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Verfahren zur Herstellung offenzelliger weichelastischer Schaumstoffe
aus Polyurethanen Die nach dem Isocyanatpolyadditionsverfahren hergestellten Polyurethanschaumstoffe
verfügen über einen größeren Anteil an geschIossenen Zellen. Dies gilt in gleicher
Weise für Polyurethanschaumstoffe, die auf der Grundlage von Polyester wie auch
Polyäther hergestellt werden. Auch die als offen angesehenen Poren weisen zu einem
großen Teil gebrochene Zellwände auf, die noch der strömenden Luft einen relativ
hohen Widerstand entgegensetzen.
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Für viele Anwendungsfälle erschien es erwünscht, diesen Widerstand
gegen die strömende Luft herabzusetzen. Hierzu ist es bereits bekanntgeworden, die
ausreagierten Polyurethanschaumstoffe in einem Alkalibad nachzubehandeln. Nach einer
solchen Badbehandlung wird ein Teil der Zellmembranen, vorzugsweise die gebrochenen
Zellwände, wegen ihrer größeren Angriffsfläche herausgelöst. Durch diese Badbehandlung
jedoch wird auch der Schaumstoff selbst in nicht unerheblichem Umfang angegriffen,
so daß er erweicht.
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Zum gleichen Zweck ist es weiterhin bekannt, durch ein mechanisches
Walken der Schaumstoffe ein Brechen der vergleichsweise dünnen Zellwände zu erreichen
und damit den Widerstand gegen die strömende Luft herabzusetzen. Diese Maßnahmen
erschienen wünschenswert, weil die Federcharakteristik der Polyurethanschaumstoffe
einen sogenannten Plateaueffekt aufweist, d. h. daß bei Beginn der Stauchung zunächst
eine erhebliche Anfangsbelastung aufgewendet werdenmuß und daran anschließend eine
geringe zusätzliche Belastung eine relativ hohe Stauchung des Schaumstoffes bewirkt,
während bei weiterer- Belastung dann wiederum ein weiteres starkes Ansteigen des
Zusammendrückwiderstandes zu beobachten ist.
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Um dieser Eigenschaft von Polyurethanschaumstoffen entgegenzuwirken,
hat man auch bereits versucht, durch mechanische Bearbeitung- des Schaumstoffes,
beispielsweise Anbringung von Wellenschnitten oder doppelten Wellenschnitten, die
zu sogenannten Noppenplatten führen, - die Anfangshärte des Schaumstoffes zu mindern
und damit eine Angleichung der Federkurve an die Linearität zu erzielen. Diese mechånische~Bearbeitung
der Polsterstücke jedoch führt in den stehengebliebenen Teilchen zu einer vorzeitigen
Ermüdung wegen der Schwächung des gesamten Schaumkörpers~ und damit zur Gefahr einer
zu starken bleibenden Verformung bei der Dauerbenutzung; Es ist ferner bekannt,
für die Herstellung von Polyurethanschaumstoffen Abmischungen von - Pol-y-
estern
oder Polyäthern verschieden hohen Molekulargewichts zu verwenden.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß der Anteil an offenen
Zellen wesentlich gesteigert und von einer praktisch vollständigen Offenporigkeit
gesprochen werden kann, wenn- zur Herstellung von im wesentlichen offenzelligen
Polyureth anschaum stoffen nach dem Isocyanatpolyadditionsverfahren aus hochmolekularen
üblichen Polyäthern, niedrigermolekularen Polyglykolen oder hydroxylgruppenhaltigen
Polyestern, Diisocyanaten, Wasser und gegebenenfalls anderen inerten Treibmitteln,
Katalysatoren sowie Schaumstabilisatoren die niedrigermolekularen Polyglykole oder
-Polyester getrennt vom Polyäther dem Reaktionsgemisch. unmittelbar vor der Reaktion
zugeführt werden, bevorzugt in Form einer wäßrigen Lösung in dem für die Verschäumungsreaktion
zugesetzten Wasser.
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Die Steigerung der Offenporigkeit kann also bei gleich aufgebautem
Reaktionsgemisch durch die Wahl des Zeitpunktes der Zugabe. der niedrigermolekularen
Polyglykole oder Polyester erfolgen. Dieses Verhalten der erfindungsgemäß verwendeten,
hinsichtlich ihres Molekulargewichtes von den Ausgangskomponenten sich unterscheidenden
Zusätze war nicht zu erwarten, da letztlich ein Einbau auch dieser Substanzen in
das Polymerisatgerüst stattfindet.
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Es kann angenommen werden, daß die niedriger molekularen Polyglykole
oder .hydroxylgruppenhaltigen Polyester die Reaktionsgeschwindigkeit der Polyurethanbildungsreaktion
- gegenüber der Blähreaktion, die bekanntlich unter Abspaltung von CO2 abläuft,
verlangsamen. Durch die dadurch verringerte Viskosität des Reaktionsgemisches fließt
wahrscheinlich das noch flüssige Reaktionsgemisch aus den Zellmembranen in die bereits-
- Eesteren Stege der
Poren ab, wodurch die Zellmembranen die kritischen
Dicken erreichen und platzen. Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung werden sehr weiche und hochelastische Schaumstoffe erhalten, die bei
der Herstellung von Polsterartikeln, insbesondere Rückenpolstern, Kopfkissen, Steppdecken
usw., die eingangs geschilderten Nachteile der Polyurethanschaumstoffe nicht aufweisen
und damit Kunststoffschaumstoffe auch für Gebiete einsetzbar machen, die ihnen bisher
auf Grund ihrer Eigenschaften weitgehend verschlossen waren.
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Die niedrigmolekularen Polyglykole werden hierbei in einer Konzentration
von 1 bis 25 Gewichtsprozent - bezogen auf die Polyätherkomponente -, vorzugsweise
2 bis 10 Gewichtsprozent, verwendet. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei
Polyäthylenglykole mit einem Molekulargewicht zwischen 100 und 4000, vorzugsweise
1500, erwiesen. Es ist auf diese Weise möglich, Schaumstoffe beliebiger Weichheitsgrade
und voneinander abweichender Federcharakteristik herzustellen.
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Es können auch solche Polyglykole Verwendung finden, die durch Anlagerung
von Äthylenoxyd an Alkylphenole und/oder Fettalkohole erhalten werden Derartige
äthoxylierte Polyglykoläther führen in der Reaktion jedoch teilweise zum Kettenabbruch,
wodurch zwar eine Weichheit des Schaumstoffes im Sinne der Erfindung erreicht wird,
die bleibende Verformung jedoch eine Verschlechterung erfährt.
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Infolgedessen wird man zur Erzielung besonders wertvoller Produkte
den eingangs erwähnten Polyäthylenglykolen den Vorzug geben, die die Herstellung
von vergleichsweise festen, aber weichen und offenzelligen Polyurethanschaumstoffen
gestatten.
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Eine weitere Abstufung des erzielbaren Weichheitsgrades und der Federungseigenschaften
infolge der Offenporigkeit des Schaumstoffes ist erreichbar durch die Verwendung
anderer hydroxylgruppenhaltiger Substanzen an Stelle der erwähnten Polyglykole.
So ist es beispielsweise möglich, niedrigmolekulare Polyester im Sinne der Erfindung
zu verwenden. Hierbei wäre an und für sich eine wesentliche Zunahme der Härte des
erzielten Schaumstoffes zu erwarten, da die Schaumstoffe auf Polyesterisocyanatgrundlage
an sich wesentlich härter sind als Schaumstoffe auf Polyätherisocyanatgrundlage.
obere raschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, daß bei Zusatz von niedrigmolekularen
Polyestern zum Reaktionsgemisch Schaumstoffe erhalten werden, die weicher sind als
Polyätherurethanschaumstoffe und die einen wesentlich größeren Anteil an offenen
Zellen in ihrem Gefüge haben.
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Je nachdem, welcher Art die erfindungsgemäß zugesetzten hydroxylgruppenhaltigen
Komponenten sind, werden die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften
der hergestellten Kunststoffschaumstoffe, verändert. So können mehr oder weniger
feste Schaumstoffe durch die Verwendung von niedrigmolekularen Polyestern, die linear
oder schwach verzweigt aufgebaut sein können, hergestellt werden. Hierzu gehören
insbesondere die Ester der Adipinsäure mit Diäthylenglykol, Butylenglykol sowie
gegebenenfalls auch deren Ester, die unter Mitverwendung von geringen Mengen an
Triolen hergestellt werden, mit einem Molekulargewicht von 800 bis 2500 in einer
Konzentration von 10 bis 120 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hydroxylkomponente
des Reaktionsgemisches.
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Wesentlich ist jedoch dabei, daß die niedrigmolekularen Polyäther
oder Polyester unmittelbar vor der Reaktion, getrennt vom üblichen höhermolekularen
Polyäther, dem Gemisch zugeführt werden.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Ausführungsbeispiel 1 a) Vergleich 100 Gewichtsteile eines Polyäthers
mit einem Molekulargewicht von etwa 3000 und einer Hydroxylzahl von 47 werden mit
0,15 Gewichtsteilen Triäthylendiamin, 4 Gewichtsteilen Wasser, 2 Gewichtsteilen
Stabilisator in Form von wasserlöslichen Silikonölen (Polyoxysiloxan) 0,3 Gewichtsteilen
Zinnoctoat und der erforderlichen Menge Toluylendiisocyanat vermischt und zur Reaktion
gebracht. Man erhält einen offenzelligen, weichelastischen Schaumstoff mit einer
Federcharakteristik, wie im Diagramm der F i g. l, Kurve 1, dargestellt ist. b)
Gemäß Erfindung Die Federcharakteristik von Polyurethanschaumstoffen gemäß der Erfindung,
unter Anwendung von 4 bzw. 10 Gewichtsteilen Polyäthlenglykol mit einem Molekulargewicht
von 1500 unmittelbar vor der Reaktion zugesetzt, ergab sich aus den Kurven 2 bzw.
3 des gleichen Diagramms. Insbesondere die Kurve2 der Fig. 1 zeigt deutlich eine
Angleichung der Federcharakteristik auch bei niedrigen Belastungen an die Linearität.
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Die Kurven 2 und 3 der F i g. 1 sowie die folgenden Kurven 2, 3,
4 und 5 der Fig. 2 wurden bei einer Verfahrensweise erhalten, bei der die niedermolekularen
Polyglykole oder Polyester zusammen mit dem Wasser dem Reaktionsgemisch zugeführt
wurden.
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Ausführungsbeispiel 2 a) Vergleich 50 Gewichtsteile eines Polyäthers
mit einer Hydroxylzahl von 47 und mit einem Molekulargewicht von rund 3500 werden
mit 0,15 Teilen Triäthylendiamin, 4 Teilen Wasser, 2 Teilen Stabilisator in Form
von wasserlöslichen Silikonölen (Polyoxysiloxanen) und 0,2 Gewichtsteilen Zinnoctoat
vermischt und mit der erforderlichen Menge eines Toluylendiisocyanates zur Reaktion
gebracht. Die Federcharakteristik dieses Schaumstoffes ist im Diagramm 2, Kurve
1, dargestellt. b) Gemäß Erfindung Schaumstoffe gleichen Rezeptaufbaues, jedoch
unter Mitverwendung von 15 bzw. 50 Gewichtsteilen eines Polyesters aus Adipinsäure
und Diäthylenglykol mit einer Hydroxylzahl von 40 und einem Molekulargewicht von
etwa 2000, zugesetzt unmittelbar vor der Reaktion. Die entsprechenden Federkurven
ergeben sich aus Kurve 2 bzw. 3 des Diagramms der Fig. 2.
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Ausführungsbeispiel 3 50 Gewichtsteile eines Polyäthers mit einer
Hydroxylzahl von 47 und einem Molekulargewicht von etwa 3500 werden mit 0,15 Teilen
Triäthylendiamin aus einem Reaktionsgemisch, wie in Ausfuhrungsbeispiel
2
dargestellt, mit 15 bzw. 50 Gewichtsteilen eines leicht verzweigten Polyesters aus
Adipinsäure und Diäthlenglykol und einem Molekulargewicht von rund 2000, zugesetzt
unmittelbar vor der Reaktion, vermischt. Die Federkennlinien der mit diesem Reaktionsgemisch
erhaltenen Schaumstoffe ergeben sich aus den Kurven 4 bzw. 5 des Diagramms der Fig.
2.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen, daß durch den Zusatz der erfindungsgemäß
verwendeten Substanzen Schaumstoffe mit neuartigen Federungseigenschaften hergestellt
werden können. Hierbei werden die physikalischen Eigenschaften der Polyurethanschaumstoffe
gegenüber der herkömmlichen nicht oder nur unwesentlich verändert.