ES2251184T3 - Composiciones prepolimericas de poliuretano, espumas producidas a partir de ellas, y metodos de producir cada una de ellas. - Google Patents

Composiciones prepolimericas de poliuretano, espumas producidas a partir de ellas, y metodos de producir cada una de ellas.

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ES2251184T3 ES99911220T ES99911220T ES2251184T3 ES 2251184 T3 ES2251184 T3 ES 2251184T3 ES 99911220 T ES99911220 T ES 99911220T ES 99911220 T ES99911220 T ES 99911220T ES 2251184 T3 ES2251184 T3 ES 2251184T3
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Abstract

Una composición de prepolímero de poliisocianato libre de agente soplador que comprende el producto de reacción de: (a) un poliisocianato orgánico que tiene una funcionalidad promedio de isocianato de al menos 2 y contiene al menos 20 por ciento en peso de un monómero de diisocianato, (b) un alcohol monohídrico y (c) un poliol que tiene una funcionalidad promedio de hidroxilo de 1, 8 como mínimo a 3, 2 como máximo, en la que composición de prepolímero tiene (i) de 2 a 20 por ciento en peso de NCO, suficiente para reaccionar con agua en ausencia de un agente soplador suplementario para hacer una espuma, (ii) como máximo 10, 0 por ciento en peso del monómero de diisocianato y (iii) una cantidad del poliisocianato que se completa con el alcohol monohídrico suficiente para evitar que la viscosidad de la composición de prepolímero se eleve por encima de 100.000 centipoise cuando la composición de prepolímero se almacena durante al menos 6 meses en una atmósfera seca que tiene un punto de rocíomenor que -40°C.

Description

Composiciones prepoliméricas de poliuretano, espumas producidas a partir de ellas, y métodos de producir cada una de ellas.
Los poliuretanos se forman por la reacción de un compuesto de poliisocianato, como diisocianato de tolueno (TDI) o diisocianato de difenilmetano (MDI) con un compuesto polihidroxílico, como un poliol. En general, corrientes de aproximadamente igual volumen del poliol y el poliisocianato se entremezclan en una cabeza de mezcla y se dispensan después en una cavidad o molde. En el molde o cavidad, los grupos hidroxilo del poliol e isocianato del poliisocianato reaccionan para formar el poliuretano, mientras que simultáneamente el agua añadida al poliol reacciona con los grupos isocianato para proporcionar CO_{2} in situ lo que causa que el poliuretano forme una espuma. Ya que los isocianatos reaccionan fácilmente con agua, se conocen en general por ser irritantes y pueden ser tóxicos cuando se inhalan.
Se han usado los prepolímeros en lugar de los poliisocianatos para disminuir la cantidad de vapores de isocianato cuando se hacen espumas de poliuretano. En general, los prepolímeros se crean haciendo reaccionar un diol con un monómero de diisocianato (por ejemplo, MDI o TDI) con un gran exceso de NCO (esto es, isocianato) respecto a OH (esto es, hidroxilo). Comúnmente, la relación de equivalencia de NCO a OH está bien en un exceso de 5. La relación es grande para evitar que el prepolímero gelifique mientras aún proporciona suficiente NCO para producir una espuma. Como una consecuencia de la elevada relación de NCO a OH, una cantidad significativa de monómero de diisocianato (por ejemplo, MDI) está, por regla general, presente aún en el prepolímero.
En general, cuando se hacen espumas a partir de estos prepolímeros, se usa un agente soplador gaseoso, como un compuesto clorofluorocarbonado, para hacer espuma el prepolímero y la humedad ambiental reacciona con el prepolímero para formar el poliuretano. Ya que la humedad ambiental causa que se desarrolle la reacción del uretano (esto es, la formación de uniones de urea y aminas), las espumas de este tipo sufren inconsistencias dependiendo de la humedad ambiental. Las espumas espesas creadas por este método tienden también a hundirse mientras se curan. La espuma se hunde debido a que penetra una insuficiente cantidad agua a través de la parte exterior de la espuma al interior de la masa para que se cure suficientemente (esto es, se reticule) el interior de la espuma.
Más recientemente, la solicitud internacional de patente nº 96/06124 ha descrito prepolímeros que han intentado disminuir la cantidad de monómero de diisocianato cuando se crea una espuma. La solicitud 96/06124 describe la formación de un prepolímero haciendo reaccionar un poliisocianato que tiene una funcionalidad de isocianato de 2,3 a 3,7 y que tiene un contenido de monómero de diisocianato menor que 20 por ciento en peso del poliisocianato con un poliol a elevadas proporciones de NCO respecto a OH (por ejemplo, 4,6). La solicitud 96/06124 describe también el uso, cuando se crea una espuma a partir de estos prepolímeros, de un agente soplador, como un dimetiléter. De esta forma, esta referencia describe una técnica para crear un prepolímero con una concentración baja de monómero de diisocianato comenzando con un poliisocianato que tiene inicialmente una concentración baja de monómero de diisocianato. Esta técnica padece la necesidad de usar un poliisocianato que debe tener inicialmente un contenido bajo de monómero de diisocianato, lo que puede requerir, por ejemplo, un costoso procedimiento de destilación o reacción para formar dicho poliisocianato. Estos polímeros requieren también un agente soplador gaseoso (por ejemplo, CFCs) cuando se crea una espuma. El documento US-A-5.631.319 describe un agente soplador que contiene una mezcla de semiprepolímero de isocianato basada en compuestos de poliisocianato y polihidroxilo y un monoalcohol o hidroxiacetona.
De esta forma, sería deseable proporcionar una composición de prepolímero, un método para crear la composición de prepolímero, una espuma hecha a partir de la composición de prepolímero y un método para hacer la espuma que evite una o más de las deficiencias de la técnica anterior, como una de las descritas anteriormente.
Un primer aspecto de la presente invención es una composición de prepolímero de poliisocianato libre de agente soplador que comprende el producto de reacción de (a) un poliisocianato orgánico que tiene una funcionalidad promedio de isocianato de al menos 2 y que contiene al menos 20 por ciento en peso de un monómero de diisocianato, (b) un alcohol monohídrico y (c) un poliol que tiene una funcionalidad promedio de hidroxilo de 1,8 como mínimo a 3,2 como máximo, en la que la composición de prepolímero tiene (i) de 2 a 20 por ciento en peso de NCO suficiente para reaccionar con agua en ausencia de un agente soplador suplementario para crear una espuma, (ii) como máximo 10,0 por ciento en peso del monómero de diisocianato y (iii) una cantidad del poliisocianato que se completa con el alcohol monohídrico suficiente para evitar que la viscosidad de la composición de prepolímero se eleve por encima de 100.000 centipoise cuando la composición de prepolímero se almacena durante al menos 6 meses en un ambiente seco que tiene un punto de rocío menor que -40ºC.
La composición de prepolímero de poliisocianato puede crearse sorprendentemente con una proporción baja de NCO:OH (esto es, de 2 a 5) debido al descubrimiento del efecto beneficioso del alcohol monohídrico añadido en una proporción específica respecto al poliol. Por consiguiente, se puede formar una composición de prepolímero que evite la gelificación y que tiene un contenido bajo de monómero de diisocianato mientras que aún proporciona cantidades suficientes de NCO (esto es, grupos isocianato) para formar una espuma in situ (esto es, a partir de la reacción de agua con el NCO de la composición de prepolímero). La cantidad de monómero de diisocianato que se mantiene aún (esto es, residual) en la composición de prepolímero después de la formación puede ser tan pequeña que puede requerirse pequeña o no requerirse ventilación especial (por ejemplo, campanas extractoras) o equipos de protección respiratoria (por ejemplo, máscaras buconasales con filtro) cuando se crea una espuma de ellos.
Además, un tercer aspecto de la invención es un método para formar una espuma de poliuretano que comprende poner en contacto la composición de prepolímero del primer aspecto con un reactante espumante que se comprende de agua durante un tiempo y temperatura suficientes para formar la espuma de poliuretano. En concreto, se puede formar una espuma en la que básicamente el único agente soplador es el CO_{2} producido por la reacción de los grupos NCO de la composición de prepolímero y el agua del reactante espumante.
Finalmente, un cuarto aspecto de la invención es una espuma que comprende una matriz continua de celdas producto de la reacción del agua y la composición de prepolímero de poliisocianato del primer aspecto.
La composición de prepolímero puede usarse para hacer, entre otras cosas, espumas de poliuretano útiles como adhesivos, selladores, recubrimientos, recubrimientos aislantes, membranas y paneles acústicos para uso en la industria del automóvil.
La composición de prepolímero
La composición de prepolímero de poliisocianato comprende el producto de reacción de (a) un poliisocianato orgánico que tiene una funcionalidad promedio de al menos 2 y que contiene al menos 20 por ciento en peso de un monómero de diisocianato, (b) un alcohol monohídrico y (c) un poliol que tiene una funcionalidad promedio de hidroxilo de 1,8 como mínimo a 3,2 como máximo.
La composición de prepolímero (esto es, el producto de reacción) tiene una cantidad en peso de grupos isocianato suficiente para reaccionar con agua en ausencia de un agente soplador suplementario para hacer una espuma. Un agente soplador suplementario, en la presente memoria, es un agente soplador distinto del CO_{2} generado in situ durante la formación de la espuma. Agentes sopladores suplementarios incluyen, por ejemplo, gases que se usan para crear una espuma (por ejemplo, nitrógeno), líquidos que se volatilizan durante la formación de la espuma (por ejemplo, cloruro de metileno, cloruro de metilo, y FREON® 113) y sólidos que liberan un gas durante la formación de la espuma (por ejemplo, azocompuestos, como azodicarboxilato de bario).
En general, la cantidad de NCO presente es de 2 por ciento a 20 por ciento en peso de la composición de prepolímero. Preferentemente la cantidad de NCO es al menos 5 por ciento, y más preferentemente de 6 por ciento como mínimo a 15 por ciento como máximo, más preferentemente como máximo 13 por ciento, incluso más preferentemente como máximo 12 por ciento, y lo más preferentemente como máximo 10 por ciento en peso de la composición de prepolímero.
Aún cuando la composición de prepolímero puede formar una espuma sin un agente soplador suplementario, uno puede aún estar presente en la composición para dar una característica de espuma deseada, como un aislamiento térmico mayor para una espuma de un espesor específico. Cantidades pequeñas de un agente soplador suplementario pueden estar presentes en la composición de prepolímero, como un hidrocarburo de punto de ebullición bajo (por ejemplo, pentano, hexano, heptano, penteno y hepteno) dióxido de carbono añadido directamente, un azocompuesto (por ejemplo, azohexahidrobenzodinitrilo) o un hidrocarburo halogenado (por ejemplo, diclorodifluoroetano, cloruro de vinilideno y cloruro de metileno). Sin embargo, la cantidad de agente soplador suplementario es preferentemente como máximo una cantidad en trazas y más preferentemente ninguna en absoluto.
La composición de prepolímero contiene una cantidad de monómero de diisocianato de como máximo 10 por ciento en peso del prepolímero. Preferentemente, la cantidad de monómero de diisocianato es como máximo 6 por ciento, más preferentemente como máximo 3 por ciento, incluso más preferentemente como máximo 2,5, y lo más preferentemente como máximo 2 por ciento en peso de la composición de prepolímero. Además, la cantidad de monómero de diisocianato presente en la composición de prepolímero generalmente da como resultado concentraciones muy bajas de vapores de compuestos de isocianato en el espacio de aire circundante cuando se hace una espuma con ellos. Concentraciones muy bajas de isocianato corresponden a niveles generalmente considerados seguros para la manipulación sin equipamiento especial, como máscaras, cuando se forma una espuma. Por ejemplo, la cantidad de vapores de compuestos de isocianato encontrados en el espacio de aire es, por regla general, como máximo 5 partes por billón (ppb), preferentemente como máximo 3 ppb, más preferentemente como máximo 2 ppb, incluso más preferentemente como máximo 1 ppb y lo más preferentemente como máximo 0 ppb, siendo las partes por billón en
peso.
Se ha descubierto que la composición de prepolímero, cuando se hace, y en especial cuando se hace con una proporción baja de NCO a OH de 2 a 5, requiere una cantidad del poliisocianato que se completa con un alcohol monohídrico suficiente para evitar la gelificación de la composición de prepolímero. En la presente memoria, se completa significa que el hidroxilo del alcohol monohídrico ha reaccionado con un NCO del poliisocianato para formar una unión de uretano. Gelificación, en la presente memoria, es cuando el prepolímero gelifica o aumenta de viscosidad, tal que la composición de prepolímero es poco práctica para procesarla en una espuma. Por regla general, es poco práctico usar una composición de prepolímero que tiene una viscosidad mayor que 100.000 centipoise. En general, el alcohol monohídrico se proporciona en una relación de alcohol monohídrico a poliol de 0,1 como mínimo a 2 como máximo, basada en los equivalentes de hidroxilo del alcohol monohídrico y el poliol. Demasiado alcohol monohídrico es en general indeseable porque las propiedades de la espuma, como la resistencia de compresión, uniformidad del tamaño de celda y resistencia química, pueden degradarse hasta un punto en el que la espuma falla para ser útil en aplicaciones. Preferentemente la proporción de alcohol monohídrico a poliol es al menos 0,5, más preferentemente al menos 0,6, lo más preferentemente 0,7 como mínimo a preferentemente 1,5 como máximo, más preferentemente como máximo 1, y lo más preferentemente como máximo 0,7.
Sorprendentemente, la composición de prepolímero es estable (esto es, no da el resultado de gel) cuando se almacena, por ejemplo, durante 6 meses o más en condiciones estándar en la industria (por ejemplo, en un ambiente seco, "esto es un punto de rocío menor que -40ºC"). La composición de prepolímero es estable incluso cuando la composición se hace a una proporción baja de NCO a OH descrita previamente. Preferentemente, la composición de prepolímero es estable durante al menos un año y más preferentemente al menos 2 años.
Método para hacer la composición de prepolímero Reactantes
Debido a que la composición de prepolímero puede hacerse con un poliisocianato orgánico que contiene al menos 20 por ciento en peso de monómero de diisocianato (por ejemplo, MDI en un MDI polimérico o TDI en TDI polimérico), el poliisocianato orgánico puede ser, por ejemplo, un poliisocianato aromático, poliisocianato alifático, isocianato polimérico, diisocianato aromático, diisocianato alifático o sus mezclas. Los ejemplos de poliisocianatos incluyen diisocianato de m-fenileno, diisocianato de 2-4-tolileno, diisocianato de 2-6-tolileno, diisocianato de 1,6-hexametileno, diisocianato de 1,4-tetrametileno, diisocianato de 1,4-ciclohexano, diisocianato de hexahidrotolileno, diisocianato de 1,5-naftileno, diisocianato de 2,4-metoxifenilo, diisocianato de 4,4'-difenilmetano, diisocianato de 4,4'-bifenileno, diisocianato de 3,3'-dimetoxi-4,4'-bifenilo, diisocianato de 3,3-dimetil-4,4'-bifenilo, diisocianato de 3,3'-dimetil 4,4'-difenilmetano, triisocianato de 4,4',4''-trifenilmetano, polifenilisocianato de polimetileno y triisocianato de 2,4,6-tolileno, tetraisocianato de 4,4'-dimetil-2,2',5,5'-difenilmetano. Preferiblemente, el poliisocianato es diisocianato de 4,4'-difenilmetano (MDI), diisocianato de 2,4-tolileno, diisocianato de 2,6-tolileno o sus mezclas. El diisocianato de 2,4-tolileno, diisocianato de 2,6-tolileno y sus mezclas se denominan, de manera general, TDI. Más preferiblemente, el poliisocianato es un poliisocianato polimérico formado a partir de MDI, tal como los disponibles de The Dow Chemical Company bajo la marca registrada PAPI®. El poliisocianato polimérico "PAPI 20" es particularmente preferido.
En general, la funcionalidad promedio medida de isocianato del poliisocianato es de 2 como mínimo a 6 como máximo. Preferentemente, la funcionalidad promedio del poliisocianato es al menos 2,5, y más preferentemente de 2,7 como mínimo a preferentemente 3,5 como máximo, y más preferentemente 3,2 como máximo. Como se entiende en la técnica, funcionalidad es el número promedio de grupos isocianato por molécula en el poliisocianato.
El poliol usado para hacer la composición de prepolímero tiene una funcionalidad de hidroxilo promedio de 1,8 como mínimo a 3,2 como máximo. Preferentemente, la funcionalidad promedio del poliol es 2,8 como máximo, más preferentemente 2,5 como máximo, y lo más preferentemente 2,0 como máximo. Un poliol adecuado puede ser polioles conocidos, como los descritos en las patentes de los EEUU. nº 3.383.351; 3.823.201; 4.119.586 y 4.148.840. Polioles de ejemplo incluyen polioles de polihidroxialcanos, polioles de polioxialquileno, aductos de óxido de alquileno de polihidroxialcanos, aductos de óxido de alquileno de azúcares no reductores y derivados de azúcares, aductos de óxido de alquileno de ácidos de fósforo y polifósforo, aductos de óxido de alquileno de polifenoles y polioles derivados de aceites naturales, como aceite de ricino. Preferentemente los polioles son dioles (por ejemplo, propilenglicol), trioles o mezclas de éstos. Más preferentemente el poliol es un diol (esto es, glicol). El poliol es también preferentemente un diol, triol o mezclas de ellos de poli(oxietileno), poli(oxipropileno), poli(oxipropileno-oxietileno), como los disponibles bajo las marcas registradas VORANOL® de The Dow Chemical Co., Midland, MI.
Los polioles empleados pueden tener números de hidroxilo que pueden variar en un amplio intervalo. El poliol o polioles particulares se seleccionan basándose en las propiedades deseadas de la espuma de poliuretano. En general, los polioles tienen un número de hidroxilo que está en el intervalo de 20 a 1.500. Preferentemente, el número de hidroxilo es al menos 25, y más preferentemente, de 30 como mínimo a preferentemente 600 como máximo, y más preferentemente 450 como máximo. El número de hidroxilo (número OH) se define como el número de miligramos de hidróxido de potasio requeridos para la hidrólisis completa del derivado totalmente acetilado preparado a partir de 1 gramo de poliol. El número de hidroxilo puede venir también dado por la siguiente ecuación:
número OH = \frac{(56,1) (1.000)}{Peso \ equivalente}
en la que (56,1) es el peso molecular del hidróxido de potasio, (1.000) es el número de miligramos en 1 gramo de una muestra de poliol y el peso equivalente es el peso molecular del poliol dividido por la funcionalidad de hidroxilo del poliol (hidroxilos/molécula de poliol).
El alcohol monohídrico es un alcohol que tiene un hidroxilo por molécula. El alcohol monohídrico puede ser cualquiera que tenga, por ejemplo, de 1 a 50 átomos de carbono (esto es, un alcohol monohídrico C_{1}-C_{50}) y preferentemente de 2 a 20 átomos de carbono (esto es, un alcohol monohídrico C_{2}-C_{20}). El alcohol monohídrico puede estar sustituido con otros grupos que básicamente no logran reaccionar con el isocianato en las condiciones para hacer el prepolímero o espuma. Alcoholes monohídricos especialmente preferidos incluyen alcoholes monohídricos alifáticos insaturados C_{1}-C_{20}. Más preferentemente, el alcohol monohídrico se selecciona entre etanol, metanol, butanol (por ejemplo, 1-butanol, 2-butanol o alcohol isobutílico), propanol (por ejemplo, alcohol isopropílico o alcohol n-propílico), EXXAL 12® (alcoholes alifáticos C_{11}-C_{14}, disponibles de Exxon Chemical America, Houston TX) o sus mezclas. Más preferentemente el alcohol monohídrico es butanol.
Aditivos opcionales
La composición de prepolímero puede hacerse usando un catalizador. Por consiguiente, la composición de prepolímero puede contener un catalizador. El catalizador puede añadirse también después de formar la composición de prepolímero, por ejemplo, para ayudar a formar una espuma hecha a partir de él. Un catalizador adecuado incluye catalizadores conocidos, como los descritos por la patente de los EE.UU. nº 4.390.645, en la columna 10, líneas 14 a 27. Más específicamente, catalizadores representativos incluyen:
(a) aminas terciarias, como trimetilamina, trietilamina, N-metilmorfolina, N-etilmorfolina, N,N-dimetilbencilamina, N,N-dimetiletanolamina, N,N,N',N'-tetrametil-1,4-butanodiamina, N,N-dimetilpiperazina, 1,4-diazobiciclo[2,2,2]octano, bis(dimetilaminoetil)éter, bis(2-dimetilaminoetil)éter, 4,4'-(oxidi-2,1-etanodiil)bis morfolina y trietilendiamina;
(b) fosfinas terciarias, tales como trialquilfosfinas y dialquilbencilfosfinas;
(c) quelatos de diversos metales, como los que se pueden obtener a partir de acetilacetona, benzoilacetona, trifluoroacetilacetona, o acetoacetato de etilo con metales, como Be, Mg, Zn, Cd, Pd, Ti, Zr, Sn, As, Bi, Cr, Mo, Mn, Fe, Co y Ni;
(d) sales metálicas ácidas de ácidos fuertes, tales como cloruro férrico, cloruro estánnico, cloruro estannoso, tricloruro de antimonio, nitrato de bismuto y cloruro de bismuto;
(e) bases fuertes, tales como hidróxidos, alcóxidos y fenóxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos;
(f) alcoholatos y fenolatos de diversos metales, tales como Ti(OR)_{4}, Sn(OR)_{4} y Al(OR)_{3}, en los que R es alquilo o arilo y los productos de reacción de los alcoholatos con ácidos carboxílicos, beta-dicetonas y 2-(N,N-dialquilamino)alcoholes;
(g) sales de ácidos orgánicos con diversos metales, tales como metales alcalinos, metales alcalinotérreos, Al, Sn, Pb, Mn, Co, Ni y Cu, incluyendo, por ejemplo, acetato sódico, octoato estannoso, oleato estannoso, octoato de plomo, secantes metálicos, tales como naftenato de manganeso y de cobalto;
(h) derivados organometálicos de estaño tetravalente, As, Sb y Bi trivalentes y pentavalentes y carbonilos metálicos de hierro y cobalto, y
(i) sus mezclas.
Los catalizadores se usan por regla general en cantidades pequeñas. Por ejemplo, la cantidad total de catalizador presente en la composición de prepolímero puede ser de 0,0015 a 5 por ciento en peso. El catalizador presente puede añadirse después de que se forma la composición de prepolímero o puede usarse para reducir el tiempo para formar la composición de prepolímero. Los catalizadores, cuando se usan para formar la composición de prepolímero, se emplean en general en cantidades pequeñas, tal como de 0,01 por ciento a 1 por ciento en peso de la composición de prepolímero. Cuando un catalizador se usa para formar la composición de prepolímero, en general sólo permanecen pequeñas cantidades de catalizador, que son insuficientes por si solas para catalizar de forma adecuada la reacción para formar una espuma.
La composición de prepolímero puede hacerse en presencia de un plastificante y, por consiguiente, contiene un plastificante. El plastificante puede añadirse también después de que se ha hecho la composición de prepolímero. El plastificante puede estar presente, por ejemplo, en la composición de prepolímero para alterar las propiedades de la espuma hecha a partir de la composición de prepolímero o reducir la viscosidad de la composición, haciéndola más fácil de procesar y manipular. Plastificantes adecuados pueden incluir los conocidos en la técnica. Ejemplos de plastificantes incluyen ftalatos (por ejemplo, ftalato de dioctilo, ftalato de diisooctilo, ftalato de dimetilo, ftalato de dibutilo y mezclas de ftalatos, como las vendidas con la marca registrada PALATINOL®, disponible de BASF Corporation, Mt. Olive, NJ), fosfatos (por ejemplo, fosfato de tributilo, fosfato de trifenilo y difenilfosfato de cresilo), bifenilos clorados y aceites aromáticos. Preferentemente el plastificante es uno disponible con la marca registrada PALITINOL® y más preferentemente PALATINOL® 711 P de BASF Corporation, Mt. Olive, NJ. La cantidad de plastificante, cuando se emplea, puede abarcar un amplio intervalo, por ejemplo, dependiendo de las propiedades de la espuma deseadas. En general, el plastificante, cuando está presente, está en un intervalo de 1 por ciento a 50 por ciento en peso como máximo de la composición de prepolímero. Cuando se hace una espuma rígida, la composición de prepolímero contiene preferentemente un plastificante.
La composición de prepolímero puede hacerse también en presencia de un agente activo superficial, como los descritos en la patente de los EE.UU. nº 4.390.645, en la columna 10, líneas 28 a 43. El agente activo superficial puede añadirse también después de que se ha formado la composición de prepolímero y dicho agente puede ser útil también, por ejemplo, en la formación de celdas y estabilización de celdas cuando el prepolímero se usa para formar una espuma. Ejemplos de agentes activos superficiales incluyen tensioactivos no iónicos y agentes humectantes, como los preparados por la adición secuencial de óxido de propileno y después óxido de etileno a propilenglicol, las organosiliconas sólidas o líquidas, éteres de polietilenglicol de alcoholes de cadena larga, sal de amina o alquilamina terciaria de ésteres de sulfato ácido de alquilo de cadena larga, éster de ácido sulfónico y ácidos alquilarilsulfónicos. Se prefieren los agentes activos superficiales preparados por la adición secuencial de óxido de propileno y después óxido de etileno a propilenglicol y las organosiliconas sólidas o líquidas. Se prefieren más las organosiliconas líquidas, que no son hidrolizables. Ejemplos de organosiliconas no hidrolizables incluyen las disponibles con las marcas registradas "DABCO®DC 5043," "DABCO® DC 5169," "DABCO® DC 5244" y "DABCO® DC198," disponibles de Dow Corning Corp., Freeland, Mi y "Y-10515," disponible de Union Carbide Corp., Danbury CT. Los agentes activos superficiales se usan por regla general en cantidades pequeñas cuando se hace una espuma. Por consiguiente, el agente activo superficial, cuando está presente en la composición de prepolímero, está presente por regla general en una cantidad de 0,0015 a 1 por ciento en peso de la composición de prepolímero.
La composición de prepolímero puede hacerse también en presencia de un aditivo, como los conocidos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, un enmascarante del olor, un retardante de la llama, fungicida, estabilizador UV, agente antiestático, material de carga, pigmento y abridor de celda. Ejemplos de un retardante de la llama incluyen compuestos de fósforo, compuestos que contienen halógeno y melamina. Estos aditivos pueden añadirse también a la composición de prepolímero después de que se ha formado. Ejemplos de materiales de carga y pigmentos incluyen carbonato de calcio, dióxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cromo, tintes azo/diazo, ftalocianinas, dioxazinas y negro de humo. Ejemplos de estabilizantes UV incluyen hidroxibenzotriazoles, dibutiltiocarbamato de cinc, 2,6-ditecbutilcatecol, hidroxibenzofenonas, aminas impedidas y fosfitos. Ejemplos de un abridor de celda incluyen antiespumantes basados en silicona, ceras, sólidos finamente divididos, perfluorocarbonados líquidos, aceites de parafina y ácidos grasos de cadena larga. En general, estos aditivos, cuando están presentes, se emplean en cantidades pequeñas, como de 0,01 por ciento a 1 por ciento en peso de la composición de prepolímero.
Formando la composición de prepolímero
La composición de prepolímero puede formarse poniendo en contacto el poliisocianato orgánico, el alcohol monohídrico y el poliol en una proporción de NCO a hidroxilo de 2 como mínimo a 5 como máximo, donde el alcohol monohídrico y el poliol se suministran en una proporción de alcohol monohídrico a poliol de 0,1 como mínimo a 2 como máximo, basado en los equivalentes de hidroxilo del alcohol monohídrico y el poliol. Preferentemente el poliisocianato orgánico, el alcohol monohídrico y el poliol suministran una proporción de NCO a OH de 2,5 como mínimo a preferentemente 4,0 como máximo y más preferentemente menor que 3. La proporción de alcohol monohídrico a poliol es preferentemente al menos 0,5, y más preferentemente de 0,6 como mínimo a preferentemente 1,5 como máximo, más preferentemente 1 como máximo y lo más preferentemente 0,9 como máximo.
El poliisocianato orgánico, el alcohol monohídrico, el poliol y cualquier aditivo opcional pueden ponerse en contacto durante cualquier tiempo y temperatura suficientes para formar la composición de prepolímero. El poliisocianato, el alcohol monohídrico, el poliol y el aditivo o aditivos opcionales pueden ponerse en contacto por cualquier método adecuado, como los conocidos en la técnica, a condición de que los reactantes y aditivos estén suficientemente mezclados para hacer una mezcla reactante básicamente homogénea. El tiempo que los reactantes y aditivos pueden estar en contacto para formar la composición de prepolímero puede variar en un amplio intervalo debido, por ejemplo, a la presencia de un catalizador. En general, el tiempo de reacción es de 1 minuto como mínimo a 48 horas como máximo. La temperatura a la que los reactantes se ponen en contacto puede variar también en un amplio intervalo, pero en general está limitada a la que uno o más de los reactantes se descomponen o la reacción es tan lenta que el proceso se vuelve impracticable. Preferentemente la temperatura es al menos de 0ºC a 250ºC. Los reactantes se ponen en contacto generalmente en una atmósfera seca, como las conocidas en la técnica (por ejemplo, aire seco o nitrógeno seco, ``esto es gas que tiene un punto de rocío menor que -40ºC).
Método para formar una espuma a partir de la composición de prepolímero
Una espuma preparada a partir de la composición de prepolímero puede hacerse por cualquier método adecuado, como los conocidos en la técnica. Ejemplos de métodos incluyen los descritos en las patentes de los EE.UU. n^{os} 4.390.645; 2.866.744; 3.755.212; 3.849.156 y 3.821.130. Técnicas adecuadas incluyen, por ejemplo, agitar la composición de prepolímero, añadir un reactante espumante que se comprende de agua, mezclar éstos durante un tiempo corto, verter la mezcla en un molde y dejar formarse la espuma. Preferentemente el reactante espumante se bombea, por ejemplo, a una cabeza de mezcla en la que se mezcla con la composición de prepolímero en un tiempo muy corto, tal como 5 segundos como máximo, más preferentemente 2 segundos como máximo, y lo más preferentemente 1 segundo como máximo, y se dispensa posteriormente, por ejemplo, en una cavidad o molde.
El reactante puede contener otros compuestos además de agua, como los aditivos opcionales y el poliol descritos anteriormente. Preferentemente el reactante espumante se comprende de agua, un elevador de la viscosidad (por ejemplo, metilcelulosa, goma guar, éteres de celulosa, arcilla, materiales de carga tratados, arcilla tratada superficialmente, sílice pirógena, almidón, monomix, polioles y jarabe de maíz) y un catalizador, tal como uno descrito anteriormente. El agua del reactante espumante es preferentemente agua destilada. Más preferentemente el agua es agua destilada y desionizada que no tiene básicamente impurezas.
Cuando se hace una espuma, el reactante espumante puede hacerse reaccionar con la composición de prepolímero a cualquier relación de volumen suficiente para hacer la espuma. En general, la relación de volumen del reactante espumante a la composición de prepolímero se fija por la estequiometría de NCO a OH deseada y fácil de procesar. Debido a que el contenido de NCO de la composición de prepolímero es por regla general menor que, por ejemplo, el MDI o el TDI, el volumen del reactante espumante es por regla general como máximo 10 por ciento en volumen de toda la mezcla de espuma (esto es, el volumen del reactante espumante y la composición de prepolímero). Preferentemente el reactante espumante es como máximo 7,5 por ciento en volumen de la mezcla de espuma, y más preferentemente como máximo 5 por ciento en volumen de la mezcla de espuma.
Incluso aunque la viscosidad del reactante espumante puede variar en un amplio intervalo, es deseable para la viscosidad del reactante espumante ser similar a la viscosidad de la composición de prepolímero, por ejemplo, para potenciar la mezcla. Preferentemente la viscosidad del reactante espumante tiene una viscosidad de 50 por ciento como mínimo a 500 por ciento como máximo de la viscosidad de la composición de prepolímero. La viscosidad de la composición de prepolímero puede modificarse, por ejemplo, por los plastificantes y espesantes descritos anteriormente. La cantidad de éstos no debería ser tan grande como para que las propiedades de la espuma resultante de degradaran sustancialmente.
Cuando se forma una espuma a partir de la composición de prepolímero, en la que el reactante espumante es como máximo 10 por ciento en volumen de la mezcla espumante total, se prefiere que la composición de prepolímero y el reactante espumante sean dos corrientes separadas que se ponen en contacto y se mezclan uniformemente y se dispensan desde una cabeza de mezcla. Cabezas de mezcla adecuadas incluyen las disponibles comercialmente para hacer espumas de poliuretano, como la incorporada en el equipo espumante modelo N-4400, disponible de Jesco Products Company, Sterling Heights, MI.
En general, el tiempo para formar la espuma es tan corto como sea practicable y puede ser de 1 segundo a 48 horas. Preferentemente el tiempo para formar la espuma es de 1 a 60 segundos. La temperatura de la reacción, en general, es suficientemente elevada para que se forme la espuma pero no tan elevada para que la espuma de poliuretano o los componentes de la espuma, por ejemplo, se descompongan. De manera general, la temperatura oscila desde la temperatura ambiente hasta 300ºC.
Cuando se forma la espuma, el único agente soplador es generalmente el CO_{2} producido por la reacción del agua con el isocianato. Puede estar presente un agente soplador suplementario, tal como un hidrocarburo de punto de ebullición bajo (por ejemplo, pentano, hexano, heptano, penteno y hepteno), dióxido de carbono añadido directamente, un azo compuesto (por ejemplo, azohexahidrobenzodinitrilo) o un hidrocarburo halogenado (por ejemplo, diclorodifluoroetano, cloruro de vinilideno y cloruro de metileno). Sin embargo, preferentemente la cantidad de estos agentes sopladores suplementarios, distintos del CO_{2} producido por la reacción del agua con el isocianato, es como máximo una cantidad de trazas, y más preferentemente nada en absoluto.
La espuma de poliuretano que se forma por el método anterior puede tener un gran rango de propiedades dependiendo de los componentes particulares usados (por ejemplo, poliol). Por ejemplo, la espuma puede tener una densidad aparente de 1 a 50 libras por pie cúbico (de 16,02 a 800,9 gramos por litro) pero es preferible de 1 a 5 libras por pie cúbico (de 16,02 a 80,09 gramos por litro). La espuma puede tener también un amplio rango de resistencias de compresión. Por ejemplo, la espuma puede tener una resistencia de compresión de 1 a 5.000 libras por pulgada cuadrada (psi) (de 0,068 a 340 atmósferas). Preferentemente la resistencia de compresión es de 5 a 20 psi (de 0,34 a 1,36 atmósferas) como se determina por la norma ASTM D1621 A.
Más adelante hay ejemplos específicos dentro del alcance de la invención y ejemplos comparativos. Los ejemplos específicos son sólo para propósitos ilustrativos, y no limitan de ningún modo la invención descrita en la presente memoria.
Ejemplos Ejemplo 1 Formación del prepolímero
El prepolímero se preparó como sigue. En un matraz de reacción de vidrio encamisado de 1.000 mL, se agitaron 352 partes en peso de MDI polimérico, disponible de The Dow Chemical Company con la marca registrada PAPI® 20, y se calentaron a 70ºC bajo una capa constante de nitrógeno. El PAPI 20 tenía un peso molecular promedio de 400, una funcionalidad de 3,2, un peso equivalente de isocianato de 141 y un porcentaje en peso de NCO de 30. Durante el calentamiento, el PAPI 20 se agitó con un agitador de palas (dos palas de 2,5 pulgadas (6,35 centímetros)) girando a 500 rpm (revoluciones por minuto). El reactor y su contenido se calentaron mediante un flujo de agua calentada a 70ºC a través de la camisa del reactor.
Una vez que el reactor y su contenido alcanzaron los 70ºC, se detuvo la agitación y se añadió lo siguiente al matraz de reacción:
336 partes en peso de PALATINOL® 711 P.
84 partes en peso de VORANOL® 220-260,
20 partes en peso de 1-butanol,
4 partes en peso de catalizador DMDEE,
donde el PALATINOL 711 P es una mezcla de ésteres de ftalato, disponible de BASF Corp.; el VORANOL 220-260 es un poliol de poliéter, disponible de The Dow Chemical Company y el DMDEE es un catalizador de 4,4'-(oxidi-2,1-etanodiil)bis morfolina, disponible de Huntsman Corporation, Austin, TX. El VORANOL 220-260 es un poliol de poliéter iniciado por polipropileno que tenía un peso molecular promedio de 425, una funcionalidad promedio de 2 y un número de hidroxilo de 260. Después de añadir estos cuatro ingredientes, se agitaron los contenidos del matraz de reacción a 70ºC, como se describió anteriormente. Periódicamente (cada 30 minutos), se determinó la cantidad de NCO de la mezcla de reacción disolviendo una muestra de prepolímero en 20 mL de tetrahidrofurano, añadiendo después 25 mL de una disolución de dibutilamina al 1,5 por ciento en peso en tolueno y agitando esta mezcla de valoración durante 15 minutos. Una vez que esto se completó, se añadieron 50 mL de 2-propanol a la mezcla de valoración y se agitó durante 5 minutos más. Se determinó el porcentaje en peso de NCO de la mezcla de valoración usando un Titroprocessor 682, disponible de Brinkmann Instruments, Westbury, NY, valorando con una disolución de ácido clorhídrico 0,5N (Normal).
Una vez que se alcanzó la cantidad teórica de NCO (esto es, 9,62 por ciento en peso) (esto es, en este Ejemplo 60 minutos), se detuvo la agitación y el prepolímero formado se puso en una lata de metal bajo una capa de nitrógeno. El NCO medido fue 9,40 por ciento y la viscosidad a 25ºC era 3.500 centipoise, medida con un viscosímetro Brookfield usando un husillo #5 a 10 RPM.
Ejemplo 2
Espuma formada a partir del prepolímero del Ejemplo 1
100 gramos del prepolímero del Ejemplo 1 se calentaron y se mantuvieron a 80ºC en un recipiente de plástico. Se le añadieron al prepolímero calentado 0,5 mL de tensioactivo de silicona DC198 mediante una jeringuilla desechable y se agitó con un abatelenguas de madera hasta que el tensioactivo estuvo bien dispersado. Después se añadieron 0,5 mL de catalizador bis(2-dimetilaminoetil)éter (DABCO® BL-19, disponible de Air Products and Chemicals Inc., Allentown, PA) mediante una jeringuilla desechable y se agitó con un abatelenguas de madera hasta que el catalizador estuvo bien dispersado. Finalmente, se añadieron 2,1 mL de agua mediante una jeringuilla desechable y los contenidos del recipiente se mezclaron rápidamente durante 3 segundos a 2.500 rpm con un agitador de palas descrito anteriormente. La mezcla espumante resultante se vertió rápidamente en un recipiente de papel de 16 onzas (459,2 gramos).
A continuación se describen las características de la espuma.
Tiempo de crema: 2 segundos
Tiempo de gel: 8 segundos
Tiempo de secado al tacto: 15 segundos
Densidad de subida libre: 2,2 libras por pie cúbico (pcf) (35,24 gramos por litro)
Calidad de la espuma: La espuma no tenía gránulos de humedad o abundancia regional de componentes de la espuma y tenía una estructura homogénea uniforme de celdas finas sin estrías de mezcla aparentes.
Absorción de agua: La espuma tenía una piel esencial y básicamente no logró absorber agua después de ser sumergida en agua durante 24 horas, como se determinó mediante el estándar SAE J315.
Estabilidad dimensional: La espuma, 20 minutos después de fabricarse, tenía un porcentaje máximo de cambio de volumen de 5 por ciento tras un tratamiento de calentamiento a 120ºC durante 15 minutos.
Resistencia a la compresión: 10 libras por pulgada cuadrada (psi) (0,68 atmósferas) de acuerdo con la norma ASTM D1621 A.
Resistencia de la unión/adhesión al panel: La espuma mostró una excelente adhesión a acero electrorecubierto en condiciones conocidas en la técnica de pintado de automóviles.
Ejemplo 3 Espuma formada a partir del prepolímero del Ejemplo 1
Primero se formó un reactante espumante por el método siguiente. Se añadieron 394 partes en peso (pbw) de agua desionizada a 90ºC a 6 pbw de METHOCEL® K100M grado alimentario, disponible de The Dow Chemical Company, Midland, MI, en un matraz de reacción de vidrio encamisado de 1.000 mL descrito anteriormente. Se mezclaron el agua y el METHOCEL a 90ºC y 500 rpm, como se describió en el Ejemplo 1, hasta que el METHOCEL estuvo completamente dispersado (aproximadamente 1 hora). Después que el METHOCEL estuvo completamente dispersado, se enfrió el reactor a 10ºC. Después de enfriar a 10ºC, se añadieron 400 pbw de catalizador DABCO® BL-19 y posteriormente se mezcló durante 60 minutos. El reactante espumante resultante se retiró y se almacenó en un recipiente de metal de un cuarto de galón (1,14 litros).
Se mezclaron entonces el prepolímero del Ejemplo 1 y el reactante espumante y se dispersaron usando un aparato espumante Jesco modelo N4400. Las condiciones de funcionamiento del equipo fueron las siguientes. La composición de prepolímero a 80ºC y el reactante espumante a 40ºC se bombearon a la cabeza de mezcla a una relación de volumen de composición de prepolímero a reactante espumante de 24 a 1 y a 75 cc por segundo. La cabeza de mezcla llamada también "aplicador por impacto con gatillo en la empuñadura de espuma calentada" se calentó y se mantuvo a 60ºC.
Las características de la espuma son las mismas que las del Ejemplo 2, excepto en lo siguiente:
Tiempo de crema: Instantáneo.
Tiempo de gel: de 2 a 4 segundos.
Tiempo de secado al tacto: 6 segundos.
Ejemplo comparativo 1
Se hizo una composición de prepolímero usando los materiales que se muestran a continuación. El procedimiento usado fue el mismo que se describió en el Ejemplo 1. El porcentaje en peso teórico de NCO fue 13,01 por ciento. El contenido de NCO medido fue 12,51 por ciento en peso.
Material % en peso
PAPI 20 56,2
PALATINOL 711 P 23,0
VORANOL 220-260 18,8
DMDEE 2,0
El prepolímero resultante era inestable como se muestra por los datos de viscosidad siguientes medidos a 25ºC, como se describió anteriormente.
24 horas después de la producción: 34.000 centipoise
48 horas después de la producción: 48.000 centipoise
72 horas después de la producción: 54.300 centipoise
96 horas después de la producción: 62.700 centipoise

Claims (28)

1. Una composición de prepolímero de poliisocianato libre de agente soplador que comprende el producto de reacción de (a) un poliisocianato orgánico que tiene una funcionalidad promedio de isocianato de al menos 2 y contiene al menos 20 por ciento en peso de un monómero de diisocianato, (b) un alcohol monohídrico y (c) un poliol que tiene una funcionalidad promedio de hidroxilo de 1,8 como mínimo a 3,2 como máximo, en la que composición de prepolímero tiene (i) de 2 a 20 por ciento en peso de NCO, suficiente para reaccionar con agua en ausencia de un agente soplador suplementario para hacer una espuma, (ii) como máximo 10,0 por ciento en peso del monómero de diisocianato y (iii) una cantidad del poliisocianato que se completa con el alcohol monohídrico suficiente para evitar que la viscosidad de la composición de prepolímero se eleve por encima de 100.000 centipoise cuando la composición de prepolímero se almacena durante al menos 6 meses en una atmósfera seca que tiene un punto de rocío menor que -40ºC.
2. La composición de prepolímero de la reivindicación 1, en la que el alcohol monohídrico es un alcohol C_{1} a C_{50}.
3. La composición de prepolímero de la reivindicación 2, en la que el alcohol monohídrico es un alcohol C_{2} a C_{20}.
4. La composición de prepolímero de la reivindicación 3, en la que alcohol monohídrico se selecciona del grupo que consiste en 1-butanol, 2-butanol, alcohol isobutílico y mezclas de alcoholes alifáticos C_{11}-C_{14}.
5. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el contenido de NCO es como máximo el 10 por ciento en peso de la composición de prepolímero.
6. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además un plastificante.
7. La composición de prepolímero de la reivindicación 6, en la que el plastificante es un ftalato de dialquilo o una mezcla de ftalatos de dialquilo.
8. La composición de prepolímero de la reivindicación 7, en la que el plastificante se selecciona del grupo que consiste en ftalato de dioctilo, ftalato de diisooctilo, ftalato de dimetilo, ftalato de dibutilo y sus mezclas.
9. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la funcionalidad promedio de hidroxilo del poliol es como máximo 2,5.
10. La composición de prepolímero de la reivindicación 9, en la que la funcionalidad promedio de hidroxilo del poliol es como máximo 2,2.
11. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que el poliol tiene un número de hidroxilo de 20 a 1.000.
12. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que el poliol tiene una funcionalidad promedio de hidroxilo de 1,8 como mínimo a 2,2 como máximo y un número de hidroxilo de 20 como mínimo a 1.500 como máximo.
13. La composición de prepolímero de la reivindicación 1, en la que la cantidad del monómero de diisocianato es como máximo 5 por ciento en peso de la composición de prepolímero.
14. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en la que la composición de prepolímero se forma a partir de un MDI polimérico que tiene una funcionalidad de isocianato de 2,5 como mínimo a 3,2 como máximo y tiene como mínimo de 20 por ciento a como máximo 40 por ciento en peso de MDI.
15. La composición de prepolímero de la reivindicación 14, en la que la funcionalidad de isocianato del MDI polimérico es de mayor que o igual a 2,8 a 3,2 como máximo.
16. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la que el poliisocianato, el alcohol monohídrico y el poliol proporcionan una relación de NCO a OH de 2 como mínimo a 5 como máximo.
17. La composición de prepolímero de la reivindicación 16, en la que la relación de NCO a OH es de 2,5 como mínimo a menor que 3.
18. La composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en la que el alcohol monohídrico y el poliol se proporcionan en una relación de alcohol monohídrico a poliol de 0,1 como mínimo a 2 como máximo, basada en los equivalentes de hidroxilo del alcohol monohídrico y el poliol.
19. La composición de prepolímero de la reivindicación 18, en la que la relación de alcohol monohídrico a poliol es de 0,5 como mínimo a 1,5 como máximo.
20. La composición de prepolímero de la reivindicación 19, en la que la relación de alcohol monohídrico a poliol es de 0,6 como mínimo a 0,9 como máximo.
21. Un método de formar una espuma de poliuretano que comprende poner en contacto la composición de prepolímero de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20 con un reactante espumante que se comprende de agua durante un tiempo y temperatura suficientes para formar la espuma de poliuretano.
22. El método de la reivindicación 21, en el que el agente soplador es básicamente el CO_{2} producido por la reacción de los grupos NCO de la composición de prepolímero y el agua del reactante espumante.
23. El método de la reivindicación 21 ó 22, en el que el aire que rodea la espuma durante la formación contiene como máximo 5 partes por billón del monómero de diisocianato.
24. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, en el que el reactante espumante se comprende además de un catalizador y un elevador de la viscosidad.
25. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24, en el que el reactante espumante y la composición de prepolímero son dos corrientes separadas que se ponen en contacto, mezcladas y dispersadas uniformemente como una corriente.
26. El método de la reivindicación 25, en el que las dos corrientes se ponen en contacto, se mezclan y se dispersan uniformemente en menos de, o igual a, aproximadamente 1 segundo.
27. Una espuma de poliuretano libre de agente soplador, producida por el método de una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26.
28. Una espuma libre de agente soplador, que comprende una matriz continua de celdas producto de reacción de agua y la composición de prepolímero de poliisocianato libre de agente soplador de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20.
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