DE112013005842T5 - Hydrophiler, thermisch retikulierter Polyurethan-Schaumstoff, der für die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall verwendbar ist - Google Patents

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Abstract

Ein hydrophiler Polyurethan-Schaumstoff, hergestellt aus einer Zusammensetzung umfassend 90–110 Gewichtsteile Polyesterpolyol, 0,9–1,1 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel, 3–20 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel, 1,89–2,31 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator, 0,126–0,154 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator, 3,348–4,092 Gewichtsteile Wasser und 46,98–57,42 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat. Das Polyurethan ist fähig, Wasser in einem Zeitraum von etwa 5 Minuten oder weniger zu absorbieren. Der Polyurethan-Schaumstoff ist ein Vorläufermaterial für die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall.

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldungen
  • Dies ist eine nicht-vorläufige US-Patentanmeldung, die Priorität für die vorläufige U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/734,546, eingereicht am 7. Dezember 2012, beansprucht, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermisch retikulierten Polyurethan-Schaumstoff, der zum Herstellen eines Filters für geschmolzenes Metall verwendbar ist. Der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine vollständig offenzellige Struktur auf, die durch ein thermisches Retikulierungsverfahren entsteht. Der Schaumstoff ist fähig, Wasser innerhalb von weniger als etwa fünf (5) Minuten zu absorbieren.
  • Stand der Technik
  • Thermisch retikulierter Polyurethan-Schaumstoff wird zum Herstellen von Filtermaterialien für geschmolzene Metalle verwendet, da ein retikulierter Schaumstoff eine offenzellige Struktur aufweist. Es ist klar, dass bei einem Filter für geschmolzenes Metall die Struktur zur geeigneten Funktion eine vollständig offene, zusammenhängende Hohlraumstruktur sein sollte, so dass das geschmolzene Metall durch die offene Struktur fließen kann.
  • Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Möglichkeit zum Herstellen eines Filters für geschmolzenes Metall das Imprägnieren eines retikulierten Polyurethan-Schaumstoffs mit einem Keramikschlicker ist. Namentlich wird nach dem Imprägnieren der Hohlräume der retikulierten Schaumstoffstruktur mit dem Keramikschlicker die Keramik erhitzt (oder gebrannt), so dass die Keramik eine starre Struktur bildet. Während des Heiz- oder Brennvorgangs wird das Polyurethan aus dem Keramikschlicker ausgebrannt, so dass nur die gehärtete (oder gebrannte) Keramikstruktur zurückbleibt.
  • Ein Problem mit retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff ist, dass er hydrophob ist. Das bedeutet, dass Wasser mit einem Benetzungswinkel von über 90 Grad nicht dazu neigt, sich über die Oberfläche von Polyurethan zu verteilen.
  • Dem Fachmann ist klar, dass die hydrophobe Beschaffenheit von retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall erschwert, da die zum Herstellen des Filters verwendeten Keramikschlicker gewöhnlich auf Wasserbasis stehen. Somit wird die Oberfläche von hydrophobem Polyurethan-Schaumstoff von Keramikschlickern nicht wirkungsvoll benetzt. Dies kann zu einer schlechten Ausbreitung des Schlickers über die Oberfläche des Polyurethans und damit zu schlechtem Bilden von Verstrebungen bei der Entstehung des Filters während des Heizens oder Brennens führen.
  • Um die schlechte Verteilung des Schlickers über die Oberfläche des Schaumstoffs auszugleichen wird der Keramikschlicker gewöhnlich unter Druck aufgebracht. Angesichts der hydrophoben Eigenschaften von retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff wird gewöhnlich ein hoher Druck angewendet, um den Keramikschlicker durch die Poren des Schaumstoffs zu drücken.
  • Alternativ dazu kann ein hydrophiler Polyurethan-Schaumstoff hergestellt werden. Beispielsweise kann ein hydrophiler Polyurethan-Schaumstoff durch ein „Präpolymer”-Verfahren hergestellt werden, bei dem eine hydrophile Präpolymer-Isocyanat-Endgruppe mit Wasser gemischt und umgesetzt wird. Hydrophile Polyurethan-Schaumstoffe werden in den U.S.-Patenten Nr. 3,861,993 und 3,889,417 beschrieben.
  • Die Herstellung hydrophiler Polyurethan-Schaumstoffe über ein Präpolymer hat wenigstens einen bekannten Nachteil. Insbesondere führt das Verfahren oft zum Entstehen einer nicht vollständig offenen Schaumstoffstruktur. Oft weist der Schaumstoff dünne Membranen zwischen einzelnen Hohlräumen auf und vermindert so das Vermögen des Schaumstoffs, nach dem Benetzen mit einem Keramikschlicker einen Filter für Metalle zu bilden.
  • Hydrophile Schaumstoffe sind für die Herstellung von Filtern für geschmolzenes Metall verwendet worden. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent Nr. 3,833,386 (nachstehend „das '386-Patent”) einen durch ein hydrophiles-Präpolymer-Verfahren hergestellten Schaumstoff, der zum Herstellen eines Filters für geschmolzenes Metall verwendet werden kann. Es wird aber angemerkt, dass der in dem '386-Patent beschriebene Schaumstoff nicht mehr ist als ein Schaumstoff mit einer herkömmlichen offenzelligen Struktur, verschieden von einem retikulierten Schaumstoff mit einer vollständig offenzelligen Struktur. Ferner weist der in dem '386-Patent beschriebene Schaumstoff eine viel höhere Dichte als typische retikulierte Schaumstoffe auf. Als Folge ist es schwierig (wenn nicht unmöglich), die Porengröße zu steuern, um ausreichend Hohlraum zum Herstellen eines Filtermaterials für geschmolzenes Metall zu erhalten.
  • Die veröffentlichte U.S.-Patentanmeldung Nr. 2006/0284351 beschreibt ein Verfahren, bei dem „Löschen” des retikulierten Schaumstoffs ein zum Herstellen eines Filters für geschmolzenes Metall geeignetes Material ergibt. „Gelöschter” retikulierter Schaumstoff ist hydrophiler als herkömmlicher, thermisch retikulierter Schaumstoff. Das „Löschverfahren” ist aber kostspieliger als das thermische Retikulationsverfahren und der durch ein Löschverfahren hergestellte Schaumstoff zeigt eine schlechtere Leistung als ein thermisch retikulierter Schaumstoff.
  • Das Europäische Patent Nr. 0 412 673 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Polyurethan-Schaumstoff mit einem wässrigen Schlicker von Keramikmaterial, der ein Bindemittel enthält, imprägniert wird. Der imprägnierte Schaumstoff wird getrocknet, um Wasser zu entfernen, und der getrocknete, imprägnierte Schaumstoff wird gebrannt, um den organischen Schaumstoff auszubrennen und den keramischen Filter zurückzulassen.
  • Das Europäische Patent Nr. 0 649 334 beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem ein organischer Schaumstoff, wie z. B. ein Polyurethan-Schaumstoff, zum Herstellen eines keramischen Filters für geschmolzene Metalle, insbesondere Leichtmetalle, verwendet wird.
  • Das U.S.-Patent Nr. 7,963,402 beschreibt ebenfalls die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall aus einem organischen Kunststoffschaum, der mit einem Keramikschlicker und mit Fasern mit einer Länge von 0,1–5,0 mm imprägniert worden ist.
  • Die U.S.-Patente Nr. 2,360,929 , 2,752,258 , 3,947,363 , 5,456,833 und 5,045,511 geben weitere Informationen zu der Herstellung von keramischen Filtern, die für geschmolzenes Metall verwendet werden, wobei die Filter unter Verwendung eines Vorläufers aus organischem Schaumstoff hergestellt werden.
  • Das U.S.-Patent Nr. 6,203,593 beschreibt die Verwendung eines retikulierten Polyurethan-Schaumstoffs zum Herstellen eines keramischen Filters zum Filtrieren von geschmolzene Metallen.
  • Das U.S.-Patent Nr. 4,866,011 beschreibt die Herstellung eines keramischen Filters unter Verwendung von hydrophoben flexiblen Schaumstoffmaterialien, die einen Klebstoff enthalten, um die Flexibilität des Schaumstoffs und die Imprägnierung zu verbessern.
  • Die U.S.-Patente Nr. 4,342,664 , 4,056,586 und 4,265,659 beschreiben die Herstellung von keramischen Filtern unter Verwendung eines hydropilen Polyurethan-Schaumstoffs mit einer Struktur, die 5 bis 100 ppi definiert.
  • Die U.S.-Patente Nr. 4,024,212 und 4,075,303 beschreiben die Herstellung eines keramischen Filters unter Verwendung eines Polyester-Polyurethan-Schaumstoff-Vorläufermaterials.
  • In Anbetracht des Genannten bleibt Raum zum Verbessern der Herstellung von Filtern für geschmolzenes Metall unter Verwendung von thermisch retikulierten hydrophilen Polyurethan-Schaumstoffen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung spricht eines oder mehrere der Probleme in Verbindung mit dem Stand der Technik an.
  • Bei einer betrachteten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen hydrophilen Polyurethan-Schaumstoff bereit, der aus 90–110 Gewichtsteilen Polyesterpolyol, 0,9–1,1 Gewichtsteilen an einem grenzflächenaktiven Estermittel, 3–20 Gewichtsteilen an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel, 1,89–2,31 Gewichtsteilen an einem Polyurethan-Katalysator, 0,126–0,154 Gewichtsteilen an einem Amin-Katalysator, 3,348–4,092 Gewichtsteilen Wasser und 46,98–57,42 Gewichtsteilen Toluoldiisocyanat gebildet ist. Das Polyurethan ist fähig, Wasser innerhalb von etwa 5 Minuten oder weniger zu absorbieren. Der Schaumstoff ist ein Vorläufermaterial für die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall.
  • Bei weiteren betrachteten Ausführungsformen kann der Schaumstoff 3–15 Gewichtsteile, 3–10 Gewichtsteile, 4–9 Gewichtsteile, 5–8 Gewichtsteile oder 6–7 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel enthalten.
  • Der Schaumstoff kann retikuliert sein. Trifft dies zu, kann der Schaumstoff thermisch retikuliert sein.
  • Bei einer betrachteten Ausführungsform wird in Betracht gezogen, dass das Toluoldiisocyanat in dem Schaumstoff wenigstens zwei isomere Formen umfassend 2,4-Toluoldiiscynat und 2,6-Toluoldiisocyanat enthalten kann.
  • Bei weiteren betrachteten Ausführungsformen kann der Schaumstoff 95–105 Gewichtsteile Polyesterpolyol, 0,95–1,05 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel, 2,00–2,21 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator, 0,133–0,147 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator, 3,534–3,906 Gewichtsteile Wasser und 49,60–54,82 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat enthalten.
  • Ferner wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff 98–102 Gewichtsteile Polyesterpolyol, 0,98–1,02 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel, 2,06–2,14 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator, 0,137–0,143 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator, 3,646–3,794 Gewichtsteile Wasser und 51,16–53,24 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat enthalten kann.
  • Bei einer weiteren betrachteten Ausführungsform kann der Schaumstoff 99–101 Gewichtsteile Polyesterpolyol, 0,99–1,01 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel, 2,08–2,12 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator, 0,139–0,141 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator, 3,683–3,757 Gewichtsteile Wasser und 51,68–52,72 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat enthalten.
  • Ferner wird in Betracht gezogen, dass das hydrophile grenzflächenaktive Mittel Polyether-modifiziertes Polysiloxan sein kann.
  • Bei einer betrachteten Ausführungsform kann das hydrophile grenzflächenaktive Mittel Poly(oxy-1,2-ethandiyl)-a-methyl-w-[3-[1,3,3,3-tetramethyl-1-[(trimethylsilyl)oxy]disiloxanyl]propoxy] und Hexamethyldisiloxan umfassen.
  • Der Schaumstoff kann ein Netzwerk mit Poren mit einer Dichte von etwa 2–100 ppi, 2–70 ppi, 5–35 ppi und/oder 10–30 ppi aufweisen.
  • Es wird in Betracht gezogen, dass die Zeit zum Absorbieren von Wasser weniger als etwa vier (4) Minuten, weniger als etwa drei (3) Minuten, weniger als etwa zwei (2) Minuten und/oder weniger als etwa eine (1) Minute betragen kann.
  • Ferner wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte von zwischen etwa 1,2 und 3 lb/ft3 (0,019–0,048 g/cm3) aufweisen kann. Alternativ dazu kann der Schaumstoff eine Dichte von zwischen etwa 1,4 und 1,9 lb/ft3 (0,022–0,030 g/cm3) aufweisen. Ferner kann der Schaumstoff eine Dichte von etwa 1,8 lb/ft3 („pcf”) (0,0288 g/cm3) aufweisen.
  • Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich werden.
  • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • Die vorliegende Erfindung wird ohne Bezug auf anhängende Abbildungen beschrieben.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrophilen, thermisch retikulierten Polyurethan-Schaumstoff mit einer Porengröße, die zum Herstellen eines Filters für geschmolzenes Metall nach Benetzen mit einem Keramikschlicker geeignet ist. Der Polyurethan-Schaumstoff bildet ein Netzwerk oder eine Struktur, die mit einem Schlicker benetzt wird, wie z. B. einem Keramikschlicker, um einen zum Filtrieren von geschmolzenem Metall geeigneten keramischen Filter zu bilden.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform weist der Polyurethan-Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dichte und eine Porengröße auf, bei der der Schaumstoff innerhalb von weniger als etwa fünf (5) Minuten benetzt werden (oder Wasser absorbieren) kann. Bei einer weiteren betrachteten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Polyurethan-Schaumstoff bereit, der innerhalb von weniger als etwa vier (4) Minuten benetzt wird. Bei noch einer weiteren betrachteten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung einen Polyurethan-Schaumstoff, der Wasser innerhalb von weniger als etwa drei (3) Minuten absorbiert. Eine weitere betrachtete Ausführungsform umfasst einen Polyurethan-Schaumstoff, der innerhalb von weniger als etwa zwei (2) Minuten benetzt wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird auch eine Ausführungsform in Betracht gezogen, bei der der Polyurethan-Schaumstoff Wasser in weniger als etwa einer Minute (eine (1) Minute) absorbiert. Höchst speziell wird der Polyurethan-Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb von etwa 38 Sekunden benetzt.
  • Die Benetzbarkeit des Polyurethan-Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtert die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall. Erstens zieht der Polyurethan-Schaumstoff, der benetzbar ist, einen Keramikschlicker auf Wasserbasis leicht in die Poren seiner retikulierten Struktur (oder nimmt ihn auf). Da der Polyurethan-Schaumstoff in einer vergleichsweise kurzen Zeit mit dem Keramikschlicker benetzt werden kann, kann zweitens das Herstellungsverfahren in einem entsprechend kurzen Zeitraum ablaufen, wodurch neben anderen Vorteilen auch die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens verbessert wird.
  • Bei einer betrachteten Ausführungsform wird der hydrophile Polyurethan-Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein thermisches Retikulierungsverfahren hergestellt. Zum Ausführen der vorliegenden Erfindung ist aber ein thermisches Retikulierungsverfahren nicht zwingend erforderlich. Wie dem Fachmann klar ist, kann der Schaumstoff auch durch andere Methoden und Verfahren retikuliert werden.
  • Bei einer Ausführungsform wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff unter Verwendung eines grenzflächenaktiven mittels (beispielsweise eines hydrophilen grenzflächenaktiven Mittels) mit einer Konzentration von etwa 3–20 Gewichtsteilen (oder „pbw”) hergestellt wird. Bei einer betrachteten Variante wird die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels mit einer Konzentration von etwa 3–15 Gewichtsteilen ausgeführt. Ferner kann der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels mit einer Konzentration von etwa 3–10 Gewichtsteilen hergestellt werden. Insbesondere kann der Schaumstoff unter Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels mit einer Konzentration von etwa 4–9 Gewichtsteilen hergestellt werden. Ferner kann der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels mit einer Konzentration von etwa 5–8 Gewichtsteilen hergestellt werden. Schließlich wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung neben anderen Variationen unter Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels mit einer Konzentration von etwa 6–7 Gewichtsteilen, etwa 6 Gewichtsteilen oder etwa 7 Gewichtsteilen hergestellt werden kann. Das grenzflächenaktive Mittel kann bei diesen Beispielen eine Verbindung wie Polyether-modifiziertes Polysiloxan sein. Wie dem Fachmann klar ist, können alternativ auch andere Zusatzstoffe eingesetzt werden, einschließlich verschiedener Typen von grenzflächenaktiven Mitteln.
  • Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „grenzflächenaktives Mittel” in breitem Sinn verwendet. Wie dem Fachmann klar ist, soll er eine breite Bedeutung haben. Um das Verständnis des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu erleichtern wird ein grenzflächenaktives Mittel als Verbindung (oder Gruppe von Verbindungen) definiert, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten oder die Oberflächenspannung zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper senkt. Grenzflächenaktive Mittel können als Detergenzien, Netzmittel, Emulgatoren, Schaumbildner und Dispergierungsmittel wirken. Grenzflächenaktive Mittel sind gewöhnlich amphiphile organische Verbindungen, d. h. sie enthalten sowohl hydrophobe Gruppen (ihre Schwänze) als auch hydrophile Gruppen (ihre Köpfe). Daher enthält ein grenzflächenaktives Mittel sowohl eine wasserunlösliche (oder öllösliche) Komponente als auch eine wasserlösliche Komponente. Grenzflächenaktive Mittel diffundieren in Wasser und adsorbieren an Grenzflächen zwischen Luft und Wasser oder, wenn Wasser mit Öl gemischt ist, an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser. Die unlösliche hydrophobe Gruppe kann aus der Wasser-Hauptphase in die Luft oder in die Ölphase ragen, während die wasserlösliche Kopfgruppe in der Wasserphase bleibt. Diese Ausrichtung von grenzflächenaktiven Mitteln an der Oberfläche modifiziert die Oberflächeneigenschaften von Wasser an der Wasser/Luft- oder Wasser/Öl-Grenzfläche.
  • Hinsichtlich der Verwendung eines grenzflächenaktiven Mittels wird angemerkt, dass bei herkömmlichen Schaumstoffen gewöhnlich 0,5–1,5 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Mittel oder weniger eingesetzt werden. Somit ist klar, dass der Polyurethan-Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Konzentration an grenzflächenaktivem Mittel von 3–20 Gewichtsteilen zwei (2) bis über vierzig (40) Mal mehr grenzflächenaktives Mittel als herkömmliche Schaumstoffe einsetzt.
  • Hinsichtlich der Porengröße weist der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung eine Porengröße von etwa 2–100 ppi (Poren pro Inch) auf. Bei einer weiteren betrachteten Ausführungsform beträgt die Porengröße des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung weniger als etwa 70 ppi. Bei einer Ausführungsform beträgt die Porengröße zwischen etwa 2 und 70 ppi. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt die Porengröße zwischen etwa 2 und 50 ppi. Bei noch einer weiteren Ausführungsform beträgt die Porengröße etwa 5–35 ppi. Ferner kann die Porengröße etwa 10–30 ppi betragen. Bei einer betrachteten Ausführungsform beträgt eine bevorzugte Porengröße etwa 25 ppi.
  • Für den Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte zwischen etwa 1,2 und 3 Pound pro Kubikfoot (lb/ft3) (0,019–0,048 g/cm3) aufweist. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte zwischen etwa 1,4 und 1,9 lb/ft3 (0,022–0,030 g/cm3) aufweist. Ferner kann der Schaumstoff eine Dichte von etwa 1,8 lb/ft3 (0,0288 g/cm3) aufweisen. Dies ist erheblich weniger als bei Schaumstoffen im Stand der Technik, die gewöhnlich eine Dichte von 6 lb/ft3 (0,096 g/cm3) oder mehr aufweisen.
  • In dieser Hinsicht stellt die Dichte der Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung einen messbaren Unterschied gegenüber dem Stand der Technik dar. Insbesondere ist es im Stand der Technik nicht möglich, unter Verwendung eines Präpolymer-Verfahrens Schaumstoffe mit einer so niedrigen Dichte wie bei der vorliegenden Erfindung herzustellen. Wie angemerkt, weisen durch ein Präpolymer-Verfahren hergestellte Schaumstoffe eine Dichte von 6 lb/ft3 (0,096 g/cm3) oder mehr auf, die erheblich größer als die Dichte des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Insbesondere weisen Schaumstoffe im Stand der Technik eine Dichte auf, die doppelt so groß oder noch größer als jene des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • Wie vorstehend angemerkt, wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines als HPH2 bekannten grenzflächenaktiven Mittels (hierin auch als hydrophiles grenzflächenaktives Mittel bezeichnet) hergestellt wird.
  • HPH2 ist ein Polyether-modifiziertes Polysiloxan, das von der Evonik Goldschmidt Corporation mit der Geschäftsadresse 914 East Randolph Road, Hopewell, Virginia 23860, USA, unter dem Handelsnamen Ortegol HPH 2 (hierin als „HPH2” bezeichnet) verkauft wird.
  • Nach der Materialspezifikation für die Verbindung vom 12. Oktober 2011 (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) enthält HPH2 zwei Hauptkomponenten: (1) Poly(oxy-1,2-ethandiyl)-a-methyl-w-[3-[1,3,3,3-tetramethyl-1-[(trimethylsilyl)oxy]disiloxanyl]propoxy] mit einer Konzentration von > 75% und (2) Hexamethyldisiloxan mit einer Konzentration von < 0,1%. HPH2 weist einen Flammpunkt von höher als 200°F (93,33°C) wie gemessen durch das TAG-CC-Verfahren auf. HPH2 ist eine brennbare Flüssigkeit der Klasse IIIB mit einer gelben bis bräunlichen Farbe. HPH2 ist wasserlöslich. HPH2 weist mit 40 g/l in Wasser einen pH-Wert von 4,5–6,8 bei 20°C auf. Für HPH2 werden ein Gewicht pro Volumen von 8,41 lb/gal (1,00774 g/cc) und eine dynamische Viskosität von 11–24 mPA·s bei 25°C angegeben.
  • Die nachstehende Tabelle zeigt drei betrachtete Beispiele der Zusammensetzung des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung, die als „Beispiel 1”, „Beispiel 2” und „Beispiel 3” bezeichnet werden und die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen. Ferner wird ein Vergleich mit einem Schaumstoff im Stand der Technik gegeben. TABELLE
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Vergleichsbeispiel
    2C-76 100 100 100 100
    B8330 1,0 1,0 1,0 1,0
    HPH2 3,0 4,0 5,0 0
    M-75 2,1 2,1 2,1 2,1
    B-16 0,14 0,14 0,14 0,14
    Wasser 3,72 3,72 3,72 3,72
    T-80 26,1 26,1 26,1 26,1
    T-65 26,1 26,1 26,1 26,1
    Dichte (pcf) 1,8 1,8 1,8 1,8
    Porengröße (ppi) 40 40 40 40
    Absorption (sec) 50 38 30 > 7 Stunden
  • Dabei bezeichnen die verwendeten Abkürzungen folgende Materialien: (1) 2C-76: Polyesterpolyol, OHV = 60, von der Chemtura Corporation mit der Geschäftsadresse 199 Benson Road, Middlebury, Connecticut 06749, USA, (2) B8330: herkömmliches grenzflächenaktives Estermittel von Evonik, (3) HPH2: hydrophiles grenzflächenaktives Mittel von (wie vorstehend beschrieben), (4) M-75: (Amin)katalysator von der Huntsman Corporation mit der Geschäftsadresse 10003 Woodloch Forest Drive, The Woodlands, Texas 77380, USA, (5) B-16: (Amin)katalysator von Air Products, Inc. mit der Geschäftsadresse 7201 Hamilton Blvd., Allentown, Pennsylvania 18195-1501, USA und (6) T-80, T-65: Toluoldiisocyanat von der Bayer Corporation mit der Geschäftsadresse 100 Bayer Road, Building 4, Pittsburg, Pennsylvania 15205-9741, USA. Diese Verbindungen dürfen nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend ausgelegt werden.
  • Die in Tabelle 1 angegebenen Anteile sind Gewichtsanteile (d. h. Teile), wenn nicht spezifische Einheiten angegeben werden. In Tabelle 1 ist zu sehen, dass die einzige Variable, die sich in den vier Zusammensetzungen unterscheidet, die Zugabe von HPH2 bei den Beispielen 1 bis 3 ist. HPH2 verringert die Absorptionsrate des Schaumstoffs von einer Zeitspanne von über 7 Stunden auf eine Zeitspanne von weniger als einer Minute. Wie oben angemerkt, beschleunigt eine kürzere Absorptionszeit das Herstellungsverfahren.
  • Zu den Beispielen 1–3 werden folgende zusätzliche Informationen gegeben.
  • C2-76 ist ein Polymerharz, das von der Chemtura Corporation unter dem Produktnamen Fomrez 2C76 verkauft wird (hierin als „C2-76” bezeichnet). Nach dem Materialsicherheitsdatenblatt der Verbindung vom 4. November 2013 (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) mit einem Aktualisierungsdatum vom 30. Juli 2012 ist es ein Polymer mit einem Flammpunkt von über 379°F (193°C).
  • B8330 ist ein Gemisch von Polyether-modifiziertem Polysiloxan und grenzflächenaktiven Mitteln, das von der vorstehend ausgewiesenen Evonik Corporation unter dem Handelsnamen Tegostab B 8330 verkauft wird (hierin als „B8330” bezeichnet). Nach dem Materialsicherheitsdatenblatt für den Stoff (datiert B. Dezember 2006 mit einem Aktualisierungsdatum vom 7. Dezember 2007) (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) ist B8330 eine dunkelbraune Flüssigkeit, die drei Bestandteile enthält: (1) Oxybispropanol mit einer Konzentration von 31,5%, (2) Siloxane und Silicone, Di-Me-, 3-Hydroxypropyl-Me-, Ether mit Polyethylenglycolmono-Me-ether mit einer Konzentration von 19,75% und (3) Destillate, Petroleum, hydrobehandeltes Leichtnaphthen mit einer Konzentration von 8,32–9,36%. B8330 ist eine brennbare Flüssigkeit der Klasse IIIB mit einem Flammpunkt von 207°F (97,22°C). B8330 hat eine Dichte von 0,98–1,02 g/cc bei 77°F (25°C) wie gemessen durch das Verfahren nach DIN 51757. B8330 ist wasserlöslich bei 25°C und weist bei 25°C und 40 g/l einen pH-Wert von 4–7 und bei 25°C eine dynamische Viskosität wie gemessen durch das Verfahren nach DIN 53015 (Höppler) von 100–300 mPa·s auf.
  • Nach einem Produktblatt für das Material (Veröffentlichung Nr. 140-11-078-GLB, 2012) (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) ist der Katalysator B-16, der unter dem Namen Dabco B-16-Katalysator in Verkehr gebracht wird, ein Amin-Katalysator. B-16 ist eine hellgelbe Flüssigkeit mit einer spezifischen Dichte von 0,80 g/cc bei 25°C, einer Viskosität von 9 mPa·s bei 25°C und einem Flammpunkt von 39,5°C.
  • Nach seinem Materialsicherheitsdatenblatt vom 9. November 2009 (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) ist M-75 ein Polyurethan-Katalysator in flüssiger Form, der unter dem Namen Jeffcat M 75 verkauft wird (hierin als „M-75” bezeichnet). M-75 enthält drei Komponenten: (1) N-Butylmorpholin mit einer Konzentration von 60–100%, (2) Diethylenglycolmonobutylether mit einer Konzentration von 13–30% und (3) N,N'-Dimethylpiperazin mit einer Konzentration von 3–10%. M-75 weist einen Flammpunkt von 125,6°F (52°C) auf (geschlossener Tiegel). M-75 weist eine spezifische Dichte von 0,9 und eine kinematische Viskosität von < 0,2 cm2/s (< 20 cSt bei 40°C) auf.
  • Nach einem Produktblatt für das Material (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) ist T-80 ein Material, das von der Bayer Corporation unter der Marke Desmodur T 80 verkauft wird (hierin als „T-80” bezeichnet). T-80 ist ein Gemisch von zwei isomeren Formen, 2,4-Toluoldiisocyanat und 2,6-Toluoldiisocyanat, im Verhältnis von 80:20. Nach dem Produktblatt beträgt der Gehalt an dem 2,4-Isomer 79,5–81,5 Gew.-%. Der Gehalt an hydrolysierbarem Chlor beträgt < 0,01 Gew.-%. Die Acidität beträgt < 0,004 Gew.-%. T-80 ist eine farblose bis blasse Flüssigkeit mit einer Dichte von 1,22 g/cc bei 25°C (DIN 51757) und einer Dichte von etwa 3 mPa·s bei 25°C (DIN 53015). Der Flammpunkt von T-80 beträgt 127°C (DIN 51758).
  • Nach einem Produktblatt für das Material vom 10. Mai 2011 (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) ist T-65 ist ein Material, das von der Bayer Corporation unter der Marke Desmodur T 65 N verkauft wird (hierin als „T-65” bezeichnet). T-65 ist ein Gemisch von zwei isomeren Formen, 2,4-Toluoldiisocyanat und 2,6-Toluoldiisocyanat. Nach dem Produktblatt beträgt der Gehalt an dem 2,4-Isomer 66–68 Gew.-%. Der Gehalt an hydrolysierbarem Chlor beträgt ≤ 100 mg/kg. Die Acidität beträgt ≤ 40 mg/kg. T-65 ist eine farblose bis blasse Flüssigkeit mit einer Dichte von 1,22 g/cc bei 25°C (DIN 51757) und einer Dichte von etwa 3 mPa·s bei 25°C (DIN 53015). Der Flammpunkt von T-65 beträgt 127°C (DIN 51758). Toluoldiisocyanat-Formulierungen sind auch unter anderen Markennamen erhältlich und werden als für die vorliegende Erfindung geeignet angesehen.
  • Das T-65-Material kann alternativ ein von der Bayer Corporation unter dem Markennamen TD-65 verkauftes Material sein. Nach dem Materialsicherheitsdatenblatt des Herstellers vom 19. September 2013 (durch Bezugnahme in Gesamtheit hierin aufgenommen) enthält diese Variante von T-65 60–100 Gew.-% 2,4-Toluoldiisocyanat und 30–40 Gew.-% 2,6-Toluoldiisocyanat. Diese Variante von T-65 ist eine farblose bis hellgelbe Flüssigkeit mit einem Gefrierpunkt von 10°C (50°F), einem Siedepunkt von 251,67–253,89°C (485,01–489°F) bei 1,013 hPa, einem Flammpunkt von 128°C (262,4°F) (DIN 51758), einer Dichte von 1,22 g/cm3 bei 20°C (68°F) (DIN 51757) und einer spezifischen Dichte von 1,22 bei 20°C (68°F).
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt und als Ergänzung zu der vorstehenden Diskussion kann der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung bei manchen betrachteten Ausführungsformen eine Dichte von etwa 1,8 pcf (Pound pro Kubikfoot oder lb/ft3) (0,0288 g/cc oder g/cm3) aufweisen. Ferner wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte aufweisen kann, die innerhalb von ±10% dieser Dichte liegt. Mit anderen Worten wird bei Ausführungsformen des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dichte des Schaumstoffs von etwa 1,6–2,0 pcf (0,0256–0,320 g/cc) in Betracht gezogen. Ferner wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte aufweisen kann, die innerhalb von ±5% von 1,8 pcf (0,0288 g/cc) liegt. In diesen Fällen wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff eine Dichte von etwa 1,7–1,9 pcf (0,0272–0,0304 g/cc) aufweisen wird. Ferner wird in Betracht gezogen, dass die Dichte des Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung um ±2% von etwa 1,8 pcf (0,0288 g/cc) abweichen kann. In diesem Fall wird in Betracht gezogen, dass die Dichte im Bereich von etwa 1,76–1,84 pcf (0,0282–0,0295 g/cc) variieren kann.
  • Wie Tabelle 1 zeigt, wird für den Schaustoff gemäß der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, dass er eine Porengröße von etwa 40 ppi aufweist. Während vorstehend ein größerer Bereich von Porengrößen diskutiert wird, wird in Verbindung mit den in Tabelle 1 gezeigten Varianten betrachtet, dass die Porengröße innerhalb von etwa ±10% dieses Werts liegen oder etwa 35–45 ppi betragen kann. Ferner kann der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung um etwa ±5% von 40 ppi variieren. Somit wird in Betracht gezogen, dass der Schaumstoff gemäß der vorliegenden Erfindung eine Porendichte von etwa 38–42 ppi aufweisen kann. Ferner wird in Betracht gezogen, dass die Porendichte im Bereich von etwa 39–41 ppi variieren kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Hinsichtlich der einzelnen Verbindungen, die in Tabelle 1 aufgezählt werden, wird in Betracht gezogen, dass die Anteile dieser Verbindungen von den aufgeführten Mengen abweichen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird in Betracht gezogen, dass die Anteile jeder dieser Verbindungen in Bereichen von etwa ±10%, ±5%, ±2% oder ±1% von den aufgeführten Anteilen variieren können.
  • Mit diesen Variationen können also die Anteile von 2C-76 im Bereich von etwa 90–110 Gewichtsteile, 95–105 Gewichtsteile, 98–102 Gewichtsteile oder 99–101 Gewichtsteile variieren, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ähnlich kann B8330 im Bereich von etwa 0,9–1,1 Gewichtsteile, 0,95–1,05 Gewichtsteile, 0,98–1,02 Gewichtsteile oder 0,99–1,01 Gewichtsteile variieren und dabei im Umfang der vorliegenden Erfindung bleiben. Ferner können die Anteile von M-75 im Bereich von etwa 1,89–2,31 Gewichtsteile, 2,00–2,21 Gewichtsteile, 2,06–2,14 Gewichtsteile oder 2,08–2,12 Gewichtsteile variieren, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner wird in Betracht gezogen, dass die Anteile an B-16 in den Bereichen von etwa 0,126–0,154, 0,133–0,147, 0,137–0,143 oder 0,139–0,141 Gewichtsteile variieren können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Anteil von Wasser in dem Gemisch kann in Bereichen von etwa 3,348–4,092, 3,534–3,906, 3,646–3,794 oder 3,683–3,757 Gewichtsteile variieren, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Schließlich, und weiterhin mit Bezug auf Tabelle 1, können die Anteile von T-80 und T-65 in den Bereichen von etwa 23,49–28,71, 24,80–27,41, 25,58–26,62 oder 25,84–26,36 Gewichtsteile variieren, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Zum Herstellen des hydrophilen Polyurethan-Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung werden die bei den Beispielen 1–3 aufgeführten Bestandteile in den angegebenen Anteilen oder den angegebenen Bereichen der Anteile gemischt. Der aus den Bestandteilen hergestellte Schaumstoff wird dann thermisch (oder über ein anderes Retikulierungsverfahren) retikuliert, um eine offenzellige Struktur zu bilden.
  • Zum Herstellen einer keramischen Filterstruktur wird der retikulierte Schaumstoff innerhalb der vorstehend genannten Zeiträume mit einem Keramikschlicker benetzt. Nach dem Benetzen mit dem Keramikschlicker wird der Schaumstoff Brennen unterzogen (beispielsweise in einem Brennofen), bis sich der Keramikschlicker in eine feste Keramikstruktur umwandelt und der Schaumstoff abbrennt. Dem Fachmann ist klar, dass die Temperatur und die Dauer des Brennens von mehreren Variablen abhängen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, der Dicke des mit dem Keramikschlicker imprägnierten Schaumstoffs. Nach dem Brennen weist der keramische Filter die retikulierte Struktur des Polyurethan-Schaumstoffs auf und kann auf die zum Filtrieren von geschmolzenem Metall oder anderen geeigneten Flüssigkeiten vorgesehene Weise verwendet werden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend aufgeführten Materialien und Spezifikationen beschränkt ist. Im Gegenteil wird dem Fachmann bei Kenntnis der Beschreibung der vorliegenden Erfindung klar sein, dass es zahlreiche Variationen davon und Äquivalente dazu gibt. Die vorliegende Erfindung soll diese Variationen und Äquivalente umfassen.

Claims (24)

  1. Hydrophiler Polyurethan-Schaumstoff, gebildet aus einer Zusammensetzung umfassend: 90–110 Gewichtsteile Polyesterpolyol; 0,9–1,1 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel; 3–20 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel; 1,89–2,31 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator; 0,126–0,154 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator; 3,348–4,092 Gewichtsteile Wasser; und 46,98–57,42 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat, wobei das Polyurethan fähig ist, Wasser innerhalb eines Zeitraums von etwa 5 Minuten oder weniger zu absorbieren, und wobei der Schaumstoff ein Vorläufermaterial für die Herstellung eines Filters für geschmolzenes Metall ist.
  2. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, umfassend 3–15 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel.
  3. Schaumstoff gemäß Anspruch 2, umfassend 3–10 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel.
  4. Schaumstoff gemäß Anspruch 3, umfassend 4–9 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel.
  5. Schaumstoff gemäß Anspruch 4, umfassend 5–8 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel.
  6. Schaumstoff gemäß Anspruch 5, umfassend 6–7 Gewichtsteile an einem hydrophilen grenzflächenaktiven Mittel.
  7. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei der Schaumstoff retikuliert ist.
  8. Schaumstoff gemäß Anspruch 7, wobei der Schaumstoff thermisch retikuliert ist.
  9. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei das Toluoldiisocyanat wenigstens zwei isomere Formen umfassend 2,4-Toluoldiisocyanat und 2,6-Toluoldiisocyanat enthält.
  10. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, umfassend: 95–105 Gewichtsteile Polyesterpolyol; 0,95–1,05 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel; 2,00–2,21 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator; 0,133–0,147 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator; 3,534–3,906 Gewichtsteile Wasser; und 49,60–54,82 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat.
  11. Schaumstoff gemäß Anspruch 10, umfassend: 98–102 Gewichtsteile Polyesterpolyol; 0,98–1,02 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel; 2,06–2,14 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator; 0,137–0,143 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator; 3,646–3,794 Gewichtsteile Wasser; und 51,16–53,24 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat.
  12. Schaumstoff gemäß Anspruch 11, umfassend: 99–101 Gewichtsteile Polyesterpolyol; 0,99–1,01 Gewichtsteile an grenzflächenaktivem Estermittel; 2,08–2,12 Gewichtsteile an einem Polyurethan-Katalysator; 0,139–0,141 Gewichtsteile an einem Amin-Katalysator; 3,683–3,757 Gewichtsteile Wasser; und 51,68–52,72 Gewichtsteile Toluoldiisocyanat.
  13. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei das hydrophile grenzflächenaktive Mittel Polyether-modifiziertes Polysiloxan umfasst.
  14. Schaumstoff gemäß Anspruch 13, wobei das hydrophile grenzflächenaktive Mittel umfasst: Poly(oxy-1,2-ethandiyl)-a-methyl-w-[3-[1,3,3,3-tetramethyl-1-[(trimethylsilyl)oxy]disiloxanyl]propoxy]; und Hexamethyldisiloxan.
  15. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei der Schaumstoff ein Netzwerk bildet, das Poren mit einer Dichte von etwa 2–100 ppi enthält.
  16. Schaumstoff gemäß Anspruch 15, wobei die Dichte etwa 2–70 ppi beträgt.
  17. Schaumstoff gemäß Anspruch 16, wobei die Dichte etwa 5–35 ppi beträgt.
  18. Schaumstoff gemäß Anspruch 17, wobei die Dichte etwa 10–30 ppi beträgt.
  19. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei der Zeitraum weniger als etwa vier (4) Minuten beträgt.
  20. Schaumstoff gemäß Anspruch 19, wobei der Zeitraum weniger als etwa drei (3) Minuten beträgt.
  21. Schaumstoff gemäß Anspruch 20, wobei der Zeitraum weniger als etwa zwei (2) Minuten beträgt.
  22. Schaumstoff gemäß Anspruch 21, wobei der Zeitraum weniger als etwa eine (1) Minute beträgt.
  23. Schaumstoff gemäß Anspruch 1, wobei der Schaumstoff eine Dichte zwischen etwa 1,2 und 3 lb/ft3 (0,019–0,048 g/cm3) aufweist.
  24. Schaumstoff gemäß Anspruch 23, wobei der Schaumstoff eine Dichte zwischen etwa 1,4 und 1,9 lb/ft3 (0,022–0,030 g/cm3) aufweist.
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