DE19960779A1 - Verfahren zur Herstellung von weichen bis halbharten Polyurethanintegralschaumstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von weichen bis halbharten PolyurethanintegralschaumstoffenInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von weichen bis halbharten Polyurethanformkörpern mit verdichteter Randzone mit gegebener Härte und einem deutlich weicheren Zellkern, sogenannten Integralschaumstoffen, bei denen als physikalische Treibmittel nicht brennbare Mischungen aus Fluoralkanen eingesetzt werden, die 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan (R 365mfc) enthalten.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von weichen bis halb
harten Polyurethanformkörpern mit verdichteter Randzone mit gegebener Härte und
einem deutlich weicheren Zellkern, sogenannten Integralschaumstoffen, bei denen als
physikalische Treibmittel nicht brennbare Mischungen aus Fluoralkanen eingesetzt
werden, die 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan (R 365mfc) enthalten.
Zum Aufbau einer verdichteten Randzone mit zelliger Innenstruktur von weichen bis
halbharten Polyurethanformteilen wurde bis zur Kenntnis des ozonschädigenden
Verhaltens nahezu ausschließlich Monofluortrichlormethan (R 11) als Treibmittel
verwendet. Nach Bekanntwerden des ozonschädlichen Verhaltens der chlorierten
Kohlenwasserstoffe hat es nicht an Versuchen gefehlt, andere Arten von Treibmitteln
zur Herstellung von zelligen Polyurethanen einzusetzen.
So wird in EP-A 364 854 ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit einer
verdichteten Randzone und einem zelligen Kern, vorzugsweise Schuhsohlen,
beschrieben aus an sich bekannten Ausgangsstoffen, jedoch unter Verwendung von
niedrig siedenden aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffen
mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen im Molekül. Ein Nachteil dieser Treibgase ist jedoch
ihre Brennbarkeit.
Aus EP-A 381 986 geht die Verwendung von C3-C5-Fluoralkanen als Treibmittel bei
der Herstellung von Polyurethanschaumstoffen hervor, US-A 5 906 999 offenbart die
Herstellung flexibler Integralschaumstoffe unter Verwendung von 1,1,1,3,3-Penta
fluorpropan (R 245fa). Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Herstellung von
Integralschaumstoffen mit diesen Treibmitteln Schäume mit nicht zufriedenstellender
Integralstruktur erhalten werden.
Aufgabe der Erfindung war die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung
flexibler Integralschaumstoffe mit ausgeprägter Integralstruktur, die der von mit
FCKW oder HFCKW getriebenen Produkten gleichwertig ist.
Es wurde nun gefunden, dass bei Verwendung bestimmter Mischungen von Fluor
kohlenwasserstoffen als Treibmittel Integralschaumstoffe erhalten werden können,
die bezüglich Stauchhärte und Oberflächenhärte den R11- bzw. R141 b-getriebenen
sowie den kohlenwasserstoffgetriebenen Systemen ebenbürtig sind. Zudem sind
diese Mischungen nicht brennbar, was einen großen Vorteil für ihre Handhabung und
Verarbeitung bedeutet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von
weichen bis halbharten Polyurethanformkörpern mit einer verdichteten Randzone
und einem weichen, zelligen Kern, bei dem man
- a) organische und/oder modifizierte organische Polyisocyanate und/oder Poly isocyanatprepolymere mit
- b) mindestens einer Polyolkomponente der OH-Zahl 20 bis 200 und einer Funk tionalität von 2 bis 6, bevorzugt 2 bis 3,
- c) gegebenenfalls in Kombination mit einer Polyolkomponente der OH-Zahl 201 bis 599 und einer Funktionalität von 2 bis 3 sowie mit
- d) mindestens einer Kettenverlängerungskomponente der OH- oder Amin-Zahl von 600 bis 1.850 und einer Funktionalität von 2 bis 4 und mit
- e) gegebenenfalls an sich bekannten Zusatzstoffen, Aktivatoren und/oder Stabi lisatoren
in Gegenwart von Wasser und in Gegenwart von 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan und
mindestens ein weiteres Fluoralkan enthaltenden Treibmittelgemischen umsetzt.
Bevorzugt wird 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan (R 365mfc) im Gemisch mit 1,1,1,2-Tetra
fluorethan (R 134a) oder 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R 245fa) eingesetzt. Für das
erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt nicht brennbare Treibmittelmischun
gen eingesetzt. Besonders bevorzugt sind beispielsweise Mischungen von 90 bis
95 mol-% R 365mfc mit 5 bis 10 mol-% R 134a. In einer anderen besonders bevor
zugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Mischungen von 40 bis
60 mol-%, insbesondere 45 bis 55 mol-% R 365mfc mit 40 bis 60 mol-%, insbe
sondere 45 bis 55 mol% R 245fa eingesetzt.
Wie zuvor erwähnt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich als
Treibmittel noch Wasser verwendet. Die Menge an Wasser, die Polyurethan-Formu
lierungen zusätzlich einverleibt wird, beträgt üblicherweise 0,05 bis 0,6 Gew.-Teile,
vorzugsweise 0,1 bis 0,4 Gew.-Teile, bezogen auf 100 Gew.-Teile der Kompo
nente b) und c) (Polyolkomponenten). Die Menge an Fluorkohlenwasserstoffge
mischen beträgt 3 bis 15 Gew.-Teile, bevorzugt 7 bis 15 Gew.-Teile, bezogen auf
100 Gew.-Teile der Komponenten b), c), d) und e) oder b) und d) oder b), c) und d)
oder b), d) und e), je nach der jeweiligen Zusammensetzung der Umsetzungs
produkte.
Als organische Polyisocyanate a) kommen die an sich bekannten aliphatischen,
cycloaliphatischen, araliphatischen und vorzugsweise aromatischen mehrwertigen
Isocyanate in Frage, wie sie beispielsweise in EP-A 364 854 genannt sind. Besonders
geeignet sind die Toluylendiisocyanate und die Diphenylmethandiisocyanate, deren
Modifizierungsprodukte oder ihre entsprechenden Prepolymere, die durch Urethan-,
Harnstoff-, Biuret-, Allophanat-, Carbodiimid- oder Uretdion-Gruppen modifiziert
sein können. Insbesondere werden als aromatische Polyisocyanate genannt: 4,4-
Diphenylmethandiisocyanat, Mischungen aus 2,4'- und/oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
oder Roh-MDI-Typen und/oder 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat
sowie deren Mischungen untereinander.
Als Polyolkomponente b) eignen sich solche mit einer OH-Zahl von 20 bis 200,
bevorzugt 20 bis 50 und einer Funktionalität von von 2 bis 6, bevorzugt 2 bis 3,
wobei entsprechende Polyetherpolyole eine zahlenmittlere Molmasse von 2000 bis
8000 und entsprechende Polyesterpolyole eine zahlenmittlere Molmasse von 2000
bis 4000 aufweisen. Gegebenenfalls können Polyole der OH-Zahl 201 bis 599 und
einer Funktionalität von 2 bis 3 als Polyolkomponente c) mitverwendet werden. Ins
besondere bewährt haben sich Polyole ausgewählt aus der Gruppe Polyether-Polyole
und Polyester-Polyole, wie sie durch Addition von Alkylenoxiden, wie Ethylenoxid
und Propylenoxid, an mehrfunktionellen Starter, wie Ethylenglykol, Propylenglykol,
Glycerin, Trimethylolpropan, Sorbit und/oder Ethylendiamin oder durch Konden
sation von Dicarbonsäuren wie Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Korksäure,
Sebacinsäure, Maleinsäure, Phthalsäure mit überwiegend bifunktionellen Hydroxy
komponenten, wie Ethylenglykol, Propylenglykol, aufgebaut aus Ethylenoxid und
Propylenoxid sowie Glycerin, Trimethylolpropan, Ethyldiamin, Propylenglykol,
Ethylenglykol, Sorbit und deren Gemische aus Starter. Als Polyolkomponente b)
können auch modizifierte Polyole verwendet werden, wie sie durch Pfropfung von
Polyolen mit Styrol und/oder Arylnitril, als Polyharnstoffdispersionen oder als PIPA-
Polyole erhalten werden. Die Polyether- und Polyesterpolyole können sowohl einzeln
als auch im Gemisch untereinander eingesetzt werden.
Als Komponente d) eignen sich besonders solche Kettenverlängerer, deren OH- oder
Aminzahl 600 bis 1850 und deren Funktionalität 2 bis 4, insbesondere 2 bis 3 be
trägt. Beispielhaft zu nennen sind hier Glykole, wie Ethylenglykol, 1,4-Butandiol,
Glycerin, Trimethylolpropan und deren kurzkettige Alkoxylierungsprodukte, sowie
Diethyltoluylendiamin-Isomere. Die Vernetzerkomponente (Kettenverlängerungs
komponente) d) wird in Mengen von 3 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Summe der
Mengen an Polyolkomponente b) und c) (falls vorhanden) verwendet, wobei als
Diole Ethylenglykol und 1,4-Butandiol, sowie als Diamine Diethyltoluylendiamin-
Isomere bevorzugt sind.
Als Komponente e) können die dem Fachmann im Prinzip bekannten Zusatzstoffe,
Aktivatoren und/oder Stabilisatoren eingesetzt werden. Dies sind beispielsweise
tertiäre Aminogruppen enthaltende Verbindungen, wie 1,4-Diazo[2.2.2]bicyclooctan
oder Bis(2-dimethylaminoethyl)ether, Organometallverbindungen wie Dimethylzinn
dilaurat oder Dibutylzinndilaurat, Farbpasten, Vergilbungsschutzmittel, Füllstoffe,
Flammschutzmittel, interne Trennmittel oder Stabilisatoren, wie sie in EP-A 364 854
beschrieben sind.
Die Mengen sind abhängig vom jeweiligen Einsatzebiet und können durch Vorver
suche ermittelt werden.
Die Herstellung der erfindungsgemäße Formkörper ist dem Fachmann ebenfalls be
kannt und braucht im Detail nicht mehr näher beschrieben werden. Verwiesen wird
in diesem Zusammenhang wiederum auf EP-A 364 854.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten weichen bis halbharten
Polyurethanschaumstoffe mit Integralstruktur besitzen in der Regel Shore A-Härten
zwischen 30 und 90 in der Randzone und Stauchhärten zwischen 30 und 350 kPa bei
Rohdichten zwischen 150 und 900 kg/m3.
Besonders vorteilhaft ist bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellten Integralschaumstoffen die Kombination von hohen Oberflächenhärten (in
Shore A) mit niedrigen Stauchhärten der Formkörper, was auf eine ausgeprägte
Integralstruktur hinweist.
Einsatzbereich für die erfindungsgemäßen Formkörper sind z. B. Fahrradsättel,
Sicherheitsventile, die Innenraumausstattung von Kraftfahrzeugen (Armlehnen,
Kopfstützen, Lenkradummantelungen), Motorrad-Sitzbänke, Armlehnen im Büro
möbelbereich sowie Behandlungsstühle im Medizinbereich.
Polyetherpolyol der OHZ 29 mit überwiegend primären OH-Gruppen,
hergestellt durch Addition von 80 Gew.-% Propylenoxid und
20 Gew.-% Ethylenoxid an Propylenglykol als Starter.
Polyetherpolyol der OHZ 28 mit überwiegend primären OH-Gruppen,
hergestellt durch Addition von 80 Gew.-% Propylenoxid und
20 Gew.-% Ethylenoxid an Trimethyolpropan als Starter, zu 20%
gepfropft mit Styrol-Acrylnitril.
Polyetherpolyol der OHZ 35 mit überwiegend primären OH-Gruppen,
hergestellt durch Addition von 87 Gew.-% Propylenoxid und
13 Gew.-% Ethylenoxid an Trimethyolpropan als Starter.
Polyisocyanatprepolymer mit einem Isocyanatgehalt von 28 Gew.-%, hergestellt
durch Umsetzung eines Polyisocyanatgemisches der Diphenylmethanreihe, das durch
Phosgenierung eines Anilin/Formaldehydkondensates erhalten wurde und einen
Isocyanatgehalt von 30 Gew.-% mit 80 Gew.-% Diisocyanatodiphenylmethan, sowie
20 Gew.-% höherkerniger Homologen aufweist, mit einem Polyether der OH-Zahl
500, hergestellt durch Addition von Propylenoxid an Propylenglykol als Starter.
Die nachstehend beschriebenen Rohstoffgemische werden in der für die maschinelle
Verarbeitung der Polyurethane üblichen Weise in eine auf 40°C geheizte Plattenform
der Größe 190 × 155 × 20 mm eingebracht, auf 250 kg/m3 verdichtet, und nach
10 Minuten entformt. Die Temperatur der Rohstoffe beträgt 25°C.
Polyol 1: | 40,0 Gew.-Tle. |
Polyol 2: | 35,0 Gew.-Tle. |
Polyol 3: | 30,0 Gew.-Tle. |
Ethylenglykol: | 9,0 Gew.-Tle. |
Wasser: | 0,1 Gew.-Tle. |
Silikonstabilisator: | 0,3 Gew.-Tle. |
AL=L<(SH 205, Witco Surfactants GmbH, D-36396 Steinau) | |
Aktivator: | 0,35 Gew.-Tle. |
AL=L<(DABCO® 33 LV, Air Products GmbH, D-45527 Hattingen) |
Polyolformulierung A: | 100 Gew.-Tle. |
Isocyanat A: | 48 Gew.-Tle. |
Treibmittel: | siehe Tabelle 1 |
Das Eigenschaftsprofil von Integralschaumstoffen wird im besonderen Maße be
stimmt durch die Oberflächenhärte (gemessen in Shore A) sowie die Stauchhärte.
Vorteilhaft ist eine möglichst hohe Oberflächenhärte (hohe Rohdichte im Rand
bereich) verbunden mit einer im Vergleich zur Gesamtrohdichte gesehen geringen
Stauchhärte. Als Maßzahl für die Bewertung der Integralstruktur kann daher der
Quotient aus Stauchhärte und Oberflächenhärte herangezogen werden. Je kleiner
der Wert dieses Integralstrukturquotienten ist, desto besser ist die Integralstruktur.
Dieser Quotient ist, wie die Beispiele zeigen, stark abhängig von der Wahl des
Treibmittels. Die mit erfindungsgemäßen Treibmittelmischungen (Beispiele 4 und
5) erreichten Integralstrukturquotienten sind erheblich niedriger als bei Einsatz
von R 134a, R 245fa oder R 356mffm und mit denen alkangetriebener Systeme
vergleichbar. Zusätzlich sind die Treibmittelgemische im Gegensatz zu Alkanen
oder reinem R 365mfc nicht brennbar.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von weichen bis halbharten Polyurethankörpern
mit einer verdichteten Randzone und einem weichen, zelligen Kern, bei
dem
- a) organische und/oder modifizierte organische Polyisocyanate und/oder Polyisocyanatprepolymere mit
- b) mindestens einer Polyolkomponente der OH-Zahl 20 bis 200 und einer Funktionalität von 2 bis 6,
- c) gegebenenfalls in Kombination mit einer Polyolkomponente mit einer OH-Zahl von 201 bis 599 und einer Funktionalität von 2 bis 3, sowie
- d) mindestens einer Kettenverlängerungskomponente mit einer OH- oder Amin-Zahl von 600 bis 1.850 einer Funktionalität von 2 bis 4 und
- e) gegebenenfalls an sich bekannten Zusatzstoffen, Aktivatoren und/oder Stabilisatoren
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Treibmittelgemisch 1,1,1,2-Tetra
fluorethan enthält.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Anteil an 1,1,1,2-Tetrafluorethan
im Treibmittelgemisch 5 bis 10 mol-% beträgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Treibmittelgemisch 1,1,1,3,3-
Pentafluorpropan enthält.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der Anteil an 1,1,1,3,3-Pentafluor
propan im Treibmittelgemisch 40 bis 60 mol-% beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem 3 bis 20 Gew.-%
Komponente d), bezogen auf die Summe der Mengen an Polyolkomponente
b) und c), eingesetzt werden.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Komponente d)
Glykole eingesetzt werden.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Komponente d)
Diethyltoluylendiamin-Isomere verwendet werden.
9. Formteile mit einer Rohdichte von 150 bis 900 kg/m3, hergestellt gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Formteile gemäß Anspruch 9 enthaltende Fahrradsättel, Sicherheitsventile,
Armlehnen, Kopfstützen, Lenkradummantelungen, Motorrad-Sitzbänke oder
Behandlungsstühle.
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