PL189498B1

PL189498B1 - Sposób otrzymywania kompozytowych materiałów porowatych opartych o poliuretany

Info

Publication number: PL189498B1
Application number: PL98328594A
Authority: PL
Inventors: Jan Pielichowski; Jerzy Polaczek; Jolanta Polaczek
Original assignee: Politechnika Krakowska
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2005-08-31
Also published as: PL328594A1

Abstract

1. Sposób otrzymywania kompozytowych materialów porowatych w oparciu o poli- uretany, uzyskiwanych z polioli i izocyjanianów z ewentualnymi dodatkami katalizatorów, srodków powierzchniowo czynnych oraz zawierajacych napelniacze z tworzyw termopla- stycznych, znamienny tym, ze do skladnika poliolowego i/lub skladnika izocyjanianowego wprowadza sie perelki z tworzyw termoplastycznych o niskiej temperaturze mieknienia okreslonej wedlug Vicata, korzystnie ponizej 120°C i wielkosci 0,2-4,0 mm, zawierajace uwieziony skladnik poroforowy, korzystnie ciecz wrzaca w zakresie temperatur 28-65°C, przy czym ilosc wprowadzonych perelek z tworzyw termoplastycznych stanowi nie wiecej niz 200% wagowych w przeliczeniu na ilosc skladników uzytych do wytworzenia poliuretanu. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kompozytowych materiałów porowatych opartych o poliuretany służący do produkcji różnego rodzaju lekkich wyrobów o właściwościach termoizolacyjnych, dźwiękochłonnych, jak i stosowanych w celach dekoracyjnych.

Znany jest sposób otrzymywania kompozytowych materiałów, w których fazę podstawową, przeważającą objętościowo stanowi pianka poliuretanowa. Sposób ten polega na wprowadzania do formy napełniacza w postaci granulatu gumowego, trocin, zgranulowanych odpadów wykonanych z pianki poliuretanowej, ekspandowanych perełek polistyrenowych itp., a następnie wtryśnięciu do formy pod wysokim ciśnieniem zmieszanych składników służących do wytworzenia pianki poliuretanowej. Celem lepszego, bardziej równomiernego rozmieszania napełniacza w zwiększającej swoją objętość masie, zaleca się kłopotliwe ze względu na gabaryty i ciężar form obracanie nimi wokół ich osi.

Inny znany sposób otrzymywania kompozytowych materiałów porowatych polega na mieszaniu porowatych napełniaczy, w tym również nieorganicznych, w mieszalnikach bębnowych typu betoniarka, z równoczesnym natryskiwaniem na ich powierzchnię odpowiedniej ilości składników niezbędnych do połączenia granulatu napełniacza. Składniki poliuretanowe - poliol, diizocyjanian i porofor są natryskiwane z dyszy pistoletu zapewniającego dobre ich wymieszanie. Zwilżonym granulatem napełnia się formy, do około 50% objętości, a następnie po wzroście masy kształtuje się wyrób.

Wadą wymienionych sposobów jest tendencja do rozbijania banieczek gazu w trakcie mechanicznego mieszania składników kompozytu, co daje w rezultacie gorsze pod względem izolacyjnym piankowe materiały o dużym ciężarze właściwym 80-170 kg/m³.

W nieco odmiennym rozwiązaniu zastosowano mieszalnik pracujący w sposób ciągły. Mieszanina surowców jest podawana do form mieszalnikiem tunelowym zaopatrzonym w ślimak. W formach następuje wzrost wcześniej wprowadzonych składników·. Surowce, z których arwize+nip aiaaVa artUnrptonnwo a nanci uia» no omnulnt aorł/zh^aio ioL· w anarcżAdain nrdnnoi </ · < o w f-⁷ w » τ ν* ιχΜχχν' υι j τ » χ νρΊ <-ιν ν/ v*kłixvj metodzie, natryskując go nimi w mieszalniku. Sposób ten wykorzystuje się przy zagospodarowaniu zgranulowanych do odpowiedniej wielkości odpadów pianki poliuretanowej.

W wyżej wymienionych sposobach stosuje się często systemy poliuretanowe o przedłużonym tzw. czasie startu, umożliwiające napełnienie formy w odpowiedniej ilości jeszcze przed wzrostem lepkości cieczy i początkiem wzrostu pianki. Znane są sposoby, w których materiały termoizolacyjne otrzymuje się mieszając granulat wykonany z porowatych, gumowych odpadów ze składnikami wytwarzającymi piankę PU.

189 498

Stosowano też według wyżej wymienionych sposobów zagospodarowanie odpadów z poliestrów nasyconych uzyskując pianki o korzystnie wyższej ich odporności termicznej i obniżonej palności.

W innym znanym rozwiązaniu, dla uzyskania kompozytu o żądanych właściwościach fizyko-mechanicznych, do formy wprowadza się kształtki laminowane zajmujące dużą objętość formy i posiadające znaczną wytrzymałość. Następnie do formy wtryskuje się składniki służące do wytworzenia pianki poliuretanowej. Pianka wzrastając wypełnia formę, oblewając wykonane z laminatu wypełnienie.

Wszystkie dotychczasowe rozwiązania mają szereg wad, które zniechęcają producentów do szerokiego stosowania technologii wytwarzania kompozytów opartych o nie.

Wady te to:

- zbyt mały udział objętościowy napełniacza, możliwy do osiągnięcia w stosunku do objętości pianki poliuretanowej,

- często nierównomierny rozkład napełniacza w kompozycie, wynikający ze zbyt dużych różnic w gęstości napełniacza i składników, z których powstaje pianka,

- trudności techniczne wytwarzania kompozytów wynikające z dużej reaktywności chemicznej systemów stosowanych przy spienianiu,

- duże straty surowców w trakcie przenoszenia surowców z mieszalnika do formy,

- niszczące działanie mieszania komponentów na powstającą piankę, zbyt wysokie są uzyskiwane wtedy gęstości fazy lepiącej-poliuretanowej (0,07-0,10 kg/m³).

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania kompozytowych materiałów porowatych, opartych o piankę poliuretanową o dużym udziale objętościowym napełniaczy, a pozbawionego wad znanych dotychczas metod.

Istota wynalazku polega na tym, że do składnika poliolowego i/lub składnika izocyjanianowego wprowadza się perełki z tworzyw termoplastycznych o niskiej temperaturze mięknienia określonej według Vicata, korzystnie poniżej 120°C i wielkości 0,2-4,0 mm, zawierające uwięziony składnik poroforowy, korzystnie ciecz wrzącą w zakresie temperatur 28-65°C. Ilość wprowadzanych perełek z tworzyw termoplastycznych stanowi nie więcej niż 200% wagowych w przeliczeniu na ilość składników użytych do wytworzenia poliuretanu. Perełki z tworzyw termoplastycznych ogrzewa się wstępnie do temperatur niższych od ich temperatury mięknienia. W trakcie ogrzewania się i mięknięcia tworzywa, pod wpływem ciepła będącego efektem reakcji grup -OH z -NCO, porofory rozkładają się lub zaczynają wrzeć powodując wzrost objętości tworzywowych perełek. Perełki te mogą nawet kilkakrotnie zwiększać swoją objętość zmieniając odpowiednio właściwości fizykomechaniczne wytworzonego kompozytu. Lepiszczem do ich połączenia jest pianka poliuretanowa. W ten sposób powstaje bardziej lub mniej lekki materiał porowaty o zróżnicowanych właściwościach fizykomechanicznych, na które wpływa rodzaj i ilość użytych surowców, jak i ich temperatura.

Reakcja powstawania poliuretanów z polioli i diizocyjanianówjest reakcją egzotermiczną. Wydzielające się w tej reakcji ciepło odpowiada za prawidłowość wzrostu objętości składników w wyniku wrzenia lub rozkładu czynnika porotwórczego. Poroforami są najczęściej niskowrzące ciecze, np. cyklopentan, n-pentan i jego izomery lub stosowane dawniej freony.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że wprowadzenie do takiej reagującej masy perełek wykonanych z tworzyw termoplastycznych, takich jak np. polistyren i jego kopolimery, polietylen, polipropylen, czyli tworzyw posiadających niską temperaturę mięknienia wg Vicata (około 100°Ć) i zawierających w wykonanym z nich granulacie uwięziony czynnik porotwórczy (najczęściej niskowrzącą ciecz, np: cyklopentan lub węglowodory nasycone Cs-Cć), powoduje ich rozrost kosztem energii cienlnei nowstaiacei w trakcie reagowania składników chemicz----------- --- - - i-,- . JA * -J ' -- U-» nych. Egzotermiczność reakcji, w wyniku której powstają wiązania chemiczne odpowiedzialne za strukturę pianki poliuretanowej jest na tyle duża, że wytworzona energia cieplna w krótkim czasie, zanim nastąpi uformowanie ostatecznego kształtu wyrobu, pozwala na uplastycznienie granulek i ich wzrost do wymiarów około pięć razy większych od wyjściowych.

Sposób według wynalazku pozwala na wprowadzenie do objętości wyrobu wykonanego z pianki poliuretanowej nawet 60% objętości, na przykład styropianu. Ziarna (perełki), rozrastającego się napełniacza są w kompozytowym materiale uzyskanym według sposobu oddzielone od siebie pianką poliuretanową. Zbliżony ciężar właściwy wyjściowych surowców jak

189 498 i końcowego produktu składającego się z pianki poliuretanowej i ekspandowanego tworzywa termoplastycznego zapewnia równomierne samoczynne rozprowadzenie napełniacza w całej objętości kompozytu.

Sposób według wynalazku pozwala na otrzymanie lekkich, porowatych kompozytów w prosty sposób, umożliwiający dowolne regulowanie ich właściwości fizykochemicznych, między innymi zmianą szybkości reakcji chemicznej jak i ilością wprowadzanego do reagującego układu poroforu. Duże znaczenie na jakość uzyskiwanego na tej drodze kompozytowego materiału termoizolacyjnego ma ilość i wielkość ziarna dodawanego termoplastu. Na właściwości i spójność tworzywa ma wpływ rodzaj dodawanego napełniacza, właściwości związane ze zwilżalnością jego powierzchni. Stwierdzono, że gęstość fazy łączącej ziarna może być taka sama jak przy piankach poliuretanowych uzyskiwanych bez napełniacza.

Przykład 1

Do otrzymania kompozytu przygotowano składniki jak niżej:

- 30 g polieteru o Loh = 260 (mg KOH/g) otrzymanego w wyniku reakcji dianu z tlenkiem etylenu,

- 20 g polieteru o Loh = 420 (mg KOH/g) otrzymanego w wyniku oksyalkilenowania o-tolHileoodiaminy,

- 7 g poroforu o składzie: 8% izopentan, 19% cyklopentan, 59% n-pentan, 14% dimetylobutan, wrzącego w zakresie 28-65 °C,

- 0,9 g oleju silikonowego SR321 o średniej masie cząsteczkowej M_n = 2087 (g/mol) i m_w = 8096 (g/mol),

-1,0 g wody,

- 0,3 g katalizatora l-allilo-2-meńylo'imidazolu.

Powyższe składniki po ogrzaniu do 40°C wlano do naczynia umożliwiającego ich szybkie wymieszanie, a następnie dodano 56,5 g perełek polistyrenowych o wielkości ziarna 0,8-1,6 mm zawierających około 6% mieszanki pentanowej (64-75% n-pentanu i 25-34% izopentanu), całość dokładnie wymieszano, po czym wprowadzono 57 g polimerycznego MDI i po kolejnym energicznym wymieszaniu masę przeniesiono do formy podgrzanej do temperatury 40°C. Kompozyt pozostawiono zapewniając masie swobodny wzrost w formie.

Przykład 2

Przygotowano składniki jak w przykładzie 1, z tym, że perełki polistyrenowe dodawano do polimerycznego MDI.

Przykład 3

Postępowano jak w przykładzie 1, dodając podwojoną ilość perełek polistyrenowych scharakteryzowanycH jak w przykładzie 1. Użyty składnik izocyjanianowy ogrzano wstępnie do temperatury 60°C.

Przykład 4

Postępowano jak w przykładzie 1, wprowadzając podwójną ilość poroforu o składzie jak w przykładzie 1.

Przykład 5

Postępowano jak w przykładzie 3, wprowadzając dodatkowo 0,15 g katalizatora.

Przykład 6

Postępowano jak w przykładzie 4, stosując perełki polistyrenowe o wielkości ziarna od 1,3-2,5 mm, zawierające jak w poprzednich przykładach mieszankę pentanową.

Przykład 7

Postępując jak w przykładzie 1, zastąpiono perełki polistyrenowe ich odpowiednikiem o zróżnicowanej wielkości ziarna (0,6-2,3 mm), wykonanym z polietylenu. Otrzymano kompozyt, w którym perełki polietylenowe rozrosły się o 300-500%, jednak znacznie słabiej były powiązane z pianką poliuretanową niż polistyrenowe.

Przykład 8

Postępowano jak w przykładzie 1, stosując w miejsce perełek przesiany pył, oddzielony od perełek polistyrenowych, o wielkości ziarna 0,2-0,4 mm.

189 498

Przykład 9

Postępowano jak w przykładzie 6, z zastosowaniem w miejsce perełek tzw. nadziarnoperełek polistyrenowych zawierających około 6% mieszanki pentanowej, których średnia wielkość była zbliżona do średnicy 4 mm.

W poniższej tabeli przedstawiono wyniki wybranych właściwości kompozytów otrzymanych według przykładów 1-9 w porównaniu z właściwościami pianki poliuretanowej nie zawierającej perełek, której właściwości przedstawiono w kolumnie pod nr 10.

Tabela

Przykład	1,2	3	4	5	6	7	8	9	10
Objętość ekspandowanych perełek w	kompozycie [%>]	27	60	32	31	23	33	36	17	-
Średni wzrost objętości perełek [%]		350	200	400	400	200	450	500	200	-
Gęstość pozorna [kg /m³]		57	43	36	40	75	31	32	80	25
Wytrzymałość na ściskanie [kPa]	równolegle	81	122	75	79	168	64	138	99	155
	prostopadle	56	89	53	55	130	51	118	53	64
Współczynnik przewodnictwa cieplnego X [W/mK]-10‘3	21,7	22,2	20,0	21,2	27,5	19,3	24,0	21,3	18,8

189 498

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania kompozytowych materiałów porowatych w oparciu o poliuretany, uzyskiwanych z polioli i izocyjanianów z ewentualnymi dodatkami katalizatorów, środków powierzchniowo czynnych oraz zawierających napełniacze z tworzyw termoplastycznych, znamienny tym, że do składnika poliolowego i/lub składnika izocyjanianowego wprowadza się perełki z tworzyw termoplastycznych o niskiej temperaturze mięknienia określonej według Vicata, korzystnie poniżej 120°C i wielkości 0,2-4,0 mm, zawierające uwięziony składnik poroforowy, korzystnie ciecz wrzącą w zakresie temperatur 28-65°C, przy czym ilość wprowadzonych perełek z tworzyw termoplastycznych stanowi nie więcej niż 200% wagowych w przeliczeniu na ilość składników użytych do wytworzenia poliuretanu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że perełki z tworzyw termoplastycznych ogrzewa się wstępnie do temperatur niższych od ich temperatury mięknienia.