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Diese
Erfindung betrifft Polyurethan-Polymere. Insbesondere betrifft diese
Erfindung Polyurethan-Polymere, die aus wässrigen Polyurethan-Dispersionen
erhältlich
sind.
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Polyurethan-Dispersionen
sind bekannt, und sie können
verwendet werden, um Polyurethan-Polymere zu erhalten, die selbst
wiederum bei verschiedenen Anwendungen nützlich sein können. Polyurethan/Harnstoff-Dispersionen
können
verwendet werden, um beispielsweise Teppichrückenbeschichtungen, Beschichtungen
für die
Oberflächen-Schlussbearbeitung
von Holz, Glasfaserschlichtung, Textilien, Klebemittel, Kraftfahrzeugverdecks
und Grundierungen, Verpackungsfolien und Handschuhe zu erhalten,
sowie für
andere Anwendungen. Polyurethan-Dispersionen können durch verschiedene Verfahren
hergestellt werden, einschließlich
beispielsweise durch solche, die in US-Patent Nr. 4,857,565; US-Patent
Nr. 4,742,095; US-Patent Nr. 4,879,322; US-Patent Nr. 3,437,624;
US-Patent Nr. 5,037,864; US-Patent Nr. 5,221,710, US-Patent Nr. 4,237,264
und US-Patent Nr. 4,092,286 beschrieben sind.
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Polyurethan-Dispersionen
können
nach einem Verfahren erhalten werden, das in der US-Anmeldung Serien
Nr. 09/039978 beschrieben ist. Dispersionen, die nach dem darin
beschriebenen Verfahren hergestellt sind, können nützlich sein, um Polyurethan-Teppichrückenbeschichtungen
und Polyurethan-Textilrückenbeschichtungen
zu erhalten. Es können
jedoch Probleme auftreten, wenn Flüssigkeit ausläuft oder
verschüttet wird,
wobei eine Flüssigkeit
auf die Rückenbeschichtung
auf der Unterseite eines Teppichs fließen oder von dieser absorbiert
werden kann. Ausgelaufene oder verschüttete Flüssigkeiten wie Wasser, Urin,
Getränke,
Lebensmittel, Blut und Fäkalien
können
in eine Teppichrückenbeschichtung
auf der Unterseite des Teppichs eindringen, die für verschiedene
Reinigungsmethoden unzugänglich
sein kann. Feuchtigkeitsbeständige
polymere Materialien können
bei Schutzkleidung wie beispielsweise Handschuhen oder bei Verpackungsmaterialien nützlich sein.
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Durch
verschiedene herkömmliche
Verfahren kann Polymeren, die aus wässrigen Polymer-Dispersionen
erhalten sind, ein Feuchtigkeitsschutz verliehen werden. Es können z.B.
größere Auftragemengen
einer Dispersion verwendet werden, sodass die Dicke des Polymers
erhöht
wird. Alternativ kann Wachs, das zu einer wässrigen Polymer-Dispersion
zugegeben wird, einem Teppich Feuchtigkeitsschutz verleihen. Ein
weiteres bekanntes Verfahren, um Feuchtigkeitsschutz zu verleihen,
besteht darin, die in einer Formulierung für eine Teppichrückenbeschichtung
verwendete Menge an Füllstoff
zu verringern. Außerdem
kann ein undurchlässiger
Stoff oder eine undurchlässige
Folie auf einer Teppichrückenbeschichtung
angebracht werden, wie in US-Patent Nr. 5,763,040 beschrieben. Ein
anderes Verfahren wiederum beinhaltet das Aufbringen einer fluorhaltigen
Chemikalie auf der Unterseite einer sekundären Rückenbeschichtung und ist in
US-Patent Nr. 5,348,785 beschrieben. Die Verwendung von fluorhaltigen
Chemikalien zur Verleihung von Wasserundurchlässigkeit ist auch in den US-Patenten
Nr. 4,619,853 und 4,643,930 beschrieben. Eine wasserdichte Folie
ist in US-Patent Nr. 4,336,089 beschrieben. Das Aufbringen verschiedener
hydrophober Zusammensetzungen auf einer zusätzlichen Rückenbeschichtung ist in US-Patent
Nr. 5,558,916 beschrieben.
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US-Patent
Nr. 4,096,127 und US-Patent Nr. 5,417,723 offenbaren anionische
Polyurethan-Dispersionen und deren Verwendung bei der Schlichtung
von Papier und bei der Behandlung von Leder. Die Offenbarung von
US-Patent Nr. 4,777,224 ähnelt
derjenigen von US-Patent Nr. 4,096,127. Diese Dokumente lehren die
Einbeziehung von Polyolen, die langkettige Alkylgruppen aufweisen.
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US-Patent
Nr. 5,712,342 und WO 89/12273 A lehren die Herstellung von wässrigen
Dispersionen von Urethan-Harzen, die für die Herstellung von Beschichtungszusammensetzungen
mit guter Feuchtigkeitsbeständigkeit
verwendet werden.
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Im
Fachbereich der Herstellung von Polyurethan-Polymeren wäre es wünschenswert,
eine Polyurethan-Dispersion herzustellen, die eine Komponente beinhaltet,
die einem Polyurethan-Polymer Feuchtigkeitsschutz verleiht, ohne
dass dadurch das Herstellungsverfahren aufwändiger wird oder die anderen
Eigenschaften des Polyurethan-Polymers signifikant verändert werden.
Es wäre
in dem Fachbereich auch wünschenswert,
ein solches Polymer durch ein Verfahren herzustellen, bei dem die
Produktionskosten des Polymers oder der daraus hergestellten Gegenstände nicht
signifikant erhöhen
sind.
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In
einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine wässrige Polyurethan-Dispersion, umfassend ein
Isocyanat-terminiertes Prepolymer, das aus einer Formulierung, die
ein Polyisocyanat und ein Polyol-Gemisch enthält, hergestellt ist, wobei
das Polyol-Gemisch wenigstens eine aliphatische mono- di- oder poly-Hydroxyverbindung
umfasst, die einen aliphatischen Seitenketten-Substituenten aufweist,
der 5 bis 30 Kohlenstoffatome beinhaltet und wobei die aliphatische
mono- di- oder poly-Hydroxyverbindung
in einer Konzentration von 0,5 bis 10 Gew.-%, des Polymergewichts
vorliegt.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein feuchtigkeitsbeständiges Polyurethan-Polymer,
das eine Polymerschicht umfasst, die hergestellt ist durch Aufbringen
einer Schicht einer wässrigen
Polyurethan-Dispersion
auf einem Substrat , wobei die wässrige
Polyurethan-Dispersion ein Isocyanat-terminiertes Prepolymer umfasst,
das aus einer Formulierung, die ein Polyisocyanat und ein Polyol-Gemisch
enthält,
hergestellt ist, wobei das Polyol-Gemisch wenigstens eine aliphatische
mono- di- oder poly-Hydroxyverbindung umfasst, die einen aliphatischen
Seitenketten-Substituenten aufweist, der 5 bis 30 Kohlenstoffatome
beinhaltet und wobei die aliphatische mono- di- oder poly-Hydroxyverbindung,
die einen aliphatischen Seitenketten-Substituenten aufweist, in
einer Konzentration von 0,5 bis 10 Gew.-%, des Polymers vorliegt,
und Aushärtenlassen
der Dispersion.
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In
noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine feuchtigkeitsbeständige Textilie
und ein daran anhaftendes Polymer, hergestellt durch Aufbringen
einer Schicht einer wässrigen
Polyurethan-Dispersion auf einer Textilie, wobei die wässrige Polyurethan-Dispersion
ein Isocyanat-terminiertes Prepolymer umfasst, das aus einer Formulierung
hergestellt ist, die ein Polyisocyanat und ein Polyol-Gemisch enthält, wobei
das Polyol-Gemisch wenigstens eine aliphatische mono- di- oder poly-Hydroxyverbindung
umfasst, die einen aliphatischen Seitenketten-Substituenten aufweist, der 5 bis 30
Kohlenstoffatome beinhaltet und wobei die aliphatische mono- di-
oder poly-Hydroxyverbindung, die einen aliphatischen Seitenketten-Substituenten
aufweist, in einer Konzentration von 0,5 bis 10 Gew.-%, des Polymers
vorliegt, und Aushärtenlassen
der Dispersion.
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Die
feuchtigkeitsbeständigen
Polyurethane der vorliegenden Erfindung können bei Anwendungen für elastische
Bodenbeläge
wie beispielsweise befestigten elastischen Breitgeweben, Teppichvliesen,
Teppichunterlagen oder Vinylbodenbelägen; bei Klebstoffanwendungen;
Beschichtungen; bei Schutzkleidung oder Schutzausrüstung wie
Handschuhen und Schürzen;
bei Verpackungen; oder bei jeglichen Anwendungen, bei denen feuchtigkeitsbeständige Polymere
nützlich
sein können,
brauchbar sein.
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In
einer Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung eine wässrige Polyurethan-Dispersionszusammensetzung,
die eine Beschichtung oder einen Schaum mit guter Feuchtigkeitsbeständigkeit
ergeben kann. Eine Polyurethan-Dispersion
der vorliegenden Erfindung beinhaltet Wasser und entweder: ein Polyurethan;
ein zur Bildung eines Polyurethans geeignetes Gemisch; oder ein
Gemisch dieser beiden. Eine Polyurethan-Dispersion der vorliegenden
Erfindung kann gegebenenfalls beinhalten: Kettenverlängerer;
oberflächenaktive
Mittel; Füllstoffe;
Dispergiermittel; Schaumstabilisatoren; Verdickungsmittel; Brandverzögerer und/oder andere
optionale Materialien, die in einer Polyurethan-Formulierung nützlich sein können.
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Die
Polyisocyanat-Komponente der erfindungsgemäßen Formulierungen kann unter
Verwendung beliebiger organischer Polyisocyanate, modifizierter
Polyisocyanate, Prepolymere auf Isocyanatbasis und Gemischen davon,
hergestellt sein. Diese können
aliphatische und cycloaliphatische Isocyanate beinhalten, aber aromatische
und insbesondere multifunktionale aromatische Isocyanate wie 2,4-
und 2,6-Toluoldiisocyanat und
die entsprechenden Isomerengemische; 4,4'-, 2,4'- und 2,2'-Diphenyl-methandiisocyanat (MDI) und
die entsprechenden Isomerengemische; Gemische von 4,4'- und 2,4'- und 2,2'-Diphenyl-methandiisocyanaten und
Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanaten PMDI; und Gemische von PMDI
und Toluoldiisocyanaten sind bevorzugt. Am meisten bevorzugt handelt
es sich bei dem zur Herstellung der erfindungsgemäßen Prepolymer-Formulierung
verwendeten Polyisocyanat um MDI oder PMDI.
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Eine
Polyurethan-Dispersion der vorliegenden Erfindung ist eine wässrige Dispersion
eines Polyurethans und/oder Polyurethan-bildender Materialien. Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung können
Polyurethan-Dispersionen andere polymere und/oder oligomere Verbindungen
beinhalten, einschließlich,
aber nicht begrenzt auf: Harnstoffe, Biurete, Allophonate und andere
Verbindungen, die von der Reaktion eines Isocyanats mit den verschiedenen
in der Formulierung vorhandenen Verbindungen mit aktivem Wasserstoff
herrühren
können.
Wie in der vorliegenden Erfindung verwendet bedeutet die Bezeichnung
Polyurethan-bildende Materialien solche Materialien, die in der
Lage sind, Polyurethan-Polymere zu bilden. Polyurethan-bildende Materialien
schließen
z.B. Polyurethan-Prepolymere ein. Prepolymere, die für die Durchführung der
vorliegenden Erfindung verwendbar sind, können hergestellt werden, indem
Verbindungen mit aktivem Wasserstoff mit einer solchen Menge an
Isocyanat umgesetzt werden, die im Vergleich zu der in dem Reaktionsgemisch
vorhandenen aktiven Wasserstoff-Funktionalität einen Überschuss bedeutet. Die Isocyanat-Funktionalität kann in einer
Menge von 0,2 Gew.% bis 40 Gew.% der Dispersion vorhanden sein.
Ein geeignetes Prepolymer kann ein Molekulargewicht im Bereich von
100 bis 10.000 aufweisen.
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Prepolymere,
die für
die Durchführung
der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sollten unter den Dispergierungsbedingungen
im Wesentlichen flüssig
sein. Obwohl es möglich
ist, ein flüssiges
Lösungsmittel oder
ein Verdünnungsmittel
wie beispielsweise eine flüchtige
organische Verbindung (VOC) zu dem Prepolymer zuzugeben, um ein
stärker
fluides Prepolymer zu erhalten, ist es in dieser Erfindung bevorzugt,
kein Lösungsmittel
oder Verdünnungsmittel
zu verwenden, da die Entfernung dieser Bestandteile zusätzliche
Verarbeitungsschritte erfordert und die Verwendung dieser VOCs mögliche Umweltauswirkungen
mit sich bringt. Vorzugsweise werden die Polyurethan-Dispersionen
der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen in Abwesenheit eines
organischen Lösungsmittels
hergestellt.
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Verbindungen
mit aktivem Wasserstoff sind Verbindungen, die funktionelle Gruppen
aufweisen, die wenigstens ein Wasserstoffatom enthalten, das direkt
an ein elektronegatives Atom wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff
oder Schwefel gebunden ist. Verschiedene Arten von Verbindungen
mit aktivem Wasserstoff wie beispielsweise Amine, Alkohole, Polyetherpolyole,
Polyesterpolyole und Merkaptane sind dem Fachmann im Bereich der
Herstellung von Polyurethan-Polymeren bekannt. Bei Verbindungen
mit aktivem Wasserstoff, die zur Verwendung bei der Durchführung der
vorliegenden Erfindung geeignet sind, kann es sich um Polyole mit
Molekulargewichten von weniger als etwa 10.000 handeln.
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Die
in der Erfindung eingesetzte aliphatisch substituierte hydroxy-funktionelle
Verbindung kann aus einer beliebigen Verbindung bestehen, die einen
aliphatischen Substituenen mit von 1 bis 30 Kohlenstoffatomen und
ein oder mehrere Hydroxylgruppen aufweist. Beispiele für solche
Verbindungen beinhalten Glykole wie beispielsweise Glycerin, Trimethylolpropan
oder Trimethylolether, die teilweise mit einer Carbonsäure mit
1 bis 30 Kohlenstoffatomen verestert sind, bevorzugt mit einer Carbonsäure mit
5 bis 22 Kohlenstoffatomen und weiter bevorzugt einer Carbonsäure mit
10 bis 15 Kohlenstoffatomen. Beispiele dieser Verbindungen beinhalten die
Gruppe bestehend aus Glycern-Monooleat, Glycerin-Monobehenat, Glycerin-Monotallat,
Glycerin-Monostearat, Glycerin-Monopalmitat, Trimethylolpropan-Monostearat
und Gemische davon. Andere Arten von Verbindungen beinhalten polymere
Varianten der zuvor genannten Verbindungen und Copolymere dieser
Verbindungen mit anderen Glykolen, Diolen und Säuren oder Anhydriden. Außerdem kann
der aliphatische Substituent über
Heteroatome wie Sauerstoff oder Stickstoff an den Hydroxyl-Teil
der Verbindung angebunden sein, solche Verbindungen beinhalten die
N,N-bis(hydroxyalkyl)alkylamine, von denen ein Beispiel N-Stearyldiethanolamin
ist. Verzweigtkettige Hydroxyalkane wie 1,2-Dihydroxyoctadecan können ebenfalls
verwendet werden. Außerdem
können
auch Ester auf Sorbitanbasis wie die Gruppe bestehend aus Sorbitan-Monostearat, Sorbitan-Monooleat,
Sorbitan-Monolaurat, Sorbitan-Monooleat und Gemische davon verwendet
werden. Dabei sind die Glycerin-Monoester bevorzugt.
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Die
in der vorliegenden Erfindung eingesetzte aliphatisch substituierte
hydroxyfunktionale Verbindung kann in einer überraschend geringen Konzentration
dazu verwendet werden, um Polymere herzustellen, die Feuchtigkeit
wirkungsvoll abweisen. Bevorzugt liegen die aliphatisch substituierten
hydroxy-funktionalen Verbindungen in einer Konzentration von 0,5
bis 10% des Polymergewichts einer Polyurethan-Dispersion vor. Weiter
bevorzugt liegen die aliphatisch substituierten hydroxy-funktionalen
Verbindungen in einer Konzentration von 1,0 bis 4,5% des Polymergewichts
einer Polyurethan-Dispersion vor und noch weiter bevorzugt liegen die
aliphatisch substituierten hydroxy-funktionalen Verbindungen in
einer Konzentration von 1,5 bis 2,5% des Polymergewichts einer Polyurethan-Dispersion
vor.
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Andere
Arten von wässrigen
Polymer-Dispersionen können
in Kombination mit den Polyurethan-Dispersionen der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Geeignete Dispersionen, die zur Mischung
mit den Polyurethan-Dispersionen der vorliegenden Erfindung geeignet
sind, beinhalten: Styrol-Butadien-Dispersionen; Styrol-Butadien-Vinylidenchlorid-Dispersionen;
Styrol-Alkyl-Acrylat-Dispersionen oder Acrylsäure-Dispersionen; ähnliche Verbindungen und Gemische
davon.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ggf. einen Kettenverlängerer oder
ein Quervernetzungsmittel. Ein Kettenverlängerer wird hierin verwendet,
um das Molekulargewicht des Polyurethan-Prepolymers durch Umsetzung
des Kettenverlängerers
mit der Isocyanat-Funktionalität
in dem Polyurethan-Prepolymer auszubauen, d.h. um eine Kettenverlängerung
des Polyurethan-Prepolymers zu erreichen. Ein geeigneter Kettenverlängerer oder
Quervernetzer ist typischerweise eine Verbindung mit niedrigem Äquivalentgewicht
die aktiven Wasserstoff enthält,
und etwa 2 oder mehr aktive Wasserstoffgruppen pro Molekül aufweist.
Kettenverlängerer
weisen typischerweise 2 oder mehr aktive Wasserstoffgruppen auf,
während
Quervernetzungsmittel 3 oder mehr aktive Wasserstoffgruppen aufweisen.
Die aktiven Wasserstoffgruppen können
Hydroxyl-, Merkaptyl- oder Aminogruppen sein. Ein Amin-Kettenverlängerer kann
blockiert, verkapselt oder auf andere Weise in seiner Reaktivität herabgesetzt
sein. Andere Materialien, insbesondere Wasser, können kettenverlängernd wirken und
daher Kettenverlängerer
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Polyamine
sind bevorzugte Kettenverlängerer.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Kettenverlängerer ausgewählt sind
aus der Gruppe bestehend aus Aminterminierten Polyethern wie beispielsweise
Jeffamine D-400 von Huntsman Chemical Company, Aminoethylpiperazin,
2-Methylpiperazin, 1,5-Diamino-3-methylpentan,
Isophorondiamin, Ethylendiamin, Diethylentriamin, Aminoethylethanolamin,
Triethylentetramin, Triethylenpentamin, Ethanolamin, Lysin in einer
beliebigen seiner stereoisomeren Formen und Salzen davon, Hexandiamin,
Hydrazin und Piperazin. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung
kann der Kettenverlängerer als
wässrige
Lösung
eingesetzt werden.
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Obwohl
sie optional ist, kann die Verwendung eines Kettenverlängerers
bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Polyurethan-Polymers von
Vorteil sein. Im Allgemeinen wird ein Kettenverlängerer in solchen einer Menge
verwendet, die ausreichend ist, um mit von 0 bis 100% der in dem
Prepolymer vorliegenden Isocyanat-Funktionalität zu reagieren, bezogen auf
die Umsetzung von einem Äquivalent
Isocyanat mit einem Äquivalent
Kettenverlängerer.
Es kann wünschenswert
sein, Wasser als Kettenverlängerer
fungieren zu lassen und mit einigen oder allen der vorhandenen Isocyanat-Funktionalitäten reagieren
zu lassen. Ein Katalysator kann ggf. verwendet werden, um die Reaktion
zwischen einem Kettenverlängerer
und einem Isocyanat zu fördern.
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Katalysatoren
sind bei der Durchführung
der vorliegenden Erfindung optional. Geeignete Katalysatoren für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung beinhalten tertiäre Amine und organometallische
Verbindungen, ähnliche
Verbindungen und Gemische davon. Beispielsweise beinhalten geeignete
Katalysatoren Di-n-Butyl-zinn-bis(merkaptoessigsäure-isooctylester), Dimethylzinndilaurat,
Dibutylzinn-dilaurat, Dibutylzinn-sulfid, Zinnoctoat, Bleioctoat,
Eisenacetylacetonat, Bismutcarboxylate, Triethylendiamin, N-Methylmorpholin, ähnliche
Verbindungen und Gemische davon. Vorteilhafterweise wird eine solche
Menge an Katalysator eingesetzt, dass eine relativ schnelle Härtung zu
einem nicht klebrigen Zustand erhalten werden kann. Wenn ein organometallischer
Katalysator eingesetzt wird, kann eine solche Härtung bei Verwendung von 0,01
bis 0,5 Teilen pro 100 Teilen der Polyurethan-bildenden Zusammensetzung
pro Gewicht erhalten werden. Wenn ein tertiärer Aminkatalysator eingesetzt
wird, so ermöglicht
der Katalysator bevorzugt eine geeignete Härtung bei Verwendung von 0,01
bis 3 Teilen an tertiärem
Aminkatalysator pro 100 Teilen der Polyurethan-bildenden Zusammensetzung
pro Gewicht. Sowohl ein Katalysator vom Typ Amin als auch ein organometallischer
Katalysator können
in Kombination eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ggf. ein Füllstoffmaterial. Das Füllstoffmaterial
kann konventionelle Füllstoffe
wie beispielsweise gemahlenes Glas, Calciumcarbonat, Aluminiumtrihydrat,
Talk, Bentonit, Antimontrioxid, Kaolin, Flugasche oder andere bekannte
Füllstoffe
beinhalten. Bei der Durchführung
der vorliegenden Erfindung kann eine geeignete Füllstoffmenge in einer Polyurethan- Dispersion von 100
bis 1000 Teile an Füllstoff
pro 100 Teile Polyurethan betragen. Bevorzugt kann der Füllstoff
in einer Menge von wenigstens etwa 200 pph, weiter bevorzugt wenigstens
etwa 300 pph, am meisten bevorzugt wenigstens etwa 400 pph zugegeben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ggf. ein Füllstoffbenetzungsmittel. Ein
Füllstoffbenetzungsmittel kann
im Allgemeinen dazu beitragen, den Füllstoff und die Polyurethan-bildende
Zusammensetzung miteinander kompatibel zu machen. Brauchbare Benetzungsmittel
beinhalten Phosphatsalze wie Natriumhexametaphosphat. Ein Füllstoffbenetzungsmittel
kann in einer Polyurethanbildenden Zusammensetzung der vorliegenden
Erfindung in einer Konzentration von wenigstens etwa 0,5 Teilen
pro 100 Teilen an Füllstoff
pro Gewicht enthalten sein.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ggf. Verdickungsmittel. Verdickungsmittel
können
in der vorliegenden Erfindung nützlich
sein, um die Viskosität
von Polyurethan-Dispersionen mit geringer Viskosität zu erhöhen. Für die Verwendung
bei der Durchführung
der vorliegenden Erfindung geeignete Verdickungsmittel können beliebige
im Fachbereich der Herstellung von Polyurethan-Dispersionen bekannte
Verdickungsmittel sein. Beispielsweise beinhalten geeignete Verdickungsmittel
ALCOGUM VEP-II* (*ALCOGUMTM VEP-II ist eine
Handelsbezeichnung der Alco Chemical Corporation) und PARAGUM 231*
(*PARAGUM 231 ist eine Handelsbezeichnung von Para-Chem Southern,
Inc.). Verdickungsmittel können
in einer beliebigen Menge verwendet werden, die notwendig ist, um
eine Dispersion mit der gewünschten
Viskosität
zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung kann weitere optionale Komponenten enthalten.
Beispielsweise kann eine Polyurethan-bildende Zusammensetzung der
vorliegenden Erfindung oberflächenaktive
Mittel, Treibmittel, Schaum-bildende Mittel, Brandverzögerer, Pigmente,
antistatische Mittel, Verstärkungsfasern,
Antioxidanzien, Konservierungsmittel, Säureabsorber enthalten. Beispiele
für geeignete
Treibmittel beinhalten: Gase und/oder Gemische von Gasen wie beispielsweise
Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Argon, Helium; Flüssigkeiten
wie beispielsweise Wasser, flüchtige
Halogenide, Alkane wie die verschiedenen Chlorfluormethane und Chlorfluorethane,
Aza-Treibmittel wie beispielsweise Azobis(formamid).
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Schaum-bildende
Mittel werden typischerweise durch mechanisches Einbringen eines
Gases in eine Flüssigkeit
eingebracht, um einen Schaum zu bilden (mechanisches Schäumen). Mechanisches
Schäumen
eines Polyurethan-Polymers ist eine bekannte Vorgehensweise und
Praxis eines Fachmanns in der Herstellung von Polyurethan-Polymeren.
Bei der Herstellung eines geschäumten
Polyurethanschaums ist es bevorzugt, alle Komponenten zu vermischen
und anschließend
das Gas in das Gemisch einzumischen, wobei beispielsweise Ausrüstung wie
z.B. ein Oakes- oder Firestone-Schäumer verwendet wird. Bei der
Herstellung eines Schaums für
eine Teppichrückenbeschichtung
ist es nicht erforderlich, einen Schaum zu erhalten, der stabil ist.
Beim Herstellungsverfahren für
eine Teppichrückenbeschichtung
wird typischerweise ein geschäumter Schaum
auf der Rückseite
eines Teppichs unter Verwendung eines Ausbreitungswerkzeugs verteilt,
wobei der Schaum bei dem Vorgang zerstört wird.
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Oberflächenaktive
Mittel sind optional, sie können
aber bei der Durchführung
der vorliegenden Erfindung wünschenswert
sein. Hierin verwendbare oberflächenaktive
Mittel können
kationische oberflächenaktive Mittel,
anionische oberflächenaktive
Mittel oder nicht ionische oberflächenaktive Mittel sein. Beispiele
für anionische
oberflächenaktive
Mittel beinhalten Sulfonate, Carboxylate und Phosphate. Beispiele
für kationische oberflächenaktive
Mittel beinhalten quaternäre
Amine. Beispiele für
nicht ionische oberflächenaktive
Mittel beinhalten Blockcopolymere, die Ethylenoxid enthalten und
oberflächenaktive
Mittel auf Silikonbasis. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung
nützliche
oberflächenaktive
Mittel können
entweder externe oberflächenaktive
Mittel oder interne oberflächenaktive
Mittel sein. Externe oberflächenaktive
Mittel sind solche oberflächenaktiven
Mittel, die mit dem Polymer nicht chemisch unter Bildung einer kovalenten
Bindung während der
Herstellung der Dispersion reagieren. Interne oberflächenaktive
Mittel sind oberflächenaktive
Mittel, die während
der Herstellung der Dispersion chemisch in das Polymer umgesetzt
werden. Ein oberflächenaktives Mittel
kann in einer Formulierung der vorliegenden Erfindung in einer Menge
im Bereich von 0,01 bis 20 Teilen pro 100 Gewichtsanteile der Polyurethan-Komponente
enthalten sein. Bevorzugt enthalten die Formulierungen der vorliegenden
Erfindung Polyurethan-Prepolymere, bei denen es sich nicht um interne
oberflächenaktive
Mittel handelt.
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Im
Allgemeinen kann ein beliebiges Verfahren, das dem Fachmann in der
Herstellung von Polyurethan-Dispersionen bekannt ist, bei der Durchführung der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, um ein feuchtigkeitsbeständiges erfindungsgemäßes Polymer
herzustellen. Ein erfindungsgemäßes feuchtigkeitsbeständiges Polymer
kann aus Polyurethan-Dispersionen herstellt werden, die lagerungsbeständig sind
oder aus Polyurethan-Dispersionen, die nicht lagerungsbeständig sind.
Eine lagerungsbeständige
Polyurethan-Dispersion ist, wie hierin beschrieben, eine beliebige
Polyurethan-Dispersion, die eine mittlere Teilchengröße von weniger
als etwa 5 Microns aufweist. Eine Polyurethan-Dispersion, die nicht lagerungsbeständig ist,
kann eine mittlere Teilchengröße von mehr
als 5 Microns aufweisen. Z.B. kann eine geeignete Dispersion hergestellt
werden, indem ein Polyurethan-Prepolymer mit Wasser vermischt wird
und das Prepolymer unter Verwendung eines kommerziellen Mischers
in dem Wasser dispergiert wird. Alternativ kann eine geeignete Dispersion
hergestellt werden, indem ein Prepolymer in eine feste Mischvorrichtung,
zusammen mit Wasser, zugegeben wird und das Wasser und das Prepolymer
in dem festen Mischer dispergiert werden. Kontinuierliche Verfahren
zur Herstellung von wässrigen
Polyurethan-Dispersionen sind bekannt und können bei der Durchführung der
vorliegenden Erfindung verwendet werden. Z.B. beschreiben die US-Patente
Nr. 4,857,565; 4,742,095; 4,879,332; 3,437,624; 5,037,864; 5,221,710;
4,237,264 und 4,092,286 jeweils kontinuierliche Verfahren, die nützlich sind,
um Polyurethan-Dispersionen zu erhalten. Außerdem kann eine Polyurethan-Dispersion
mit einem hohen inneren Phasenverhältnis durch ein kontinuierliches
Verfahren wie in US-Patent Nr. 5,539,021 beschrieben, welches hierin
als Referenz inbegriffen ist, hergestellt werden. Außerdem kann
es von Vorteil sein, ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung
eines Prepolymers mit einem Dispergierungsverfahren mit kontinuierlicher
Zugabe zu kombinieren, um die Verfahrenseffizienz zu maximieren,
wie in der anhängigen
US-Anmeldung Serien Nr. 09/039978 beschrieben.
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Die
Polymere der vorliegenden Erfindung können auf ein beliebiges Substrat
aufgebracht werden, bevorzugt ist das Substrat aber eine Textilie.
Weiter bevorzugt ist das Substrat ein Teppich und das Polymer liegt in
Form einer feuchtigkeitsbeständigen
Rückenbeschichtung
vor. Eine erfindungsgemäße Teppichrückenbeschichtung
kann aus einer erfindungsgemäßen Polyurethan-Dispersion, die weiter
oben hierin beschrieben wurde, hergestellt werden, unter Verwendung
von entweder herkömmlichen
oder nicht herkömmlichen
Verfahren des Standes der Technik der Herstellung von Teppichen
mit Polyurethan-Rückenbeschichtungen.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung
von Teppichen mit Polyurethan-Rückenbeschichtung
kann eine Polyurethan-bildende Zusammensetzung als Schicht mit vorzugsweise
einheitlicher Dicke auf eine Oberfläche eines Teppichsubstrats
aufgebracht werden. Erfindungsgemäße Polyurethan-Dispersionen
können
als Vorbeschichtung, Laminatbeschichtung oder als Schaumbeschichtung
aufgebracht werden. Polyurethan-Vorbeschichtungen, Laminatbeschichtungen
und Schaumbeschichtungen können
durch im Fachbereich bekannte Verfahren hergestellt werden. Vorbeschichtungen,
Laminatbeschichtungen und Schaumbeschichtungen, die aus Dispersionen
hergestellt sind, werden beispielsweise in P. L. Fitzgerald, "Integral Latex Foam
Carpet Cushioning",
J. Coat. Fab. 1977, Vol. 7 (S. 107-120) und in R. P. Brentin, "Latex Coating Systems
for Carpet Backing",
J. Coat. Fab. 1982, Vol. 12 (S. 82-91) beschrieben.
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Eine
Polyurethan-bildende Zusammensetzung kann auf eine Oberfläche eines
Teppichsubstrats aufgebracht werden, bevor sie zu einem nicht klebrigen
Zustand aushärtet.
Alternativ kann eine Polyurethan-Dispersion, die vollständig umgesetzte
Isocyanat-Funktionalitäten
enthält,
auf ein geeignetes Substrat aufgebracht werden, wodurch sich die
Notwendigkeit, das Polymer auszuhärten, erübrigt. Typischerweise wird
die Polyurethan-bildende Zusammensetzung auf die Oberfläche aufgebracht,
die mit einer primären
Rückenbeschichtung
verbunden ist, sie kann aber auch auf eine sekundäre Rückenbeschichtung,
wie Schlingen oder Vlies aufgebracht werden. Die Zusammensetzung
kann aufgebracht werden unter Verwendung von Ausrüstung wie
beispielsweise eines Dosiermessers, eines Luftrakels oder eines
Extruders, um die Schicht aufzutragen und zu kalibrieren. Alternativ
kann die Zusammensetzung auf einem sich bewegenden Gurt oder einer
anderen geeigneten Apparatur zu einer Schicht geformt und dehydriert
und/oder teilweise gehärtet
werden, dann mit dem Teppichsubstrat verbunden werden, unter Verwendung
von Ausrüstung
wie beispielsweise einem Doppelgurt (auch als Doppelband bekannt)-Laminator
oder einem sich bewegenden Gurt mit einem aufgebrachten Schaumpolster.
Die verwendete Menge an Polyurethan-bildender Zusammensetzung kann
stark variieren, von 5 bis 100 Unzen pro Squareyard (0,17 bis 17
kg/qm) in Abhängigkeit
von den Eigenschaften der Textilie. Nachdem die Schicht aufgebracht
und kalibriert ist, wird Wasser aus der Dispersion entfernt und
die Schicht kann unter Verwendung von Wärme aus einer beliebigen geeigneten
Wärmequelle
wie beispielsweise einem Infrarotofen, einem Konvektionsofen oder
Heizplatten, ausgehärtet
werden.
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Bei
der Durchführung
der vorliegenden Erfindung können
beliebige der zur Herstellung einer Polyurethan-Teppichrückenbeschichtung
verwendeten Schritte auf kontinuierliche Weise durchgeführt werden.
Z.B. kann in einem ersten Schritt das Prepolymer auf kontinuierliche
Weise aus einer geeigneten Verbindung, die aktiven Wasserstoff enthält, hergestellt
werden; das Prepolymer kann so wie es im ersten Schritt erhalten
wird, in eine Mischungsvorrichtung mit Wasser zugegeben werden,
um eine wässrige
Dispersion zu erhalten; die wässrige
Dispersion kann auf kontinuierliche Weise auf ein Teppichsubstrat
aufgetragen werden, um einen Teppich mit einer Polyurethan-Rückenbeschichtung
zu erhalten.
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Das
folgende Beispiel wird bereitgestellt, um die vorliegende Erfindung
zu veranschaulichen. Das Beispiel ist nicht dazu gedacht, den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu begrenzen und sollte nicht so ausgelegt
werden.
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Beispiel 1
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Ein
Prepolymer, im Folgenden Prepolymer A, wird wie folgt hergestellt:
195,7
Teile (0,1957 eq.) an VORANOL 5287*, ein 12,5%-iges Ethylenoxidabgeschlossenes
Polypropylenoxid-diol mit einem Äquivalenzgewicht
von 1000 g/eq; 93,02 Teile (0,7442 eq.) an ISONATE 25OP*, ein Gemisch
von 25% 2,4'-MDI
und 75% 4,4'-MDI;
5,28 Teile (0,02966 eq.) an EMEREST 2421*-Glycerinmonooleat und
6,0 Teile (6,316 meq) an Polyethylenglykolmonol (MPEG) mit einem
Molekulargewicht von 950 werden unter Erwärmen auf 70 °C in einem
Glasgefäß für etwa 15
h vermischt. Das resultierende Prepolymer weist einen Prozentgehalt
an NCO von 6,88, ein Isocyanat-Äquivalenzgewicht
von 610 und eine Viskosität
von 6040 cps bei 25 °C
auf (EMEREST 242 ist eine Handelsbezeichnung der Henkel Corp.; VORANOL
5287 und (SONATE 25OP ist eine Handelsbezeichnung von The Dow Chemical
Company).
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Eine
Polyurethan-Dispersion wird wie folgt hergestellt:
75,58 Teile
an Prepolymer A; 9,9 Teile an DESULF DBS-25T*, eine 25%-ige wässrige Lösung eines
Triethanolaminsalzes von Dodecylbenzolsulfonsäure; und 20,08 Teile Wasser
werden bei Raumtemperatur vermischt und anschließend mit 3000 rpm in einem
Glaskolben gerührt.
44,4 Teile einer 10%-igen wässrigen
Piperazin-Lösung
werden zu dem Gemisch hinzugefügt
und es wird für
eine weitere Minute bei 3000 rpm gerührt. Das resultierende Gemisch
wird dann über
Nacht mit einem Rührstab
gerührt
und durch einen Farbfilter filtriert, um eine niedrige Viskosität zu erhalten,
eine Polyurethan-Dispersion mit 55% Feststoffen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,24
Microns. (*DESULF DBS-25T ist eine Handelsbezeichnung von DeForest
Chemical Co.).
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Ein
mit der Polyurethan-Dispersion beschichteter Teppich wird wie folgt
hergestellt: Die Dispersion wird durch Vermischen von 178,6 Teilen
der Dispersion (100 Teile Feststoffe) und 200 Teilen Calciumcarbonat-Füllstoff
hergestellt. Anschließend
werden 3,0 Teile an PARAGUM 241*-Verdickungsmittel beigemischt. Die
Verbindung wird auf die Rückseite
eines Nylonlevel-Schlingenteppichs mit einem Rohgewicht von 23 oz/yd2 (0,8 kg/m2) aufgetragen,
mit einer Auftragemenge von 38,5 oz/yd2 (1,3
kg/m2). Ein Polypropylen-Scrim, 3,3 oz/yd2 (0,11 kg/m2), wird
als sekundäre
Rückenbeschichtung
aufgebracht. Der Teppich wird bei 132 °C für 12 min getrocknet, dann wird über Nacht
eine Gleichgewichtseinstellung ermöglicht, bevor er getestet wird. (*PARAGUM
241 ist eine Handelsbezeichnung von Para-Chem Southern, Inc.).
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Der
Teppich wird wie folgt getestet:
Der Teppich von Beispiel 1
weist eine Tuftverankerung von 17,4 Pfund (7,9 kg) und eine Wiederbefeuchtungs-Tuftverankerung
(rewet tuftlock) von 11,2 Pfund (5,1 kg) auf. Die Tuftbindungswerte
werden gemäß ASTM D1335
erhalten. Der Teppich von Beispiel 1 weist eine Trocken-Delaminierung
von 10,1 Pfund/in. (1,8 kg/cm) und eine Wiederbefeuchtungs-Delaminierung
von 5,0 Pfund/in. (0,89 kg/cm) auf. Die Delaminierung ist die benötigte Kraft,
um den sekundären
Polypropylen-Scrim von dem hergestellten Teppich zu entfernen. Sie wird
bestimmt, indem ein Streifen von 3 Inch mal 9 Inch (7,6 cm × 22,9 cm)
von dem Teppich abgeschnitten wird und der sekundäre Scrim
von dem Hauptteil des Teppichs abgezogen wird, während die erforderliche Kraft
gemessen wird. Die Wiederbefeuchtungs-Delaminierung wird auf dieselbe
Weise bestimmt, außer
dass das Teppichteststück
für 1 min
in Wasser eingeweicht wird und vor der Untersuchung trocken getupft
wird. Der Teppich besitzt einen Lochstanzwert von 17,7 Pfund (8,0
kg). Der Lochstanzwert wird gemessen als Kraft, die erforderlich
ist, um ein Stück
des Teppichs mit einer Größe von 9
Inch mal 9 Inch (22,9 cm × 22,9
cm) um 0,5 Inch (1,27 cm) in einen Zylinder mit 5,5 Inch (14 cm)
Innendurchmesser mit einer Geschwindigkeit von 12,0 Inch (30,5 cm)
pro Minute hineinzudrücken,
wobei ein fester Zylinder mit 2,25 Inch (5,7 cm) Außendurchmesser,
der an eine Kraftmesszelle angeschlossen ist, verwendet wird. Der
Teppich wird einem Wasserbeständigkeitstest
unterzogen, der als British-Spill-Test bekannt ist, in dem 100 ml einer
Lösung
von Methylenblau-Farbstoff in Wasser aus einer Höhe von 1 m auf ein 12 × 12 Inch
(30,5 cm × 30,5
cm) großes
Stück des
Teppichs geschüttet
werden und die Flüssigkeit
für 24
h belassen wird. Die Probe wird mit einem Rasiermesser eingetragen,
um das Innere offenzulegen. Eine Bewertung als bestanden wird vergeben,
wenn festgestellt wird, dass kein blauer Farbstoff in oder durch
die Rückenbeschichtung
gedrungen ist.
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Beispiel 2
-
Ein
Prepolymer und eine Dispersion werden wie in Beispiel 1 hergestellt.
Für die
Zusammensetzung der Dispersion wird die Vorgehensweise von Beispiel
1 verwendet, außer
dass 100 Teile an Calciumcarbonat, 100 Teile an Gamma Sperse CS-11*
und 0,6 Teile an PARAGUM 241 verwendet werden, um die Dispersion zusammenzusetzen.
Die Verbindung wird auf die Rückseite
eines Teppichs mit einer Auftragemenge von 37,1 oz/yd
2 (1,26
kg/m
2) aufgebracht und der resultierende
Teppich ergab die folgenden Testergebnisse:
Lochstanzwert
(Ib.) | 13,8
(6,3 kg) |
Tuftverankerung
(Ib.) | 19,8
(9,0 kg) |
Wiederbefeuchtungs-Tuftverankerung
(Ib.) | 13,3
(6,0 kg) |
British
Spill-Test | bestanden |
- (*Gamma Sperse CS-11 ist ein Calciumcarbonat,
das mit Ammoniumstearat behandelt wurde, um verbesserte hydrophobe
Eigenschaften bereitzustellen, und es ist eine Handelsbezeichnung
von Georgia Marble Co.)
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Vergleichsbeispiel 3
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Prepolymer
B wird wie folgt hergestellt:
190,85 Teile (0,1908 eq.) an
VORANOL 5287; 99,25 Teile (0,794 eq.) an ISONATE 25OP*, ein Gemisch
aus 25% 2,4'-MDI
und 75% 4,4'-MDI;
3,9 Teile (0,07358 eq.) an Diethylenglykol; und 6,0 Teile (6,316
meq) an Polyethylenglykolmonol (MPEG) mit einem Molekulargewicht
von 950 werden vermischt, unter Erwärmen auf 70 °C in einem
Glasgefäß für etwa 15
h. Das Prepolymer weist einen prozentualen Gehalt an NCO von etwa
7,3, ein Isocyanat-Äquivalenzgewicht
von etwa 575 und eine Viskosität
von etwa 7000 cps bei 25 °C
auf. (*ISONATE 25OP ist eine Handelsbezeichnung von The Dow Chemical
Company).
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Eine
Polyurethan-Dispersion wird wie folgt hergestellt:
75,5 Teile
an Prepolymer B; 9,9 Teile einer 25%-igen wässrigen Lösung des Triethanolaminsalzes
von Dodecylbenzolsulfonsäure
und 19,3 Teile an Wasser werden bei Raumtemperatur vermischt und
anschließend
mit 3000 rpm in einem Glaskolben gerührt. 45,3 Teile einer 10%-igen
wässrigen
Piperazin-Lösung
werden zu dem Gemisch hinzugefügt
und es wird weiter für
1 min bei 3000 rpm gerührt.
Das resultierende Gemisch wird über Nacht
mit einem Rührstab
gerührt
und durch einen Farbfilter filtriert, um eine Polyurethan-Dispersion
mit geringer Viskosität
und 55% Feststoffen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3
Microns zu erhalten.
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Ein
mit der Polyurethan-Dispersion beschichteter Teppich wird wie folgt
hergestellt:
Die Dispersion wird zusammengesetzt, indem 178,6
Teile Dispersion (100 Teile Feststoffe) mit 200 Teilen Calciumcarbonat-Füllstoff
vermischt werden. 4,1 Teile an PARAGUM 241 werden dann beigemischt.
Die Verbindung wird auf die Rückseite
eines Nylonlevel-Schlingenteppichs mit einem Rohgewicht von 23 oz/yd2 (0,8 kg/m2) aufgebracht,
mit einer Auftragemenge von 38,5 oz/yd2 (1,3
kg/m2). Ein Polypropylen-Scrim, 3,3 oz/yd2 (0,11
kg/m2) wird als sekundäre Rückenbeschichtung aufgebracht.
Der Teppich wird für
12 min bei 132 °C
getrocknet, dann wird über
Nacht eine Gleichgewichtseinstellung ermöglicht, bevor er getestet wird.
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Der
Teppich wird wie folgt getestet:
Der Teppich aus Vergleichsbeispiel
3 wird auf im Wesentlichen identische Weise zu dem Teppich aus Beispiel 1
getestet. Er weist eine Tuftverankerung von 18,5 Pfund (8,4 kg)
und eine Wiederbefeuchtungs-Tuftverankerung von 8,9 Pfund (4,0 kg)
auf. Der Teppich von Vergleichsbeispiel 3 weist eine Trocken-Delaminierung
von 10,1 Pfund/in. (1,8 kg/cm) und eine Wiederbefeuchtungs-Delaminierung
von 5,0 Pfund/in. (0,89 kg/cm) auf. Der Teppich von Vergleichsbeispiel
3 weist einen Lochstanzwert von 14,7 Pfund (6,7 kg) auf. Der Teppich
versagte im British Spill-Test.
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Vergleichsbeispiel 4
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Ein
Prepolymer und eine Dispersion werden wie in Vergleichsbeispiel
3 hergestellt. Es wird die Vorgehensweise von Vergleichsbeispiel
3 verwendet, um die Dispersion zusammenzusetzen, außer dass
100 Teile an Calciumcarbonat, 100 Teile an GAMMA SPERSE CS-11 und
0,98 Teile an PARAGUM 241 verwendet werden, um die Dispersion zusammenzusetzen.
Die Verbindung wird auf die Rückseite
eines Teppichs aufgebracht, mit einer Auftragemenge von 38,5 (1,3
kg/m
2) oz/yd
2, und
der resultierende Teppich ergab die folgenden Testergebnisse:
Lochstanzwert
(Ib.) | 11,8
(5,4 kg) |
Tuftverankerung
(Ib.) | 18,9
(8,6 kg) |
Wiederbefeuchtungs-Tuftverankerung
(Ib.) | 12,4
(5,6 kg) |
British
Spill-Test | versagt |