DE2356920A1 - Eine dreidimensionale netzwerkstruktur aufweisende, vernetzte, hydrophile polyurethanschaumprodukte mit verbesserten eigenschaften und verfahren zu deren herstellung - Google Patents
Eine dreidimensionale netzwerkstruktur aufweisende, vernetzte, hydrophile polyurethanschaumprodukte mit verbesserten eigenschaften und verfahren zu deren herstellungInfo
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Description
Grace 294
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Lc. Δι. ii:;re.:Jt
D 8 München ί ff
Lucüe-Grahn-Str. 38, Tel 4? SI
D 8 München ί ff
Lucüe-Grahn-Str. 38, Tel 4? SI
W. R. GRACE & CO., 3 Hanover Square, New York, N. Y. (V. St. A.)
Eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweisende, vernetzte,
hydrophile Polyurethanschaumprodukte mit verbesserten Eigenschaften und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur netzartigen Strukturierung (reticulating) von hydrophilen, vernetzten
Polyurethanschäumen und die hiernach hergestellten Produkte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur netzartigen Strukturierung von hydrophilen Schäumen, die aus einer endständig substituierten
bzw. verschlossenen Polyoxyäthylenpolyol-Reaktionskomponente hergestellt worden sind, die eine definierte durchschnittliche
Reaktionsfunktionalität von mehr als 2 oder - für den Fall der Mitverwendung eines Vernetzungsmittels eine
solche von etwa 2 aufweisen, wobei die Komponente mit großen Mengen einer wäßrigen Reaktionskomponente zur Umsetzung
gebracht wird, und zwar in Gegenwart eines Treibbzw. Blähmittels und eines nicht-ionischen oberflächenaktiven
Mittels.
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Es sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, .um netzartig strukturierte Schaumstoffe herzustellen. So
wird beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 171 820
eine Anzahl von Methoden zur Erzeugung von Schäumen mit netzwerkartiger Struktur beschrieben. Eine der in dieser
Patentschrift offenbarten Methoden besteht darin, einen Polyurethansehaum mit offenzelliger Struktur der hydrolytischen
Einwirkung von Wasser in Gegenwart eines Hydrolysekatalysators zu unterwerfen, der die hydrolytische
Wirkung beschleunigt, bis mindestens im wesentlichen das gesamte mambranöse Polyurethan aus dem Schaum entfernt
ist. Eine andere in der gleichen Patentschrift beschriebene Arbeitsmethode besteht darin, eine eine hohe Temperatur
aufweisende Flammenfront, die durch ein expandierendes Gasgemisch erzeugt worden ist, durch einen membranhai
ti gen, offenzelligen Polyurethansehaum zu führen. Eine andere Methode, die in der erwähnten Patentschrift
gleichfalls beschrieben ist, besteht darin, einen offenzelligen Polyurethansehaum für längere Zeit nieht-katalytischen,
wäßrigen, hydrolytischen Bedingungen bei etwa Raumtemperatur auszusetzen. Gemäß einer noch weiteren Methode,
die in der genannten Patentschrift offenbart ist, wird ein offenzelliger Polyurethanschaum längere Zeit in
Gegenwart von Wasserdampf erhitzt.
In der USA-Patentschrift J 175 025 ist ein Verfahren zur
Herstellung von netzartig strukturiertem Polyurethanmaterial beschrieben, gemäß dem ein brennbares Gemisch aus
einem Oxydatormaterial und einem oxydierbaren Material innerhalb eines Polyurethanmaterials mit Zellstruktur, welches
durch Hitze zerstörbare Membranen aufweist, aufgebaut und das Gemisch dann gezündet wird, um ein netzartig strukturiertes
Gefüge zu erzeugen.
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In der USA-Patentschrift 3 175 030 ist eine Arbeitsmethode
beschrieben, gemäß der ein Polyurethanschaum mit offenzelliger Struktur einem Lichtblitz (light pulse)
von ausreichender Energieintensität ausgesetzt wird, um einen Teil oder die Gesamtheit der Zellmembranen zu entfernen.
Der nach der erfindungsgemäßen Methode hergestellte, netzartig strukturierte Schaum ist durch Zellen charakterisiert,
die zusammengenommen ein Skelett-Gefüge ausmachen, das aus einem Netzwerk von miteinander verbundenen
Plättchen, Bändern oder Strängen gebildet ist.
Während der endständigen Substitution ist es empfehlenswert, daß das Polyisocyanat mit dem Polyol in der Weise
umgesetzt wird, daß das Reaktionsprodukt, das heißt das endständig substituierte Produkt, im wesentlichen
frei von reaktionsfähigen Hydroxygruppen ist, hingegen mehr als zwei reaktionsfähige isocyanat-substituierte
Stellen im Molekül durchschnittlich aufweist. Eine andere Methode zur Erzielung dieses erwünschten Ergebnisses
besteht darin, während des Verschäumens ein Polyisocyanat, welches zwei reaktionsfähige, aktive Isocyanat
-Gruppen im Durchschnitt pro Molekül enthält, in einem Reaktionssystem zur Umsetzung zu bringen, das eine
polyfunktionelle reaktive Komponente aufweist, z.B. eine solche, die 3 bis etwa 6 oder mehr reaktionsfähige Amin-,
Hydroxy-, Thiol- oder Carboxylat-Gruppen im Durchschnitt pro Molekül enthält. Diese letztgenannten Molekülstellen
sind äußerst reaktionsfähig gegenüber den beiden reaktionsfähigen Isocyanat-Bestandteilen.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Polyole sind wasserlösliche Reaktionsprodukte, die aus der in Gegenwart einer
polyfunktionellen Starterverbindung, wie Wasser, Äthylenglykol, Glycerin, Pentaerythrit und Saccharose, durchgeführten
Polymerisation von Äthylenoxyd stammen. Die Molekulargewichte können in einem weiten Bereich variiert werden,
indem man die relativen Verhältnisse des Äthylenoxyd-Monomeren zur Starterverbindung entsprechend einstellt.
Die bevorzugt in Frage kommenden Molekulargewichte liegen in der Größenordnung von etwa 200 bis etwa 20 000,
vorzugsweise zwischen etwa 600 und etwa 6 000, wobei die Hydroxyl-Funktionalität etwa 2 oder mehr beträgt, vorzugsweise
etwa 2 bis etwa 8.
Das Polyoxyäthylenpolyol wird durch Umsetzung mit einem Polyisocyanat endständig substituiert bzw. verschlossen.
Die Umsetzung kann in einer inerten, feuchtigkeits-freien Atmosphäre, z.B. unter einem Stickstoff-Schutzgas, bei
Atmosphärendruck bei einer Temperatur zwischen etwa 00C
und etwa 120 C ca. 20 Stunden lang durchgeführt werden, was im einzelnen von der Temperatur und dem Grad des Rührens
abhängt. Diese Umsetzung kann auch unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, vorausgesetzt, daß
das Produkt nicht einer zu starken Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Zu den für das endständige Verschließen bzw. Substituieren
des Polyoxyäthylenpolyols verwendeten Polyisocyanaten gehören Polyisocyanate und Polyisothiocyanate, die als
"PAPPI-l" bekannt sind (ein Polyaryl-polyisocyanat, wie es
in der USA-Patentschrift 2 68j 7J5O definiert ist), ferner
Tolylendiisocyanat, Triphenylmethan-4,41,4"-triisocyanat,
Benzol-l,3,5-triisocyanat, Toluol-2,4,6-triisocyanat, Diphenyl-2,4,41-triisocyanat, Hexamethylendiisocyanat,
Xyloldiisocyanat, Chlorphenylendiisocyanat, Diphenyl-
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methan-4,4t-diisocyanat, Naphthalin-l^-diisocyanat, Xylolo<
r, oc^-diisothiocyanat, 3,3t-Dimethyl-4,4*-biphenylendiisocyanat,
J,3t-Diniethoxy-4,il-t-biphenylendiisocyanat,
2,2l.r5,5l-Tetramethyl-4,4!-biphenylendiisocyanat, 4,4*-
Methylen-bis-(phenylieocyanat), 4,4'-Sulfonyl-bis-(phenylisocyanat),
4,4'-Methylen-di-o-tolylisocyanat, Äthylendiisocyanat,
Äthylendiisothiocyanat und Trimethylendiisocyanat
und dergleichen mehr. Gewünschtenfalls können auch
Gemische aus irgendeinem oder mehreren der vorangehend angeführten organischen Isothiocyanate oder Isocyanate
verwendet werden. Die aromatischen Diisocyanate und Polyisocyanate oder die Gemische derselben, die sich besonders
gut eignen, sind diejenigen, die als Handelsware leicht erhältlich sind, einen hohen Grad an Reaktionsfähigkeit
aufweisen und verhältnismäßig wohlfeil sind.
Das endständige Substituieren des Polyoxyäthylenpolyols
kann mit stöchiometrischen Mengen der Reaktionskomponenten durchgeführt
werden. Empfehlenswerterweise wird jedoch ein Überschuß an Isocyanat verwendet, um ein vollständiges
Verschließen des Polyols sicherzustellen. Daher kann das Verhältnis der Isocyanatgruppen zu den Hydroxylgruppen,
das bei der endständigen Substituierung eingehalten wird, etwa 1 bis etwa 4 Isocyanatreste auf 1 Hydroxylrest,
vorzugsweise etwa 2 bis etwa J> Isocyanatreste auf
1 Hydroxylrest, als MolVerhältnisse ausgedrückt, betragen.
Falls Wasser die einzige mit den Isocyanatgruppen reaktionsfähige Komponente zur Herbeiführung des Kettenwachstums
während des Verschaumungsprozesses ist, muß das durch Isocyanatgruppen
endständig verschlossene Polyoxyäthylenpolyol-Reaktionsprodukt eine durchschnittliche Isocyanat-Funk-
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-D-
tionalität von über 2 und bis zu etwa 8 oder mehr aufweisen, was von der Zusammensetzung des Polyols
und der des die endständige Substitution bewirkenden Verschlußmittels abhängt. Zweitens, falls das durch
Isocyanat-Gruppen endständig verschlossene Polyoxyathylenpolyol
eine Isocyanat-Funktionalität von nur etwa 2 aufweist, muß das Wasser oder die wäßrige Reaktionskomponente
ein gelöstes oder dispergiertes, mit Isocyanatgruppen reaktionsfähiges Vernetzungsmittel, das
eine effektive Funktionalität von über 2 aufweist, enthalten. In diesem Fall wird das reaktionsfähige Vernetzungsmittel
mit dem endständig verschlossenen Polyoxyathylenpolyol, nachdem die Vermischung erfolgt ist, zur Reaktion
gebracht, und zwar während oder nach der Iriitiierung des Verschäumungsprozesses. Wenn - drittens - das
durch Xsocyanatreste endständig substituierte bzw. verschlossene Polyoxyathylenpolyol eine Isocyanat-Funktionalität
von nur etwa 2 aufweist, dann kann ein das Polyisocyanat vernetztendes Mittel mit einer Isocyanat-Funktionalität
von über 2 darin eingearbeitet werden, ob dieses nun vorgebildet ist oder in situ gebildet wird, und das entstandene
Gemisch wird dann mit Wasser oder einer wäßrigen Reaktionskomponente, die gegebenenfalls ein gelöstes oder
dispergiertes, reaktionsfähiges, isocyanat-reaktives Vernetzungsmittel enthält, umgesetzt, was zu einem vernetzten,
hydrophilen, ein unbegrenztes Netzwerk aufweisenden Polyurethanschaum führt.
Die zellartige Strukturierung der Schäume wird herbeigeführt vermittels Durchführung der Zerschaumungsreaktion
in Gegenwart eines Treib- bzw. Blähmittels und eines nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoffes.
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Es können mehrere verschiedene Arbeitsmethoden zur Herstellung der hydrophilen, endständig substituierten PoIyoxyäthylenpolyole
verwendet werden. Eine geeignete Methode besteht darin, Äthylenoxyd in Gegenwart einer polyfunktionellen,
hydroxylgruppenhaltigen Starter-Komponente, wie Glycerin, Trimethylolpropan oder Trimethyloläthan
u.dgl., zu polymerisieren, was zu Polyoxyäthylentriolen führt. Das. Molekulargewicht dieser so hergestellten polymeren
Triole kann weitgehend variiert^ und zwar je nach der Zahl
der Mole Äthylenoxyd, die für die Umsetzung mit der Starter-Komponente verwendet werden. Starterverbindungen, wie Pentaerythrit
und Saccharose, führen bei der analogen Behandlung mit Äthylenoxyd zu polymeren Polyoxyäthylentetrolen bzw.
-octolen. Abweichend hiervon können Polyole,.die sich für eine endständige Substituierung durch Polyisocyanatreste
eignen, auch aus Diolen, Triolen, Tetrolen, Hexolen und Polycarbonsäuren z.B. gemäß folgenden Reaktionsschema
hergestellt werden:
Reaktion I
COOH
φΟΛΛΛΛΛΛΟΗ
0OH
PEG
ΗΟΛΛΛΛΛΑ/ΌΗ
ΗΟΛΛΛΛΛΑ/ΌΗ
-5 H0O
•COOAMiUVpH
COOH
COOAAAAM)H
Ein technisch gut brauchbares Polyisocyanat kann durch Umsetzung eines Polyols mit überschüssigem Diisocyanat
gemäß folgendem Reaktionsschema hergestellt werden:
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CH2O -
CH
Alle Polyoxyäthylendiole, -triole, -tetrole oder -hexole
können durch Isooyanat-Endgruppen vermittels Umsetzung mit
einer geeigneten Menge eines Polyisocyanate verschlossen werden. Die endständige Substituierungs-Reaktion kann durch
das folgende Reaktionsschema veranschaulicht werdent
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.- (OCH2CH2^2OH + 5 OCN
H
Polyoxyäthylentriol
-NCO —ι
CO
HCO
durch Isooyanafcgruppen endstUndig verschlossenes
PolyoxySthylentriol (durchschnittliche Funktionalität « 3)
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Augenscheinlich kann die genaue Struktur des durch Isocyanat-Endgruppen
verschlossenen Polyoxyäthylenpolyols außerordentlich komplex sein, und die in den oben angeführten
Reaktionsschemen vereinfacht dargestellte Version soll nur dem Zweck dienen, sie im Prinzip zu veranschaulichen.
Darüber hinaus können - gewünschtenfalls - Verschnitte
oder Gemische der verschiedenen Polyole und bzw. oder Polyisocyanate verwendet werden, sofern die durchschnittliche
Isocyanat-Gesamtfunktionalität des fertigen Urethangruppen enthaltenden Reaktionsproduktes größer
als 2 ist.
Eine weitere technisch mögliche Methode zur Herstellung der durch Endgruppen verschlossenen Polyoxyäthylenpolyol-Reaktionsprodukte
mit einer durchschnittlichen Isocyanat-Punktionalität von über. 2 besteht darin, ein Polyoxyäthylenglykol
mit einer reaktiven Funktionalität- im Wert von 2 mit einem molaren Überschuß eines Diisocyanats umzusetzen,
was zu einem durch Isocyanat-Endgruppen verschlossenen
Polyurethanprodukt (A) führt, das eine Isocyanat-Funktionalität von 2 aufweist. Daneben wird ein Polyol, wie
Pentaerythrit, mit einer Reaktionsfunktionalität im Wert von 4 mit einem großen molaren Überschuß eines Diisocyanats
umgesetzt, um ein durch Isocyanat-Endgruppen
verschlossenes Polyurethan-Zwischenprodukt (B) zu bilden, das eine Isocyanat-Funktionalität von 4 aufweist. Durch
Vermischen der beiden auf diese Weise hergestellten und mit Isocyanat-Endgruppen verschlossenen Produkte, d.h. der
Produkte (A) und (B), in wechselnden molaren Mengenverhältnissen gelangt man zu einem Produktgemisch, das eine
durchschnittliche Isocyanat-Funktionalität von über 2 aufweist und das bei Behandlung mit wäßrigen Reaktionskomponenten zu neuen hydrophilen, vernetzten Polyurethan-
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schäumen mit verbesserten Eigenschaften führt, welche
für die vorliegende Erfindung typische Beispiele darstellen. Darüber hinaus können andere monomere, oder
polymere polyisoeyanat-vernetztende Mittel anstelle des Tetraisocyanat-Produktes (B) eingesetzt werden. Tolylen-2,4,6-triisocyanat
mit einer reaktiven Funktionalität von 3 ist ein Beispiel für ein einfaches monomeres Triisocyanat,
das mit Erfolg zur Erreichung des gleichen Zieles, nämlich dem Ziel, dem System eine durchschnittliche
Isocyanat-Funktionalität von über 2 zu verleihen, verwendet werden kann. Ein Beispiel eines polymeren
Triisoeyanats, das analog verwendet werden kann, ist in der Schemagleichung III veranschaulicht.
Eine noch andere, technisch gut brauchbare und unter den Umfang
der Erfindung fallende Methode zur Herstellung der vernetzten, hydrophilen Polyurethanschäume besteht darin,
ein durch Isocyanat-Endgruppen verschlossenes Polyoxyäthylenpolyol-Reaktionsprodukt
mit einer durchschnittlichen Funktionalität von etwa 2 oder mehr, das - wie vorangehend beschrieben - hergestellt worden ist, zu
verwenden. Die Arbeitstechnik, deren man sich bedient, ist von ausschlaggebender Bedeutung für solche Formulierungen,
bei denen die durchschnittliche Isocyanat-Funktionalität nur etwa 2 beträgt, weil in diesen Fällen die
Behandlung mit einer großen Menge Wasser zwecks Zerschäumung nur einen im wesentlichen linearen, löslichen, thermoplastischen
Schaum liefert, der - wenn überhaupt - einen nur recht geringen praktischen oder technischen Gebrauchswert
hat. Ist es daher erwünscht, die Verschäumungsreaktion unter Anwendung dieser letztgenannten Arbeitstechnik
durchzuführen, so wird das verwendete Wasser oder die wäßrige Reaktionskomponente in dem Sinn vorbehandelt,
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daß diese ein polyfunktionelles Vernetzungsmittel enthalten,
welches mit den Isocyanat-Endgruppen des hierdurch
endständig verschlossenen Reaktionsproduktes zu reagieren vermag. Solche Vernetzungsmittel können in dem Wasser
oder der wäßrigen Reaktionskomponente zur Lösung gebracht oder darin dispergiert werden, und sie müssen mit
dem durch die genannten End-Substituenten verschlossenen Reaktionsprodukt verträglich genug sein, um mit den Isocyanatgruppen
in Reaktion treten und so die Ausbildung eines vernetzten, unlöslichen» wärmehärtbaren Netzwerks
herbeiführen zu können, während .1Sr Verschäumungsprozeß
stattfindet. Bei dieser Arbeitsteeiinik ist demzufolge ein
mit Isocyanatgruppen reaktionsfähiges Vernetzungsmittel
in dem Wasser oder der wäßrigen Reaktionskomponente enthalten. Nach dem Vermischen mit den durch Isocyanat-Endgruppen
verschlossenen Polyoxyäthylenpolyol-Reaktionsprodukten setzt eine Vernetzungsreaktion ein, die stattfindet,
während und nachdem die Zerschäumungsstufe in Gang
gekommen ist. Die Anwesenheil; des Vernetzungsmittels in
dem Wasser oder der wäßrigen Reaktionskomponente ist von ausschlaggebender Bedeutung, wenn das durch Isocyanat-Endgruppen
verschlossene Reaktionsprodukt eine Funktionalität von nur etwa 2 aufweist, und sie soll nur als eine
Gegebenenfallsmaßnahme vorgesehen werden, wenn die Funktionalität desselben größer als 2 ist.
Wasserlösliche oder in Wasser dispergierbare Vernetzungsmittel,
die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung in Frage kommen, sollen empfehlenswerterweise polyfunlctionex
und mit Isocyanatgruppen reaktionsfähig sein, und zu inner gehören - ohne daß mit der nachstehenden Aufzählung irgendeine
Beschränkung verbunden sein soll - Materialien, wie Diäthylentriamin3 Triäthylentetramin, Tetraäthylenpentamin,
Polyäthylenimin, Glycerin, Trimethylolpropan., Penta-
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erythrit, Tolylen-2,4,6-triamin, Äthylendiamin, Aminoäthanol,
Triraethylendiamin, Tetramethylendiamin, Pentamethylendiamin,
Hexamethylendiamin, Ethanolamin, Diäthanolamin, Hydrazin, ■ Triäthanolamin, Benzol-1,2,4-tricarbonsäure,
Nitrilotriessigsäure, Citronensäure, 4,4t-Methylen-bis-(o-chloranilin) u.dgl. Die wasserlöslichen
oder in Wasser dispergierbaren Vernetzungsmittel, die ausgewählt werden, sind solche, welche die Bildung
eines vernetzten Netzwerkes herbeizuführen vermögen, und zwar während der Zersehäumungsprozeß einsetzt oder nachdem
er in Gang gekommen ist. Das endständig substituierte bzw. verschlossene Polyoxyäthylenpolyol mit einer Isocyanat-Funktionalität
von über 2, das zur Herstellung verwendet wird3 muß in einer Menge vorhanden sein, die ausreichtj
um die Bildung des dimensionalen Netzwerkes sicherzustellen. So betragen die Mengen des endständig verschlossenen
Polyoxyäthylenpolyols mit einer Isooyanat-Funktionalität von über 2 in der zu verschäumenden Komponente etwa
5 Gewichtsprozent bis zu 100 Gewichtsprozent dieser Komponente.
Es ist so mögliche ein endständig substituiertes Polyoxyäthylenpoiyol, das ein Endglied mit einer Isocyanat-Funktionalität
von 2 aufweist, d.hc ein Diisocyanate mitzuverwenden, und zwar in einer Menge von 0 Gewichtsprozent
bis zu etwa 97 Gewichtsprozent der zu verschäumenden Komponente,, Die Höchstmengen des verwendeten.
Diisocyanate sind begrenzt auf jene Mengen* die erforderlich sind, um zu ermöglichen, daß eine Vernetzung während
des Verschäumens stattfindet, im Gegensatz zur Ausbildung einer linearen, polymeren Struktur, und daß die
Eigenschaften, die in dem fertigen Schaumstoff gewünscht
werden, gewährleistet sind.
Es ist möglich und gelegentlich auch empfehlenswert, den
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Polymerisationsprodukten auf Basis Äthylenoxyd geringe Mengen eines verhältnismäßig hydrophoben Co-Monome.ren einzuverleiben.
So können beispielsweise Propylenoxyd oder Butylenoxyd als Co-Monomere, die zufällige Mischungen
linearer oder verzweigter Mischpolymerisate (random copolymers) oder Block-Mischpolymerisate oder beide Typen
von Mischpolymerisaten liefern, derart einpolymerisiert werden, daß die Mischpolymerisate hydrophil bleiben, dabei
aber andere, für bestimmte Anwendungszwecke erwünschte Eigenschaften, nämlich eine verbesserte Tieftemperatur-Flexibilität,
Kompressionsbeständigkeit, Rückprallelastizität
u.dgl., aufweisen. Es können bis zu etwa 40 Mol-#, empfehlenswerterweise etwa 25 Mol-$ oder weniger, des
verhältnismäßig hydrophoben Co-Monomeren mit dem Äthylenoxyd-Monomeren mischpolymerisiert werden und dennoch hydrophile,
vernetzte Schäume mit Netzwerkstruktur gebildet werden, wenn solche Produkte als Polyol-Zwlschenprodukte
bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Daher soll in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung
der Ausdruck "Polyoxyäthylenpolyol" nicht nur Homopolymerisate des Äthylenoxyds, sondern auch
hydrophile Mischpolymerisate des Äthylenoxyds, wie sie vorangehend
beschrieben sind, umfassen* wobei alle diese. Polyol-Derivate eine Hydroxyl-Funktionalitat von etwa 2 oder
darüber besitzen und einen Äthylenoxydgehalt in der Größen-Ordnung von etwa 60 Mol-$ bis zu etwa 100 Moi-$, vorzugsweise
von über etwa 75 Mol-$, aufweisen.
Um das Verschäumen und die Bildung des Polymerisates mit der vernetzten Netzwerkstruktur zu bewirken, wird die
Komponente, welche das durch Isocyanat-Endgruppen verschlossene Polyoxyäthylenpolyol mit einer Funktionalität
von etwa 2 oder darüber aufweist, einfach mit einer be-
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stimmten wäßrigen Komponente vereinigte Aus Gründen der Vereinfachung wird diese durch Isocyanat-Endgruppen verschlossene
Reaktionskomponente nachfolgend als· Harz-Reaktionskomponente
bzw* Harzkomponente bezeichnet.
Die wäßrige Komponente kann, als Wasser, als eine xfäßrige
Emulsion oder eine wäßrige Lösung* in der wasserlösliche Materialien enthalten sind, vorliegen» Der Bequemlichkeit
halber wird die wäßrige Komponente hinfort als wäßrige Reaktionskomponente bezeichnet.
Im Gegensatz zu den typischen Polyurethan-Bildungsreaktionen, z.B. solchen, bei denen ein Katalysator oder ein ähnlicher
Beschleuniger mitverwendet wird und 1 Mol -MCO mit 1/2 Mol Wasser in Reaktion tritt;, läuft die der Erfindung zugrunde
liegende Reaktion mit einem zwar großen^ aber geregelten Überschuß von Wasser ab.
Verwendet man die erfindungsgemäße Harz-Ret-xtionskomponente
und das Wasser in Mengen von etwa 0,5 Mol H2O/M0I
NCO-Gruppen bis zu etwa 2 Mol HgO/Mol NCG-Gruppen, so
tritt nur ein schwaches Schäumen ein, sofern man nicht Materialien, wie oberflächenaktive Stoff u.dgl., mitverwendet.
Mengen bis zu etwa 2 Mol EUO/Mol NCO-Gruppen
erfordern auch einen Katalysator« Bei Verwendung von etwa 6,5 Mol HgO/Mol NCO-Gruppen bis zu etwa 390 Mol
HgO/Mol NCO-Gruppen entstehen überraschenderweise gute
Schäume, die in ihren charakteristischen Eigenschaften mit den zugesetzten Mol-Mengen Wasser verbessert sind.
Demzufolge soll der verfügbare Wassergehalt in der wäßrigen Reaktionskomponente etwa 6,5 bis etwa 590 Mol
HpO/Mol NCO-Gruppen in der Harz komponente;, empfehlens-·
werterweise etwa 20 bis etwa 200 Mol, auf die gleiche Basis bezogen, betragen.
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Unter dem Ausdruck "verfügbares Wasser" in der wäßrigen Reaktlonskomponente ist dasjenige Wasser zu verstehen,
das für die Umsetzung mit der Harzkomponente zur Verfügung steht, ausschließlich des Wassers, das sich während
der Reaktion abscheiden kann, oder des ergänzenden Wassers, das aufgrund weiterer wasser-absorbierender oder wasserbindender
Komponenten oder Additive benötigt werden kann, die in der wäßrigen Reaktionskomponente vorhanden sind
und diese mit aufbauen.
Die zum Zerschäumen erforderliche Reaktionstemperatur
wird offensichtlich durch die Viskosität der Harzkomponente reguliert. Die Umsetzung kann entweder als eine diskontinuierliche
Umsetzung oder als eine kontinuierliche Reaktion ablaufen. Entweder kann die Harzkomponente in die
wäßrige Komponente gegossen werden oder es können beide gleichzeitig miteinander vereinigt werden, beispielsweise
dann, wenn man sich der Spritz- oder Verdüsungs-Auftragstechnik bedient.
Da in der wäßrigen Reaktionskomponente während der Reaktion große Mengen Wasser vorhanden sein können, d.h.
die vorliegende Erfindung nicht auf einer Reaktion beruht, die ein bestimmtes molares NCO/Wasser-Verhältnis
benötigt, ist es möglich, eine Vielzahl von zusätzlichen Materialien bei der Reaktion zu kombinieren, was andernfalls,
nämlich bei Reaktionssystemen, die mit begrenzten Wassermengen betrieben werden, nicht möglich ist. Es
ist dies ein Vorteil, der es möglich macht, die netzartige Strukturierung herbeizuführen.
Die Treib- bzw. Blähmittel, die bei der erfindungsgemäßen Reaktion zur netzwerkartigen' Strukturierung des Schaumes
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verwendet werden, haben die Aufgabe, Kohlendioxyd oder ein anderes Gas zum Auftreiben bzw. Blähen zu erzeugen
und auch einen Amin-Rest zu liefern, der an der Vernetzungsreaktion teilnimmt und in das endgültige Polymer!satgefüge
gebunden wird. Technisch brauchbare Treibmittel sind Isocyanate, und hierzu gehören Materialien, z.B. Polyarylpolyisooyanate,
wie sie in der USA-Patentschrift 2 683 7J5O definiert sind; Tolylendiisocyanat; Triphenylmethan-4,4f,4"-triisocyanatj
Benzol-l,3,5-triisocyanat, Toluol-2,4,6-triisocyanat;
Diphenyl-2,4,4l-triisoeyanat; Hexamethylendiisocyanatj
XyIoldiisocyanat; Chlorphenylendiisocyanat;
Diphenylmethan-4,41-diisocyanatj Naphthalin-1,5-diisocyanat;
Xylol- (X, <χ*-αϋ so thiocyanate 3,3*-Dimethyl-4,4rbiphenylendiisocyanat;
J,3*-Dimethoxy-4,4*-biphenylendiisocyanat;
2,2*,5,5*-Tetramethyl-4,4*-biphenylendiisocyanat;
4,4I-Methylen-bis-(phenylisocyanat); 4,4*-Sulfonylbis-(phenylisocyanat);
4,4t-Methylen-di-o.-tolylisocyanat; Äthylendiisocyanat; Äthylendiisothiocyanat und Trimethylen- '
diisocyanat. Gewünschtenfalls können auch Gemische aus
irgendeinem oder mehreren der vorangehend angeführten organischen Isothiocyanate oder Isocyanate als Treibmittel
verwendet werden. Die aromatischen Diisocyanate und vorallem die verschiedenen Isomeren des Tolylendiisocyanats
sind besonders gut geeignet, weil sie als Handelsware leicht zugänglich sind, einen hohen Grad an Reaktionsfähigkeit
aufweisen und verhältnismäßig wohlfeil sind. Es können auch Hilfs-Treibmittel, wie Halogenkohlenstoffe, Fluorkohlenstoffe,
Fluorhalogenkohlenstoffe, Pentan und komprimierte Luft mitverwendet werden, ohne daß hierin ein
Abweichen vom Prinzip der erfinderischen Lehre liegt.
Die Menge des Treibmittels vom Isocyanattyp, die bei der
erfindungsgemäßen Reaktion zur netzwerkartigen Strukturierung
verwendet wird, beträgt bis zu 35 Gewichtsprozent des
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Polymerisatharzes, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 20 Gewichtsprozent
desselben.
Das bei der netzwerkartigen Strukturierung (reticulating) des Schaumes mitverwendete oberflächenaktive Mittel gehört
zum Typ der nicht-ionischen Mittel, und es ist in Wasser oder in der Harz-Reaktionskomponente löslich oder
darin dispergierbar. Als Beispiele solcher oberflächenaktiver Mittel sind Kondensationsprodukte aus Äthylenoxyd
und einer hydrophoben Base anzuführen, wie sie durch Kondensieren von Propylenglykol erhalten werden (z. B.
die unter der Bezeichnung 11Pluronic" von der Firma
Wyandotte Chemicals Corp. im Handel vertriebenen oberflächenaktiven Stoffe), oder oxäthylierte geradkettige
Alkohole (z.B. die unter der Bezeichnung "Plurafac" gleichfalls von der Firma Wyandotte Chemicals Corp. im
Handel vertriebenen oberflächenaktiven Stoffe). Darüber hinaus kann man auch chemisch verwandte oberflächenaktive
Mittel anwenden, vorausgesetzt, daß sie in Wasser löslich oder dispergierbar und nicht-ionischer Art sind und dazu
beitragen, die "Fenstermembranen11 (window membranes) des Schaumes zum Zwecke der Herbeiführung der netzartigen
Strukturierung zu entfernen.
Die oberflächenaktiven Mittel können mit der Harzkomponente
vermischt werden, sie werden aber empfehlenswerterweise mit Hilfe der wäßrigen Reaktionskomponente eingearbeitet,
und zwar in Mengen von O,l bis etwa IO Gewichtsprozent
der Harzkomponente, empfehlenswerterweise in Mengen von etwa 0,5 bis etwa 5 Gewichtsprozent der Harzkomponente
.
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Die erf induing sgemäßen Schaummaterialien finden eine ausgedehnte
technische Anwendung und können mit Vorteil zum Filtrieren sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen Anwendung
finden. Die netzartig strukturierten (reticulated) Materialien der vorliegenden Erfindung sind auch für zahlreiche
andere Anwendungszwecke technisch brauchbar, wie z.B. als wärmeisolierende Gewebe, Verbundstoffe, Matten, Polster,
Wandschirme, Schwämme, Treibstofftankfüllstoffe, Kissen, als isolierende, schallschluckende und schützende
Oberflächen. Die erfindungsgemäßen Schäume können demzufolge auch abstreifbare Umhüllungen bilden, um Gegenstände
aller Art bei der Handhabung und beim Versand zu schützen. Weil die erfindungsgemäßen, vernetzten Schaummaterialien
auch leicht sterilisierbar sind, finden sie eine ausgedehnte technische Anwendung für Haushalts- und Industriezwecke
und ebenso für biomedizinische und Zahnbehandlungszwecke .
Obwohl das Verschäumen der erfindungsgemäßen Harzkomponenten
leicht durchgeführt werden kann, so ist doch gleichfalls möglich - wenn auch nicht unbedingt erforderlich zusätzliche
Schaummaterialien für funktioneile Additive, Füllstoffe, Absorbantien, Antioxydahtien, Enzyme, Farbstoffe,
Pigmente und biozide Mittel, wie sie aus der technischen Kunstschwammherstellung bekannt sind, einzuarbeiten.
Die Additive können entweder inert sein und so rein physikalisch im Schaumgefüge festgehalten werden, oder
sie können chemisch reaktiv sein und mit reaktionsfähigen Gruppen in der Harzkomponente in eine chemische Reaktion
treten, und in diesem Fall kann das Additiv im Schaumprodukt chemisch gebunden sein.
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Die folgenden Beispiele sollen die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung eingehender erläutern,
sie aber in keiner Weise einschränken. In allen Fällen bedeuten die Teile Gewichtsteile und die Prozentwerte Gewichtsprozente,
sofern nichts anderes vermerkt ist.
Eine Lösung von 92 g Glycerin, entsprechend 1 Mol, also
3 OH-Äquivalenten, und 1000 g eines Polyoxyäthylenglykols
1000, entsprechend 1 Mol, d.h. 2 OH-Äquivalenten, wurde bei 1000C und 10 Torr 2 Stunden lang entgast. Zu der entgasten
Lösung wurden 870 g, entsprechend 5 Mol, Tolylendiisocyanat
(TDl), das aus einem 80 : 20-Gemisch des 2,4-Isomeren
mit dem 2,6-Isomeren bestand, zugegeben. Die Reaktionslösung wurde 4 Stunden bei 60 C gerührt, und danach
hatte der Isocyanatgehalt einen konstanten Wert von 2,49 mÄq NCO/g erreicht gegenüber einem theoretischen Gehalt
von 2,54 mÄq NCO/g. Das Harzprodukt war von helloranger
Farbe, wies eine Dichte von 1,10 und eine Viskosität (gemessen im Brookfield-Viskosimeter mit der
Spindel Nr. 4) bei 25°C von 13 400 Centipoisen auf. 31,3 Teile des Harzproduktes, entsprechend 50 Mol-$,
hatten ein theoretisches Molekulargewicht von 615 und entsprachen der folgenden Formel (idealisiert):
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CH2-O- CNH
CH - O - C - NH-
CH2 -
O - C - NH
CH,
NCO -WCO
während 68,7 Teile des Harzproduktes, die 50
entsprechen, sich als das Produkt der Formel
entsprechen, sich als das Produkt der Formel
Polyoxyathylenglykol-^ CNH
(Molgewicht 1 000)
erwiesen, weiches ein theoretisches MoBculargewlcht
von 1 348 hatte. Der tatsächliche NCO-Gehalt dieses
Harzproduktes betrug 2,49 mÄq NCO/g gegenüber einem
0983 3/0920
theoretischen Gehalt von 2,5^ raA'q NCO/g.
200 g des so gewonnenen Harzes mit einem NCO-Äquivalent
von 0,51 wurden mit 200 g Wasser, d.h. 11 Mol Wasser, umgesetzt, was einem Verhältnis von Mol HgO/NCO-Gruppen von
22 entsprach. Es wurde ein Schaumprodukt erhalten, das kleine, gleichmäßige offene Zellen aufwies, wie es in
Figur 1 abgebildet ist.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 1 wiederholt mit der Abänderung, daß der Wasserportion ferner 20 g Tolylendiisocyanat
(TDI, bestehend aus einem etwa 80 : 20-Gemisch des 2,4-Isomeren mit dem 2,6-Isomeren) und 2 g "Pluronic
P-75" zugesetzt wurden, welch letzteres ein von der Firma Wyandotte Chemicals Corp. im Handel vertriebenes nichtionisches oberflächenaktives Mittel darstellt, das aus
einem Kondensationsprodukt aus Äthylenoxyd und einer hydrophoben Base besteht, die durch Kondensieren von
Propylenoxyd mit Propylenglykol gebildet worden ist.
Unter den ansonsten gleichen Reaktionsbedingungen wurde
ein netzartig strukturiertes Schaumprodukt gewonnen, das in Figur 2 bildlich dargestellt ist und unter gleichartigen
fotografischen Bedingungen aufgenommen wurde.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 2 wiederholt mit der Abänderung, daß in der Wasser-Komponente mitverwendet
wurden 2 g TDIj 2 g "Pluronic P-75"; 6 g Lampenruß und 2 g "Thancat DD", ein von der Firma Jefferson Chemicals
Co. im Handel vertriebener Amin-Katalysator. Das
gewonnene Produkt wies, wie festgestellt wurde, eine
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netzartige Struktur auf und war als Luftfilter technisch
brauchbar.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 2 wiederholt mit der Abänderung, daß in der'Harzkomponente 9 g TDI mitverwendet
wurden und die Wasserkomponente mit J>0 g feingepulverter
Aktivkohle und 2 g N-Äthylmorpholin versetzt wurde. Das gewonnene Produkt wies eine netzartige Struktur
auf, und es erwies sich dank seines hohen Gehaltes an gleichmäßig dispergierter Aktivkohle als ausgezeichnetes
Abfangmaterial für partikelförmige Stoffe aus Rauchgasen.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 2 wiederholt mit der Abänderung, daß der Wasser-Komponente J>0 g 4,4*-
Methylen-bis-(phenylisocyanat) und 0,02 g Ä'thylviolett-Parbstoff
einverleibt und 3 g "Pluronic L-64", das ist ein von der Firma Wyandotte im Handel vertriebenes oberflächenaktives
Mittel mit einem typischen Molekulargewicht von 29OO, das chemisch im allgemeinen dem Mittel
"Pluronic P-75" entspricht, mitverwendet wurden. Das so gewonnene Produkt wies, wie gefunden wurde, eine netzwerkartige
Struktur auf, die durch ein grobes, abreibendes bzw, abschleifendes Netzwerk gekennzeichnet war. Das erhaltene
Produkt war als Schaumstoffpolster mit Reinigungsund Schmirgelwirkung und als grobes Luftfilter technisch
brauchbar.
Beispiel 6
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 1 wiederholt mit
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 1 wiederholt mit
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der Abänderung, daß ein Harz verwendet wurde, welches durch Umsetzung von 69 g Glycerin, entsprechend 0,75 Mol
und 2,22 OH-A'quivalenten, mit 7^0 g TDI gewonnen worden
war. Der tatsächliche Isocyanatgehalt wurde zu 2,40 mÄq/g
bestimmt gegenüber einem theoretischen Isocyanatgehalt von 2,30 mÄq/g. Die Viskosität des Harzes betrug 8 J500
Centipoisen bei 250C (gemessen in einem Brookfield-Viskosimeter
mit der Spindel Nr. 4). Das gewonnene Schaumprodukt war durch eine netzartige Konfiguration von außerordentlich
starkem hydrophilen Charakter gekennzeichnet.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 6 wiederholt, wobei das nach der darin beschriebenen Arbeitsweise gewonnene
Harz zur Anwendung gelangte. Das so hergestellte Harz wurde mit einer Wasser-Komponente umgesetzt, die 2 g
"Plurafac B26", ein von der Firma Wyandotte Chemicals Corp.
im Handel vertriebenes, nicht-ionisches, oberflächenaktives Mittel vom Typ der oxäthylierten geradkettigen Alkohole,
ferner 2 g TDI, 5,3 g "Thancat DD"-Katalysator und 0,5 g
Phthalocyaninblau-Pigment enthielt. Das gewonnene Produkt
wies eine feine, netzartig strukturierte Schaumkonfiguration
auf und besaß die Fähigkeit, beim Kontakt mit Wasser sofort feucht zu werden. Das Schaumprodukt war für medizinische
Anwendungsζwecke von technischem Gebrauchswert.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 7 wiederholt mit der Abänderung, daß MDI anstelle von TDI verwendet wurde
und außerdem 0,5 g eines Hexachlorophen-Germicides in der Wasser-Komponente mitverwendet wurden. Es wurden die analogen
Schaumprodukte erhalten.
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Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 7 wiederholt mit der Abänderung, daß weiter 20 g Calciumcarbonat
in der Wasser-Komponente mitverwendet wurden. Das Sohaumprodukt war durch eine festere Textur gekennzeichnet
und war von überlegenem Gebrauchswert als Wischtuch.
Es wurde die Arbeitsweise des Beispiels 8 wiederholt mit der Abänderung, daß ein schimmelvernichtendes
(moldicide) Mittel auf Natriumpropionatbasis anstelle des Germicides verwendet wurde. Es entstanden analoge
Produkte.
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Claims (8)
- Patentansprücheί Verfahren zur Herstellung von eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweisenden, vernetzten, hydrophilen Schaumprodukten mit verbesserten Eigenschaften, gemäß dem miteinander umgesetzt werden eine erste Komponente, die aus einem durch Isocyanatgruppen endständig substituierten bzw. verschlossenen Polyoxyäthylenpolyol mit einer Reaktions-Funktionalität von über 2 besteht, mit einer zweiten, aus einer wäßrigen Reaktions-Komponente bestehenden Komponente und - gegebenenfalls - mit einer dritten Komponente, die aus einem Vernetzungsmittel mit einer Funktionalität von über 2 besteht, in welch letzterem Fall die Reäktions-Funktionalität des Polyols gleich etwa 2 sein kann, wobei das Verhältnis der Mole H2O in der zweiten Komponente zu den Molen NCO-Gruppen in der ersten Komponente etwa 6,5 bis etwa 390 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Gewinnung eines Schaumproduktes mit hetzwerkartiger Strukturierung die genannten Komponenten in Gegenwart eines Treibmittels und eines nicht-ionischen, oberflächenaktiven Mittels umgesetzt werden.
- 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyol in der ersten Komponente in einer Menge von etwa 3 Gewichtsprozent bis zu 100 Gewichtsprozent und ein endständig verschlossenes Polyoxyathylenpolyol, das ein Endglied mit einer Isocyanat-Funktionalität von 2 aufweist, darin in einer Menge von 0 bis etwa 97 Gewichtsprozent vorhanden ist.409833/0920
- 3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyoxyäthylenpolyol-Molekülanteil des durch Isocyanatgruppen endstandig verschlossenen Gliedes ein Durchschnittsmolekulargewicht von etwa 200 bis etwa 20 000 und eine Hydroxyl-Funktionalität von etwa.2 bis etwa 8 aufweist.
- 4i Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchschnittsmolekulargewicht des durch Isocyanatgruppen endständig verschlossenen Gliedes sich auf etwa 600 bis 6 000 beläuft.
- 5. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Mole HpO zu den Molen NCO-Gruppen etwa 20 bis etwa 200 beträgt.
- 6. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel aus einem Isocyanatreste enthaltenden Glied besteht.
- 7. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Mittel aus einem Kondensationsprodukt des Äthylenoxyds mit einer hydrophoben Base, die durch Kondensieren von Propylenoxyd mit Propylenglykol gebildet worden ist, besteht.
- 8. Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Komponente ein Vertreter der Stoffgruppe ist, die ihrerseits aus einem Polyol, Polyamin, Polythiol und Polyisocyanat besteht.4098 33/0920Eine Netzwerkstruktur aufweisende, hydrophile,
vernetzte Schaumprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach irgendeinem Verfahren, wie es in den vorangehenden Ansprüchen beansprucht wird, erhalten worden sind und der Abbildung in Figur 2 entsprechen.409833/0920
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