JP4504809B2 - 軟質フォームを製造するためのプレポリマー、ポリオール組成物および方法 - Google Patents

軟質フォームを製造するためのプレポリマー、ポリオール組成物および方法 Download PDF

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Description

本発明は、軟質フォームを製造するためのプレポリマー、ポリオール組成物および方法に関する。
WO 01/32735には、20重量%未満のNCO価をもつプレポリマーを用いるそのようなフォームのための方法が記載されている。その方法は、プレポリマーの製造に余分な製造工程が必要であり、かつそのプレポリマーはしばしば高い粘度をもち、このためフォームの製造しやすさを妨げる可能性があるという欠点をもつ。さらに、比較的低い硬ブロック含量および比較的高い密度をもつフォームについては、フォームの硬度が十分には高くない。
WO 01/60884には、高含量の、高いオキシエチレン含量および高い第一級ヒドロキシル含量をもつポリオールを、中等度のオキシエチレン含量をもつポリオールと共に用いる、軟質ポリウレタンフォームの製造方法が開示されている;たとえば例8を参照。この実験を閉鎖型内で反復した場合、満足すべきフォームは得られなかった。
WO 01/32736には、同様なポリオールを低いオキシエチレン含量のポリオールと共に用いる、フォームの製造方法が開示されている。この方法はワンショット法またはプレポリマー法であり、そのプレポリマーは高いNCO価をもつ。得られるフォームは粘弾性をもつ。
US 5594097およびUS 4559366には、中間量、たとえば20〜50重量%のオキシエチレン基をもつポリオールを軟質フォームの製造に使用することが開示されている。US 5459170には、そのようなポリオールからなるプレポリマーが開示されている。
予想外に本発明者らは、より良好な硬度/密度/硬ブロック含量関係をもち、さらに良好な特性、たとえば強度、圧縮硬化性、クリープ特性、レジリエンス、振動伝達性、伸び率および快適な感触を備えた軟質ポリウレタンフォームが、下記の容易に実施できる方法で、特殊なプレポリマー、および特定の高いオキシエチレン含量をもつポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオール、および所望により特定の中等度のオキシエチレン含量をもつポリオール、および所望により特定のポリオキシエチレンポリオールを用いて得られることを見いだした。
したがって本発明は、新規なプレポリマー、他のポリイソシアネートとこの新規なプレポリマーの組成物、およびこの新規なプレポリマーまたは組成物とポリオールおよび水を反応させることによる軟質ポリウレタンフォームの製造方法に関する。
本発明によるプレポリマーは、5〜30重量%、好ましくは5〜19重量%のNCO価を有するイソシアネート末端基付きプレポリマーであり、少なくとも80重量%の4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを含む過剰量のジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)と、2000〜10000の平均分子量、2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価、21〜45重量%のオキシエチレン含量、およびタイプPO−PO/EO−EOの構造を有し、(第1)POブロックが60〜90%のPOを含み、ティップト(tipped)EO:ランダムEOの比率が3:1〜1:3である。
そのようなプレポリマーは、常法において、ポリイソシアネートとポリオールを周囲温度または高められた温度(たとえば最高90℃)で、所望により触媒の存在下に反応させることにより製造される。MDIは、純粋な4,4’−MDIであるか、または2,4’−MDIとの混合物であって所望により副量(5重量%未満)の2,2’−MDIを含むものであってよい。プレポリマーの製造に使用するポリオールも当技術分野で既知である;たとえばEP 609982を参照。好ましくは、平均分子量は3000〜9000であり、平均公称ヒドロキシ官能価は2〜4である。
本発明によるポリイソシアネート組成物は、このポリイソシアネート組成物100重量部に対して計算して、本発明によるプレポリマー1〜99、好ましくは5〜95、最も好ましくは10〜90重量部(pbw)と、他のポリイソシアネート1〜99、好ましくは5〜95、最も好ましくは10〜90重量部の組成物である。他のポリイソシアネートは、脂肪族、脂環式および芳香脂環式ポリイソシアネート、特にジイソシアネート、たとえばヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、シクロヘキサン−1,4−ジイソシアネート、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、ならびにm−およびp−テトラメチルキシリレンジイソシアネート、特に芳香族ポリイソシアネート、たとえばトリレンジイソシアネート(TDI)、フェニレンジイソシアネート、最も好ましくはジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)(少なくとも2のイソシアネート官能価をもつもの)から選択できる。ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)は、純粋な4,4’−MDI、4,4’−MDIと2,4’−MDIおよび5重量%未満の2,2’−MDIの異性体混合物、粗製およびポリマーMDI(少なくとも2のイソシアネート官能価をもつもの)、ならびにこれらのMDIの修飾変異体であって、MDIと最高500の分子量を有するポリオールとの反応により得られ、ウレタン基および/またはカルボジイミド基および/またはウレトンイミン基を含み、少なくとも20重量%のNCO価を有する変異体、ならびにそのようなジフェニルメタンジイソシアネートの混合物であって、少なくとも2のイソシアネート官能価をもつものから選択できる。
ウレトンイミン/カルボジイミド修飾MDIおよびポリマーMDIの例は、それぞれSuprasec MPR、2020および2185であり、これらはすべてHuntsman Polyurethanesから入手される(SuprasecはHuntsman International LLCの商標である)。ウレタン基を含む変異体も広く知られ、市販されている。本発明による組成物は、単純な混合、高剪断混合もしくはインラインブレンディング、または他のいずれかの成分混合法により調製できる。
特に、たとえば5〜19重量%の低いNCO価をもつプレポリマーをこのような他のポリイソシアネートと混合して、より高いNCO価をもつプレポリマーを調製し、次いでこれを用いてフォームを製造することができる。
本発明によるプレポリマーおよび組成物は、軟質ポリウレタンフォームの製造に有用である。したがって本発明はさらに、型内で指数70〜120、好ましくは80〜105において下記のものを反応させることにより、軟質ポリウレタンフォームを製造する方法に関する:
a)本発明によるプレポリマーまたは組成物;
b1)2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価および50重量%を超えるオキシエチレン(EO)含量を有するポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオール30〜100重量部;
b2)2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価、20〜50重量%のEO含量、ならびにポリオールb2)中の第一級および第二級ヒドロキシ基の数に対して計算して少なくとも50%の第一級ヒドロキシ含量を有するポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオール0〜70重量部;b1)およびb2)の量は100重量部b1)およびb2)に対して計算したものである;ならびに
c)水;ならびに場合により
d)それ自体は既知の添加剤および助剤。
本発明に関して以下の用語を用いる場合、それらは下記の意味をもつ:
1)イソシアネート指数、またはNCO指数、または指数:
配合物中に存在するイソシアネート反応性水素原子に対するNCO基の比率であって、%として示される:
Figure 0004504809
すなわちNCO指数は、配合物中に用いた量のイソシアネート反応性水素と反応するのに理論的に必要な量のイソシアネートに対する、配合物中に実際に用いたイソシアネートの%を表わす。本明細書中で用いるイソシアネート指数は、イソシアネート成分とイソシアネート反応性成分を伴う実際の発泡プロセスの観点から考慮したものであるとみるべきである。修飾ポリイソシアネート(当技術分野でプレポリマーと呼ばれるイソシアネート誘導体を含む)を製造するための予備工程で消費されたイソシアネート基、または修飾ポリオールもしくはポリアミンを製造するためにイソシアネートと反応した活性水素は、イソシアネート指数の計算に際して考慮されない。実際の発泡段階に存在する遊離のイソシアネート基および遊離のイソシアネート反応性水素(水を含む)を考慮に入れる;
2)本明細書中でイソシアネート指数の計算のために用いる”イソシアネート反応性水素原子”という表現は、反応性組成物中にポリオール、ポリアミンおよび/または水の形で存在するヒドロキシルおよびアミンの水素原子の合計を表わす;これは、実際の発泡プロセスにおいてイソシアネート指数を計算するために、1個のヒドロキシル基が1個の反応性水素を構成するとみなし、1個の第一級または第二級アミン基が1個の反応性水素を構成するとみなし、1個の水分子が2個の活性水素を構成するとみなすことを意味する;
3)反応系:成分の組合わせ:ポリイソシアネート成分をイソシアネート反応性成分と別個の容器に収容する;
4)本明細書中で用いる”ポリウレタンフォーム”という表現は一般に、発泡剤を用いてポリイソシアネートとイソシアネート反応性水素含有化合物を反応させることにより得られる気泡生成物を表わし、特に水を反応性発泡剤として用いて得られる気泡生成物を含む(水とイソシアネート基の反応を伴い、尿素結合および二酸化炭素が生成し、ポリウレア−ポリウレタンフォームが製造される);
5)本明細書中において”平均公称ヒドロキシル官能価”という用語は、これがそれらの製造に用いた開始剤(1種類以上)の平均官能価(分子当たりの活性水素原子の数)であると仮定して、ポリオールの平均官能価(分子当たりのヒドロキシル基の数)を示すために用いられる。ただし実際には、ポリオールの官能価は若干の末端不飽和化のためこれよりある程度低い場合がしばしばあるであろう。ポリオールの平均当量は、平均分子量をこの平均公称ヒドロキシル官能価で割ったものである。
6)”平均”という用語は、数平均を示すために用いられる。
本発明においては、ポリオールを記述するために下記の様式を用いる:PO−EOポリオールは、まず開始剤に結合したPOブロック、続いてEOブロックをもつポリオールである(POはオキシプロピレン、EOはオキシエチレンを表わす)。PO−PO/EOポリオールは、まずPOブロック、次いでランダムに分布したPOおよびEOのブロックをもつポリオールである。PO−PO/EO−EOポリオールは、まずPOブロック、次いでランダムに分布したPOおよびEOのブロック、次いでEOブロックをもつポリオールである。PO−EOポリオールは、まずPOブロック、続いてEOブロックをもつポリオールである。上の記述においてはポリオールの1つのテイルのみを記載した(開始剤からみて);公称ヒドロキシ官能価により、存在するそのようなテイルの数が判定されるであろう。
ポリオールb1はEOに富むポリオールである。それはPOおよびEOを含み、EOはランダム、ティップトまたは両方であってよい。好ましくは、EOは大部分がランダムである。EO含量は、ポリオールの重量に対して計算して50重量%を超え、好ましくは60〜90重量%である。好ましくは平均公称ヒドロキシ官能価は2〜4である。平均分子量は2000〜10000、好ましくは3000〜8000である。有用なポリオールの例は、Daltocel F442、F444およびF555であり、すべてHuntsman Polyurethanesから得られる。DaltocelはHuntsman International LLCの商標である。
ポリオールb2を用いる場合、これは好ましくはタイプPO−PO/EO−EO、PO/EO−EOまたはPO−EOの構造をもつ。合計EO含量は、ポリオールの重量に対して計算して20〜50重量%、好ましくは21〜45%である。ポリオールb2は、少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%の第一級ヒドロキシ含量をもつ。PO−PO/EO−EOタイプのポリオール(これが最も好ましいものである)において、(第1)POブロックは好ましくは60〜90重量%のPOを含み、ティップトEO:ランダムEOの比率は好ましくは1:3〜3:1である。タイプPO−PO/EO−EOの構造をもつポリオールは、特にChaffanjonらのUS−A−5594097の教示に従って製造できる。タイプPO/EO−EOの構造をもつポリオールは、特にHostettlerのUS−A−4559366の教示に従って製造できる。平均公称ヒドロキシ官能価は、好ましくは2〜4である。平均分子量は2000〜10000、好ましくは3000〜9000であってよい。
好ましくは、2000以上の平均分子量および20重量%未満のオキシエチレン含量をもつポリオールを使用しない。
水が発泡剤として用いられる。必要ならば二酸化炭素を添加してもよい。全ポリオール成分(予備反応したものおよび予備反応していないもの、すなわち出発ポリオール化合物全体)の重量を基準として1〜10重量%、好ましくは1〜5重量%の水を用いるのが適切である。
ポリウレタンの製造に際しては、他の慣用成分(添加剤および/または助剤)を使用できる。これらには、触媒、たとえば第三級アミンおよび有機スズ化合物、界面活性剤、架橋剤または連鎖延長剤、たとえば低分子量化合物、たとえばジオール、トリオールおよびジアミン、防炎加工剤、たとえばリン酸ハロゲン化アルキル、充填剤および顔料が含まれる。気泡安定剤、たとえばポリシロキサン−ポリアルキレンオキシドブロックコポリマーを用いて、フォームの気泡を安定化または調節することができる。ポリオールb1)およびb2)および水以外のイソシアネート反応性成分は、好ましくはポリオールb1)+b2)の重量に対して計算して15重量%未満、より好ましくは10重量%未満である。
これらの副成分の使用量は要求される生成物の性質に依存し、ポリウレタンフォーム技術者に周知の限度内で変更できる。
ポリウレタン形成性反応混合物の成分は、常法により混和することができる。最終混合工程において混和する成分流の数を少なくするために、それらをプレブレンディングしてもよい。2流系にするのがしばしば好都合であり、これによれば1つの流れはプレポリマーまたはポリイソシアネート組成物を含み、第2流は反応混合物の他のすべての成分を含む。他のすべての成分を独立して発泡装置の混合ヘッドへ導くこともできる。
本発明のフォームは家具および自動車工業において、シート、ハンドル、ダッシュボード、クッションおよびマットレス、ならびに消音および遮音に使用できる。
こうして得たフォームは、15〜140kg/m、好ましくは30〜110kg/m(ISO 845)の総合密度をもつ。
本発明によるプレポリマーおよび組成物から製造されるフォームは、ワンショット法により製造したフォームより良好な安定性を示し、かつポリオールb1をベースとするプレポリマーから製造したフォームより高い硬度を示す。
本発明方法は、当技術分野で既知のいずれかのタイプの型内で実施できる。好ましくは、本発明方法は閉鎖型内で実施される。そのような型の例は、ポリウレタン製の家具部品、自動車シート、および他の自動車部品、たとえばひじ掛けおよび安定枕(シート枕)の製造に商業的に用いられる型である。成形方法はいわゆる常温硬化成形法であり、この方法ではフォームの製造に用いる成分を周囲温度から80℃まで、好ましくは55℃までの温度で供給し、操作中は型を周囲温度から80℃まで、好ましくは55℃までの温度に保持する。フォームを型から取り出した後、所望により周囲温度から100℃まで、好ましくは周囲温度から70℃までの温度で1時間ないし2日間硬化させる。
本発明方法は、いわゆる布帛内発泡(foam−in−fabric,FIF)法(または現場注入(pour−in−place)法とも呼ばれる)として実施することができる。この方法によれば、椅子張り材料または外層、たとえばレーヨン、ビニル、処理済み天然繊維などを入れた型に、フォームを製造するための成分を注入する。この方法の主な問題は、型の形状に一致した、したがって目的とする複合材料物品の形状に一致した椅子張り材料を、反応用液体ウレタン混合物が滲み通りまたは透過する可能性があることである。
”滲み通り”が問題なのは、反応用ポリウレタン混合物を椅子張りの内側に注入すると、発泡作用が加圧下で型の壁へ向かって移動するからである。椅子張りに負荷される圧力のため、ウレタン混合物が椅子張り材料を透過して欠陥物品が得られる傾向がある。しばしば、フォームと椅子張りの間に薄いフォームバリヤーが用いられる。しかし、フォームバリヤーの透過も好ましくない。そのような滲み通りが見えないとしても、透過地点に粗い感触があるからである。
椅子張り材料と薄いフォームバリヤーの間に不透過性フィルムが用いられることもしばしばある。本発明による成分をこの現場注入法に用いることにより、そのようなフィルムは不必要となり、滲み通りは全くまたはほとんどみられない。したがって、本発明方法は椅子張り材料を含む型内で有利に実施できる。
主としてオキシプロピレン基を含むポリエーテルポリオールを主に使用する一般的なポリウレタン系は、普通は高いオーバーパック(overpack)では確実にバリヤーフィルムを必要とする;意外にも本発明の系はバリヤーフィルムなしでも可能である。布帛法における本発明フォームのオーバーパックは、5〜100%、より好ましくは10〜50%である。特に、タイプPO−PO/EO−EOのポリオールをベースとするプレポリマーを使用すると、布帛内発泡法を用いた場合、より高いオーバーパックでも過度の透過がみられることはない。
本発明によるフォームは、1回目の部品を製造した後、外部離型剤を付与しなくても容易に型から取り出すことができるので、閉鎖型内で軟質ポリウレタンフォームを製造する操作を下記の工程により実施できる:
1.少なくとも、フォームの製造に用いる成分および/または最終フォームと接触する予定の型表面に、外部離型剤を付与する;
2.フォームの製造に使用する成分を型内に供給する;
3.成分を反応させてポリウレタンフォームを形成する。この反応は前記成分を反応させることを含む;
4.こうして成形されたポリウレタンフォームを型から取り出し;そして
5.工程1を反復せずに、工程2、3および4が少なくとも10回繰り返される。
得られたフォームは、工程2、3および4を1回、10回、25回、40回、またはさらに多く実施した後のいずれであるかに関係なく、同等な物理的特性をもつ。
工程2の後に型を閉鎖し、工程3の後に開放してもよく、あるいは工程1の後に型を閉鎖し、工程3の後に開放してもよい;後者の場合、フォームを製造するための成分は適宜な入口から型内へ供給される。
型材料は、金属、たとえば鋼、アルミニウム、およびエポキシ樹脂など、当技術分野で既知の材料から選択できる。
本発明方法の第1工程は、当技術分野で既知のいずれかの様式で実施できる。物体の製造に用いる成分および/または物体と接触する予定の型表面への外部離型剤の付与には、そのような離型剤を表面に付与する任意の様式、たとえば摩擦塗り、はけ塗り、吹付けおよびこれらの組合わせが含まれ、その後の型からの取出しを容易にする任意の物質(1種類以上)が付与される。1種類以上の外部離型剤、および外部離型剤の混合物を使用できる。
外部離型剤は、そのまま、または液体中の溶液、乳濁液もしくは分散液として付与できる。
工程1で付与する外部離型剤は、1以上の段階で付与することができる。当技術分野で既知の任意の外部離型剤を付与できる;適切な外部離型剤の例は、Kluberpur 41−0039および41−0061(両方ともKluber Chemieから)、Desmotrol D−10RT(Productos Concentrol SAから)、Acmosil 180 STBH(Fullerから)およびJohnson Cire 103(Johnson and Johnsonから)である。
本発明を以下の実施例により説明する。
実施例1
72重量部(pbw)のポリオールを約45℃に加熱し、28pbwのSuprasec MPRおよび約10ppmの塩化チオニルの混合物(混合物を約50℃に保持)に添加した。次いで、温度を85℃に維持しながら約31/2時間、反応を進行させた。その後、得られたプレポリマーを周囲温度にまで放冷した。プレポリマー(以下、”プレポリマー1”)は、約7.8重量%のNCO価をもっていた。ポリオール1は、PO−PO/EO−EOの構造をもち、グリセロール開始され、28mg KOH/gのOH価、およびそれぞれ約55−15/15−15の重量分布をもつ。
実施例2
下記のポリイソシアネート(量はpbw)を混合することにより、本発明によるポリイソシアネート組成物を調製した。
Figure 0004504809
実施例3
実施例2の組成物、およびポリイソシアネートと接触させる前に予備混合した下記の追加成分から、成形軟質フォームを製造した。型温度は45〜50℃、混合前の化学物質の温度は27℃であった。混合物を型内へ供給した後、型を閉鎖した。型サイズは45×45×10cm、オーバーパック量は約50%であった。得られた成形フォームの成分および物理的特性を次表に示す。
Figure 0004504809
ポリオール2: 3の公称官能価、38mg KOH/gのOH価、および約75重量%のEO含量をもつ、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンポリオール(全ランダム);
ポリオール3: ポリオール2と同様、ただしOH価は28mg KOH/g;
ZF22: Jeffcat(商標)ZF22、Huntsmanから得られる触媒;
Dabco 33LV: Air Productsからの触媒;
B8715LF: Tegostab 8715LF、Goldschmidtからの界面活性剤;
D8154: 第三級アミン触媒と有機酸触媒のブレンド、Air Productsから;
DMEA: ジメチルジエタノールアミン触媒;
DMAPA: ジメチルアミノ−プロピルアミン触媒。

Claims (10)

  1. 5〜30重量%のNCO価を有するイソシアネート末端基付きプレポリマーであって
    少なくとも80重量%の4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを含む過剰量のジフェニルメタンジイソシアネートと、2000〜10000の平均分子量、2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価、21〜45重量%のオキシエチレン含量PO−PO/EO−EOというタイプの構造を有し、POブロックが当該構造に含まれるPOの60〜90%を構成し、ティップトEO:ランダムEOの比率が3:1〜1:3であるポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオールとの反応生成物である、上記プレポリマー。
  2. ジイソシアネートが少なくとも90重量%の4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを含み、ポリオールが3000〜9000の平均分子量を有し、かつ平均公称ヒドロキシ官能価が2〜4である、請求項1に記載のプレポリマー。
  3. NCO価が5〜19重量%である、請求項1または2に記載のプレポリマー。
  4. ポリイソシアネート組成物100重量部に対して計算して、請求項3に記載のプレポリマー1〜99重量部および他のポリイソシアネート1〜99重量部を含む、ポリイソシアネート組成物。
  5. 前記プレポリマーの量と前記他のポリイソシアネートの量が10〜90重量部である、請求項4に記載の組成物。
  6. 他のポリイソシアネートが、1)ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、2)粗製MDI、3)ポリマーMDI、4)これらのMDIの修飾変異体であって、MDIと最高500の分子量を有するポリオールとの反応により得られ、ウレタン基および/またはカルボジイミド基および/またはウレトンイミン基を含み、少なくとも20重量%のNCO価を有する変異体、ならびに5)ポリイソシアネート1〜4のいずれかの混合物から選択される、請求項4または5に記載の組成物。
  7. 型内でイソシアネート指数70〜120において下記のものを反応させることにより、軟質ポリウレタンフォームを製造する方法:
    a)請求項1〜6のいずれか1項に記載のプレポリマーまたは組成物;
    b1)2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価および50重量%を超えるオキシエチレン(EO)含量を有するポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオール30〜100重量部;
    b2)2〜6の平均公称ヒドロキシ官能価、20〜50重量%のEO含量、ならびにポリオールb2)中の第一級および第二級ヒドロキシ基の数に対して計算して少なくとも50%の第一級ヒドロキシ含量を有するポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンポリオール0〜70重量部;b1)およびb2)の量は100重量部のb1)およびb2)に対して計算したものである;ならびに
    c)水;ならびに場合により
    d)それ自体は既知の添加剤および助剤。
  8. ポリオールb2)がPO−EO/PO−EOの構造を有し、POブロックが当該構造に含まれるPOの60〜90%を構成し、ティップトEO:ランダムEOの比率が1:3〜3:1である、請求項7に記載の方法。
  9. 2000以上の平均分子量および20重量%未満のオキシエチレンを有するポリオールを使用しない、請求項7または8に記載の方法。
  10. 閉鎖型内で実施される、請求項7〜9のいずれか1項に記載の方法。
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