DE2503148C2 - - Google Patents

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Description

Es ist bekannt, Polyurethanschaumstoffe dadurch herzustellen, daß man unter schaumbildenden Bedingungen ein organisches Polyisocyanat mit einer hydroxylgruppenhaltigen Verbindung umsetzt; die Umsetzung rfolgt gewöhnlich in Anwesenheit von Katalysatoren, Schaumstabilisatoren und Weichmachern.
Die US-PS 35 91 532 beschreibt zellulare Polyurethanelastomere mit einem NAF-Wert von 2,15 und einem RGC-Wert von 9,62 (siehe Beispiel 4, Material I). Diese Materialien werden aus Methylen- bis-(phenylisocyanat) und einem Polyesterdiol, einem Polyalkadienpolyol mit einer Funktionalität von wenigstens zwei oder einem Polyetherdiol sowie gegebenenfalls einem Härter unter Verwendung von herkömmlichen Schäumverfahren hergestellt. Diese Schaumstoffe zeichnen sich durch hohe Biegefestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen dauerhafte Verformung, hohe Verschleißfestigkeit, geringes Wasseraufnahmevermögen, hohe Reißfestigkeit und hohe Hitzebeständigkeit aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, Polyurethanschaumstoffe mit einem anderen Spektrum von Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, die sie insbesondere wertvoll für die Wärmeisolierung von Behältern machen, die zur Aufbewahrung oder zum Transport von kalten verflüssigten Gasen dienen. Ein solcher Schaum muß bei kryogenen Temperaturen eine hohe Dimensionsstabilität und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie Spring- und Reißfestigkeit, gute Haftfähigkeit an anderen Materialien und erhöhte Duktilität unter Dauerbelastung haben.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen mit verbesserten Wärmeisolierungseigenschaften durch Umsetzen einer organischen Polyisocyanatkomponente mit einer Hydroxylkomponente, wobei der mit NAF bezeichnete Quotient aus der Summe der Äquivalente aller vorhandenen, aktive Wasserstoffatome enthaltenden Verbindungen, die mit einem organischen Polyisocyanat reagieren können, und der Summe der Mole dieser aktive Wasserstoffatome enthaltenden Verbindungen im Bereich von 1,8 bis 2,7 liegt, und der mit RGC bezeichnete Quotient aus der mit 1000 multiplizierten Summe dieser Äquivalente und der Gesamtmenge in Gramm aller Komponenten des Reaktionsgemisches, ausschließlich flüssiger, niedrig siedender Treibmittel und organischem Polyisocyanat, im Bereich von 6 bis 11 liegt, in Gegenwart eines flüssigen, niedrig siedenden Treibmittels, gegebenenfalls Wasser, Katalysatoren, Zellstabilisatoren, Weichmachern und/oder Entflammungsverzögerern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daduch gekennzeichnet, daß man als Hydroxylkomponente entweder ein Gemisch verwendet, das aus (a) 20 bis 70 Gew.-% eines Diols mit einem Molekulargewicht von höchstens 250, außer einem Polyetherdiol oder Aminodiol, (b) 30 bis 80 Gew.-% eines Polyetherdiols mit einem Molekulargewicht von mindestens 500 und (c) bis 20 Gew.-% eines Aminoalkohols mit drei aktiven Wasserstoffatomen besteht, wobei sich die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht von (a) und (b) beziehen, oder ein Gemisch verwendet, das aus (1) 3 bis 35 Gew.-% eines Diols mit einem Molekulargewicht von höchstens 250, außer einem Polyetherdiol oder Aminodiol, (2) 2 bis 75 Gew.-% eines Polyetherdiols mit einem Molekulargewicht von mindestens 500, (3) 0 bis 12 Gew.-% eines Aminoalkohols mit drei aktiven Wasserstoffatomen und (4) 20 bis 70 Gew.-% eines Polyethertriols mit einem Molekulargewicht von mindestens 200, wobei sich die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht von (1), (2) und (4) beziehen, besteht.
Im folgenden werden einige hier gebrauchte Abkürzungen näher erläutert:
NAF ("number average functionality of the reaction mixture excluding organic polyisocyanates") ist definiert als Summe aller Äquivalente der bzw. jeder aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindung bei allen Komponenten, welche zur Bildung des Reaktionsgemisches verwendet werden, geteilt durch die Summe der Mol dieser aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindungen. RGC ("reactive group content of the reaction mixture excluding organic polyisocyanates") wird ausgedrückt in Milliäquivalent je Gramm und ist definiert als Summe aller Äquivalente des oder jeder aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindung bei allen Komponenten, die zur Bildung des Reaktionsgemisches verwendet werden, multipliziert mit 1000 und geteilt durch die Gesamtmenge in Gramm aller Komponenten mit Ausnahme des Gewichtes eines anwesenden flüssigen, niedrig siedenden Treibmittels und von organischem Polyisocyanat, welche das Reaktionsgemisch bilden.
Die Hydroxylkomponente umfaßt vorzugsweise zwei bis fünf Hydroxylverbindungen.
Der Polyurethanschaumstoff wird vorzugsweise gebildet mit Hilfe des Einstufen-Verfahrens, obgleich man selbstverständlich auch ein Vorpolymerverfahren anwenden kann. Im letzteren Fall müssen dann sowohl die zur Herstellung der Vorpolymerisate verwendeten Komponenten wie diejenigen, die mit den Vorpolymerisaten weiter zur Herstellung des Schaumes umgesetzt werden, in Betracht gezogen werden, wenn man die Werte für NAF und RGC berechnet. In der vorliegenden Beschreibung wird von dem Einstufen-Verfahren ausgegangen, falls nicht anders angegeben.
Vorzugsweise beträgt der NAF-Wert 2,0 bis 2,6 und der RGC-Wert 6,5 bis 10.
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanschaumstoffe sich von den auf übliche Weise hergestellten durch ein unterschiedliches Gleichgewicht ihrer Eigenschaften unterscheiden. Die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanschaumstoffe können auf den verschiedensten Gebieten angewendet werden, sind jedoch besonders wertvoll zur Wärmeisolation, zum Beispiel zur Innenisolation von Behältern, die zur Aufbewahrung und bzw. oder zum Transport von kalten Flüssigkeiten, zum Beispiel von verflüssigten Gasen, bei kryogenen Temperaturen verwendet werden.
Bekanntlich können Behälter dadurch isoliert werden, daß man die Innenseite der starren Umhüllung mit Polyurethanschaumstoff auskleidet. Verflüssigte Gase, die in solchen Behältern bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert oder transportiert werden sollen, z. B. flüssiges Methan oder Erdgas, befinden sich bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von etwa minus 160°C (113°K), und es besteht daher die Gefahr, daß sich in der Auskleidung aus Polyurethanschaum Risse bilden, durch welche verflüssigtes Gas hindurchdringt und so die starre Umhüllung erreicht. Da diese normalerweise aus Stahl besteht, der bei den niederen Temperaturen der flüssigen Gase seine Duktilität verliert, muß die Unterkühlung der starren Außenhaut mit allen Mitteln verhindert werden.
Die Erfindung umfaßt daher auch die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanschaumstoffe zur Auskleidung von Behältern, in denen flüssige Gase, insbesondere Methan oder Erdgas, aufbewahrt oder transportiert werden sollen; solche Behälter sind z. B. auch Schiffstanks.
Sollen die Polyurethanschaumstoffe für diesen Zweck verwendet werden, so vermeidet man am besten eine Kombination eines niedrigen NAF-Wertes mit einem niedrigen RGC-Wert, z. B. eines NAF-Wertes von weniger al 2 in Kombination mit einem RGC-Wert von weniger als 8. Wenn demnach der NAF-Wert im Bereich von 1,8 bis 2,0 liegt, so wählt man vorzugsweise einen RGC-Wert im Bereich von 8 bis 11, und umgekehrt liegt, falls der RGC-Wert im Bereich von 6 bis 8 liegt, der NAF-Wert vorzugswiese im Bereich von 2 bis 2,7.
Es hat sich gezeigt, daß das Gleichgewicht zwischen Dimensionsstabilität in Kombination mit mechanischen, besonders statischen und dynamischen Eigenschaften, insbesondere bei niedriger Temperatur, bei den erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanschaumstoffen wesentlich besser ist als bei den üblichen Polyurethanschaumstoffen mit vergleichbarer Dichte, die auf bekannte Weise hergestellt sind.
Die Hydroxylkomponenten können dem Reaktionsgemisch getrennt oder vorzugsweise nach vorherigem Vermischen zugefügt werden.
Die zur Verwendung bei der Herstellung der Polyurethanschaumstoffe verwandte Hydroxylkomponente umfaßt in einer ersten Ausführungsform das folgende Gemisch von Hydroxylverbindungen:
  • (a) Ein Diol, außer einem Polyetherdiol oder einem Aminodiol, mit einem Molekulargewicht von höchstens 250, vorzugsweise von weniger als 150, z. B. Dipropylenglykol;
  • (b) ein Polyetherdiol mit einem Molekulargewicht von mindestens 500, vorzugsweise von 750 bis 1350, z. B. ein Polypropylenglykol mit einem Molekulargewicht von etwa 1050, und
  • (c) einen Aminoalkohol mit drei aktiven Wasserstoffatomen, z. B. Diisopropanolamin oder Diäthanolamin,
worin der Anteil von (a) 20 bis 70 Gew.-%, der Anteil (b) 30 bis 80 Gew.-% und der Anteil (c) 0 bis 12 Gew.-%, insbesondere 1,0 bis 12 Gew.-%, beträgt. Wasser kann ebenfalls anwesend sein, vorzugsweise in einer Menge von 0 bis 2 Gew.-% und insbesondere von 0,01 bis 1,5 Gew.-%, wobei sämtliche Prozentsätze berechnet sind auf das Gesamtgewicht von (a) und (b). In erster Ausführungsform kann die Hydroxylkomponente außer den Katalysatoren, Stabilisatoren, Weichmachern und/oder Mitteln zur Verzögerung des Entflammens enthalten.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfaßt die Hydroxylkomponente außer den vorstehend unter (a), (b) und (c) beschriebenen Hydroxylverbindungen als weiteren Bestandteil
  • (d) ein Polyethertriol mit einem Molekulargewicht von mindestens 200, vorzugsweise 200 bis 400, z. B. ein Addukt aus Glycerin und Propylenoxid mit einem Molekulargewicht von etwa 300,
worin der Anteil (a) bis 35 Gew.-%, der Anteil (b) 2 bis 75 Gew.-%, der Anteil (c) 0 bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 12 Gew.-%, und der Anteil (d) 20 bis 70 Gew.-% beträgt. Das Gemisch kann ebenfalls Wasser in einer Menge von 0 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise von 0,01 bis 1,5 Gew.-% enthalten, wobei sämtliche Prozentsätze berecht auf das Gesamtgewicht von (a), (b) und (d) sind. Auch in ihrer zweiten Ausführungsform kann die Hydroxylkomponente Katalysatoren, Stabilisatoren, Weichmacher und/oder Mittel zur Verzögerung des Entflammens enthalten.
Geeignete Polyether können hergestellt werden durch Umsetzung eines difunktionellen Initiators mit Propylenoxid und/oder Ethylenoxid. Bevorzugte Hydroxylverbindungen sind Diole, außer Polyetherdiole und Aminodiole, mit einem Molekulargewicht von höchstens 150, z. B. Dipropylenglykol; Polyetherdiole mit einem Molekulargewicht von 750 bis 1250, z. B. Polypropylenglykol mit einem Molekulargewicht von etwa 1050; Polyethertriole mit einem Molekulargewicht von 200 bis 400, z. B. ein Glyzerin/ Propylenoxid-Addukt mit einem Molekulargewicht von etwa 300; und Aminoalkohole mit 3 aktiven Wasserstoffatomen, z. B. Diisopropanolamin und Diethanolamin.
Das Reaktionsgemisch kann auch kleine Anteile an Wasser enthalten. Da man Wasser als zwei Atome aktiven Wasserstoff enthaltend ansehen kann, muß es in Betracht gezogen werden, wenn man den NAF- und den RGC-Wert berechnet. Das Reaktionsgemisch kann auch eine oder mehrere Katalysatoren enthalten, die die Reaktion zwischen den Verbindungen mit aktivem Wasserstoff und der Polyisocyanatkomponente beschleunigen. Die Katalysatoren können selbst reaktionsfähig sein, d. h., sie können ein oder mehrere Atome aktiven Wasserstoff enthalten oder sie können nicht in die Reaktion eintreten. Ist ein Katalysator reaktionsfähig, so muß er berücksichtigt werden, wenn man die erwähnten NAF- und RGC-Werte bestimmt. Ist er nicht reaktionsfähig, so muß er nur berücksichtigt werden bei der Bestimmung des RGC-Wertes. Geeignete Katalysatoren sind u. a. Triethylamin, Dimethylcyclohexylamin, Tetramethylguanidin, Dibutylzinndilaurat, N-Dimethylaminoethanol, Triethylendiamin und Pentamethyldiethylentriamin sowie Gemische aus diesen. Besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus Pentamethyldiethylentriamin und Dibutylzinndilaurat.
Das Reaktionsgemisch kann außerdem einen Zellenstabilisator, wie ein handelsübliches oberflächenaktives Silikonöl, enthalten. Gegebenenfalls haben solche Silikonöle aktive Wasserstoffatome, haben jedoch, selbst wenn dies der Fall ist, nur einen geirngen Einfluß auf den NAF-Wert. Der Anteil an Silikonöl liegt gewöhnlich im Bereich von 0,05 bis 2,0 Gew.-%, berechnet auf das Gewicht der zur Bildung des Reaktionsgemisches verwendeten Hydroxylverbindungen.
Außerdem kann das Reaktionsgemisch noch Weichmacher und/oder Entflammungsverzögerer, wie Trichlorethylphosphat, enthalten, und zwar in Mengen von 10 bis 30 Gew.-%, berechnet auf das Gewicht an anwesenden Hydroxylverbindungen, sowie Stabilisatoren, wie Alloocimen, die von den für das Reaktionsgemisch verwendeten Hydroxylverbindungen freie Radikale abhalten. Diejenigen unter den genannten Verbindungen, die keine aktiven Wasserstoffatome aufweisen, können entweder mit den Hydroxylverbindungen oder mit der Polyisocyanatkomponente vermischt werden, können aber auch getrennt dem Reaktionsgemisch zugefügt werden. Im allgemeinen werden alle Komponenten, die aktive Wasserstoffatome enthalten, mit der bzw. den Hydroxylverbindungen vorgemischt, obwohl man sie, falls notwendig, auch getrennt dem Reaktionsgemisch zufügen könnte.
Die zur Herstellung der Polyurethanschaumstoffe vorzugsweise zu verwendende organische Polyisocyanatkomponente ist rohes Diphenylmethandiisocyanat, jedoch können auch andere Polyaryl- und Monoarylpolyisocyanate verwendet werden. Beispiele für Monoarylpolyisocyanate sind Toluol- 2,4-diisocyanat und Toluol-2,6-diisocyanat und Gemische daraus, z. B. im Verhältnis 80 : 20 oder 65 : 35 Gew.-Teile. Das bevorzugte rohe Diphenylmethandiisocyanat wird hergestellt durch Phosgenierung von rohem Diphenylmethandiamin. Rohres Diphenylmethandiisocyanat stellt gewöhnlich ein Gemisch aus Diphenyl-4,4′-diisocyanat, Diphenyl-2,4′- diisocyanat und verwandten Polyisocyanaten von höherem Molekulargewicht und höherer Funktionalität, wie Tri- und Tetraisocyanaten, dar. Verwendet man rohes Diphenylmethandiisocyanat als organische Polyisocyanatkomponente, so erhält man die besten Resultate mit NAF-Werten im Bereich von 1,8 bis 2,7 und RGC-Werten im Bereich von 6 bis 11.
Die Menge an organischem Polyisocyanat kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Vorzugsweise verwendet man solche Mengen, daß der Isocyanatindex 95 bis 130 und insbesondere 100 bis 125 beträgt.
Die Bedingungen zur Schaumbildung, die zur Erzeugung der Polyurethanschaumstoffe bevorzugt sind, werden dadurch erreicht, daß man in die Hydroxylkomponente und/oder in die organische Polyisocyanatkomponente ein flüssiges, niedrig siedendes Treibmittel einarbeitet oder dieses getrennt dem Reaktionsgemisch zusetzt.
Es soll den Komponenten gegenüber praktisch inert sein und durch die bei der Polyurethanbildung auftretende Wärme verdampft werden. Geeignete inerte Treibmittel sind Dichlordifluormethan, Trichlorfluormethan, Methylenchlorid, Pentane und Hexane, worunter Trichlorfluormethan bevorzugt ist. Wasser kann ebenfalls verwendet werden. Vorzugsweise stellt man die Anteilsmengen an Treibmittel und anderen Komponenten derart ein, daß die Polyurethanschaumstoffe eine Dichte im Bereich von 30 bis 140 kg/m³ bei 20°C aufweisen. Sind die Polyurethanschaumstoffe jedoch hohen statischen und/oder dynamsichen Drücken unterworfen, so beträgt ihre Dichte vorzugsweise mindestens 60 kg/m³, wobei die obere Grenze für die Dichte bestimmt ist durch den gewünschten Wärmeübertragungskoeffizienten des Polyurethanschaumstoffes und die Wirtschaftlichkeit des verwendeten Systems.
Die aus den Polyurethanschaumstoffen hergestellte Auskleidung, die gewöhnlich "starr" ist, kann hergestellt werden durch Aufsprühen des Reaktionsgemisches auf die Innenfläche der starren Außenhülle, die z. B. aus Stahl besteht, wobei dann die Hydroxylkomponente vorzugsweise einen Aminoalkohol, wie Diisopropanolamin oder Diethanolamin enthält. Die Auskleidung kann in einzelnen Schichten, z. B. 20 bis 40 Schichten, aufgebaut werden, so daß man eine Gesamtdicke von 20 bis 30 cm erhält. Wenn die Auskleidung richtig erzeugt wird, so haften die Schichten fest aneinander, und die Zugfestigkeit der Region zwischen den Schichten entspricht der inneren Zugfähigkeit des Schaumstoffes. Eine geeignete Vorrichtung zum Aufsprühen des Reaktionsgemisches ist beschriebenin der GB-PS 13 00 352.
Die Auskleidung kann zwei Schichten aus Polyurethanschaum mit verschiedener Dichte umfassen. Eine derartige Struktur ist beschrieben in der GB-PS 11 73 424.
Die Auskleidung kann, z. B. im Innern, mit einer Verstärkung aus Glasfaser und einem Epoxyharz versehen sein. Eine derartige Struktur ist beschrieben in der GB-PS 14 53 297.
Unter gewissen Umständen kann es zweckmäßig sein, für die verschiedenen Schichten verschiedene Ansätze zu verwenden, z. B. einen Ansatz zum Aufsprühen von Schaum auf Schaum und einen anderen zum Aufsprühen des Schaumes auf die Stahlfläche oder auf die Verstärkung.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Durch Aufsprühen eines Reaktionsgemisches aus den in Tabelle I beschriebenen Bestandteilen wurde ein Substrat mit einem starren Polyurethanschaum beschichtet. Es wurden neun verschiedene Versuche durchgeführt, bei denen der Schaumstoff jeweils eine etwas abweichende Zusammensetzung hatte.
Die Auskleidung wurde aus einzelnen Schichten aufgebaut, bis eine Mindestdicke von 20 cm (etwa 20 Schichten) erreicht war. Die Eigenschaften der Schaumstoffe 1 bis 9 sind in Tabelle II wiedergegeben.
Beispiel 2
Die Innenfläche der starren Außenhülle eines Behälters zur Aufbewahrung und zum Transport von verflüssigten Gasen wurde mit starrem Polyurethanschaumstoff ausgekleidet, indem man sie mit einem der Reaktionsgemische 1 bis 9 besprühte, deren Bestandteile in Tabelle I aufgeführt sind.
Tabelle I
Tabelle II

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen mit verbesserten Wärmeisolierungseigenschaften durch Umsetzen einer organischen Polyisocyanatkomponente mit einer Hydroxylkomponente, wobei der mit NAF bezeichnete Quotient aus der Summe der Äquivalente aller vorhandenen, aktive Wasserstoffatome enthaltenden Verbindungen, die mit einem organischen Polyisocyanat reagieren können, und der Summe der Mole dieser aktive Wasserstoffatome enthaltenden Verbindungen im Bereich von 1,8 bis 2,7 liegt, und der mit RGC bezeichnete Quotient aus der mit 1000 multiplizierten Summe dieser Äquivalente und der Gesamtmenge in Gramm aller Komponenten des Reaktionsgemisches, ausschließlich flüssiger, niedrig siedender Treibmittel und organischem Polyisocyanat, im Bereich von 6 bis 11 liegt, in Gegenwart eines flüssigen, niedrig siedenden Treibmittels, gegebenenfalls Wasser, Katalysatoren, Zellstabilisatoren, Weichmachern und/oder Entflammungsverzögerern, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hydroxylkomponente entweder ein Gemisch verwendet, das aus (a) 20 bis 70 Gew.-% eines Diols mit einem Molekulargewicht von höchstens 250, außer einem Polyetherdiol oder Aminodiol, (b) 30 bis 80 Gew.-% eines Polyetherdiols mit einem Molekulargewicht von mindestens 500 und (c) 0 bis 12 Gew.-% eines Aminoalkohols mit drei aktiven Wasserstoffatomen besteht, wobei sich die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht von (a) und (b) beziehen, oder ein Gemisch verwendet, das aus (1) 3 bis 35 Gew.-% eines Diols mit einem Molekulargewicht von höchstens 250, außer einem Polyetherdiol oder Aminodiol, (2) 2 bis 75 Gew.-% eines Polyetherdiols mit einem Molekulargewicht von mindestens 500, (3) 0 bis 12 Gew.-% eines Aminoalkohols mit drei aktiven Wasserstoffatomen und (4) 20 bis 70 Gew.-% eines Polyethertriols mit einem Molekulargewicht von mindestens 200, wobei sich die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht von (1), (2) und (4) beziehen, besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der NAF bezeichnete Quotient im Bereich von 2,0 bis 2,6 liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit RGC bezeichnete Quotient im Bereich von 6,5 bis 10 liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit NAF bezeichnete Quotient 2 bis 2,7 beträgt, wenn der mit RGC bezeichnete Quotient im Bereich von 6 bis 8 liegt.
5. Verwendung der nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Polyurethanschaumstoffe zur Auskleidung von Behältern.
DE19752503148 1974-01-28 1975-01-27 Verfahren zur herstellung von polyurethanschaumstoff Granted DE2503148A1 (de)

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