DE1804601A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit Fasern verstaerkten Polyurethanschaumes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines mit Fasern verstaerkten Polyurethanschaumes

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Description

»■■■'■ '■■' ΡϋΓ!!!ΙΗ!!!|ρ
Dipl.-Ing. R. Ohmstede τ ν ι γ Stuttgart S
Dipl.-Ing. B. Schmid Palbenhennenstrasse
Anmelder: Centre International pour 1''Economie et la Technologie I.C.E.T,, Rixensart (Belgien)
Verfahren zur Herstellung eines mit Fasern verstärkten Polyurethanschaumes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Fasern verstärkten flachen Produkten aus Polyurethan-Schaum. Unter "flachen Produkten" werden mehr oder weniger dicke und mehr oder weniger biegsame Blätter, Bahnen oder Platten verstanden.
Es ist bekannt, dass die Einbettung verschiedener Fasern, insbesondere Glas- oder Kunstfasern, wie Nylon, in ein Kunststoff- | material die mechanische Widerstandsfähigkeit des Grundstoffes im allgemeinen erhöhen. Eine solche Verbesserung ist besonders bei Polyurethanschäuiiieri vorteilhaft. So verleiht eine entsprechende Menge Fasern dem Polyurethanschaum eine erhöhte Festigkeit, insbesondere eine bessere Tragfähigkeit, verglichen i:dt einem nicht faserverstärkten Polyurethanschaum der gleichen Dichte. Mit anderen V/orten, bei gleicher mechanischer Widerstandsfähigkeit ist der mit Fasern verstärkte Polyurethanschaum leichter als der Polyurethanschaum gleicher Zusammensetzung, jedoch ohne Fasergehalt. Dies ist offensichtlicht für viele Verwendungsarten solcher Schäume von wesentlicher Bedeutung und grossem Vorteil, so beispielsx'/eise bei der Herstellung von Kissenfüllungen, Matratzen sowie Materiali-
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BAD ORIGINAL
en zur Stossdämpfung, wie insbesondere bei Möbeln, Kraftfahrzeugen, im Bauhandwerk usw.. Als mehr oder weniger dünne sowie mehr oder weniger biegsame Blätter oder Bahnen können die verstärkten Polyurethanschäume sehr vorteilhaft als Auf- oder Unterlage oder als Träger von Boden- und Strassendecken verwendet werden. Als Platten sind sie gute Schall- und/oder Wärmeisolatoren in Gebäuden.
Die Einbettung von Fasern in Polyurethanschäume ist auch wirtschaftlich interessant. Die Fasern sind häufig Abfallprodukte in der Textilindustrie oder anderen Branchen und sind erheblich billiger als die zur Herstellung der qualitativ hochwertigen, aber verhältnismässig teuren Polyurethanschäume verwendeten Substanzen. So wird durch Einbringen der Fasern der Gestehungspreis der Schäume gesenkt.
Eines der wesentlichsten Probleme, die beim Einbetten der Fasern auftreten, besteht darin, eine ausreichende Faser-menge homogen im Schaum zu verteilen. Bekanntlich verlaufen die Reaktionen im Inneren des Reaktionsgemisches, die zur Bildung des Schaumes führen, sehr rasch und bewirken eine Erhöhung der das Schäumen oder "Wachsen" des Schaumes begleitenden Viskosität, so dass zum Einbringen einer Substanz oder eines Füllmaterials in das Gemisch nur eine sehr kurze Zeitspanne bleibt. Um eine homogene Einbettung und Verteilung von Fasern im Schaum zu erreichen, wurde daher bereits vorgeschlagen, das Wasser im Reaktionsgernisch durch mindestens eine Substanz zu'ersetzen, die unter Einwirkung von Wärme Wasser freigibt. Dieser Vorgang muss bei einer Temperatur zwischen J>Q C und der Temperatur, die der Stabilitätsgrenze des Polyurethans entspricht, stattfinden. Die Menge der entsprechenden Substanz muss so bemessen sein, dass die zur Schaumbildung zum Schäumen erforderliche Menge V/asser entwickelt wird. Das Reaktionsgemisch wird auf eine Temperatur erwärmt, die zumindest gleich ist der Temperatur, bei der das Wasser frei wird.
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ÖAD ORIGINAL
" ="'" "" !!■" IIIIIIIIIIHIIIII
Demnach kann über die zur Einbettung einer entsprechenden Fasermenge in das Reaktionsgemisch erforderliche Zeit verfügt werden, wenn die Temperatur des Gemisches oberhalb der Temperatur der Freigabe des Wassers gehalten wird.
Zum Freisetzen des Wassers wurden wasserhaltige Metallsalze sowie Alkalimetall-Aluminiumsilikate, wie natürliche oder synthetische Zeolithe, insbesondere die im Handel unter der Bezeichnung "Molekularsiebe" ("tamis moleculaires") bekannten Substanzen, oder auch Kieselsäuregel oder aktiviertes Aluminiumoxyd vorgeschlagen. * J
Die "Molekularsiebe" sind deswegen nachteilig, weil sie vor ihrer Verwendung behandelt werden müssen, um V/asser zu absorbieren, wodurch Zeitverlust und erhöhte Kosten auftreten.
Ausserdem erhöhen manche hydratlslerte Metallsalze, wie Bariumchlorid, die Menge der eingebetteten Füllstoffe im Fertigprodukt und sind verhältnismässig teuer.
Andererseits wird aber von der Fachvielt abgeraten, hydratisierte Natrium- oder Kaliumsalze zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum homogenen Einbetten von Fasern in Polyurethanschäume zu schaffen, bei dem oh- | ne Zeitverlust und mit geringen Kosten gearbeitet werden kann und bei dem das Endprodukt nicht ungünstig beeinflusst wird durch die Zusätze während des Verfahrens.
Es wurde gefunden, dass diese aufgäbe weitgehend durch Zugabe von Borax gelöst vrerden kann. Unter den hydratisieren Natriumsalzen zei^t Borax sehr interessante Eigenschaften, da er in geringen Mengen verwendet werden kann, denn ein Molekül Borax ist in c.er Lage, acht Moleküle V.'asser abzugeben.
Folglich közinen geringe Mengen des Salzes zugegeben werden, um über die erforderlichen Wassermengen zu verfügen. So reichen beispislsvreise 9,J g Borax aus, um 3,3 g VJassei freizusetzen.
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SAO OHIQiNAL
Es wurde jedoch festgestellt, dass Borax im mehrwertigen Alkohol bis zu etwa 1 Gewichts-^, also etwas löslich ist. Beim Lösen verliert der Borax eine gewisse Menge Wasser, die mit dem Isocyanat reagieren :kann, wodurch die Gefahr besteht, dass die Temperatur des Reaktionsgemisches·ansteigt und dabei die Viskosität erhöht und dadurch gegebenenfalls Schaumbildung in Gang gesetzt wird,
Erfindungsgemäss wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, dass Borax zusammen mit einer mineralischen, hygroskopischen, inerten Substanz verwendet wird, die das Wasser fixiert, das durch den im Reaktionsgemisch gelösten Borax freigeworden ist.
Borax und die hygroskopische inerte Substanz werden vorzugsweise in Form von feinen Pulvern verwendet, die vor dem Zugeben in das Reaktionsgemisch miteinander vermengt werden. Als inerte, hygroskopische Substanzen werden Kupfersulfat und Natriumsulfat bevorzugt.
Da ein Molekül dieser beiden Substanzen fünf Moleküle Wasser anlagern können, werden sie im Reaktionsgemisch in einer Menge von mindestens 2 % des Boraxgewichts im Grammolekül verwendet·
Zur Herstellung des Polyurethanschaumes dienen die üblichen Gemische. Diese bestehen aus mindestens einem mehrwertigen Polyäther- oder Polyesteralkohol, mindestens einem organischen Polyisocyanat, mindestens einer Fettsäure des zweiwertigen Zinn, die als Katalysator für die Reaktion des mehrwertigen Alkohols mit dem Polyisocyanat dient, und mindestens einem grenzflächenaktiven Mittel. Wenn das Schäumen erst nach Erwärmen des Gemisches auf eine entsprechend der verwendeten Substanz mehr oder weniger erhöhte Temperatur, die aber stets über d«r Zimmertemperatur liegt, auftritt, ist es möglich, in Abwesenheit des tertiären Amins zu arbeiten, das üblicherweise als Katalysator für die Reaktion des Wassers mit dem Polyisocyanat verwendet wird, die ihrerseits für das Schäumen verantwortlich ist.
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Als Polyätherpolyole werden beispielsweise zweiwertige Alkohole wie Polypropylenglykol oder dreiwertige oder mehrwertige Alkohole, mit mehr als drei funktionellen Hydroxylgruppierungen verwendet, die durch Addition von Propylenoxyd- oder Äthylenoxyd- und Propylenoxydmolekülen an Verbindungen erhalten
werden, die aktive Wasserstoffatome, wie die mehrwertigen Al-■ kohole oder Polyamine, enthalten.
Als Polyesterpolyol eignen sich Reaktionsprodukte aus mindestens einem mehrwertigen Alkohol mit mindestens einer organisehen Polysäure, insbesondere einer mehrwertigen aliphatischen J Säure. Der mehrwertige Alkohol kann ein zweiwertiger Alkohol, wie Äthylenglykol, Propylenglykol, Tr!methylengIykol, Diäthylenglykol, Dipropylenglykol, Butandiol-1,3, Butandiol-1,4 oder ein mehrwertiger Alkohol sein,' der mehr als zwei Hydroxylgruppen aufweist, wie Glycerin, Sorbitol, Pentaerithrit, Inosit u. dgl.
Entsprechende organische Polyisocyanate sind insbesondere 2,4- und 2,6-toluylendiisocyanate, 1,4- und 1,5-naphthylendiisocyanate, 4,4'-diphenylmethandiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat-1,4,4,41,4"-triphenylmethantriisocyanat, Polymethylen-polyphenylisöcyanat, bestehend aus j5 bis 5 Benzolkernen. Es kann auch ein Gemisch dieser Polyiso- I cyanate verwendet werden.
Als Fettsäuren des zweiwertigen Zinn eignet sich beispielsweise Zinnoctoat.
Als grenzflächenaktive Mittel dienen die Silikonöle, die üb-'licherweise bei der Herstellung von biegsamen Polyurethanschäumen verwendet werden.
Die Pasern können mineralischen oder organischen, natürlichen, künstlichen oder synthetischen Ursprungs sein. Es eignen sich Pasern aus Glas, Asbest, Polyamid, wie das unter der Bezeichnung "Nylon 6-6" bekannte Produkt, Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid, Polyolefinen, Viskose, Seide, Wolle oder Baumwolle.
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Diese Fasern können in Form von "Flocken" oder geschnitten verwendet werden, wobei die Länge der Faserteilchen in einem gegebenen Quantum im wesentlichen gleich ist. Es kann auch eine Lage oder ein Vlies aus verschieden langen, verschieden feinen und verschieden gearteten Fasern verwendet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Die Substanzen
Polyäthertriol, Kennziffer OH 46, (bekannt unter dem Warenzeichen
"Niax 14-46") 100 g
Toluylendiisocyanat (bekannt unter
dem Warenzeichen "Nacconate 80") 58,2 g
Silikonöl (bekannt unter der Bezeichnung "SF 1066") 2,6 g
Borax 15,2 g
Kupfersulfat 0,2 g
Zinnoctoat 0,2 g
wurden in einem Rührwerk, das in der Minute zwischen 1.000 und 1.500 Urndrehungen machte, bei Zimmertemperatur innig miteinander gemischt.
Sobald die Masse homogen war, wurde sie auf eine Masse aus Flocken aus Nylonfasern gegossen. Die Länge der Fasern betrug 2 mm und die Dicke etwa 20 Denier und ihre Menge entsprach etwa 40 % des Gesamtgewichts des Reaktionsgemisches und Fasern. Anschliessend wurde die gesamte Masse mechanisch weiter gemischt, um die Fasern vollkommen homogen mit den Reaktionsteilnehrnern zu vermengen. Dann wurde die homogene Masse auf eine mit PoIytetrafluoräthylen (bekannt unter dem Warenzeichen "Teflon") beschichtete Metallplatte gegossen. Der dabei gebildete dünne Belag wurde mit einem biegsamen Polytetrafluorathylenbogen bedeckt. Das Ganze wurde mehrmals zwischen zwei Walzen hindurchgeschickt und nach 2-stUndigem Verweilen in einem Heizofen bei
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90° C wurde eine zusammengesetzte Bann aus Zwischenschicht mit aufgelegten Platten erhalten. Die Bahn war vollkommen homogen, hatte eine Dicke von etwa 12 - 13 'mm.und eine Dichte, die 110 g/l Polyurethanschaum mit den darin regelmässig und gleichmassig verteilten dispergierten Nylonfasern entsprach. Das Erzeugnis hatte erheblich bessere mechanische Eigenschaften als ein nicht mit Pasern verstärkter Polyurethanschaum. Die folgende Tabelle zeigt die erhöhte Festigkeit bzw. verbesserte Tragfähigkeit, die durch die Zugabe von Fasern erreicht wird.
10 Erzeugnis
Tragfähigkeit (in % der Anfangsdicke)
bei , 2
1 kg/onr		 bei ρ
2 kg/cm		 bei ρ
5kg/cm		 bei ρ
10 kg/cm
gemäss Beispiel 1
Polyurethanschaum
der gleichen Dich
te (110 g/l), aber
ohne Fasern		 56
34,3 		•48
28		 24
17,4		 20
13
Beispiel 2
Es wurde das gUeiche Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 verwendet, wobei jedoch als hygroskopisches Mineral Natriumsulfat anstelle von Kupfersulfat zugegeben wurde.
Das Reaktionsgemisch wurde auf eine mit PolytetrafluorEthylen beschichtete Metallplatte aufgestrichen und auf diese viskose Schicht wurden Flocken aus Nylonfasern aufgebracht. Diese Fasern hatten eine Länge von 30 mm und eine Dicke entsprechend 40 Denier und ihre Menge entsprach 40 % des Qesamtgewic*ttes ß des Reaktionsgeaisch.es plus Fasern. Vor dem Aufbringen auf die Schicht aus dem Reaktionsgemisch wurden die Fasern in
einem Behälter durchgewirbelt und so voneinander getrennt, Die Fasern wurden In Form eines "pneumatischen11 Vlieses oder Kissens von gMchtnSssiger Dicke und regelmässiger Dichte ver-
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SAO ORISINAL
teilt und auf das Ganze wurde eine zweite Metallplatte mit · der'mit Polytetrafluoräthylen beschichteten Seite auf die Fasern gelegt. Diese Platte hatte die gleichen Abmessungen wie die Grundplatte (30 χ JO cm). Auf die obere Platte wurde 10 Minuten lang ein Druck von 20 kg ausgeübt. Dann wurde diese Druckbelastung unterbrochen, aber die obere Platte wurde liegen gelassen und das zusammengesetzte Produkt in einen Heizofen gebracht, wo es zwei Stunden lang bei 90 wurde.
C gehalten
Auf diese Weise wurde eine Bahn oder ein Bogen aus einer homogenen Zusammensetzung erhalten, die eine Dicke von 9 - 11 mm und eine Dichte von 185 g/l aufwies. Die folgende Tabelle vergleichet die Tragfestigkeit eines mit Fa§ern verstärkten Polyurethanschaumes mit einem nicht verstärkten Polyurethanschaum der gleichen Dichte.
Erzeugnis Tragfähigkeit (in % bei ρ
2 kg/cm		 der Anfangsdicke) 10 kg/cm2
bei 0
1 kg/cm		 64,5
30,5		 p
5 kg/cm		 37,8
16
_H
gemäss Beispiel 2
Polyurethanschaum
der gleichen Dichte
(I85 g/l) ohne Fa
sern		 77,8
40		 48,8
20
Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, wobei jedoch anstelle eines Vlieses aus Nylonfasern ein solches aus Viskosefasern
von 15 Denier und einem Gewicht von 150 g/m verwendet wurde. Das Reaktionsgemisch wurde auf eine Doppelschicht des Vlieses ausgebreitet.
Es wurde eine homogene Bahn oder ein homogener Bogen von einer Dichte von 125 g/l erhalten, das 29 Gewichtsprozent Fasern • enthielt, die vollkommen regeürässig im Fertigprodukt verteilt
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waren. Die folgende Tabelle zeigt die bessere Tragfähigkeit eines faserverstärkten Polyurethansohaumes gegenüber einem Polyurethan der gleichen Dichte, aber ohne Pasern.
Erzeugnis Tragfähigkeit (in % der Anfangsdicke) bei 2
2 kg/cm		 bei ρ
5 kg/cm		 bei ρ
10 kg/cm
bei 2
1 kg/cm		 50
28,5		 30
18		 20
13,5
gemäss Beispiel 3
Polyurethanschaum
der gleichen Dich
te (125 g/l) ohne
Fasern		 60
35,5
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Produkte sind nicht nur durch eine vollkommen gleichmässige Verteilung der Pasern in der gesamten Schaummasse gekennzeichnet, sondern auch durch eine vollkommene Homogenität der gesamten Zusammensetzung.
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Claims (5)

- ίο -
1. Verfahren zur Herstellung eines mit Pasern verstärkten Poly-. urethanschaumes, bei dem Fasern mit einem Reaktionsgemisch vermengt werden, das mindestens einen mehrwertigen Alkohol und ein schäumfähiges Polyisocyanat enthält^, die Reaktion in Gegenwart einer Substanz durchgeführt wird, die fähig ist, unter Wärmeeinwirkung V/asser in einer Menge in Freiheit zu setzen, die zum Aufschäumen ausreicht, und bei dem auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen derjenigen liegt, die zur Freisetzung des Wassers erforderlich ist und derjenigen, die der Stabilitätsgrenze des Polyurethans entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsgemisch Borax in Form eines hydratisieren Salzes sowie eine mineralische, hygroskopische inerte Substanz zugegeben wird, die fähig ist, das von dem Im Reaktionsgemisch gelösten Borax in Freiheit gesetzte Wasser zu binden, bis zu\ Temperatur des Gemisches auf oberhalb über die Temperatur zur Freisetzung des Wassers aus dem hydratisieren Salz erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als hygroskopisches, inertes Mineral Kupfersulfat oder Natriumsulfat verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfersulfat oder .das Natriumsulfat mindestens in einer Menge von etwa 2 % des Gewichtes des Borax im Grammolekül verwendet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis ~3, dadurch gekennzeichnet, dass die hygroskopische, inerte, mineralische Substanz mit dem Borax vermischt wird, bevor dieser in das Reaktionsgemisch eingebracht wird.
909826/1346 «ADORmNAL
5. Iolyurethanschaum,der entsprechend dem Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 4 mit Pasern verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von bis zu etwa 40 % Fasern vollkommen regelmässig im Schaum verteilt sind und der ein vollkommen homogenes Produkt bildet.
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