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Polyurethan-Kompositionen, sowie deren Herstellung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Polyurethan-Kompositionen aus
Diphenyläther-Phenol-Harzen und Polyis ocyanaten. Sie betrifft insbesondere Polyurethan-Schäume
aus synthetischen Diphenyläther-Phenol-Harzen und Polyisocyanaten.
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Es wurde gefunden, daß Polyurethan-Kompositionen, welc'ne ganz oder
teilweise aus Diphenyläther-Phenol-Harzen hergestellt wurden, die mindestens zwei
aktive Wasserstoff-haltige Gruppen (nach der Zerewitinoff-Methode bestimmt) enthalten,
welche mit einem organischen Polyisocyanat umgesetzt werden, nicht nur verbesserte
physikalische Eigenschaften besitzen; vielmehr hat das Phenol-Diphenyläther-Harz
auch eine überraschende Wirkung, indem es die Kompositionen flammfest, feuerabweisend,
selbstauslöschend und praktisch nicht-brennend macht.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Diphenyläther-Phencl-Harze sind polynucleare
Verbindungen, die man durch Umsetzung eines chlormethylierten Diphenyläthers der
Formel
in welcher n eine Zahl von 0 bis 1 bedeutet1 mit einem Phenol erhält, das mindestens
ein Wasserstoffatom in o- oder p-Stellung hat; und der allgemeinen Formel
entspricht, wobei R Wasserstoff, Chlor, Brom, einen C,yclohexyl-Phenyl- oder Alkyl-Rest
mit 1-12 Kohlenstoffatomen bedeutet.
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Geeignete Phenole sind Phenol oder ein o- oder p-unsubstituiertes
Derivat desselben, wie Kresol, Xylenol, Resorcin, Chlor phenol, Bromphenol, Isopropylphenol,
tert.-Butyl-Phenol, Octylphenol, Nonyl-Phenol und Dodecylphenol. Das Phenol wird
mit dem chlor-methylierten Diphenyläther in an sich bekannter Weise bei Temperaturen
zwischen 60 und 2000C umgesetzt.
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Die Diphenyläther-Phenol-Harze haben ein Molekulargewicht zwischen
450 und 1500; sie enthalten 6-10 Gew.- phenolische Hydroxylgruppen.
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Die Diphenyläther-Phenol-Harze sind schmelzbare, in Lösungsmitteln
lösliche Feststoffe. Sie können - wie bereits erwähnt -ganz oder teilweise als die
Hydroxyl-haltige organische Verbindung verwendet werden, die mit einem organischen
Polyisocyanat umgesetzt wird, wobei man Polyurethan-Kompositionen mit verbesserten
physikalischen Eigenschaften sowie selbstauslöschecden Eigenschaften erhält.
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Man kann die Diphenyläther-PIienol-Harze als einzige Hyoroxylhaltige
Verbindung verwenden oder sie im Gemisch mit Polyätherpolyolen einsetzen, wie z.B.
den Addukten aus ein oder mehr Alkylenoxiden mit 2-4 Kohlenstoffatomen (Äthylenoxid,
Propylenoxid, Butylenoxid) mit Glykolen, Glycerin, 1,2,4-Butantriol, 1,2,6-Hexantriol,
Trimethylolpropan, Pentaerythrit,Saccharose, Hexose, Sorbit, oder mit Polyolen,
welche Addukte dieser Alkylenoxide mit Novolac-Harzen sind (z.B. Novolac-Polyole),
wobei die Polyole Hydroxylzahlen im Bereich von 30-1200 haben. Die Novolac-Harze
können auch mit Polyestern vermischt sein, welche Hydroxylgruppen enthalten, die
mit organischen Polyisocyanaten unter Bildung von Polyesterharz-Polyurethan-Kompositionen
reagieren können. In allen Gemischen wird das Diphenyläther-Phenol-Harz vorzugsweise
in einer solchen Menge eingesetzt, daß es mindestens 50 % der gesamten reaktiven
Hydroxylgruppen im Gemisch liefert.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan-Kompositionen kann
man jedes organische Aryl-Polyisocyanat verwenden. Das Isccyanat kann zwei oder
mehr Isocyanat-Reste enthalten. Auch lasse sich Mischungen von Aryl-Polyisocyanaten
einsetzen.
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Die verwendete organische Polyisocyanat-Verbindung kane auch Reaktionsprodukte
enthalten, die durch Umsetzung eines molarc-n Überschusses von einem oder mehr Polyisocyanaten
mit der Polyhydroxy-Verbindung unter Isocyanat-Terminierung entstanden sind.
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Es sei erwähnt, daß die Polyurethan-Schäume, die man aus einem Gemisch
der Diphenyläther-Phenol-Harze Unçl der oben erwähnten Harze anderer Polyole mit
polymeren Isocyanaten (z.B. Polymethylen-Polyphenyl-Isocyanat (PAPI)) erhält, eine
bessere Flammfestigkeit und selbstauslöschende Eigenschaften haben als Schäume,
die mit nicht-polymeren Isocyanaten (z.B. Tolylen-diisocyanat) unter ähng lichen
Bedingungen hergestellt wurden. Die aus Diphenyläther-Phenol-Harzen und polymeren
Polyisocyanaten hergestellten Polyurethan-Schäume sind eine bevorzugte Klasse der
erfindungsgemäßen Produkte.
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Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan-Schäume können
die Mengenverhältnisse der Polyisocyanat-Verbindungen und der Diphenyläther-Phenol-ñarze
Dz, der Harze und :Polyole oder anderen Verbindungen mit aktiven Wasserstoffatomen
in weiten Grenzen variiert werden; üblicherweise verwendet man sie in Mengen, die
0,9-2,0, vorzugsweise 1,0 bis 1,2 NCO-Gruppen pro aktivem Wasserstoffatom in der
Mischung entsprechen. Man kann Wasser und überschüssiges Polyisocyanat zusetzen,
um. Gas zu bilden, welches die Reaktionsmasse unter Schaumbildung expandiert.
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Jedoch werden die Polyurethan-Schäume vorzugsweise unter Verwendung
eines gegeb-enenfalls halogenierten aliphatischen Kohlenwasserstoffs als Bläh- oder
Schaum-Mittel hergestellt, der unterhalb 1100C siedet, z.B. Dichlor-difluormethan,
Trichlor-fluormethan, Hexan, Hexen, Heptan, Petroläther oder Pentan.
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Üblicherweise verwendet man einen Überschuß der theoretisch zur Umsetzung
mit den in der Summe der Reaktionsteilnehmer und im Wasser des Reaktionsgemischs
vorhandenen Wasserstoffatome erforderlichen Menge der Polyisocyanate; bevorzugt
iss eine Menge, welche 1,0-1,2 NCO-Gruppen für jede Hydroxylgruppe und jedes aktive
Wasserstoffatom in den ausgangsmaterialien entspricht.
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Die Polyurethan-Schäume können durch ein Präpolymeren-Verfahren im
Einstufen-Verfahren oder nach einer chargenweisen Technik in
an
sich bekannter Weise hergestellt werden. Die Produkte sind steife oder halb-steife
Schäume urid haben geschlossene oder offene Zellen; üblicherweise bestehen sie vorwiegend
aus geschlossenen Zellen und enthalten nur eine geringe Menge von offenen oder miteinander
verbundenen Zellen.
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Die Umsetzung des Diphenyläther-Phenol-Harzes bzw. eines Gemischs
dieses Harzes mit ein oder mehr Polyolen oder Polyestern und des Polyisocyanats
erfolgt nach den üblichen Urethan-Herstellungsverfahren. Hierbei kann man einen
Katalysator, oft vorteilhaft mehrere Katalysatoren verwenden, æ.B. Amin-Katalysatoren,
Metallsalze einer organischen Säure, ferner %ell-regulierende Mittel sowie die üblichen
geeigneten Schäum-Mittel.
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Geeignete Katalysatoren sind z.B. Natriumacetat; Amin-Eatalysatoren,
wie Tetramethylendiamin (TMDA), Tetramethyl-guanidin (TMG), Triäthylamin (EA), 1,1,3,3-Tetramethyl-butan-diamin
(TMBA), etramethyl-äthylendiamin (TMEDA), Triäthylen-diamin ("DABCO"), Dimethyl-äthanolamin,
N-Athyl-morpholin und N-Äthyl-piperidin; Zinnester oder Zinnsalze, wie Zinnoleat,
Zinnoctoat und Dibutylzinn-dilaurat. Mischungen oder Kombinationen von zwei oder
mehr Katalysatoren können ebenfalls verwendet werden.
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Man setzt die Katalysatoren in einer Menge von 0,01-5 X (bezogen
auf das Gesamtgewicht der ursprünglich benutzten Polyole) ein.
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Geeignete Oberflachen-aktive Mittel oder Emulgiermittel sind z.B.
Polypropylenglykole mit einem Molekulargewicht zwischen 2000 und 8000, flüssige
Silicon-Glykol-Copolymere mit einer Viskosität von 350-5.500 Centistokes bei 2500C,
und Polysiloxan-Polyoxyalkylen-Block-Copolymere.
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In den folgenden Beispielen ist die Erfindung näher erläutert.
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Beispiel 1 Nan stellt ein modifiziertes Diphenyläther-Phenol-Harz
her, indem man 400 g (4,26 Mol) Phenol mit 233 g (0,386 kuivalente CH2Cl/Mol des
Phenols) einer Mischung aus 68,5 Gew.-% 4,4'-Bis-(chlormethyl)-diphenyloxid, 17,7
Gew.-% 2,4'-Bis-(chlormethyl)-diphenyloxid, 11,2 Gew.-% 2,4,4'-Tris-(chlormethyl)-diphenyloxid,
2,35 Gew.-f 4-Chlormethyl-diphenyloxid und 0,25 % 2-Chlormethyl-diphenyloxid etwa
2 Stunden bei 95-100°C umsetzt. Das übrschüssige Phenol wird bei 175-180°C/2 mm
Hg aus dem Diphenylather-Polyol-Harz entfernt. Das Produkt enthält 9,02 % Hydroxylgruppen
und hat ein Molekulargewicht von etwa 480.
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Man stellt einen Polyurethan-Schaum aus dem wie oben beschrieben
hergestellten Diphenyläther-Phenol-Harz und einem Polyisocyanat her, wobei die folgende
Rezeptur benutzt wird: Bestandteile Gew.-% Diphenyläther-Phenol-Harz 44,6 Polymethylen-Polyphenyl-Isocyanat
(Kaiser NCO-2- #) + 30,4 Silicon-oberflächenaktives Mittel 1,5 Triäthylphosphat
11,25 Trichlor-fluormethan 15,0 Natriumacetat (Katalysator) 2,5 + Das Kaiser NC0-20-Polyisocyanat
hat eine Funktionalität von 2,6, ein N0-Äquivalentgewicht von 132-135 und enthält
31-32 Gew.-% NC0.
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Die Bestandteile werden unter Verwendung eines Waring-Mischers etwa
10 Sekunden vermischt. Dann gießt man das Gemisch in eine Papierform, damit sich
der Schaum bilden kann. Das Schaum-Produkt besteht aus gleichmäßigen feinen Zellen,
von denen 95 % miteinander verbundene oder offene Zellen sind. Der Schaum hat eine
Dichte von 36 g/Liter und ist nach dem ASTM-D1692-59T-Test selbstauslöschend.
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Beispiel 2 Um zu zeigen, daß die einzigartigen feuerauslöschenden
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kompositionen nicht auf ein zugesetztes feuerhemmendes
Mittel zurückzuführen sind, stellt man zwei Urethan-Schäume in gleicher Weise her,
wobei jedocn der Schaut Nr. 1 Triäthylphosphat (ein bekanntes feuerhemmendes Mittel)
als Verdünnungsmittel für das mit Diphenyloxid modifizierte Novolac-Harz (welches
als Polyol verwendet wird) enthält, während man beim Schaum Nr. 2 als Verdünnungsmittel
Dimethylformamid benutzt, welches nicht als feuerhemmendes Additiv bekannt ist.
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Die Schäume werden hergestellt, indem man alle Bestandteile außer
dem Isocyanat miteinander vermischt und dann das Gemisch mit dem Isocyanat versetzt.
Die auf diese Weise erhaltene Mischung wird nun in einen offenen Behälter gegossen,
so daß sie sich frei erheben kann. Die Zusammensetzung der Schäume ist wie folgt:
Schaum Nr. 1 Schaum Nr. 2 PAPI-Isocyanat¹ 2 427 g 427 g Diphenyloxid-modifiziertes
Novolac2 373 g 373 g Siliconöl 8 g 8 g Chlor-trifluormethan 160 g 160 Triäthylphosphat
100 g Dimethylformamid - 80 g Tetramethyl-butylendiamin 2,0 g 2,25 g 1 PAPI ist
ein Polymethylen-polyphenylisocyanat mit einer durch schnittlichen Isocyanat-Funktionalität
von etwa 2,6 und einem Isocyanat-Äquivalentgewicht von 134.
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2 Das Diphenyloxid-modifizierte Novolac-Harz wird gemäß Beispiel 1
hergestellt.
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Die Eigenschaften der oben hergestellten Urethan-Schäume sind.
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wie folgt:
Schaum Nr. 1 Schaum Nr. 2 Dichte (g/Liter)
33 31 Kompressions-Ausbeute 2,4 kg/cm² 2,1 kg/cm² @ 7,1 @ 5,6 Deflektion
Deflektion ASTM 1692-67T-Brenntest S.E., 0,6 in. S.E., 1,1 in in 60 sec. in 60 sec.
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Büro of Mines-Durchbrenntest Nr. 6366 > 30 min. >30 min.
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"K"-Faktor Original 0,111 0,111 "K"-Faktor nach 10 Tagen trockener
Alterung bei 60°C 0,147 0,138 Abrieb ASTMC-421-61 (% Gewichtsverlust) 1,9 <1,0
Die obigen Daten zeigen, daß die einzigartigen Schaum-Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Schäume nicht auf den Zusatz eines bekannten f euerhemmenden Mittels zurückzuführen
sind.
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B e i s p i e l 3 Um zu zeigen, daß die einzigartigen feuerhemmenden
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaum-Kompositionen nicht von den verwendeten
Isocyanaten abhängen, stellt man 3 Schäume in gleicher Weise her, wobei jedoch beim
Schaum Nr. 1 das erfindungsgemäße Polyol verwendet wird, während man beim Schaum
Nr. 2 ein 3,5-funktionales Novolac-Harz einsetzt, das mit 1 Nol Propylenoxid pro
Hydroxylgruppe oxyalkyliert ist, wobei das NCO-OH-Verhältnis mit dem des Schaums
Nr. 1 identisch ist; der Schaum Nr. 3 enthält das gleiche Polyol wie Schaum Nr.
2, jedoch ist das Gewichtsverhältnis von Polyol und Isocyanat wie beim Schaum ITr.
1 Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Schäume sind wie folgt:
Schaum
Nr.
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Zusammensetzung 1 2 3 Polyol (g/OH-äquiv.) 373/2.19¹ 438.7/2.58²
373/2.19² Isocyanat, PAPI #3 g/NCO-äquivalent 427/3.17 361.3/269 427/3.17 Silicon-Öl
(g) 8 8 8 Triäthylphosphat (g) 100,0 100,0 100,0 Tetramethylbutandiamin 2,0 2,0
2,0 Chlortrifluormethan 160,0 160,0 160,0 Physikalische Eigenschaften Dichte (g/Liter)
33 30 26 Kompressionsausbeute (kg/cm2) 2,4 1,5 1,3 "K"-Faktor, Original 0,111 0,127
0,141 Abrieb (% Gewichtsverlust) 1,9 4.0 3,3 Feuerhemmung, ASTM D-1692-67- S.E.,
S.E., Brenntest 0,6 in. 0,45 in. 0,35 in.
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in 60 sec. in 60 sec. in 60 sec.
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Feuerhemmung, Büro of Mines-Flammendurchdringungstest Nr. 6366 >30
min. 15 sec. 20 sec.
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1 Diphenyloxid-modifiziertes Novolac wie im Beispiel 2, Molekulargewicht
etwa 480, % OH etwa 9,02.
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2 Reaktionsprodukt aus einem 3,5-funktionalen Novolac-Polyol mit
1 Mol Propylenoxid pro OH-Gruppe; Oh-Äquivalentgewicht 170.
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3 PAPI = Polymethylen-polyphenylisocyanat mit einer durchschnittlichen
Isocyanat-Funktionalität von etwa 2,6, Isocyanat-Äquivalent-Gewicht 134.