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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Polymer-modifizierten Polyole, die bei der Herstellung von
Polyurethanprodukten verwendbar sind.
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Stabile Dispersionen teilchenförmigen Materials
in einem Polyol mit hohem Molekulargewicht sind bekannt. Diese Produkte
bezeichnet man als Polymer-modifizierte Polyole oder Polymerpolyole.
Eine Klasse derartiger Polymerpolyole ist als Polyisocyanat-Polyadditionspolyole
(oder PIPA-Polyole) bekannt. Es sind dies Dispersionen des Reaktionsproduktes
eines Polyisocyanats und eines Polyols mit niedrigem Molekulargewicht in
einem Polyol mit hohem Molekulargewicht.
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GB-A-2 102 822 offenbart derartige
PIPA-Produkte, wobei das Polyol mit niedrigem Molekulargewicht ein
Alkanolamin, speziell Triethanolamin (TELA), ist. Obwohl diese Produkte
an die Produktion flexibler Schäume
angepasst sind, weisen sie Nachteile auf. Der erste Nachteil sind
die mit TELA, welches ein teures Produkt ist, verbundenen Kosten.
Der zweite Nachteil ist die Tatsache, dass das Endprodukt nicht
ausreichende Belastungseigenschaften zeigt, da nicht alle TELA-Hydroxygruppen
mit dem Isocyanat reagieren können.
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Ähnliche
Probleme treten mit anderen Alkanolaminen wie Diethanolamin (DELA)
auf.
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Auch Diethylenglycol (und andere
Ethylenglycolderivate) ist als ein bei der Herstellung von PIPA
Polyolen verwendetes Polyol mit niedrigem Molekulargewicht bekannt,
wie in EP-A-O 072 096 offenbart wird. Dennoch hat es Nachteile.
Der Nachteil ist, dass DEG in höherem
Maß in
einem Polyol mit einem hohen Molekulargewicht löslich ist, wobei eher Lösungen als
Dispersionen gebildet werden. Als Folge führt dies oft zu festen PIPA-Produkten,
die trotz Erhitzens fest bleiben.
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Es wurde überraschenderweise gefunden,
dass flexible Schäume
mit verbesserten Belastbarkeitseigenschaften aus einem Polymer-modifizierten
Polyol, welches flüssig
ist (bei Raumtemperatur), erhalten werden können und wobei das Polyol mit
niedrigem Molekulargewicht eine Mischung aus z.B. TELA oder DELA mit
DEG ist.
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Somit stellt die Erfindung ein Polymer-modifiziertes
Polyol, das ein Polyol mit einem hohen Molekulargewicht ist, bereit,
das das darin dispergierte Reaktionsprodukt aus einem Polyisocyanats
und einem Polyol mit einem niedrigen Molekulargewicht umfasst, wobei
das Polyol mit dem niedrigen Molekulargewicht eine Mischung von
einem Alkanolamin mit einem Polyethylenglycol mit einem Molekulargewicht
von weniger als 600 ist.
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Die Erfindung stellt auch ein Verfahren
zur Herstellung eines flexiblen Schaums unter Verwendung des Polymermodifizierten
Polyols der Erfindung, den damit erhaltenen Schaum und ein Reaktionssystem,
das das Polymer-modifizierte Polyol umfasst, bereit.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung haben die folgenden Ausdrücke, wenn und wo immer sie
verwendet werden, die folgende Bedeutung:
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Isocyanatindex oder NCO-Index:
Das Verhältnis von NCO-Gruppen zu isocyanatreaktiven
Wasserstoffatomen, die in einer Formulierung vorhanden sind, angegeben
in Prozent:
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Mit anderen Worten drückt der
NCO-Index den Prozentsatz an dem gerade in einer Formulierung verwendeten
Isocyanat bezogen auf die Menge des für die Reaktion mit der in einer
Formulierung verwendeten Menge an isocyanatreaktivem Wasserstoff
theoretisch benötigten
Isocyanats aus.
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Es sollte beachtet werden, dass der
Isocyanat-Index, wie er hier verwendet wird, aus der Sicht des aktuellen
Schäumverfahrens,
der den Isocyanatbestandteil und die isocyanatreaktiven Bestandteile
einschließt,
betrachtet wird. Alle Isocyanatgruppen, die in einem vorhergehenden
Schritt zur Herstellung modifizierter Polyisocyanate (einschließlich solcher
Isocyanatderivate, die in der Literatur als Quasi- oder Semi-Prepolymere
und Prepolymere bezeichnet werden) verbraucht wurden oder alle mit
Isocyanat unter Bildung modifizierter Polyole oder Polyamide abreagierten
aktiven Wasserstoffe werden bei der Berechnung des Isocyanatindexes
nicht berücksichtigt.
Nur die im tatsächlichen
Schäumschritt
vorhandenen freien Isocyanatgruppen und die freien isocyanatreaktiven
Wasserstoffe (einschließlich
jener des Wassers, wenn verwendet) werden berücksichtigt.
- 2)
Der Ausdruck „isocyanatreaktive
Wasserstoffatome",
der hier zum Zweck der Berechnung des Isocyanatindexes verwendet
wird, bezieht sich auf die Gesamtzahl der Hydroxyl- und Aminwasserstoffatome,
die in den reaktiven Zusammensetzungen in Form von Polyolen, Polyaminen
und/oder Wasser vorhanden sind; das bedeutet, dass man zum Zweck
der Berechnung des Isocyanatindexes beim tatsächlichen Schäumverfahren
annimmt, dass eine Hydroxylgruppe einen reaktiven Wasserstoff umfasst,
und man annimmt, dass eine primäre
oder sekundäre
Amingruppe einen reaktiven Wasserstoff umfasst und man annimmt,
dass ein Wassermolekül
zwei aktive Wasserstoffe umfasst.
- 3) Reaktionssystem: eine Kombination von Komponenten, bei der
die Polyisocyanatkomponente in einem Behälter getrennt von den isocyanatreaktiven
Komponenten aufbewahrt wird.
- 4) Der hier verwendete Ausdruck „Polyurethanschaum" bezieht sich allgemein
auf Zellprodukte, die durch Reaktion von Polyisocyanaten mit isocyanatreaktiven,
Wasserstoffenthaltenden Verbindungen unter Verwendung von Treibmitteln
erhalten werden, und schließt
insbesondere Zellprodukte ein, die mit Wasser als reaktivem Treibmittel
erhalten werden (unter Einbeziehung einer Reaktion von Wasser mit
Isocyanatgruppen, wobei Ureabindungen und Kohlendioxid erhalten
werden und wobei Polyharnstoff-Urethanschäume gebildet werden).
- 5) Der Ausdruck „durchschnittliche
Hydroxylwert-Funktionalität" wird hier verwendet,
um die durchschnittliche Funktionalität (Anzahl der Hydroxylgruppen
pro Molekül)
der Polyolzusammensetzung unter der Annahme anzugeben, dass dies
die Durchschnitts-Funktionalität
(Anzahl der aktiven Wasserstoffatome pro Molekül) der Initiatoren, die zu
ihrer Herstellung verwendet werden, ist, obwohl in der Praxis diese
oft aufgrund einiger ungesättigter
Enden etwas geringer ist.
- 6) Der Ausdruck „durchschnittlich" wird verwendet,
um ein Zahlenmittelwert anzugeben.
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Mit dem Ausdruck „Polymer-modifiziertes Polyol" ist ein Polyol,
das darin dispergiertes zusätzliches polymeres
Material enthält,
gemeint. Dieser Ausdruck wird vom Durchschnittsfachmann verstanden
und wird z.B. in EP-A-O 072 096 verwendet.
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Das in der Erfindung verwendete Polyol
mit hohem Molekulargewicht kann irgendein zur Herstellung von Polyurethanen
verwendetes Polyol oder Mischungen davon mit einem durchschnittlichen
Hydroxyläquivalenzgewicht
von mindestens 500 sein. Diese Polyole können Polyetherpolyole, Polyetterpolyole,
Polyesteramidpolyole, Polythioetherpolyole, Polycarbonatpolyole,
Polyacetalpolyole und Polyolefinpolyole sein.
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Polyetherpolyole, die verwendet werden
können,
schließen
Produkte, die durch Polymerisation eines zyklischen Oxids, z.B.
Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid oder Tetrahydrofuran, in
Gegenwart polyfunktionaler Initiatoren erhalten werden, ein. Geeignete
Initiatorverbindungen enthalten eine Mehrzahl an aktiven Wasserstoffatomen
und schließen
Wasser, Butandiol, Ethylenglycol, Propylenglycol, Diethylenglycol,
Triethylenglycol, Dipropylenglycol, Ethanolamin, Diethanolamin,
Triethanolamine, Toluoldiamin, Diethyltoluoldiamin, Phenyldiamin,
Toluoldiamin, Phenyldiamin, Diphenylmethandiamin, Toluoldiamin,
Phenyldiamin, Diphenylmethandiamin, Ethylendiamin, Cyclohexandiamin,
Cyclohexandimethanol, Resorcinol, Bisphenol A, Glycerol, Trimethylolpropan,
1,2,6-Hexantriol, Pentaerythritol, Sorbitol und Sucrose ein. Mischungen
von Initiatoren und/oder zyklischen Oxiden können verwendet werden.
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Besonders brauchbare Polyetherpolyole
schließen
Polyoxypropylendiole und -triole und Poly(oxyethylenoxypropylen)diole
und -triole ein, die durch gleichzeitige oder aufeinanderfolgende
Addition von Ethylen und Propylenoxiden zu di- oder trifunktionalen
Initiatoren, wie ausführlich
im Stand der Technik beschrieben, erhalten werden. Random-Copolymere
mit Oxyethylen-Anteilen von 10–90%,
Block-Copolymere mit Oxyethylen-Anteilen von bis zu 50% und mit
Oxyethylen-Anteilen von bis zu 90%, basierend auf dem Gesamtgewicht an
Oxyalkyleneinheiten, können
erwähnt
werden, insbesondere solche mit mindestens einem Teil der Oxyethylengruppen
am Ende der Polymerkette. Mischungen der besagten Diole und Triole
können
besonders brauchbar sein. Andere besonders brauchbare Polyetherpolyole
schließen Polytetramethylenglycole,
die durch Polymerisation von Tetrahydrofuran erhalten werden, ein.
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Ein bevorzugtes Polyol ist ein Poly(oxyethylenoxypropylen)polyol
mit EO als tipped-EO mit einem EO-Anteil von 5 bis 30%, vorzugsweise
10 bis 20%, auf Gewichtsbasis der Gesamt-Oxyalkinylgruppen. Ein anderes
bevorzugtes Polyol ist ein Poly(oxyethylen-oxylenpropylen)polyol
mit EO als Random-EO
mit einem EO-Anteil von 2 bis 40%, vorzugsweise 5 bis 30%, auf Gewichtsbasis
der Gesamt-Oxyalkinylgruppen. Ein weiteres bevorzugtes Polyol ist
ein Poly(oxyethylen-oxypropylen)polyol mit EO als Random- und tipped-EO,
wobei der Random-EO-Anteil 5 bis 30%, bevorzugt 5 bis 20% und der
tipped-EO-Anteil 5 bis 30%, bevorzugt 10 bis 25%, auf Gewichtsbasis
der Gesamt-Oxyalkinylgruppen,
beträgt.
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Polyesterpolyole, die verwendet werden
können,
schließen
Hydroxyl-terminierte Reaktionsprodukte aus Polyalkoholen wie Ethylenglycol,
Propylenglycol, Diethylenglycol, 1,4-Butandiol, Neopentylglycol,
1,6-Hexandiol, Cyclohexandimethanol, Glycerol, Trimethylolpropan,
Pentaerythritol oder Polyetherpolyole oder Mischungen dieser Polyalkohole
und Polycarboxylsäuren,
speziell Dicarboxylsäuren
oder deren Ester-bildenden Derivate, z.B. Succin-, Glutar- und Adipinsäuren oder
deren Dimethylester, Sebacinsäure,
Phthalsäureanhydrid,
Tetrachlorophthalsäureanhydrid
oder Dimethylterephthalat oder Mischungen davon, ein. Polyester,
die durch Polymerisation von Lactonen, z.B. Caprolacton, in Verbindung
mit einem Polyol oder von Hydroxycarboxylsäuren wie Hydroxycapronsäure erhalten
werden, können
auch verwendet werden.
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Polyesteramidpolyole können durch
den Einschluss von Aminoalkoholen wie Ethanolamin in Polyveresterungs-Mischungen
erhalten werden.
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Polythioetherpolyole, die verwendet
werden können,
schließen
Produkte, die durch Kondensation von Thiodiglycol entweder allein
oder mit anderen Glycolen, Alkylenoxiden, Dicarboxylsäuren, Formaldehyd,
Aminoalkoholen oder Aminocarboxylsäuren erhalten, werden, ein.
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Polycarbonatpolyole, die verwendet
werden können,
schließen
Produkte, die durch Reaktion von Diolen wie 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol,
Diethylenglycol oder Tetraethylenglycol mit Diarylcarbonaten, z.B.
Diphenylcarbonat oder mit Phosgen erhalten werden, ein.
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Polyacetalpolyole, die verwendet
werden können,
schließen
solche, die durch Reaktion von Glycolen wie Diethylenglycol, Triethylenglycol
oder Hexandiol mit Formaldehyd hergestellt werden, ein, Geeignete
Polyacetale können
auch durch Polymerisation zyklischer Acetale hergestellt werden.
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Geeignete Polyolefinpolyole schließen Hydroxy-terminierte
Butadienhomo- und Copolymere ein, und geeignete Polysiloxanpolyole
schließen
Polydimethylsiloxandiole und -triole ein.
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Das zahlenmittlere Molekulargewicht
des Polyols mit hohem Molekulargewicht kann innerhalb breiter Grenzen
z.B. von 1100 bis 11200, vorzugsweise 1350 bis 9350, am meisten
bevorzugt 1680 bis 8415 variieren; der durchschnittliche Funktionalitätswert beträgt vorzugsweise
2 bis 6 und am meisten bevorzugt 2 bis 4; der Hydroxylwert kann
vorzugsweise innerhalb breiter Grenzen z.B. von 15 bis 150, vorzugsweise
18 bis 125, am meisten bevorzugt 20 bis 100 mg KOH/g variieren.
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Organische Polyisocyanate können aus
aliphatischen, cycloaliphatischen und araliphatischen Polyisocyanaten,
insbesondere Diisocyanaten, wie Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat,
Cyclohexan-1,4-diisocyanat, 4,4'-Dicyclohexylmethandiisocyanat
und m- und p- Tetramethylxylylendiisocyanat,
und im besonderen aromatischen Polyisocyanaten wie Tolylendiisocyanate
(TDI), Phenylendiisocyanaten und am meisten bevorzugt Diphenylmethandiisocyanat
ausgewählt
werden, die gegebenenfalls Homologe davon mit einer Isocyanatfunktionalität von 3
oder mehr (solche Diisocyanate, die solche Homologe umfassen, sind
als rohe MDI oder polymere MDI oder Mischungen solcher rohen oder
polymeren MDI mit MDI bekannt) und modifizierte Varianten davon
umfassen.
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Die verwendeten Diphenylmethandiisocyanate
(MDI) können
aus 4,4'-MDI, 2,4'-MDI, isomeren Mischungen
von 4,4'-MDI und
2,4'-MDI und aus
weniger als 10 Gew.-% 2,2'-MDI
und modifizierten Varianten davon, die Carbodiimid-, Uretonimin-,
Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Harnstoff- und/oder Biuretgruppen enthalten,
ausgewählt
werden. Bevorzugt sind 4,4'-MDI,
isomere Mischungen von 4,4'-MDI
und 2,4'-MDI und von
weniger als 10 Gew.-% 2,2'-MDI
und Uretonimin- und/oder Carbodiimid-modifiziertes MDI mit einem NCO-Anteil
von mindestens 20 Gew.-% und vorzugsweise von mindestens 25 Gew.-%
und Urethan-modifiziertes MDI, das durch Reaktion eines Überschusses
MDI mit Polyol mit einem Molekulargewicht von höchstens 1000 und mit einem
NCO-Anteil von mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mit mindestens
25 Gew.-% erhalten wird.
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Diphenylmethandiisocyanate, die Homologe
mit einer Isocyanatfunktionalität
von 3 oder mehr umfassen, sind sogenannte polymere oder rohe MDI.
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Polymere oder rohe MDI sind im Stand
der Technik gut bekannt. Sie werden durch Phosgenierung einer Mischung
von Polyaminen, die durch Säurekondensation
von Anilin und Formaldehyd erhalten werden, hergestellt.
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Die Herstellung von sowohl Polyaminmischungen
als auch von Polyisocyanatmischungen ist bekannt. Die Kondensation
von Anilin mit Formaldehyd in Gegenwart starker Säuren, wie hydrochloriger
Säure,
ergibt ein Reaktionsprodukt, das Diaminodiphenylmethan zusammen
mit Polymethylen-Polyphenylen-Polyaminen höherer Funktionalität enthält, wobei
die genaue Zusammensetzung in bekannter Weise unter anderem vom Anilin/Formaldehyd-Verhältnis abhängt. Die
Polyisocyanate werden durch Phosgenierung der Polyaminmischung und
den verschiedenen Anteilen an Diaminen, Triaminen und höheren Polyaminen,
die zu den entsprechenden Anteilen an Diisocyanaten, Triisocyanaten
und höheren
Polyisocyanaten führen,
hergestellt. Die relativen Anteile an Diisocyanat, Triisocyanat
und höheren
Polyisocyanaten in solchen rohen oder polymeren MDI-Zusammensetzungen
bestimmen die durchschnittliche Funktionalität der Zusammensetzung, das
heißt das
Zahlenmittel der Isocyanatgruppen pro Molekül. Durch Variieren der Anteile
der Ausgangsmaterialien kann die durchschnittliche Funktionalität der Polyisocyanat-Zusammensetzungen
von wenig mehr als 2 bis 3 oder auch höher variiert werden. In der
Praxis jedoch reicht die durchschnittliche Isocyanatfunktionalität vorzugsweise
von 2.3 bis 2.8. Der NCO-Wert solcher Polymere oder rohen MDI beträgt mindestens
30 Gew.-%. Die polymeren oder rohen MDI enthalten Diphenylmethandiisocyanat,
wobei der Rest Polymethylen-polyphenylen-polyisocyanat mit einer
Funktionalität,
die größer als
2 ist, zusammen mit Nebenprodukten, die bei Herstellung solcher
Polyisocyanate durch Phosgenierung von Polyaminen gebildet werden,
ist. Weitere modifizierte Varianten solcher rohen oder polymeren
MDI können
ebenfalls verwendet werden, wobei diese Carbodiimid-, Uretonimin-,
Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Harnstoff- und/oder Biuretgruppen
umfassen; speziell die zuvor genannten Uretonimin- und/oder Carbodiimid-modifizierten
Varianten und die Urethan modifizierten Varianten sind bevorzugt.
Mischungen von Polyisocyanaten können
ebenfalls verwendet werden.
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Das Polyol mit niedrigem Molekulargewicht,
das mit dem Isocyanat reagiert, um die Dispersion zu bilden, ist
eine Mischung aus Alkanolamin und einem Polyethylenglycol mit einem
Molekulargewicht von weniger als 600.
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Die Alkanolamine sind z.B. aus der
Gruppe, die aus Monoethanolamin, Diethanolamin, Dimethylethanolamin,
Triethanolamin, N-Methylethanolamin, N-Ethylethanolamin, N-Butylethanolamin,
N-Methyldiethanolamin, Monoisopropanolamin, Diisopropanolamin, Triisopropanolamin,
N-Methylisopropanolamin, N-Ethylisopropanolamin, N-Methylisopropanolamin,
N-Ethylisopropanolamin,
N-Propylisopropanolamin und Mischungen davon besteht, ausgewählt. Besonders
brauchbare Alkanolamine sind Di- und Tri-Alkanolamine. DELA und TELA,
speziell TELA, sind bevorzugt.
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Das Polyethylenglycol (im Folgenden
als PEG bezeichnet) mit einem Molekulargewicht von weniger als 600
schließt
Monoethylenglycol (MEG), Diethylenglycol (DEG), Triethylenglycol
(TEG), Tetraethylenglycol (TREG) ein. DEG wird bevorzugt. Das Molekulargewicht
beträgt
vorzugsweise weniger als 300. Ungereinigte oligomere Mischungen
dieser PEGs mit einem individuellen Molekulargewicht von bis zu
600, aber einem durchschnittlichen Molekulargewicht von unter 300
können
auch verwendet werden.
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Jede einzelne Komponente (Alkanolamin
oder PEG) kann bis zu 25% eines anderen Alkanolamins mit niedrigem
Molekulargewicht oder PEG enthalten. Es kann auch bis zu 5% (berechnet
für Polyol
mit niedrigem Molekulargewicht) Wasser enthalten.
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Bevorzugte Mischungen sind TELA/DEG
und DELA/DEG, speziell TELA/DEG.
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Vorzugsweise ist die Menge PEG in
einer Alkanolamin-Mischung
so, dass das Gewichtsverhältnis
Alkanolamin : PEG 10 : 90 bis 70 : 30, am meisten bevorzugt 20 :
80 bis 50 : 50, ist.
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Das Verhältnis des Alkanolamins zum
Polyethylenglycol wird so eingestellt, dass das fertige Polymer-modifizierte
Polyol bei 25°C
im wesentlichen flüssig
ist. Zu bemerken ist, daß "flüssig" solche Polymer-modifizierten
Polyole, die eine Viskosität,
gemessen bei 25°C,
von weniger als 40000 cps, vorzugsweise weniger als 35000 cps, aufweisen,
bezeichnen soll.
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Das Verfahren zur Herstellung des
Polymer-modifizierten Polyols umfasst den Schritt des Umsetzens eines
Polyisocyanats in Gegenwart eines Polyols mit hohem Molekulargewicht
mit einem Polyol mit niedrigem Molekulargewicht, das eine Mischung
eines Alkanolamins und eines Polyethylenglycols ist.
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Bei Durchführung des Herstellungsverfahrens
lässt man
das Polyisocyanat und das Polyol mit niedrigem Molekulargewicht
bei einem Isocyanatindex von z.B. 40 bis 100, vorzugsweise 45 bis
95, am meisten bevorzugt 50 bis 80, reagieren.
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Das Polymer-modifizierte Polyol umfasst
eine Dispersion von Teilchen, wobei die Teilchen eine Größe haben,
die innerhalb breiter Grenzen variieren kann. Vorzugsweise haben
die dispergierten Polymerteilchen eine Größe von weniger als 50 Mikrometer,
vorzugsweise unter 10 Mikrometer. Die Teilchengröße kann durch Auswahl der Mischapparatur
und der Verfahrenbedingungen eingestellt werden.
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Das Molekulargewicht des Polyadditionsprodukts
kann durch Einführen
monofunktionaler reaktiver Verbindungen, die die Kette, wenn nötig, beenden,
variiert werden. Solche Verbindungen schließen monofunktionale Isocyanate
und monohydridische Alkohole ein. Sie können brauchbarerweise in Mengen
von bis zu 25 Mol-% des Polyols mit niedrigem Molekulargewicht verwendet
werden.
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Die Reaktion kann durch einen Katalysator
der üblicherweise
für die
Bildung von Polyurethanen verwendeten Art und Menge, z.B. eine organometallische
Verbindung wie Zinnoctoat und Dibutylzinndilaurat oder ein Amin
wie Triethylendiamin, katalysiert werden.
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Die Konzentration des Polyadditionsprodukts
im Polymermodifizierten Polyol kann innerhalb von Grenzen variieren,
für die
meisten Zwecke wird der Feststoffgehalt jedoch zwischen 10 und 80
Gew.-%, vorzugsweise von 30 bis 72 Gew.-% und am meisten bevorzugt
von 40 bis 70 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Polymer-modifizierten
Polyols liegen. Es kann sich als Vorteil erweisen, das Polymer-modifizierte
Polyol mit einem hohen Feststoffgehalt, angenommen mit 60%, herzustellen
und es mit mehr Polyol mit hohen Molekulargewicht auf 5 bis 45%
vor der weiteren Verwendung zu verdünnen (dieses Polyol zur Verdünnung kann
das gleiche wie das erste Polyol mit hohem Molekulargewicht sein
oder es kann ein anderes sein). In anderen Fällen erweisen sich Polymermodifizierte
Polyole mit hohem Feststoffgehalt als brauchbar und werden ohne
irgendeine weitere Verdünnung
verwendet.
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Die entsprechenden Mengen der Komponenten
werden so eingestellt, daß der
gewünschte
Feststoffgehalt in dem Polymer-modifizierten Polyol erhalten wird.
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Es wird erkannt werden, dass in einigen
Polymermodifizierten Polyolen dieser Erfindung das Polyadditionsprodukt
nicht vollständig
aus dem Polyol mit niedrigem Molekulargewicht gebildet werden kann,
sondern Einheiten, die von dem Polyol mit hohem Molekulargewicht
abgeleitet sind, einlagern kann. Es wird jedoch angenommen, dass
in den meisten Fällen
solche Einheiten nicht mehr als einen geringen Anteil der Gesamteinheiten
in dem Polyadditionsprodukt bilden und die Komponenten üblicherweise
so ausgewählt
werden, dass diese Situation erreicht wird, z.B. dass die relative
Reaktivität
dieser Hydroxylgruppen auf die beiden Polyole entsprechend ausgewählt wird,
d.h. dass das Polyol mit niedrigem Molekulargewicht reaktiver ist
als das Polyol mit hohem Molekulargewicht.
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Das Polyol mit hohem Molekulargewicht,
das als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann bereits selbst dispergiertes
Teilchenmaterial enthalten (manchmal als Samen bezeichnet). In einem
solchen Fall wird ein bimodales Polymerpolyol erhalten. Dieses Polyol,
das bereits dispergiertes Material umfasst, kann vom Polymermodifizierten
Polyol der Erfindung, das auf die gewünschte Konzentration verdünnt wird,
abgeleitet werden. Diese Techniken werden vollständig in EP-A-687279 (Shell)
und EP-A-418039
(Dow) offenbart, auf die der Fachmann zurück greifen kann.
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Die Wahl der Komponenten für das Polymer-modifizierte
Polyol wird durch die Anforderung bestimmt, eine Dispersion anstelle
einer Lösung
zu bilden. Als erste Richtlinie gilt, je weniger löslich das
Polyol mit niedrigem Molekulargewicht in dem Polyol mit hohem Molekulargewicht
ist, desto besser. Als zweite Richtlinie gilt, daß die Reaktivität des Polyols
mit niedrigem Molekulargewicht signifikant höher sein sollte verglichen
mit dem Polyol mit hohem Molekulargewicht.
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Das Polymer-modifizierte Polyol der
Erfindung kann über
ein Batch-Verfahren gebildet werden, in dem entweder das Polyol
mit niedrigem Molekulargewicht oder das Polyisocyanat (wobei letzteres
nicht bevorzugt ist) in dem Polyol mit hohem Molekulargewicht gelöst oder
dispergiert wird, gefolgt von der Zugabe der anderen Komponente
unter Rühren.
Die Dispersion hat normalerweise eine feinkörnigere Teilchengröße, wenn
die Reaktanden effizienter gemischt werden. Alternativ kann das
Polymer-modifizierte Polyol durch ein kontinuierliches lineares
Mischverfahren gebildet werden. In diesem Verfahren werden das Polyisocyanat
und die beiden Polyole in kontrollierten Raten gepumpt, wobei diese
entweder gleichzeitig gemischt werden können oder wobei das Polyol
mit niedrigem Molekulargewicht oder das Polyisocyanat mit dem Polyol
mit hohem Molekulargewicht gemischt werden kann, gefolgt von der
Zugabe und dem Mischen der anderen Komponente.
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Alternativ können das Polyol mit hohem Molekulargewicht,
das Alkanolamin und das Polyethylenglycol in beliebiger Reihenfolge
gemischt und anschließend
das Isocyanat zu der vorhergehenden Mischung zugegeben werden. Diese
letztgenannte Ausführungsform
ist bevorzugt.
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Normalerweise reicht es aus, die
Komponenten bei Raumtemperatur zuzugeben, wobei man die Temperatur
aufgrund der exothermen Reaktion und der durch starkes Schermischen,
wenn angewendet, gebildeten Wärme
auf bis zu 150°C
ansteigen läßt. Die
Reaktion ist exotherm und im allgemeinen gilt, je höher die Konzentration
des Polyadditionsproduktes, das geformt werden soll, desto größer ist
die Exotherme. Auch gilt, je größer der
Isocyanatindex, desto größer ist
die Exotherme.
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Katalysatoren und andere Additive
können,
wenn gewünscht,
verwendet werden.
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Die Polymer-modifizierten Polyole
der Erfindung sind bei der Herstellung von Polyurethanprodukten, speziell
Polyurethanschäumen
verwendbar.
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Polyurethanprodukte werden durch
Reaktion eines Polyisocyanats mit einem Polyol hergestellt. Das Polymermodifizierte
Polyol der Erfindung kann als Polyolkomponente verwendet werden,
um insbesondere flexible Polyurethanschaum-Produkte herzustellen. Die Beschaffenheit
des Schaums hängt von
dem bestimmten Polyol, welches als das Polyol mit hohem Molekulargewicht,
in dem das Polyadditionsprodukt dispergiert wird, ausgewählt wurde,
und auch vom Polyisocyanat und anderen Bestandteilen, die üblicherweise
bei der Herstellung von Polyurethanschäumen verwendet werden, ab.
Diese können
zur Herstellung des gewünschten Schaumtyps
in bekannter Weise ausgewählt
werden.
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Polyisocyanate, die zur Herstellung
von Polyurethanprodukten verwendet werden können, sind weiter oben für die Herstellung
des Polymer-modifizierten Polyols umfassend beschrieben worden.
Ein bestimmtes Polyisocyanat, das verwendet wird, kann das gleiche
oder von dem verschieden sein, das zur Herstellung des Polymer-modifizierten
Polyols verwendet wurde.
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Die Polymer-modifizierten Polyole
der Erfindung sind von besonderem Wert bei der Herstellung von hochelastischen
flexiblen Schäumen
zur Polsterung und ähnlichen
Anwendungen. Diese Schaumtypen und die Verfahren zu deren Herstellung
sind in der Polyurethanschaum-Industrie gut bekannt. Solche Schäume, die
aus den Polymer-modifizierten Polyolen der Erfindung hergestellt
werden, haben in Bezug auf eine gesteigerte Härte und geringer Schrumpfungs-Eigenschaften
Vorteile. Für
Schäume
dieses Typs wird das Polymermodifizierte Polyol praktischerweise
aus Polyoxyalkinylpolyolen, insbesondere Ethylenoxid-tipped Polyoxypropylenpolyolen,
hergestellt und mit reinem, rohem oder modifiziertem MDI oder TDI
wie oben unter Bezug auf die Polyisocyanate beschrieben, die verwendet
werden können,
um das Polymer-modifizierte Polyol oder Mischungen von MDI oder
einem MDI-Präpolymer
und Mischungen der vorher genannten mit TDI herzustellen, umgesetzt.
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Die Polymer-modifizierten Polyole
der Erfindung können
direkt nach ihrer Herstellung verwendet oder gelagert werden.
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Wenn sie durch ein kontinuierliches
lineares Mischverfahren hergestellt werden, kann, wenn nötig, ein Zwischenlagerbehälter zwischen
der Misch-Einheit und dem Polyurethan-Mischkopf verwendet werden,
damit die Reaktion zwischen dem Polyisocyanat und dem Polyol mit
niedrigem Molekulargewicht, wenn diese langsam ist, abgeschlossen
werden kann. Polymer-modifizierte Polyoldispersionen weisen eine
gute Lagerstabilität
auf und können
vor Gebrauch gelagert werden.
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Eine typische Gebrauchskonzentration
von Teilchen in Schaum liegt zwischen 1 und 30 Gewichtsprozent,
basierend auf dem Gesamtgehalt reaktiver Isocyanatchemikalien.
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Andere herkömmliche Bestandteile können bei
der Herstellung der Polyurethanschäume verwendet werden. Diese
schließen
Katalysatoren, z.B. tertiäre
Amine und organische Zinnkomponenten, oberflächenaktive Stoffe, Vernetzungs-
oder Kettenverlängerungsmittel,
z.B. Diole, Triole und Diamine mit niedrigem Molekulargewicht, Flammschutzmittel,
z.B. halogenierte Alkylphosphate, Füllstoffe und Pigmente, ein.
Treibmittel, die zur Bildung der Polyurethanschäume verwendet werden, schließen Wasser,
das mit dem Polyisocyanat unter Bildung von Kohlendioxid reagiert,
und inerte niedrig siedende Flüssigkeiten
oder gasförmige
Komponenten, wie Kohlendioxid und Stickstoff und solche wie halogenierte
Kohlenwasserstoffe, Beispiele davon sind Trichlorfluormethan und
Dichlordifluormethan, ein. Schaumstabilisatoren, z.B. Polysiloxan-Polyalkinyloxid-Block-Copolymere
können
verwendet werden, um die Zellen des Schaums zu stabilisieren oder
zu steuern.
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Die Menge dieser Nebenbestandteile
und Treibmittel, die verwendet werden, ist von der Beschaffenheit
des benötigten
Produktes abhängig
und kann innerhalb von Grenzen, die einem Polyurethanschaumtechnologen
gut bekannt sind, variiert werden. Im Falle von hochelastischen,
mit Wasser geblähten,
flexiblen Schäumen
ist es angebracht, 1.0 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1.5 bis 10 Gew.-%
Wasser, basierend auf dem Gesamtgewicht des Polyolbestandteils,
zu verwenden, wobei das Wasser optional in Verbindung mit Kohlendioxid
verwendet werden kann. Eine inerte, niedrig siedende Flüssigkeit
kann als zusätzliches
Treibmittel verwendet werden, wenn es gewünscht ist, die Schaumdichte
zu verringern.
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Im allgemeinen sollte die Zusammensetzung
der schaumbildenden Reaktionsmischung so sein, dass das Verhältnis von
Isocyanatgruppen zu aktiven Wasserstoffatomen so ist, dass der Isocyanatindex
einen Wert zwischen 40 und 130, vorzugsweise zwischen 60 und 110,
umfasst.
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One-shot-, Prepolymer- oder Quasi-Prepolymerverfahren
können
so verwendet werden, wie sie für
einen bestimmten herzustellenden Polyurethan Typ geeignet sein können.
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Die Komponenten der Polyurethan-bildenden
Reaktionsmischung können
in jeder geeigneten Weise miteinander gemischt werden. Die einzelnen
Komponenten können
vorgemischt werden, um die Anzahl der benötigten Komponentenströme, die
im letzten Mischungsschritt zusammengeführt werden, zu verringern.
Es ist oft zweckdienlich, ein Zweistromsystem zu verwenden, wobei
ein Strom ein Polyisocyanat oder ein Präpolymer umfasst und der zweite
Strom alle anderen Komponenten der Reaktionsmischung umfasst.
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Die Erfindung wird durch folgende
Beispiele, in denen alle Anteile und Prozente, wenn nicht anders angegeben,
auf das Gewicht bezogen sind, veranschaulicht.
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In allen Beispielen (zur Herstellung
von PIPA-Polyolen) ist das Polyol mit hohem Molekulargewicht ein durch
Glycerol initiiertes Triol, das 15 Gew.-% Ethylenoxid (tipped) enthält, einen
OH-Wert von 28 mg KOH/g und ein durchschnittliches Hydroxyl-Äquivalenzgewicht
von 2000 hat.
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In den Beispielen ist das erste Polyisocyanat,
das verwendet wird, ein Uretonimin-modifiziertes MDI, Suprasec 2020
von Huntsman Polyurethanes, mit einem NCO-Wert von 29.5%. Das zweite
Polyisocyanat, das verwendet wird, ist ein reines MDI, Suprasec
MPR von Huntsman Polyurethanes, mit einem NCO-Wert von 33.6 und
einem Schmelzpunkt von etwa 40°C
(Suprasec ist eine Handelsmarke von Huntsman ICI Chemicals LLC)
.
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Das Polyol mit niedrigem Molekulargewicht
wird zuvor hergestellt und zu dem Polyol mit hohem Molekulargewicht
gegeben (der Kessel wird in den anderen gegossen). Anschließend wird
5 Minuten lang kräftig gerührt. Das
Isocyanat wird dann tropfenweise während 15 Minuten unter starkem
Rühren
zugegeben. Nach Beendigung der Isocyanatzugabe wird das Rühren der
Dispersion für
15 weitere Minuten fortgeführt.
Dann lässt
man die Dispersion auf Raumtemperatur abkühlen.
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Die Mengen der Komponenten werden
so eingestellt, daß am
Ende eine Polymer-modifizierte Polyoldispersion mit 50 Gew.-% Anteil
an Feststoffen erhalten wird.
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Die folgende Tabelle zeigt die entsprechenden
Mengen (in Gewichtsanteilen) für
alle Beispiele an (das Verhältnis
ist das Verhältnis
TELA/DEG oder DELA/DEG).
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Die entsprechenden Viskositäten (ausedrückt in cps
(mPa · s),
gemessen bei 25°C)
sind wie folgt:
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Schäume sind, ausgehend von den
obigen Polymermodifizierten Polyolen, hergestellt worden: Es wird eine
Polyol-Zusammensetzung hergestellt, die folgende Komponenten umfasst:
82 Teile eines Polyols A, 18 Teile der PIPA-Polyole aus den Beispielen
1–5 oben,
2.7 Teile eines Polyols B, 0.27 Teile Niax A1 (Katalysator von Union
Carbide), 0.54 Teile von D8154 (Aminkatalysator von Air Products),
0.9 Teile von B4113 (Surfactant von Goldschmidt) und 4.7 Teile Wasser.
Das Polyol A ist das gleiche wie das oben verwendete Polyol mit
hohem Molekulargewicht. Das Polyol B ist ein Polyol mit einer Funktionalität von 3,
76 Gew.-% EO als Random-EO und einem OH-Wert von 42 mg KOH/g.
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Das Polyisocyanat ist eine Mischung
aus MDI (Suprasec 2565, erhältlich
von Huntsman Polyurethanes und mit einem NCO-Anteil von 28.7%) und
TDI, entsprechend einem Gewichtsverhältnis von 72.5/27.5.
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Der Isocyanatindex betrug 100, das
Gewichtsverhältnis
Polyolzusammensetzung zu Isocyanat ist 100 : 65.2.
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Die Polyolzusammensetzung und das
Isocyanat werden bei 20°C
thermostatisiert. Ein Schaum wird durch Einwiegen von 284.5 g Polyolzusammensetzung
und 185.5 g Isocyanat hergestellt. Dieses wurde gründlich für 10 Sekunden
gemischt und in eine Form von 9.1 l, die bei 60°C thermostatisiert wurde, gegossen.
Nach 5 Minuten wurde die Form geöffnet,
und der Schaum wurde herausgenommen und zerkleinert.
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Die Ergebnisse sind in der beigefügten Tabelle
zusammengefasst.