf. Alkali- oder Erdalkaliverbindungen
zur basischen Katalyse mitverwendet. Dies kann zeitgleich mit dem
Einsatz der tertiären
Amine geschehen oder auch versetzt zur Optmierung und Beschleunigung
vor allem der Endphase der Reaktion bzw. der Nachreaktion.
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Durch
die weitere Katalysatorzugabe ist eine Regulierung der Reaktionsgeschwindigkeiten
und Laufzeiten möglich.
Bei Zugabe der oben genannten Mengen ist eine Erhöhung der
Reaktionsgeschwindigkeit zu beobachten, wobei vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit
gegen Ende der Alkoxylierung und die Nachreaktion verbessert werden.
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Die
Umsetzung erfolgt unter üblichen
Reaktionsbedingungen, insbesondere bei Temperaturen von 60 bis 140°C und einem
Druck von 10 MPa bis 1,0 MPa. Nach der Anlagerung der Alkylenoxide
wird üblicherweise
eine sogenannte Nachreaktionsphase eingehalten.
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Besonders
vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung
von Polyetherolen auf der Basis von Saccharose, da die Umsetzung
der Saccharose in flüssigen
tertiären
Aminen über
eine sehr schonende Alkoxylierung bei Temperaturen von 80 bis 130°C, bevorzugt
bei 100 bis 112°C,
durchgeführt
und somit eine Färbung
des fertigen Polyetherols weitestgehend vermieden werden kann.
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Die
Technologie der Aufnahme von festen Startsubstanzen, wie Saccharose,
in flüssigen
tertiären Aminen
bewirkt eine erforderlich gute Homogenisierung des Startergemisches
aus einer Hydroxylgruppen tragenden Festsubstanz in einer gegenüber Alkylenoxiden
inerten flüssigen
Verbindung. Die Umsetzung mit den Alkylenoxiden findet in einer
Mischphase statt, die eine homogene Wärmeverteilung im Reaktorsystem
ermöglicht.
Während
der Umsetzung fester hydroxylgruppenhaltiger Substanzen mit Alkylenoxiden
in den flüssigen katalytisch
aktiven Stoffen, insbesondere tertiären Aminen, entsteht mit fortlaufender
Reaktion ein Gemisch, welches ständig
wachsende Gehalte an Alkoxylaten aufweist, während die Konzentration des
benötigten
katalytisch aktiven Stoffes fortlaufend abnimmt. Nach Erreichen
einer Endhydroxylzahl verbleibt eine Restkonzentration an katalytisch
aktivem Stoff, der ggf. abgetrennt werden kann. Es ist jedoch vorteilhaft,
den Restgehalt an katalytisch aktivem Stoff im Polyetherol zu belassen,
da dies zu verarbeitungstechnisch günstigen niedrigen Viskositäten führt. Es
wird eine Nachbehandlung des Polyetherols vermieden und nur eine
Heißfiltration durchgeführt. Die
in tertiären
Aminen synthetisierten Polyetherole werden in der Regel keinen weiteren
technologischen Schritten unterworfen und können direkt zur Herstellung
von Schäumen
eingesetzt werden.
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Es
ist also vorteilhaft, dass der katalytisch aktive Stoff aus dem
Polyetherol nicht oder nur teilweise entfernt wird. Er kann dann
beim Einsatz des Polyetherols zur Polyurethanherstellung, beispielsweise
bei der Verschäumung,
weiter als Reaktionsbeschleunigerfungieren.
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Der
katalytisch aktive Stoff kann natürlich auch vollständig aus
dem fertigen Rohpolyetherol abgetrennt werden. Im Falle dessen teilweiser
oder vollständiger
Abtrennung ist der katalytisch aktive Stoff für weitere Synthesezyklen wiederverwendbar.
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Natürlich kann
das Rohpolyetherol bei Bedarf und anwendungsbedingt auch auf übliche Art
und Weise mittels Säuren
oder sauren Substanzen neutralisiert, zur Entfernung des Wassers
und anderer leichtflüchtiger Substanzen
destilliert und gegebenenfalls von gebildeten Salzen, beispielsweise
durch Filtration, befreit werden.
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Im
Folgenden ist die Herstellungstechnologie am Beispiel eines hochfunktionellen
Polyetherols auf Basis einer festen Startsubstanz allgemein beschrieben:
In
einem Rührreaktor
wird ein flüssiger
katalytisch aktiver Stoff oder ein Gemisch solcher Stoffe, vorzugsweise ein
tertiäres
Amin oder ein Gemisch tertiärer
Amine, vorgelegt und auf eine Temperatur von 60 bis 140°C gebracht.
Unter Rühren
erfolgt die Zugabe des hydroxylgruppenhaltigen festen Starters,
wobei ein Gemisch entsteht mit einem Gehalt an tertiären Aminen
von 5 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 30 Gew.-%. Nach Erreichen der
Starttemperatur beginnt die Dosierung des Alkylenoxides. Die Alkoxylierung
erfolgt bei 60 bis 140°C,
bevorzugt bei 100 bis 118°C.
Anschließend
wird eine Nachreaktion von 2 bis 8 Stunden bei 100 bis 125°C durchgeführt. Wenn
die Zielhydroxylzahl erreicht ist, wird das Polyetherol filtriert.
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Auf
diese Weise entsteht ein Polyetherol mit einen Gehalt an tertiären Aminen,
das die gleiche Funktionalität
wie das feste Startermolekül
hat. Bei der Verwendung von Saccharose ist es möglich, ein funktionalitätsreines
Saccharosealkoxylat mit einer Funktionalität von 8 zu erhalten, welches
auf Grund des Gehaltes an tertiärem
Amin vergleichsweise niedrigviskos ist.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten
Polyetherole weisen eine OH-Zahl von 100 bis 900 mg KOH/g, bevorzugt
von 200 bis 500 mg KOH/g, und eine Funktionalität von 2 bis 8 auf und sind
von heller Farbe.
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Diese
Polyetherole sind beliebig vermischbar mit unterschiedlichen Alkoxylaten,
die auf der Basis von zum Beispiel Glycerin, Trimetylolpropan, Glykolen
der Ethylen-, Propylen- oder Butylen-Reihe und höheren Homologen hergestellt
wurden. Der Polyetheroltyp eines niederviskosen Saccharosealkoxylats
ist als Baustein für
variable Polyetherolmischungen mit in der Regel niedermolekularen,
niedrigviskosen und hochhydroxylzahligen Diol- und/oder Triolalkoxylaten
einsetzbar und lässt
eine große
Breite an Mischvarianten zu.
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Gleichzeitig
ist das erfindungsgemäße Polyetherol
als hochfunktioneller Baustein in A-Komponenten der Hartschaumsysteme
oder als hochfunktionaler Vernetzer in Polyurethan-Systemen verwendbar.
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Die
erfindungsgemäßen Polyetherole
sind zur Herstellung von Polyurethanen, insbesondere hochvernetzten
Polyurethan-Hartschaumstoffen mit verbesserter Aushärtung, guter
Entformbarkeit, hoher Netzwerkdichte und guten mechanischen Eigenschaften
geeignet. Sie weisen hierfür
günstige
Verarbeitungsviskositäten
und Fließeigenschaften
auf. Die Polyetherole sind selbst, falls die bei ihrer Herstellung
eingesetzten katalytisch aktiven Stoffe nicht oder nicht vollständig entfernt
wurden, katalytisch aktiv und beeinflussen so den Polyurethanbildungsprozess.
Somit wird beim Schäumen
weniger oder kein zusätzlicher
Katalysator mehr benötigt.
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Über die
Variation der Mischungsverhältnisse
der Polyetherole sowie über
die Zusammensetzung und die Molekulargewichte ist ein breites Anwendungsgebiet
als Hartschaumpolyetherole und als Komponenete in weiteren Polyurethan-Systemen
abgedeckt.
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Die
Herstellung der Polyurethane (PUR), insbesondere PUR-Hartschaumstoffe
erfolgt in üblicher
Weise durch Umsetzung der erfindungsgemäß hergestellten Polyetherole,
gegebenenfalls im Gemisch mit weiteren höhermolekularen Verbindungen
mit mindestens zwei reaktiven Wasserstoffatomen, mit organischen und/oder
modifizierten organischen Polyisocyanaten und gegebenenfalls niedermolekularen
Kettenverlängerungs-
und/oder Vernetzungsmitteln in Gegenwart von Treibmitteln, Katalysatoren
sowie gegebenenfalls weiteren Hilfsmitteln und/oder Zusatzstoffen.
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Zu
den an sich bekannten verwendbaren Ausgangskomponenten ist im Einzelnen
Folgendes auszuführen:
Als
organische und/oder modifizierte organische Polyisocyanate kommen
die an sich bekannten aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen
und vorzugsweise aromatischen mehrwertigen Isocyanate, insbesondere aromatische
Di- und Polyisocyanate, wie z. B. 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat
und die entsprechenden Isomerengemische, 4,4'-, 2,4'- und 2,2'-Diphenylmethandiisocyanat und die entsprechenden
Isomerengemische, Polyphenylpolymethylenpolyisocyanate, Mischungen
aus 4,4'-, 2,4'- und 2,2'-Diphenylmethandiisocyanaten und
Polyphenylpolymethylenpolyisocyanaten (Roh-MDI) und Mischungen aus Roh-MDI und
Toluylendiisocyanaten. Die organischen Di- und Polyisocyanate können einzeln
oder in Form ihrer Mischungen eingesetzt werden.
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Häufig werden
auch sogenannte modifizierte mehrwertige Isocyanate, d. h. Produkte,
die durch chemische Umsetzung organischer Di- und/oder Polyisocyanate
erhalten werden, verwendet. Beispielhaft genannt seien Ester-, Harnstoff-,
Biuret-, Allophanat-, Carbodiimid-, Isocyanurat-, Uretdion- und/oder
Urethangruppen enthaltende Di- und/oder
Polyisocyanate. Die modifizierten Polyisocyanate können miteinander
oder mit unmodifizierten organischen Polyisocyanaten, wie z. B.
2,4'-, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat,
Roh-MDI, 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat gemischt werden.
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Neben
den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Polyetherpolyolen können gegebenenfalls
weitere gegenüber
Isocyanaten reaktive Wasserstoffatome aufweisende Verbindungen eingesetzt
werden.
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Hierfür werden
vorrangig Verbindungen mit mindestens zwei reaktiven Wasserstoffatomen
verwendet. Dabei werden zweckmäßigerweise
solche mit einer Funktionalität
von 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 6, und einem Molekulargewicht von
300 bis 8000, vorzugsweise von 300 bis 3000, verwendet. Der Einsatz
hängt von
den Verträglichkeiten
der Polyole und den gewünschten
Eigenschaften des herzustellenden PUR ab.
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Beispielsweise
können
eingesetzt werden weitere Polyole, ausgewählt aus der Gruppe der Polyetherpolyole,
Polyesterpolyole, Polythioetherpolyole, Polyesteramide, hydroxylgruppenhaltigen
Polyacetale und hydroxylgruppenhaltigen aliphatischen Polycarbonate,
oder Mischungen aus mindestens zwei der genannten Polyole verwendet.
Die Hydroxylzahl der Polyhydroxylverbindungen beträgt dabei
in aller Regel 150 bis 850 mg KOH/g und vorzugsweise 200 bis 600
mg KOH/g. Daneben können
beispielsweise auch Polyetherpolyamine eingesetzt werden.
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Die
gegenenenfalls neben den erfindungsgemäßen Polyetherole verwendeten
weiteren Polyetherpolyole werden nach bekannten Verfahren, beispielsweise
durch anionische Polymerisation mit Alkalihydroxiden, wie z. B.
Natrium- oder Kaliumhydroxid, oder Alkalialkoholaten, wie z. B.
Natriummethylat, Natrium- oder Kaliumethylat oder Kaliumisopropylat
als Katalysatoren und unter Zusatz mindestens eines Startermoleküls, das 2
bis 8, vorzugsweise 2 bis 6, reaktive Wasserstoffatome gebunden
enthält,
oder durch kationische Polymerisation mit Lewissäuren, wie Antimonpentachlorid,
Borfluorid-Etherat u.a., oder Bleicherde, als Katalysatoren oder
durch Doppelmetallcyanidkatalyse aus einem oder mehreren Alkylenoxiden
mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylenrest hergestellt.
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Als
Polyetherpolyole eignen sich ferner polymermodifizierte Polyetherpolyole,
vorzugsweise Pfropfpolyetherpolyole, insbesondere solche auf Styrol-
und/oder Acrylnitrilbasis, die durch in situ Polymerisation von Acrylnitril,
Styrol oder vorzugsweise Mischungen aus Styrol und Acrylnitril,
z. B. im Gewichtsverhältnis
90:10 bis 10:90, vorzugsweise 70:30 bis 30:70, zweckmäßigerweise
in den vorgenannten Polyetherpolyolen analog den Angaben der deutschen
Patentschriften 1111394, 1222669 (
US
3304273 , 3383351, 3523093), 1152536 (
GB 1040452 ) und 1152537 (
GB 987618 ) hergestellt werden, sowie
Polyetherpolyoldispersionen, die als disperse Phase, üblicherweise
in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 25 Gew.-%,
enthalten: z.B. Polyharnstoffe, Polyhydrazide, tert.-Aminogruppen
gebunden enthaltende Polyurethane und/oder Melamin und die z. B.
beschrieben werden in EP-B-011752 (
US
4304708 ), US-A-4374209 und DE-A-3231497.
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Die
PUR, insbesondere PUR-Hartschaumstoffe, können ohne oder unter Mitverwendung
von Kettenverlängerungs-
und/oder Vernetzungsmitteln hergestellt werden, wobei diese in der
Regel aber nicht erforderlich sind. Als Kettenverlängerungs-
und/oder Vernetzungsmittel verwendet werden Diole und/oder Triole
mit Molekulargewichten kleiner als 400, vorzugsweise 60 bis 300.
In Betracht kommen beispielsweise aliphatische, cycloaliphatische
und/oder araliphatische Diole mit 2 bis 14, vorzugsweise 4 bis 10
Kohlenstoffatomen, wie z. B. Ethylenglykol, Propandiol-1,3, Decandiol-1,10,
o-, m-, p-Dihydroxycyclohexan, Diethylenglykol, Dipropylenglykol
und vorzugsweise Butandiol-1,4,
Hexandiol-1,6 und Bis-(2-hydroxyethyl)-hydrochinon, Triole, wie 1,2,4-
und 1,3,5-Trihydroxycyclohexan,
Triethanolamin, Diethanolamin, Glycerin und Trimethylolpropan und niedermolekulare
hydroxylgruppenhaltige Polyalkylenoxide auf Basis Ethylen- und/oder 1,2-Propylenoxid
und den vorgenannten Diolen und/oder Triolen als Startermoleküle.
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Sofern
Kettenverlängerungsmittel,
Vernetzungsmittel oder Mischungen davon Anwendung finden, kommen
diese zweckmäßigerweise
in einer Menge von bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise von 1 bis 10 Gew.-%, jeweils
bezogen auf das Gewicht der eingesetzten Verbindungen mit mindestens
zwei reaktiven Wasserstoffatomen, zum Einsatz.
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Für die Herstellung
von PUR-Schaumstoffen werden üblicherweise
Treibmittel eingesetzt. Als Treibmittel wird insbesondere Wasser
verwendet, welches durch die Reaktion mit den Isocyanatgruppen Kohlendioxid
abspaltet. Der Wassergehalt beträgt
vorzugsweise 0,1 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 3 Gew.-%, bezogen
auf das Gewicht der eingesetzten Verbindungen mit mindestens zwei
reaktiven Wasserstoffatomen.
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Der
Wasserzusatz kann in Kombination mit dem Einsatz von physikalischen
Treibmittel erfolgen.
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Als
physikalisch wirkende Treibmittel können die aus der Polyurethanchemie
allgemein bekannten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sowie hoch-
und/oder perfluorierte Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Der
Einsatz dieser Stoffe wird jedoch aus ökologischen Gründen stark
eingeschränkt
bzw. ganz eingestellt. Neben den HFCKW und HFKW bieten sich insbesondere
aliphatische und/oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe als Alternativtreibmittel
an. Insbesondere werden niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe, niedere
monofunktionelle Alkohole, Acetale, wie z. B. Methylal, eingesetzt.
Bevorzugt sind niedrigsiedende cyclische und acyclische gesättigte Kohlenwasserstoffe
mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, die einzeln oder in beliebigen Mischungen
miteinander eingesetzt werden können.
Insbesondere werden Pentane verwendet, wobei sowohl Gemische der
Pentanisomeren als auch die reinen Isomeren zur Anwendung kommen
können.
Auf Grund der besonders niedrigen Wärmeleitfähigkeitswerte wird das Cyclopentan
besonders bevorzugt eingesetzt. Diese physikalischen Treibmittel
werden üblicherweise
der Polyolkomponente des Systems zugesetzt. Sie können jedoch
auch in der Isocyanatkomponete oder als Kombination sowohl der Polyolkomponente
als auch der Isocyanatkomponente zugesetzt werden. Die eingesetzte
Menge des physikalischen Treibmittels bzw. der Treibmittelmischung
liegt dabei bei 1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, jeweils
bezogen auf das Gewicht der weiter unten definierten A-Komponente.
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Der
Reaktionsmischung zur Herstellung der PUR werden weitere Hilfsmittel
und/oder Zusatzstoffe einverleibt. Genannt seien beispielsweise
Katalysatoren sowie gegebenenfalls oberflächenaktive Substanzen, Schaumstabilisatoren,
Zellregler, Füllstoffe,
Farbstoffe, Pigmente, Flammschutzmittel, Hydrolyseschutzmittel, fungistatische
und bakteriostatisch wirkende Substanzen.
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Zur
Herstellung der PUR, insbesondere PUR-Hartschäume, werden die organischen
und/oder modifizierten organischen Polyisocyanate, die erfindungsgemäßen Polyetherpolyole
und gegebenenfalls weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Wasserstoffatome
aufweisenden Verbindungen in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht,
dass das Äquivalenzverhältnis von
NCO-Gruppen der Polyisocyanate zur Summe der reaktiven Wasserstoffatome
aus den erfindungsgemäßen Polyetherpolyolen
und gegebenenfalls weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Wasserstoffatome
aufweisenden Verbindungen 0,85 bis 1,25 : 1, vorzugsweise 0,95 bis
1,15 : 1 und insbesondere 1 bis 1,05 : 1 beträgt. Falls die PUR-Hartschaumstoffe
zumindest teilweise Isocyanuratgruppen gebunden enthalten, wird üblicherweise
ein Verhältnis
von NCO-Gruppen der Polyisocyanate zur Summe der reaktiven Wasserstoffatome
von 1,5 bis 60 : 1, vorzugsweise 1,5 bis 8 : 1, angewandt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, nach dem Zweikomponentenverfahren
zu arbeiten und die Aufbaukomponenten (erfindungsgemäß hergestellte
Polyetherpolyole, gegebenenfalls mitverwendete höhermolekulare Verbindungen
mit mindestens zwei reaktiven Wasserstoffatomen, gegebenenfalls
mitverwendete niedermolekulare Kettenverlängerungs- und/oder Vernetzungsmittel,
Treibmittel, Katalysatoren sowie gegebenenfalls weiteren Hilfsmitteln
und/oder Zusatzstoffe) zu einer sogenannten Polyolkomponente, oft
auch als Komponente A bezeichnet, zu vereinigen und als Isocyanatkomponente,
oft auch als Komponente B bezeichnet, die organischen und/oder modifizierten
organischen Polyisocyanate und gegebenenfalls Treibmittel zu verwenden.
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Nähere Angaben über die
oben genannten und weitere Ausgangsstoffe sowie über die PUR-Herstellung sind
der Fachliteratur, beispielsweise der Monographie von J. H. Saunders
und K. C. Frisch "High
Polymers" Band XVI,
Polyurethanes, Teil 1 und 2, Verlag Interscience Publishers 1962
bzw. 1964, oder dem oben zitierten Kunststoffhandbuch, Polyurethane,
Band VII, Hanser-Verlag München,
Wien, 1. bis 3. Auflage, zu entnehmen.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Polyetherole
in Hartschaumsystemen führt
zu einer überraschend
hohen Verbesserung der Fließfähigkeit
beim Verschäumen
und einer ausgezeichneten Aushärtung und
einem guten Entformungsverhalten. Dadurch entstehen anwendungstechnische
Vorteile im technischen Hartschaum, insbesondere beim Fernwärmeeinsatz
und im Kühlwesen,
aber auch bei Stütz-
und Gestaltungsmaterialien im Möbelbereich
und bei Konstruktionsteilen im Automobilsektor. Die Schäume weisen
hohe mechanische Eigenschaften, ein gutes Dämmverhalten und eine hohe Wärmestabilität auf. Dabei
ist ein ökonomisch
günstiger
Einsatz der Rohstoffe möglich.
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Die
Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne
jedoch hierdurch eine entsprechende Eingrenzung vorzunehmen.
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Die
Ausführungsbeispiele
1 bis 5 erläutern
das Prinzip der Herstellung von Polyetherolen auf der Basis von
festen Startsubstanzen:
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Vergleichsbeispiel 1:
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In
einem 50-l-Druckreaktor mit Rührwerk,
Mantelheizung und -kühlung,
Dosiereinrichtungen für
feste und flüssige
Substanzen und Alkylenoxide sowie Einrichtungen zur Stickstoffinertisierung
und einem Vakuumsystem wurden 15,66 kg Sorbitol (72%ige wässrige Lösung von
Sorbit) vorgelegt und mit 0,293 kg 48%iger wässriger Kalilauge versetzt.
Das Gemisch wurde bei 116°C
mit 9,0 kg Propylenoxid umgesetzt und eine Nachreaktion von 3 h
bei 118°C
durchgeführt.
Anschließend
erfolgt ein Vakuumstripping bis zu einem Wasserwert von 0,07 Gew.-%.
Dieses Produkt wurde mit weiteren 29,0 kg Propylenoxid umgesetzt
und einer Nachreaktion von 3 h bei 124°C unterworfen. Anschließend wurde
das Produkt mit Wasser hydrolisiert, mit Phosphorsäure neutralisiert,
vakuumgestrippt und filtriert. Es wies folgende Parameter auf:
Hydroxylzahl | 491
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 25270
mPas |
Wassergehalt | 0,041
Gew.-% |
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Vergleichsbeispiel 2:
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In
einem analog Vergleichsbeispiel 1 ausgerüsteten 50 l-Druckreaktor wurden
6,69 kg Glycerin, 0,147 kg 48%ige wässrige Kalilauge und 10, 23
kg Saccharose bei 90°C
vermischt und mit 6,2 kg Propylenoxid umgesetzt. Die Nachreaktion
erfolgt mit 1 h bei 106°C.
Dieses Vorpolymer wurde mit 0,076 kg 48%iger wässriger Kalilauge nachkatalysiert
und mit weiteren 27,3 kg Propylenoxid umgesetzt und einer Nachreaktion
von 3 h bei 113°C
unterworfen. Anschließend
wurde das Produkt mit Wasser hydrolisiert, mit Phosphorsäure neutralisiert, vakuumgestrippt
und filtriert. Es wies folgende Parameter auf:
Hydroxylzahl | 493
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 8350
mPas |
Wassergehalt | 0,038
Gew.-% |
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Ausführungsbeispiel 1:
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In
einem analog Vergleichsbeispiel 1 ausgerüsteten 50-l-Druckreaktor wurden
3,715 kg N,N-Dimethylcyclohexylamin vorgelegt und auf 105°C erwärmt. Anschließend erfolgte
die Zugabe von 11,150 kg Saccharose. Das Gemisch wurde gut homogenisiert
und bei 105°C,
steigend auf 112°C,
mit 37,0 kg Propylenoxid umgesetzt. Nach Ende der Dosierung erfolgte
eine Nachreaktion von 5 h bei 115°C.
Das Produkt wurde gestrippt und filtriert und wies folgende Parameter
auf:
Hydroxylzahl | 349
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 5420
mPas |
Wassergehalt | 0,014
Gew.-% |
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Ausführungsbeispiel 2
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In
einem analog Vergleichsbeispiel 1 ausgerüsteten 50-l-Druckreaktor wurden
3,715 kg N,N-Dimethylcyclohexylamin vorgelegt und auf 105°C erwärmt. Anschließend erfolgte
die Zugabe von 11,150 kg Saccharose. Das Gemisch wurde gut homogenisiert
und bei 105°C,
steigend auf 112°C,
mit 37,0 kg Propylenoxid umgesetzt. Nach Ende der Dosierung erfolgte
eine Nachreaktion von 5 h bei 115°C.
Das Produkt wurde auf 50°C abgekühlt, nicht
getrocknet, aber filtriert. Es wies folgende Parameter auf:
Hydroxylzahl | 341
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 4110
mPas |
Wassergehalt | 0,073
Gew.-% |
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Ausführungsbeispiel 3
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In
einem analog Vergleichsbeispiel 1 ausgerüsteten 50-l-Druckreaktor wurden
3,715 kg N,N-Dimethylcyclohexylamin vorgelegt, weiterhin 149,6 g
48%ige wässrige
Kalilauge zudosiert und auf 95°C
erwärmt.
Anschließend
erfolgte die Zugabe von 11,150 kg Saccharose. Das Gemisch wurde
gut homogenisiert und bei 105°C,
steigend auf 112°C,
mit 38,5 kg Propylenoxid umgesetzt. Nach Ende der Dosierung erfolgte
eine Nachreaktion von 4 h bei 115°C.
Das Produkt wurde auf 50°C
abgekühlt,
nicht getrocknet, aber filtriert. Es wies folgende Parameter auf:
Hydroxylzahl | 353
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 4010
mPas |
Wassergehalt | 0,131
Gew.-% |
Kaliumgehalt | 479
ppm |
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Ausführungsbeispiel 4
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In
einem 2 l-Druckautoklaven mit Rührwerk,
Reaktorheizung und -kühlung,
Dosiereinrichtungen für feste
und flüssige
Substanzen und Alkylenoxide sowie Einrichtungen zur Stickstoffinertisierung
und einem Vakuumsystem wurden 108,8 g N,N-Dimethylcyclohexylamin
vorgelegt und auf 100°C
erwärmt.
Anschließend
erfolgte die Zugabe von 435,2 g Pentaerythrit. Das Gemisch wurde
gut homogenisiert und bei 130°C
mit 1000 g Propylenoxid umgesetzt. Nach Ende der Dosierung erfolgte
eine Nachreaktion von 4 h bei 130°C.
Das Produkt wurde filtriert und destilliert und wies folgende Parameter
auf:
Hydroxylzahl | 483
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 2950
mPas |
Wassergehalt | 0,017
Gew.-% |
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Ausführungsbeispiel 5
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In
einem analog Ausführungsbeispiel
4 ausgerüsteten
2-l-Druckautoklaven wurden 109,3 g N,N-Dimethylcyclohexylamin vorgelegt
und auf 100°C
erwärmt.
Anschließend
erfolgte die Zugabe von 327,6 g Sorbit. Das Gemisch wurde gut homogenisiert
und bei 112°C,
steigend auf 118°C,
mit 1190 g Propylenoxid umgesetzt. Nach Ende der Dosierung erfolgte
eine Nachreaktion von 5 h bei 120°C.
Das Produkt wurde filtriert und destilliert und wies folgende Parameter
auf:
Hydroxylzahl | 383
mg KOH/g |
Viskosität 25°C | 7630
mPas |
Wassergehalt | 0,039
Gew.-% |
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Ausführungsbeispiel 6
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a) Herstellung eines PUR-Hartschaumstoffes
a. B. eines Polyetherols entsprechend Vergleichsbeispiel 1
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A-Komponente (Angaben
als Gew.-Teile)
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- 67,2 Teile eines Polyetherpolyols mit einer OH-Zahl von
ca. 490 mg KOH/g, hergestellt durch Polyaddition von Propylenoxid
an Sorbit als Startermolekül,
- 25 Teile eines Polyetherpolyols mit einer OH-Zahl von ca. 160
mg KOH/g, hergestellt durch Polyaddition von Propylenoxid an Trimethylolpropan,
- 0,7 Teile Dimethylcyclohexylamin,
- 1,1 Teile N,N-Dimethylaminoethyl-N-methylethanolamin,
- 0,6 Teile Tris-(dimethylaminopropyl)hexahydrotriazin,
- 11,5 Teile eines Treibmittelgemisches aus Cyclopentan/iso-Pentan,
- 2,4 Teile Wasser als Cotreibmittel und
- 3 Teile Stabilisator Tegostab B 8467 der Fa. Th. Goldschmidt
GmbH.
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B-Komponente
-
Polymer
MDI (Lupranat® M20
S) mit einem NCO-Gehalt von 31,5 Gew.-% und einer Viskosität von 200 mPas.
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Die
beiden Komponenten A und B wurden bei einer Kennzahl von 121 verschäumt.
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Die
Härtung
wurde mit dem Bolzentest ermittelt. Dazu wurde 2, 2,5, 3, 4, 5 und
6 Minuten nach Vermischung der Komponenten in einem Polystyrol-Becher
ein Stahlbolzen mit einer Kugelkalotte von 10 mm Radius mit einer
Zug/Druckprüfmaschine
10 mm tief in den entstandenen Schaumpilz eingedrückt. Die
dafür erforderliche
Maximalkraft in N ist ein Maß für die Härtung des
Schaumstoffs. Angegeben ist jeweils die Summe der gemessenen Maximalkräfte nach
2, 2,5, 3, 4, 5 und 6 Minuten.
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b) Herstellung eines PUR-Hartschaumstoffes
a. B. eines Polyetherols entsprechend Ausführungsbeispiel 1
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Die
67,2 Gew.-Teile des Polyetherpolyols mit einer OH-Zahl von ca. 490
mg KOH/g gemäß Vergleichsbeispiel
1 wurden durch eine 35 : 65-Abmischung eines Polyetherols analog
Ausführungsbeispiel
1 und eines glyceringestarteten Polyols mit einer OH-Zahl von 800
mg KOH/g ersetzt und analog verschäumt.
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Die
Ergebnisse der Prüfungen
sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.
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Tabelle
1: Daten des Bolzentests
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Ausführungsbeispiel 7
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a) Herstellung eines PUR-Hartschaumstoffes
a. B. eines Polyetherols entsprechend Vergleichsbeispiel 2
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A-Komponente (Angaben
als Gew.-Teile)
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- 48,7 Teile eines Polyetherpolyols mit einer OH-Zahl von
ca. 490 mg KOH/g, hergestellt durch Polyaddition von Propylenoxid
an einer Saccharose/Glycerin-Mischung als Startermoleküle,
- 15 Teile eines Esters auf Basis von Tetrabromphthalsäure,
- 2 Teile Glycerol,
- 28,5 Teile Tris-2-Chlorisopropylphosphat,
- 4 Teile Diethylethanphosphonat,
- 0,5 Teile Wasser und
- 1,3 Teile Stabilisator DC193 der Fa. Air Products.
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B-Komponente
-
Polymer
MDI (Lupranat® M50)
mit einem NCO-Gehalt von 31 Gew.-% und einer Viskosität von 500 mPas
bei 25°C.
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Zusatzstoffe
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- 3,0 Teile einer Mischung aus 1,3,5-Tris(3-dimethylaminopropyl)-hexahydro-s-triazin und DMCHA,
- 1,3 Teile Wasser und
- 6,0 Teile n-Pentan.
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Die
beiden Komponenten A und B sowie die Zusatzstoffe wurden bei einer
Kennzahl von 130 verschäumt.
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Die
Härtung
wurde mit dem Bolzentest ermittelt. Dazu wurde 3, 4, 5, 6, 8 und
10 Minuten nach Vermischung der Komponenten in einem Polystyrol-Becher
ein Stahlbolzen mit einer Kugelkalotte von 10 mm Radius mit einer
Zug/Druckprüfmaschine
10 mm tief in den entstandenen Schaumpilz eingedrückt. Die
dafür erforderliche
Maximalkraft in N ist ein Maß für die Härtung des
Schaumstoffs. Angegeben ist jeweils die Summe der gemessenen Maximalkräfte nach
3, 4, 5, 6, 8 und 10 Minuten.
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b) Herstellung eines PUR-Hartschaumstoffes
a. B. eines Polyetherols entsprechend Ausführungsbeispiel 1
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Die
48,7 Gew.-Teile des Polyetherpolyols mit einer OH-Zahl von ca. 490
mg KOH/g gemäß Vergleichsbeispiel
2 wurden durch eine 35:65-Abmischung eines Polyetherols analog Ausführungsbeispiel
1 und eines glyceringestarteten Polyols mit einer OH-Zahl von 800
mg KOH/g ersetzt und analog verschäumt.
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Die
Ergebnisse der Prüfungen
sind in Tabelle 2 gegenübergestellt.
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Tabelle
2: Daten des Bolzentests
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Weiterhin
wurden Prüfkörper in
einer offenen Form (200 mm × 200
mm × 200
mm) hergestellt, an denen die Druckfestigkeit und das Druck-E-Modul
bestimmt wurden.
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Die
Druckfestigkeit und das Druck-E-Modul wurden nach DIN 53 421/EN
ISO 604 ermittelt und sind in Tabelle 3 gegenübergestellt.
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Tabelle
3: Vergleich der Druckfestigkeit und des Druck-E-Moduls