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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geformter
Polyurethanelastomere mit einer Dichte von 200–1000 kg/m3,
die aus einer beträchtlichen
Menge eines Polyols mit einem relative hohen Oxyethylen-(EO)-gehalt
und aus großen
Mengen Wasser hergestellt wurden.
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PCT/EP95/04144 und
PCT/EP94/01659 offenbaren
die Herstellung von relativ weichen, flexiblen Hochdruckschaumstoffen
unter Verwendung einer großen
Menge an Wasser und einer beträchtlichen
Menge eines Polyetherpolyols, das eine beträchtliche Menge an Oxyethylengruppen
enthält.
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WO 97/21750 ,
WO 98/00450 und
WO 00/55232 offenbaren die Herstellung
geformter Elastomere unter Verwendung desselben Typs an Polyolen
in großer
Menge und einer geringen Menge an Wasser.
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Keine
dieser Zitierungen erwähnt
ein Problem, mit dem man bei der Herstellung dieser geformten Elastomere
in Berührung
kommt.
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Es
ist möglich
Elastomere mit guten Eigenschaften herzustellen. Es bleibt jedoch
Raum für
Verbesserungen; insbesondere im Hinblick auf hydrophile elastomere
Formteile. Diese hydrophilen Elastomere können in Schuhapplikationen,
wie zum Beispiel Innensohlen und Interliner für Freizeit- und Sportbekleidung,
bei Möbelapplikationen,
wie zum Beispiel Polsterpads, und bei medizinischen Applikationen,
wie zum Beispiel Druckpads für
immobilisierte Patienten verwendbar sein.
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Natürlich werden
für diese
Materialien aufgrund ihres engen und manchmal starken Körperkontakts spezielle
Anforderungen benötigt.
Die Menge an auswaschbaren, gesundheitsschädlichen Verbindungen muss soweit
wie möglich
verringert werden.
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Überraschenderweise
haben wir herausgefunden, dass es möglich ist, ein geformtes, elastomeres Material
mit guten physikalischen Eigenschaften herzustellen und das weniger
auswaschbare Verbindungen und insbesondere keinen Katalysator umfasst.
Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines geformten, elastomeren Polyurethanmaterials mit einer Gesamtdichte
von 200–1000
kg/m3 und bevorzugt 200–500 kg/m3 und
einer Druckbelastung bei 40% Durchbiegung von mindestens 25 kPa
und bevorzugt 50–500
kPa durch Umsetzen in einer geschlossenen Form eines auf Isocyanat-endenden
Prepolymers, das einen NCO-Wert von 5–15 Gew.-% hat und das das
Reaktionsprodukt eines Polyisocyanats und eines Polyetherpolyols
mit einer durchschnittlichen nominalen Funktionalität von 2–6, einem
durchschnittlichen Äquivalentgewicht
von 500–5000
und einem Oxyethylengehalt von 50–90 Gew.-% ist, und 25–500 Gew.-Teilen (pbw)
Wasser pro 100 Gew.-Teilen des Prepolymers. Des Weiteren betrifft
die vorliegende Erfindung ein geformtes, elastomeres, katalysatorfreies
Polyurethanmaterial mit einer Gesamtdichte von 200–1000 kg/m3 und bevorzugt 200–500 kg/m3,
einer Druckbelastung bei 40% Durchbiegung von mindestens 25 kPa
und bevorzugt 50–500
kPa und einem Oxyethylengehalt von 25–70 Gew.-% und bevorzugt 35–60 Gew.-%.
Bevorzugt wird dieses Material gemäß dem oben genannten Verfahren
hergestellt.
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Die
Katalysatoren, die am häufigsten
bei der Herstellung von Polyurethanmaterialien verwendet werden,
sind Amine und Zinnverbindungen. Es ist ein großer Vorteil wenn diese Materialien
ohne diese Katalysatoren hergestellt werden können. Das oben genannte Verfahren
stellt diese Möglichkeit
bereit.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung haben die folgenden Begriffe die
folgende Bedeutung:
- 1) Der Begriff "Isocyanat-reaktive
Wasserstoffatome",
wie er hier zum Zwecke der Berechnung des Isocyanat-Indexes benutzt
wird, bezieht sich auf die Gesamtheit der aktiven Wasserstoffatome
in Hydroxyl- und Amingruppen, die in den reaktiven Zusammensetzungen
vorliegen; das bedeutet, dass man zum Zwecke der Berechnung des
Isocyanat-Indexes beim tatsächlichen
Schaumbildungsverfahren annimmt, dass eine Hydroxylgruppe einen
reaktiven Wasserstoff umfasst, eine primäre Amingruppe einen reaktiven
Wasserstoff umfasst und ein Wassermolekül zwei reaktive Wasserstoffe
umfasst.
- 2) Reaktionssystem: eine Kombination von Komponenten, wobei
die Polyisocyanate in einem oder mehreren von den Isocyanat-reaktiven Komponenten
getrennten Behältern
aufbewahrt wird.
- 3) Der Ausdruck "Polyurethanschaumstoff", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf zelluläre
Produkte, wie sie durch Umsetzen von Polyisocyanaten mit Verbindungen,
die Isocyanat-reaktiven Wasserstoff enthalten, unter Verwendung
von Schaumbildungsmitteln erhalten werden und beinhalten insbesondere
zelluläre
Produkte, die mit Wasser als reaktivem Schaumbildungsmittel (was
eine Reaktion von Wasser mit Isocyanatgruppen, die Harnstoffbindungen
und Kohlendioxid ergeben, beinhaltet und zu Polyharnstoff-Urethanschaumstoffen
führt)
und mit Polyolen, Aminoalkoholen und/oder Polyaminen als Isocyanat-reaktive Verbindungen
erhalten werden.
- 4) Der Begriff "nominale
Hydroxylfunktionalität", wie er hier verwendet
wird, um die Funktionalität
(Anzahl der Hydroxylgruppen pro Molekül) des Polyols oder der Polyolzusammensetzung
unter der Annahme anzugeben, dass dies die Funktionalität (Anzahl
der aktiven Wasserstoffatome pro Molekül) des/der Initiators(en) ist,
die bei der Herstellung verwendet werden, obwohl es in der Praxis
aufgrund von terminaler Ungesättigtheit
of etwas weniger sein wird.
- 5) Das Wort "durchschnittlich" betrifft eine Durchschnittszahl,
wenn nicht anders angegeben.
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Polyisocyanate,
die zur Herstellung der Polyurethanmaterialien verwendet werden,
können
aus aliphatischen, cycloaliphatischen und araliphatischen Polyisocyanaten,
insbesondere Diisocyanaten, wie zum Beispiel Hexamethylendiisocyanat,
Isophorondiisocyanat, Cyclohexan-1,4-diisocyanat,
4,4-Dicyclohexylmethandiisocyanat und m- und p-Tetramethylxylylendiisocyanat,
und insbesondere aromatischen Polyisocyanaten, wie zum Beispiel
Toluoldiisocyanat (TDI), Phenylendiisocyanaten, Naphthalendiisocyanaten,
und am bevorzugtesten Methylendiphenyldiisocyanaten (MDI) und deren
Homologe mit einer Isocyanatfunktionalität von mehr als zwei, wie zum
Beispiel rohes MDI und polymeres MDI, ausgewählt werden.
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Bevorzugte
Polyisocyanate sind Methylendiphenylendiisocyanate, die aus reinem
4,4'-MDI, isomeren Mischungen von
4,4'-MDI, 2,4'-MDI und weniger
als 10 Gew.-% 2,2'-MDI,
und modifizierten Varianten dieser Diisocyanaten, die Carbodiimid,
Uretonimin und/oder Urtehangruppen enthalten, wie zum Beispiel Uretonimin und/oder
Carbodiimid-modifiziertes
MDI mit einem NCO-Gehalt von mindestens 20 Gew.-% und Urethan-modifiziertes
MDI, das durch Umsetzen eines Überschusses
an MDI und einem Polyol mit niedrigem Molekulargewicht (Molekulargewicht
von bis zu 1000) erhalten wird und das einen NCO-Gehalt von mindestens
20 Gew.-% hat, ausgewählt
werden.
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Mischungen
der oben genannten Isocyanate können
wenn gewünscht
verwendet werden.
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Das
Polyisocyanat kann, wenn gewünscht,
fein verteilte Harnstoffteilchen und/oder Urethanteilchen enthalten,
die auf herkömmlichem
Wege hergestellt wurden, zum Beispiel durch Hinzufügen einer
geringen Menge an Isophorondiamin zu dem Polyisocyanat.
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Das
bevorzugteste Polyisocyanat ist ein Polyisocyanat, das mindestens
65 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-% und am bevorzugtesten
mindestens 95 Gew.-% 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
oder eine Variante davon enthält.
Es kann im Wesentlichen aus reinem 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
oder Mischungen dieses Diisocyanats mit einem oder mehreren anderen
organischen Polyisocyanaten, insbesondere anderen Diphenylmethandiisocyanatisomeren,
zum Beispiel dem 2,4'-Isomer,
optional zusammen mit dem 2,2'-Isomer, bestehen.
Das bevorzugteste Polyisocyanat kann ebenfalls eine MDI Variante
sein, die sich von einer Polyisocyanatzusammensetzung, die mindestens
65 Gew.-% 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
enthält, ableitet.
MDI Varianten sind im Stand der Technik gut bekannt und beinhalten
für die
Verwendung in Übereinstimmung
mit der Erfindung flüssige
(bei 25°C)
Produkte, die durch Einführen
von Uretonimin- und/oder Carbodiimid-Gruppen in diese Polyisocyanate,
wie zum Beispiel Carbodiimid- und/oder Uretonimin-modifiziertes Polyisocyanat,
das bevorzugt einen NCO-Wert von mindestens 20 Gew.-% hat, und/oder
durch Umsetzen eines solchen Polyisocyanats mit einem oder mehreren
Polyolen mit einer Hydroxylfunktionalität von 2–6 und einem Molekulargewicht
von 62–1000
erhalten werden, um ein modifiziertes Polyisocyanat, das bevorzugt
einen NCO-Wert von mindestens 20 Gew.-% hat, zu erhalten. Bis zu
25 Gew.-% eines anderen Polyisocyanats können zusammen mit diesem bevorzugtesten
Polyisocyanat verwendet werden; bevorzugte andere Polyisocyanate
sind polymeres MDI und Toluoldiisocyanat.
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Das
Polyol mit einem Oxyethylengehalt von 50–90 Gew.-%, das in dem Prepolymer
verwendet wird, wird aus Polyetherpolyolen ausgewählt, die
andere Oxyethylengruppen, wie zum Beispiel Oxypropylen- und/oder
Oxybutylengruppen enthalten, enthalten; bevorzugt sind diese Polyetherpolyole
Polyoxyethylenpolyoxypropylenpolyole. Diese Polyole haben einen
durchschnittliche nominale Funktionalität von 2–6 und bevorzugt 2–4, ein
durchschnittliches Äquivalentgewicht
von 500–5000
und bevorzugt von 1000–4000
und ein Molekulargewicht von 2000–12000 und bevorzugter von
2000–10000
und haben bevorzugt einen Oxyethylengehalt von 60–85 Gew.-%.
Die Verteilung der Oxyethylen- und anderer Oxyalkylengruppen über die
Polymerketten können
von der Art einer zufälligen
Verteilung, einer Blockcopolymer-Verteilung oder eine Kombination
davon sein. Es können
Mischungen von Polyolen verwendet werden. Verfahren zur Herstellung
dieser Polyole sind bekannt und diese Polyole sind kommerziell erhältlich;
Beispiele sind ArcolTM 2580 von Bayer, CaradolTM 3602 von Shell, LupranolTM 9205
von BASF und Daltocel F442 von Huntsman Polyurethanes (Daltocel
ist ein Marke von Huntsman International LLC).
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Das
Prepolymer wird gemäß den im
Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt. Prepolymere dieser
Art sind bekannt; siehe zum Beispiel
EP
547765 und
WO 00/55232 .
Das Polyisocyanat und das Polyol werden allgemein in einer relativen
Menge kombiniert, um zu einem gewünschten NCO-Wert zu gelangen,
und um reagieren zu können,
wenn gewünscht
bei erhöhter
Temperatur und in Gegenwart eines Katalysators. Bevorzugt wird kein
Katalysator verwendet.
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Wasser
wird in einer Menge von 25–500
Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile des Prepolymers verwendet; bevorzugt
ist diese Menge 25–300
Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile des Prepolymers.
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Eine
der überraschenden
Erkenntnisse ist, dass keine anderen Inhaltsstoffe als das Prepolymer
und Wasser benötigt
werden, um die elastomeren Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung
herzustellen. Dies ist eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung: in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird kein anderes Material als das Prepolymer und Wasser
verwendet.
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Wenn
gewünscht
können
jedoch andere Isocyanat-reaktive Verbindungen (als Wasser), die
häufig
bei der Herstellung geformter, elastomerer Materialien verwendet
werden, hier ebenfalls verwendet werden. Beispiele solcher anderer
Verbindungen sind Kettenverlängerer
und Vernetzungsmittel, die Isocyanat-reaktive Verbindungen mit einem Äquivalentgewicht
unterhalb 500 und einer Funktionalität von 2 bzw. 3–8 und andere Isocyanat-reaktive
Verbindungen mit einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von mehr als
500, wie zum Beispiel Polyesterpolyole, Polyetheramine und Polyetherpolyole
mit einem Oxyethylengehalt geringer als 50 oder höher als
90 Gew.-%, sind.
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Beispiele
dieser Kettenverlängerer
und Vernetzungsmittel sind Glykol, Propandiol, 2-Methylpropan-1,3-diol,
Butandiol, Pentandiol, Hexandiol, Diethylenglykol, Propylenglykol,
Dipropylenglykol, Polyoxyethylendiole und -triole mit einem Äquivalentgewicht
unterhalb 500, Glycerol, Trimethylolpropan, Pentaerythritol, Sucrose,
Sorbitol, Mono-, Di- und Triethanolamin, Ethylendiamin, Toluoldiamin,
Diethyltoluoldiamin und Polyesterdiamine und -triamine mit einem Äquivalentgewicht
unterhalb 500.
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Bevorzugt
ist die Menge dieser anderen Isocyanat-reaktiven Verbindungen, die
in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, geringer als 5 Gew.-%, berechnet auf
die Menge des verwendeten Prepolymers, bevorzugter ist diese Menge
geringer als 1 Gew.-%.
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Wenn
gewünscht
können
Additive, die für
ihre Verwendung in elastomeren Polyurethanmaterialien bekannt sind,
in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Beispiele dieser Additive sind: Katalysatoren,
die die Bildung von Urethanbindungen fördern, wie zum Beispiel 1)
Metallkatalysatoren, wie zum Beispiel Zinnoctoat und Dibutylzinndilaurat,
2) tertiäre
Aminkatalysatoren, wie zum Beispiel Triethylendiamin und Imidazole,
wie zum Beispiel Dimethylimidazol, und 3) andere Katalysatoren,
wie zum Beispiel Maleatester und Acetatester; Tenside; Feuerhemmmittel;
Rauchunterdrücker;
UV-Stabilisatoren; Färbemittel; mikrobielle
Inhibitoren; Füllstoffe;
innere und äußere Formtrennmittel;
Phasenumwandlungsmaterialien, wie zum Beispiel Hydratsalze, Clathrate,
Fettsäuren,
lineare Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel n-Eicosan und n-Hexadecan; Farbstoffe;
Düfte;
hygroskopische Materialien, wie zum Beispiel CaCl2 und
Silikagel; superabsorbierende Polymere; Fungizide; Insektizide;
oder Pestizide; Adsorbantien; Gummi und andere polymere Latizes;
Lehme, wie zum Beispiel nano-Lehm, und hohle Mikropartikel, wie
zum Beispiel ExpancelTM.
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Wie
bereits gesagt wird bevorzugt jedoch kein Katalysator verwendet.
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Die
elastomeren Materialien gemäß der vorliegenden
Erfindung werden hergestellt, indem das Prepolymer und das Wasser,
getrennt oder gemischt, in eine offene oder geschlossene Form, wobei
die Form im Fall, das sie in dem vorhergehenden Schritt offen war,
geschlossen wird, eingespeist werden, um es dem Prepolymer und dem
Wasser zu ermöglichen
zu reagieren, und, wenn gewünscht,
um das erhaltene elastomere Material bei einer Temperatur höher als
Umgebungstemperatur durch Erwärmen
und/oder indem es Strahlung ausgesetzt wird, zum Beispiel Mikrowellenstrahlung,
zu trocknen. Das Trocknen kann in der Form oder nachdem das elastomere
Material aus der Form genommen wurde durchgeführt werden. Die Innenfläche der
Form kann mit einem äußeren Formtrennmittel
behandelt werden. Wenn mehr als ein Formteil hergestellt werden soll,
dann kann bevor das erste Formteil hergestellt wurde die Innenfläche der
Form mit einem solchen äußeren Formtrennmittel
behandelt werden, aber ohne die Form mit einem solchen Mittel vor
den folgenden Formungen zu behandeln, wie in
WO 00/55232 beschrieben.
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Das
Verfahren kann in jeder im Stand der Technik bekannten Art von Form
durchgeführt
werden. Beispiele dieser Formen sind die Formen, die kommerziell
für die
Herstellung von Polyurethanmöbelteilen,
Fahrzeugsitzen und Fahrzeugteile, wie zum Beispiel Lenkräder, Armlehnen,
Kopfstützen,
Seitenverkleidungen und Stoßfänger, und
Außensohlen,
Mittelsohlen und Innensohlen von Schuhwerk verwendet werden.
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Das
Material der Form kann aus den im Stand der Technik bekannten ausgewählt werden,
zum Beispiel rostfreier Stahl und Aluminium und Epoxidharz.
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Wenn
andere Isocyanat-reaktive Verbindungen oder Additive bei der Herstellung
von elastomeren Materialien verwendet werden, dann können diese
getrennt oder zusammen (aufgelöst,
dispergiert oder emulgiert – je
nachdem) in dem Wasser eingespeist werden.
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Die
Menge an Prepolymer, Wasser und optional anderen Isocyanat-reaktiven
Verbindungen und Additiven, die in die Form eingespeist werden,
ist bevorzugt so, dass das freie Steigvolumen, das mit einer solchen
Menge erreichbar ist, 10–1000
% mehr als das Innenvolumen der Form ist und am bevorzugtesten ist dies
um 25–500
% höher.
Das Prepolymer, das Wasser und/oder die Form können erwärmt werden bevor das Prepolymer
und das Wasser in die Form eingespeist werden. Wenn gewünscht ist
die Temperatur des Wassers höher
als die Temperatur des Prepolymers, wie in
EP 793681 offenbart.
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Die
erhaltenen elastomeren Polyurethanmaterialien zeigen weiter eine
gute Druckfestigkeit und Elastizität und können wie oben angezeigt verwendet
werden. Die Gesamtdichte (OD, kg/m3) and
die Druckbelastungsdurchbiegung bei 40% (CLD, 40% kPa) werden gemäß DIN 53420
bzw. DIN 53577 gemessen. Die physikalischen Eigenschaften müssen gemessen
werden nachdem die Formteile bis zu einem solchen Ausmaß getrocknet
wurden, dass sich das Gewicht der Formteile nicht um mehr als 0.5%
pro Stunde verringert wenn bei 50°C
gehalten.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:
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Beispiel 1:
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Ein
Prepolymer wurde durch Umsetzen von Suprasec MPR von Huntsman Polyurethanes
(Suprasec ist eine Marke von Huntsman International LLC) und CaradolTM 3602 von Shell bei Raumbedingungen bei
einem Gewichtsverhältnis
von 40:60 hergestellt. Zu 75.5 g dieses Prepolymers wurden 37.75
g Wasser gegeben, gefolgt von Mischen, Giessen in eine Aluminiumform
(Raumtemperatur), Schließen
der Form und reagieren lassen. Die innere Formgröße war 15 × 20 × 1.5 cm und die Innenfläche wurde
mit Münch
ES-940/M äußeres Formtrennmittel
besprüht.
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Nach
5 Minuten wurde das geformte elastomere Polyurethanmaterial entfernt
und bei 50°C
für 24 Stunden
in einem Ofen getrocknet.
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Beispiel 2:
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Beispiel
wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass die Menge des Wassers 75.5
Gramm war.
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Beispiel 3:
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Beispiel
1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass CaradolTM 3602
durch ein Polyoxyethylenpolyoxypropylenpolyol mit einem Molekulargewicht
von 8000, einer nominalen Hydroxylfunktionalität von 3 und einem Oxyethylengehalt
von 75 Gew.-% (alle random) ersetzt wurde. 114.2 g des Prepolymers
und 57.1 g Wasser wurden gemischt und in die Form gegossen.
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Die
physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Elastomere sind in der
folgenden Tabelle angegeben.
Beispiel | 1 | 2 | 3 |
Dichte, kg/m3
(DIN
53420) | 253 | 313 | 386 |
Elastizität, %
(DIN
8307) | 47 | 42 | 63 |
Dehnung beim Bruch, kPa
(DIN 53504) | 637 | 402 | 1050 |
Belastung beim Bruch, %
(DIN 53504) | 110 | 131 | 154 |
Druckbelastungsdurchbiegung
bei 40%, kPa (DIN 53577) | 72 | 98 | 131 |