DE4118850A1

DE4118850A1 - Verfahren zur herstellung von weich-polyurethanschaum

Info

Publication number: DE4118850A1
Application number: DE4118850A
Authority: DE
Inventors: Tibor Dr Korodi
Original assignee: FEHRER GUMMIHAAR
Current assignee: FEHRER GUMMIHAAR
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1992-12-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung von Weich-Polyurethanschaum sowohl als Block- oder als Formschaum ohne Verwendung von FCKW durch Umsetzung von Isocyanat mit Polyol in Gegenwart von Treibmitteln, das sich beispielsweise durch Beigabe von Wasser aus Isocyanat bildet, gegebenenfalls un ter Gegenwart eines Katalysators und/oder eines Stabilisators und/oder Kettenverlängerungs- und/oder Vernetzungsmittels und/oder physikalischer Treibmittel.

Bekanntermaßen stellen Kunststoffschäume poröse und sehr leichte Stoffe dar, die aus verschiedenen Pla sten, wie z. B. Polyurethanharzen (PUR) durch Ver schäumen mit Treibmitteln erzeugt werden. Die Grundreaktion bei der Herstellung von Polyurethanen findet durch chemische Umsetzung im Sinne einer Po lyaddition zwischen Isocyanaten und Polyolen, wie z. B. zweiwertigen Alkoholen und anderen hydroxyl gruppenhaltigen Verbindungen statt. Hierbei entste hen Bindungen mit dem chemischen Bestandteil O-CO-NN- Heben dieser die Hartsegmente bildenden chemischen Umsetzung werden als Treibmittel wir kende Gase erzeugt, beispielsweise durch Umsetzung eines Teils der Isocyanate mit Wasser, wobei das als Treibmittel wirkende Kohlendioxyd freigesetzt wird. Durch weitere Umsetzung des hierbei erhalte nen Produktes mit der funktionellen Gruppe -NH₂ mit Isocyanat ergibt eine ebenfalls als Hartsegment wirkende Harnstoffverbindung. Grundsätzlich ist die Verwendung anderer, nicht durch Beigabe von Wasser erzeugter Treibmittel und im speziellen die Beigabe physikalischer Treibmittel wie beispielsweise Pentan denkbar. Häufig finden sich Katalysatoren beigegeben, die der häufig unerläßlichen Abstimmung der chemischen Reaktionen - einerseits die Erzeu gung von Hartsegmenten durch Polymerbildung und an dererseits die Erzeugung des Treibmittelgases - dienen und die Vorgänge optimieren. Schließlich werden noch Kettenverlängerungs- und Vernetzungmit tel in additiver Weise beigegeben.

Die Herstellungsverfahren lassen sich prinzipiell in zwei Gruppen unterteilen: Bei den Kaltschaumver fahren härtet das in die Form eingebrachte Reakti onsgemisch ohne Heizprozeß in einer Zeitspanne von ca. 2 bis 6 Minuten aus, wobei allerdings der Kalt schaum nach dem Entformen einem Crash-Verfahren (Zellaufdrückverfahren) unterzogen wird. Bei den Heißschaumverfahren hingegen besteht die Notwendig keit der Zuführung von Wärme, damit die Schaumrand zonen in wirtschaftlicher Zeit ausreagieren können. Als Treibmittel wurden bislang häufig Fluorchlor kohlenwasserstoffe (FCKW), beispielsweise in Form von Frigen eingesetzt, von denen in jüngster Zeit bekannt geworden ist, daß bereits geringste, in die Luft entwichene Mengen zu einer erheblichen Zerstö rung der die Erde umgebenden und diese vor Eindrin gen ungünstiger Strahlung schützenden Ozonschicht führt. Zum Schutze der Umwelt werden deshalb in jüngster Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen, diese Fluorchlorkohlenwasserstoffe nicht mehr zu verwenden und durch andere Stoffe zu ersetzen. Eines der Haupteinsatzgebiete weicher PUR-Schäume ist die Verwendung als Sitzpolster, Rückenlehnen usw. bei Fahrzeugen, Sitzmöbeln und dergleichen. Deren elastische Eigenschaften werden u. a. durch den Wert der Stauchhärte und dessen Änderung im Dauerstauchverhalten angegeben. Die Stauchhärte be zeichnet jenen Wert des Druckes, bei dem eine Kom pression des Volumens um 40% eintritt. Mit zuneh mender Benutzungsdauer tritt in Abhängigkeit von der Qualität des jeweiligen PUR-Schaummaterials eine Materialermüdung ein. Das Ziel ist, einen geringen Wert an Stauchhärte über einen langen Zeitraum der Benutzung beibehalten zu können. Einer der entscheidenden Vorteile der Verwendung von FCKW als Treibmittel ist die Tatsache, daß ein geringer Wert der Stauchhärte auch über einen längeren Zeitraum der Benutzung erreicht werden kann. Die Verwendung anderer Treibmittel ergibt markant ungünstigere Stauchhärten.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf fung eines Herstellungsverfahrens für Weich-PUR- Schaum zur Aufgabe gemacht, bei dem trotz Ver zichtes auf FCKW als Treibmittel in etwa die bishe rigen Stauchhärten erreicht werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß eine Metallkomplexverbindung beigegeben wird, bestehend aus einem Me-Kation und einem Anion, das mit dem Me-Kation in koordinativer Bindung steht und das Anion ein mit Isocyanat reaktives H-Atom aufweist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht nun darin, dem zumindest aus den Komponenten Isocyanat, Polyol und Treibmittel bestehendem Basisgemisch eine Me tallkomplexverbindung mit folgenden Eigenschaften beizugeben: Das Metall-Kation steht mit dem Anion in koordinativer Bindung und das Anion muß des wei teren ein mit Isocyanat reaktives H-Atom aufweisen. Eine Koordinationsbindung im Sinne der Erfindung bezeichnet das Zusammentreten fertiger Molekeln zu Komplexverbindungen. Sie unterscheidet sich grund legend von und ist als Gegensatz zur kovalenten Bindung zu sehen.

Die Beigabe der erfindungsgemäßen Metall-Komplex verbindung bewirkt eine chemische Umsetzung mit dem Isocyanat in der Weise, daß das H-Atom des Anions sich im Sinne einer Polyaddition (ähnlich wie das Polyol der oben beschriebenen Grundreaktion) mit dem Isocyanat umsetzt, indem sich das Wasserstoff mit dem Stickstoff des Isocyanates verbindet und der Rest des Anions sich mit dem Metall-Kation an die für Polyurethane charakteristische O-CO-NH- Gruppe anlagern. Die durch die Metall-Komplex-Ver bindung ausgelöste Reakton ist ähnlich der chemi schen Reaktion von Polyol und Isocyanat im Sinne einer Polyaddition bei der Entstehung von Po lyurethanen. Der einzige Unterschied besteht darin, daß anstelle des Polyolrestes -R- (Polyolrest meint das Restmolekel <chemische Struktur< ohne das sich an den Stickstoff des Isocyanats anlagernde Wasserstoffatom) das Metall-Kation mit dem Resta nion (auch hier meint Rest die verbleibende chemi sche Struktur nach Abspaltung des mit dem Isocyanat reagierenden H-Atoms) gesetzt wird. Das Ergebnis ist, daß in der durch Polyaddition entstehenden Verbindung als "Kettenglieder" mitunter das Metall- Kation in koordinativer Bindung auftaucht. Der An teil des Metallkations sowie dessen Häufigkeit im entstehenden Polymer bestimmt sich durch die Zuga bemenge. Das Ergebnis ist, daß die aufgrund der durch die Metallkationen eingebrachten koordinati ven Bindung eine Polymerstruktur entsteht, die re lativ weich ist und eine entsprechend geringe Stauchhärte aufweist.

Gleichzeitig bleibt auch nach längerer Benutzung sowohl der Wert der Stauchhärte als auch der des Raumgewichtes weitgehend erhalten. Der Grundtypus der chemischen Reaktion ist anhand des Beispieles einer OH⁻-Gruppe als Anion wie folgt:

-NCO+Me⁺-OH^- → Me⁺-O-CO-NH-

Im Vergleich hierzu die Polyaddition bei Po lyurethan im Stande der Technik:

-NCO+-R-OH → -R-O-CO-NH-

Das außergewöhnliche hohe Maß an Weichheit (geringe Stauchhärte) des PUR-Schaumes, die sich ohne Benut zung von FCKW als Treibmittel erreichen läßt und in gradueller Hinsicht mit derartigen Produkten ver gleichbar ist, erklärt sich folgendermaßen: In der durch Polyaddition entstehenden räumlichen und nach Art eines Netzwerkes aufgebauten Polymerstruktur sind in Abhängigkeit von der Konzentration der er findungsgemäß beizugebenden Me-Komplex-Verbindung einzelne Metall-Ionen über koordinative Bindung in tegriert. Im Gegensatz zur kovalenten Bindung, die im Falle der Polyaddition des Polyurethans aus Isocyanat und Polyol gegeben ist, sind die Bin dungskräfte relativ schwach, so daß bei vergleichs weise geringem Kraftaufwand eine relative Bewegung der umgebenden Atome gegeneinander möglich wird.

Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß be reits geringste Konzentrationen von Beigaben der Metall-Komplex-Verbindung eine erhebliche Erhöhung des Weichheitsgrades des Schaumes zur Folge haben. Eine Relativbewegung der unmittelbar dem Metall- Kation benachbarten Atome hat zur Folge und erlaubt auch Relativbewegungen der weiter entfernten Atome gegeneinander.

Im Ergebnis erhält man einen PUR-Schaum, dessen Stauchhärte trotz Verzichtes auf FCKW als Treibmit tel vergleichbar den mit FCKW hergestellten PUR- Schäumen ist und auch über einen längeren Zeitraum der Benutzung konstant bleibt. Eine Umweltbelastung ist ausgeschlossen.

Im Rahmen der Erfindung steht grundsätzlich frei, welche Metalle als Kationen in der Komplexverbin dung Verwendung finden. Es sollte sich um Metalle aus dem Periodensystem III-VI handeln, beispiels weise um Zink Zn, Aluminium Al, Chrom Cr, Blei Pb, wobei die letztere aufgrund ihrer giftigen Eigen schaften nur bei entsprechender Unbedenklichkeit Verwendung finden dürfen. Die Wertigkeit der Metal lionen ist grundsätzlich beliebig.

Das mit dem Me-Kation in koordinativer Bindung ste hende Anion muß als entscheidende Bedingung ein mit Isocyanat reaktives H-Atom aufweisen. Besonders ge eignet sind Polyole -OH, Amine -NH₂ und Tiole -SH.

Anhand von Versuchsreihen gewonnene Erfahrungen ha ben gezeigt, daß sich Aluminium Al-Komplexverbin dungen mit einen Anteil von etwa 0,01 Gewichtspro zent besonders eignen. Ein über 0,1 liegender An teil ist nicht empfehlenswert, da er in erheblichem Maße Anlaß zur Entstehung einer geschlossenzelligen Struktur, die weniger elastisch ist, gibt. Höhere Anteile haben eine katalytische Wirkung.

Zur weiteren Verdeutlichung werden im folgenden die Ergebnisse von Versuchsreihen in tabellarischer Übersicht wiedergegeben, in denen die Vergleichs werte der PUR-Schäume mit/ohne FCKW als Referenz angegeben sind. Als Me-Kationen wurden Aluminium oder Zink eingesetzt. Der (möglichst geringe) Wert der Stauchhärte ist in der untersten Zeile angege ben. Im übrigen ist die tabellarische Übersicht so klar und deutlich, daß es keiner näheren Erläute rung bedarf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Weich-Po lyurethan-Schaumes sowohl als Block- als auch als Formschaum ohne Verwendung von FCKW durch Umsetzung von Isocyanat mit Polyol in Gegenwart von Treibmit teln, das sich beispielsweise durch Beigabe von Wasser aus Isocyanat bildet, gegebenenfalls unter Gegenwart eines Katalysators und/oder eines Stabi lisators und/oder Kettenverlängerungs- und/oder Vernetzungsmittel und/oder physikalischer Treibmit tel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallkom plexverbindung beigegeben wird, bestehend aus einem Me-Kation und einem Anion, das mit dem Me-Kation in koordinativer Bindung steht und das Anion ein mit Isocyanat reaktives H-Atom aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zink (Zn) und/oder Aluminium (Al) und/oder Chrom (Cr) und/oder Blei (Pb) als Kation.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Polyol (-OH) und/oder Amin (-NH₂) und/oder Tiol (-SH) als Anion.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumkomplexver bindung in einer Konzentration von ca. 0,01 (bis max. 0,1) Gewichtsprozent beigegeben wird.

5. Weich-Polyurethanschaum nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Metallkationen, die koordinativ in die Polymerstruktur eingebunden sind.