DE68923243T2 - Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyuerethan mit Formgedächnis. - Google Patents
Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyuerethan mit Formgedächnis.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeisolierendes Material, das eine bessere Formbarkeit und ein Formgedächtnis-Verhalten aufweist sowie in effektiver Weise die Änderung des Elastizitätsmoduls verwendet, die oberhalb und unterhalb des Glasübergangspunkts stattfindet.
- Übliche Wärmeisolatoren für Rohre, Schläuche, Behälter, flache Platten und andere einzeln geformte Formteile werden gewöhnlich aus Kunststoffschäumen wie Polyurethanschaum, Polyethylenschaum, Polystyrolschaum und Schaumgummi hergestellt.
- Es gibt eine breite Vielfalt von Polymerformteilen, unter denen sich die Polymerformteile mit Formgedächtnis befinden, die abhängig von der Temperatur, bei der sie verwendet werden, die Gestalt, wie sie geformt wurden, oder die verformte Gestalt annehmen.
- Die Formteile des Polymers mit Formgedächtnis erstarren in dem verformten Zustand, wenn sie bei einer Temperatur höher als der Glasubergangspunkt des Polymers und niedriger als die Verformungstemperatur des Polymers verformt werden und dann unter den Glasubergangspunkt abgekühlt werden, während sie im verformten Zustand gehalten werden. Sie erhalten ihre Originalgestalt, wie sie geformt wurden, wieder zurück, wenn sie über den Glasübergangspunkt erwärmt werden.
- Übliche Wärmeisolatoren aus Kunststoffschaumen werden in dem Zustand, wie sie geformt wurden, verwendet. Die meisten davon weisen ein hohes Elastizitätsmodul auf, aber einige Kunststoffschäume weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul auf. Solche Kunststoffschäume enthalten eine große Menge Luft und sind daher sehr sperrig für ihr Gewicht. Daher ist es sehr schwer oder sogar unmöglich, eine große Menge derselben auf einmal zu packen und zu transportieren. Ihre Sperrigkeit macht ihre Lagerung unbequem.
- Zusätzlich haben übliche Wärmeisolatoren andere Mängel. Sie erfordern eine komplizierte Verarbeitung, wenn sie an Rohren und Schläuchen oder einzeln geformten Behältern befestigt und die wärmeisolierten Gegenstände montiert werden. Die komplizierte Verarbeitung braucht eine lange Zeit und kostet viel.
- Die Mängel üblicher Kunststoffschäume können beseitigt werden, indem die Formteile des obengenannten Polymers mit Formgedächtnis verwendet werden, die bei verschiedenen Temperaturen die Gestalt, wie sie geformt werden, und die verformte Gestalt einnehmen. Mit anderen Worten, sie nehmen eine für das Packen, Transportieren, Lagern und Montieren bequeme Gestalt ein und sie nehmen auch eine andere, für die übliche Verwendung bequeme Gestalt ein. Leider ist das bisher vorgeschlagene (JP-A-61-293214) Polymer mit Formgedächtnis ein Polyurethan, das eine große Menge an überschüssigen NCO- Gruppen an den Enden der Molekülketten aufweist, und die überschüssigen NCO-Gruppen bringen Vernetzungsreaktionen mit sich, die ein Netzwerkpolymer bilden, das eine sehr schlechte Verarbeitbarkeit aufweist. Daher ist es sehr schwer, mit üblichen Formverfahren wie Spritzgießen, Extrusionsformen, Blasformen und Gießen einen Wärmeisolator aus einem Polymer mit Formgedächtnis herzustellen.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein wärmeisolierendes Material zu schaffen, das eine gute Formbarkeit und ein Formgedächtnis-Verhalten aufweist. Das wärmeisolierende Material kann leicht in eine für das Packen, Transportieren, Lagern und Montieren bequeme Gestalt verformt werden und kann auch leicht in seine Originalgestalt zurückgeführt werden, wenn es für eine Wärmeisolierung verwendet wird.
- Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird mit einem wärmeisolierenden Material aus geschäumtem Polyurethan mit einer Formgedächtnis-Funktion erreicht, bei dem das Polyurethan nach einem Prepolymer-Verfahren aus einer ein Treibmittel enthaltenden Zusammensetzung, die aus einem difunktionellen Diisocyanat, einem difunktionellen Polyol und einem von dem Polyol verschiedenen, aktiven Wasserstoff enthaltenden, difunktionellen Kettenverlängerer in einem Molverhältnis von 2,00 - 1,10 : 1,00 : 1,00 - 0,10 besteht, hergestellt ist, wobei das Polyurethan etwa gleiche Mengen von NCO-Gruppen und OH-Gruppen an den Enden der Molekülketten enthält sowie einen Glasübergangspunkt von -50 bis 60ºC, eine Kristallinität von 3 bis 50 Gew.-% und einen Wert des Verhältnisses des Zugmoduls bei Temperaturen 10ºC niedriger als der Glasübergangspunkt zu dem Zugmodul bei Temperaturen 10ºC höher als der Glasübergangspunkt E/E' von 18 - 170 aufweist.
- Das wärmeisolierende Material der vorliegenden Erfindung wird in seiner für Wärmeisolierung geeigneten Originalgestalt geformt. Wenn es über seinen Glasübergangspunkt (im folgenden kurz Tg) erwärmt wird, erhöht sich in großem Umfang sein Elatizitätsmodul. Daher nimmt sein Volumen ab, wenn es auf eine Temperatur höher als sein Tg und niedriger als seine Verformungstemperatur erwärmt und komprimiert wird. Wenn das wärmeisolierende Material im komprimierten Zustand unter seinen Tg abgekühlt wird, nimmt sein Elastizitätsmodul stark ab, und es erstarrt daher in der komprimierten Form.
- Das wärmeisolierende Material in komprimierter Form erleichtert das Packen, Transportieren, Lagern und Montieren. Nachdem der Wärmeisolator an einem Gegenstand befestigt ist und der isolierte Gegenstand vor Ort montiert ist, wird der Wärmeisolator auf die Temperatur oberhalb seines Tg, bei der er komprimiert wurde, erwärmt, so daß er wieder seine Originalgestalt einnimmt und wie geplant funktioniert.
- Es ist daher erforderlich, daß das wärmeisolierende Material der vorliegenden Erfindung (oder das Polymer, aus dem es hergestellt ist) einen Tg aufweist, der niedriger als die Temperatur ist, bei der der Wärmeisolator normalerweise verwendet wird.
- Damit der Wärmeisolator der vorliegenden Erfindung mit geringen Kosten herstellbar ist, sollte das Polymer (als Rohmaterial) eine gute Formbarkeit aufweisen. Diesem Erfordernis wird mit einem Polyurethan entsprochen, das nach einem Prepolymer-Verfahren aus einer ein Treibmittel enthaltenden Zusammensetzung, die aus einem difunktionellen Diisocyanat, einem difunktionellen Polyol und einem von dem Polyol verschiedenen, aktiven Wasserstoff enthaltenden, difunktionellen Kettenverlängerer in einem Molverhältnis von 2,00 - 1,10 : 1,00 : 1,00 - 0,10 besteht, hergestellt ist, wobei das Polyurethan gleiche Mengen von NCO-Gruppen und OH-Gruppen an den Enden der Molekülketten enthält sowie einen Glasübergangspunkt von -50 bis 60ºC und eine Kristallinität von 3 bis 50 Gew.-% aufweist.
- Indem es keine überschüssigen NCO-Gruppen an den Enden der Molekülkette aufweist, ist das Polyurethan in der vorliegenden Erfindung keiner Vernetzung unterworfen, sondern bleibt in einer Kettenstruktur. Zusätzlich ist es wegen der Kristallinität in dem obengenannten Bereich thermoplastisch und formbar.
- Das wärmeisolierende Material der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen, sich zwischen kalt und heiß bewegenden Bereichen verwendet werden, weil es einen Tg in dem obengenannten Bereich aufweist.
- Das Polyurethan der vorliegenden Erfindung kann aus den folgenden Rohmaterialien hergestellt werden.
- Ein difunktionellen Diisocyanat, das durch die allgemeine Formel OCN-R-NCO dargestellt wird, worin R ein oder zwei Phenylengruppen bedeutet oder R fehlen kann. Es umfaßt z.B. 2,4-Toluoldiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethan-diisocyanat, Carbodiimid-modifiziertes 4,4'-Diphenylmethan-diisocyanat und Hexamethylendiisocyanat.
- Ein difunktionelles Polyol, das durch die allgemeine Formel OH-R'-OH dargestellt wird, worin R' ein oder zwei Phenylengruppen bedeutet oder R' fehlen kann. Es kann auch ein Reaktionsprodukt des difunktionellen Polyols und einer difunktionellen Carbonsäure oder einem cyclischen Ether sein. Es umfaßt z.B. Polypropylenglycol, 1,4-Butanglycol-adipat, Polytetramethylenglycol, Polyethylenglycol und ein Addukt von Bisphenol A mit Propylenoxid.
- Ein aktive Wasserstoffgruppen enthaltender, difunktioneller Kettenverlängerer, der durch die allgemeine Formel OH-R"-OH dargestellt wird, worin R" eine (CH&sub2;)n-Gruppe (worin n eine ganze Zahl von 1 und darüber ist) oder eine oder zwei Phenylengruppen bedeutet. Er kann auch ein Reaktionsprodukt des Kettenverlängerers und einer difunktionellen Carbonsäure oder einem cyclischen Ether sein. Er umfaßt z.B. Ethylenglycol, 1,4-Butanglycol, Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon, ein Addukt von Bisphenol A mit Ethylenoxid und ein Addukt von Bisphenol A mit Propylenoxid.
- Das Treibmittel, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, kann entweder vom Zersetzungstyp, der nach chemischer Zersetzung ein Gas abgibt, oder vom Verdampfungstyp, der ohne chemische Reaktion ein Gas abgibt, sein.
- Die Treibmittel vom Zersetzungstyp können in die anorganischen und die organischen aufgeteilt werden wobei die ersteren Natriumhydrogencarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat, Azidverbindungen, Natriumborohydrat und Leichtmetalle, die bei Reaktion mit Wasser Wasserstoff erzeugen, umfassen und die letzteren Azodicarbonamid, Azobisformamid und N,N'-Dinitroso-pentamethylentetramin umfassen.
- Die Treibmittel vom Verdampfungstyp umfassen komprimiertes Stickstoffgas und Trichlor-monofluor-methan.
- Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die das wärmeisolierende Material der vorliegenden Erfindung in dem Augenblick zeigt, wo es an einem Rohr angebracht wird.
- Die Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Rohr zeigt, an dem das in der Fig. 1 gezeigte, wärmeisolierende Material angebracht wird.
- Die Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die das Rohr (wie in der Fig. 2 gezeigt) mit dem Wärmeisolator (wie in der Fig. 1 gezeigt) daran zeigt.
- Die Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, welche die in der Fig. 3 gezeigte Rohr-Wärmeisolator-Einheit mit dem verformten Wärmeisolator zeigt.
- Die Fig. 5 ist ein Querschnitt, der die in einen engen Raum eingesetzte Rohr-Wärmeisolator-Einheit (wie in der Fig. 4 gezeigt) mit dem Wärmeisolator in seiner nach dem Erhitzen wiederhergestellten Originalgestalt zeigt.
- Die Erfindung wird ausführlicher unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben, die nicht bezwecken, die Erfindung zu beschränken.
- Als erstes wurde in Abwesenheit eines Katalysators durch Reaktion eines Diisocyanats und eines Polyols in dem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis ein Prepolymer hergestellt. Zu dem Prepolymer wurde ein Kettenverlängerer in dem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis gegeben. Zu 100 Gewichtsteilen des resultierenden Gemisches wurden 20 Gewichtsteile eines Treibmittels (Trichlor-monofluor-methan mit einem Siedepunkt von 23,8ºC) gegeben. Das Gemisch wurde erhitzt und in eine Form gegossen, gefolgt von 20 Minuten bis 10 Stunden Curing bei 120ºC. Auf diese Weise wurde ein hohler, zylindrischer Wärmeisolator 1 (9,5 cm Innendurchmesser und 4 cm Dicke) für Rohre erhalten, der aus Polyurethanschaum mit Formgedächtnis besteht.
- Dieser Polyurethanschaum weist ein Expansionsverhältnis von 20 und außerdem die in Tabelle 1 gezeigten physikalischen Grundeigenschaften auf. Im übrigen ist E/E' in Tabelle 1 definiert durch:
- E/E' = Zugmodul bei (Tg - 10ºC)/Zugmodul bei (Tg + 10ºC)
- und die Kristallinität (Gew.-%) wurde durch Röntgenbeugung gemessen. Tabelle 1 Rohmaterialien und Molverhältnis Diisocyanat Polyol Kettenverlängerer Gemessene Werte von physikalischen Eigenschaften 2,4-Toluoldiisocyanat 4,4-'Diphenylmethan-diisocyanat (Carbodiimid-modifiziert) Hexamethylendiisocyanat Polypropylenglycol 1,4-Butanglycol-adipat Polytetramethylenglycol Polyethylenglycol Bisphenol A + Propylenoxid Ethylenglycol Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon Bisphenol A + Ethylenoxid Kristallinität (Gew.-%) Tabelle 1 (Forts.) Rohmaterialien und Molverhältnis Diisocyanat Polyol Kettenverlängerer Gemessene Werte von physikalischen Eigenschaften 2,4-Toluoldiisocyanat 4,4-'Diphenylmethan-diisocyanat (Carbodiimid-modifiziert) Hexamethylendiisocyanat Polypropylenglycol 1,4-Butanglycol-adipat Polytetramethylenglycol Polyethylenglycol Bisphenol A + Propylenoxid Ethylenglycol Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon Bisphenol A + Ethylenoxid Kristallinität (Gew.-%) Tabelle 1 (Forts.) Rohmaterialien und Molverhältnis Diisocyanat Polyol Kettenverlängerer Gemessene Werte von physikalischen Eigenschaften 2,4-Toluoldiisocyanat 4,4-'Diphenylmethan-diisocyanat (Carbodiimid-modifiziert) Hexamethylendiisocyanat Polypropylenglycol 1,4-Butanglycol-adipat Polytetramethylenglycol Polyethylenglycol Bisphenol A + Propylenoxid Ethylenglycol Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon Bisphenol A + Ethylenoxid Kristallinität (Gew.-%) Tabelle 1 (Forts.) Rohmaterialien und Molverhältnis Diisocyanat Polyol Kettenverlängerer Gemessene Werte von physikalischen Eigenschaften 2,4-Toluoldiisocyanat 4,4-'Diphenylmethan-diisocyanat (Carbodiimid-modifiziert) Hexamethylendiisocyanat Polypropylenglycol 1,4-Butanglycol-adipat Polytetramethylenglycol Polyethylenglycol Bisphenol A + Propylenoxid Ethylenglycol Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon Bisphenol A + Ethylenoxid Kristallinität (Gew.-%)
- Polyurethan Nr. 39 in Tabelle 1 wurde zu einem zylindrischen Wärmeisolator 1 verarbeitet, wie er in der Fig. 1 gezeigt ist. Der Wärmeisolator wurde auf ein Rohr 2 mit einem ein wenig kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Wärmeisolators 1 geschoben. Auf diese Weise wurde ein wärmeisoliertes Rohr 3 erhalten, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist. Das wärmeisolierte Rohr 3 wurde auf 50ºC, was höher als der Tg des Polyurethans ist, erwärmt sowie der Wärmeisolator 1 durch die Anwendung einer äußeren Kraft komprimiert und dann im komprimierten Zustand unter den Tg abgekühlt. Auf diese Weise wurde ein wärmeisoliertes Rohr 4 (wie in der Fig. 4 gezeigt) mit verringertem Durchmesser (oder im erstarrten verformten Zustand) erhalten.
- Nach dem Packen und Transportieren oder Lagern wurde das wärmeisolierte Rohr 4 in einen engen Raum eingesetzt, wo eine Rohrleitung benötigt wird. Dann wurde es auf eine Temperatur oberhalb des Tg erwärmt, so daß es seinen zylindrischen Originalzustand zurückerhält. Der Wärmeisolator 1 an sich entsprach wegen seiner Elastizität der Gestalt der umgebenden Struktur 5, wie in der Fig. 5 gezeigt.
- Der Wärmeisolator der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
- (1) Wenn er unter Druck über seinen Tg erwärmt wird, kann seine Größe verringert werden, um das Packen, Transportieren, Lagern und Befestigen an einem Gegenstand zu erleichtern. Der mit dem Wärmeisolator mit verringerter Größe versehene Gegenstand kann leicht in einen engen Raum eingesetzt werden.
- (2) Wenn er wieder über seinen Tg erwärmt wird, erhält er leicht seine Originalgestalt wieder.
- (3) Er kann in jeder komplexen Form erhältlich sein, weil er durch ein übliches Formverfahren wie Spritzgießen und Blasformen aus einem spezifischen Polyurethan hergestellt wird, das wegen der Abwesenheit von überschüssigen, für die Vernetzung verantwortlichen NCO-Endgruppen ein Kettenpolymer ist.
Claims (6)
1. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion, bei dem das Polyurethan nach
einem Prepolymer-Verfahren aus einer ein Treibmittel
enthaltenden Zusammensetzung, die aus einem difunktionellen
Diisocyanat, einem difunktionellen Polyol und einem von dem
Polyol verschiedenen, aktiven Wasserstoff enthaltenden,
difunktionellen Kettenverlängerer in einem Molverhältnis von
2,00 - 1,10 : 1,00 : 1,00 - 0,10 besteht, hergestellt ist,
wobei das Polyurethan etwa gleiche Mengen von NCO- Gruppen und
OH-Gruppen an den Enden der Molekülketten enthält sowie einen
Glasübergangspunkt von -50 bis 60ºC, eine Kristallinität von 3
bis 50 Gew.-% und einen Wert des Verhältnisses des Zugmoduls
bei Temperaturen 10ºC niedriger als der Glasübergangspunkt zu
dem Zugmodul bei Temperaturen 10ºC höher als der
Glasübergangspunkt E/E' von 18 - 170 aufweist.
2. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion nach Anspruch 1, bei dem das
difunktionelle Diisocyanat eine durch die allgemeine Formel
(I):
OCN-R-NCO (I)
worin R ein oder zwei Phenylengruppen bedeutet, dargestellte
Verbindung ist.
3. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion nach Anspruch 1, bei dem das
difunktionelle Polyol eine durch die allgemeine Formel (II):
HO-R'-OH (II)
worin R' ein oder zwei Phenylengruppen bedeutet, dargestellte
Verbindung ist.
4. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion nach Anspruch 1, bei dem das
difunktionelle Polyol ein Reaktionsprodukt des
difunktionellen Polyols und einer difunktionellen Carbonsäure
oder einem cyclischen Ether ist.
5. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion nach Anspruch 1, bei dem der
aktiven Wasserstoff enthaltende, difunktionelle
Kettenverlängerer eine durch die allgemeine Formel (III):
HO-R"-OH (III)
worin R" eine (CH&sub2;)n-Gruppe (worin n eine ganze Zahl von 1
und mehr ist) oder eine oder zwei Phenylengruppen bedeutet,
dargestellte Verbindung ist.
6. Wärmeisolierendes Material aus geschäumtem Polyurethan mit
einer Formgedächtnis-Funktion nach Anspruch 1, bei dem der
aktiven Wasserstoff enthaltende, difunktionelle
Kettenverlängerer ein Reaktionsprodukt des Kettenverlängerers
und einer difunktionellen Carbonsäure oder einem cyclischen
Ether ist.
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