Aus Toluoldiisocyanat (TDI) hergestellte elastische Polyurethanschäume
werden seit vielen Jahren hergestellt, insbesondere
für die Verwendung zu Polstern und Matratzen. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß es bei der Herstellung von hydrophilen
Schaumstoffen für medizinische Zwecke oder für die
Anwendung in der Gesundheitspflege wünschenswert ist, das TDI
in den Schäumen gegen Diphenylmethandiisocyanat (MDI) auszutauschen,
da das TDI einen hohen Dampfdruck hat und relativ
stark toxisch ist, weshalb besondere Vorkehrungen während
der Herstellung und beim Gebrauch erforderlich sind. Ferner
können Schäume auf Basis von TDI während der Sterilisation
oder Lagerung in einer feuchten Packung infolge Hydrolyse
beeinträchtigt werden. Beispielsweise können hydrophile
Schäume auf der Basis von TDI bereits nach wenigen Zyklen
in einem Dampfautoklaven bei 120°C verflüssigt werden. Derartige
hydrophile Schäume können bei Nässe auch außerordentlich
stark anschwellen, und zwar in der Größenordnung von
mehr als 100 Vol.-%.
Herkömmliche Polyurethanschäume aus MDI sind bereits bekannt.
Diese Schaumstoffe sind starr oder halbsteif, weil durch
das MDI den Schaumstoffen eine gewisse Kristallinität erteilt
wird. Aus der GB-PS 8 74 430 sind elastische Polyurethanschäume
bekannt, die durch Reaktion von Polyetherpolyolen
mit wenigstens 2 Hydroxylgruppen und einer Polyisocyanatmischung
aus Diarylmethandiisocyanat und 5 bis 10 Gew.-% eines
Polyisocyanats mit einer Funktionalität größer als 2 in Gegenwart
einer geringen Menge Wasser hergestellt werden. Gegebenenfalls
kann auch ein Katalysator eingesetzt werden.
Diese bekannten Schaumstoffe haben den Nachteil, daß sie
nicht hydrophil sind und nicht mit ausreichenden Mengen an
Wasser hergestellt werden, die den Transport großer Mengen
an Fasern, Füllstoffen, antiseptischen Mitteln oder anderen
wasserdispergierbaren Bestandteilen, wie sie zu medizinischen
Zwecken und in der Gesundheitspflege verwendet werden, ermöglichen.
Der Ausdruck "hydrophil" wird in diesem Zusammenhang
in dem Sinne gebraucht, daß der Schaumstoff in der
Lage ist, das 15 bis 20fache seines Gewichts an Wasser aufzunehmen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für den
Fall, daß ein Katalysator eingesetzt wird, Katalysatorreste
zurückbleiben können, was nicht erwünscht ist.
Aus der US-PS 41 37 200 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
vernetzten hydrophilen Polyurethanschaumstoffs bekannt, bei dem
man ein hydrophiles Polyoxyethylendiol mit einem Ethylenoxidgehalt
von wenigstens 40 Mol-%, z. B. solches mit einem Molekulargewicht
von 200 bis 20 000, und ein Polyol mit einer Funktionalität
von 3 bis 8, beispielsweise Trimethylolpropan, Glycerin oder
Pentaerythrit, in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die
Polyolmischung, mit einem Polyisocyanat mit einer Funktionalität
von 2 bis 2,8, beispielsweise mit Polyarylpolymethylenpolyisocyanat
mit einer Funktionalität größer als 2, in einer Menge von 1,8
bis 1,9 NCO-Äquivalenten pro OH-Äquivalent umsetzt, um alle
Hydroxylgruppen der Polyolmischung zu verkappen. Diesem NCO-
terminierten Vorpolymeren wird zusätzlich Polyisocyanat mit einer
Funktionalität von 2,0 bis 2,8 in einer Menge von 0,1 bis 0,3
NCO-Äquivalenten pro anfänglich vorhandenen OH-Gruppen zugesetzt
und darauf 6,9 bis 390 Mol Wasser pro Mol nicht-umgesetztes
Isocyanat in der Mischung zugefügt. Man kann dabei so vorgehen,
daß man das Prepolymere herstellt, indem man das im wesentlichen
lineare Polyol mit einem Polyol, welches wenigstens 3 und
besonders bevorzugt 3 bis 4 Hydroxylgruppen besitzt, vermischt
und die Mischung dann mit dem Polyisocyanat umsetzt.
In der US-PS 42 37 240 wird die Herstellung von elastischen
Schaumstoffen auf der Basis von MDI mit einer hohen Tragfähigkeit
und hohen Energieabsorptionsfähigkeit durch Umsetzung
von Diphenylmethandiisocyanaten mit Polyesterpolyolen oder
Mischungen aus Polyesterpolyolen und Polyetherpolyolen mit
einem Polyesterpolyolgehalt von wenigstens 60 Gew.-%, bezogen
auf die Polyolmischung, sowie kleinen Mengen Wasser beschrieben.
Aus den Ansprüchen geht hervor, daß ein Katalysator
eingesetzt wird. Diese Schaumstoffe besitzen die gleichen
Nachteile wie die in der GB-PS 8 74 430 beschriebenen Produkte,
einschließlich der unerwünschterweise auftretenden Katalysatorrückstände
in den Schaumstoffen; darüber hinaus
sind die Polyesterpolyole teurer als Polyetherpolyole.
Gemäß GB-PS 12 09 058 können elastische hydrophile Polyurethanschaumstoffe
durch Umsetzung eines Polyisocyanats mit
Polyetherpolyolen, die wenigstens 10 Gew.-% eines Blockcopolymeren
aus Ethylenoxid, das mit Propylenoxid-Schutzgruppen
versehen ist, enthalten, um so die Stabilität gegen Hydrolyse
zu verbessern, hergestellt werden. Das Verfahren erfordert
zumindest den Einsatz eines zweiwertigen Zinnsalzes einer
Fettsäure und/oder wenigstens eines tertiären Amins als Katalysator.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Schaumstoffe
haben, obwohl sie hydrophil sind, den Nachteil, daß
sie nur mit geringen Mengen Wasser hergestellt werden. Ferner
machen sie die Verwendung von Blockcopolymeren erforderlich.
Darüber hinaus wird in dieser GB-PS keine Verwendung des
an sich hydrophoben MDI zur Herstellung von hydrophilen
Schaumstoffen gelehrt, und der erhaltene Schaum enthält
wiederum unerwünschte Katalysatorrückstände.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten
elastischen Polyurethanschaum zu schaffen, und zwar aus einem
Prepolymeren-System mit einem Diphenylmethandiisocyanat enthaltenden
Isocyanatprodukt mit einer Funktionalität größer als 2,0 als alleiniger
Isocyanatquelle.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin,
einen verbesserten elastischen Polyurethanschaum zu schaffen,
der große Menge an Fasern, Füllstoffen, antiseptischen Mitteln
oder anderen wasserdispergierbaren Komponenten enthalten
kann. Ferner soll ein elastischer hydrophiler Schaumstoff
von weißer Farbe hergestellt werden, so daß der Schaumstoff
zu medizinischen Zwecken und in der Gesundheitspflege angewendet
werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung
eines Polyurethan-Prepolymeren mit einem MDI enthaltenden Isocyanatprodukt
mit einer Funktionalität von größer als 2,0 als
der alleinigen Isocyanatquelle. Das erhaltene Prepolymere kann
eine unbegrenzte Zeit lang gelagert werden und ergibt dennoch
beim Vermischen mit einer ungefähr gleichen Menge Wasser, das
als Träger für wasserdispergierbare Ingredienzien verwendet
werden kann, einen hydrophilen Schaumstoff.
Außerdem soll das Polyurethan-Prepolymere über die Aufbewahrungszeit
hinaus eine gute Viskositätsstabilität besitzen.
Schließlich soll das Polyurethan-Prepolymere weniger als 50
Gew.-% an Isocyanatprodukt enthalten und sich zu einem elastischen
Schaum verarbeiten lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elastischen
Polyurethanschaum gemäß Patentanspruch 1 und ein Polyurethan-
Prepolymeres gemäß Anspruch 10.
Die erfindungsgemäßen elastischen Schaumstoffe, die wasserabsorbierend
sind und daher für medizinische Zwecke sowie in
der Gesundheitspflege angewendet werden können, werden demnach
aus einem mit Isocyanatgruppen versehenen Prepolymeren
unter Verwendung eines MDI enthaltenden Isocyanatprodukts
als dem alleinigen Isocyanat hergestellt.
Die erfindungsgemäßen elastischen Polyurethanschäume werden in
zwei Ausführungsformen hergestellt. Bei der als Ausführungsform
A bezeichneten Arbeitsweise setzt man ein monomeres Polyol-Vernetzungsmittel
ein, während bei der als Ausführungsform B bezeichneten
Arbeitsweise ein polymeres Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-
polyol-Vernetzungsmittel verwendet wird.
Bei der Ausführungsform A werden die Schaumstoffe aus einem
bestimmten zusammengesetzten Prepolymeren hergestellt, das mindestens
ein Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol mit einem Molekulargewicht
von wenigstens 1100 und wenigstens 50 Gew.-% Oxyethylengruppen,
ferner ein monomeres Polyol-Vernetzungsmittel mit 3 oder 4 Hydroxyläquivalenten
pro Mol, wie beispielsweise Trimethylolpropan,
und ein Isocyanatprodukt auf der Basis von Diphenylmethandiisocyanat,
abgekürzt MDI, mit einer Funktionalität größer als
2,0 aufweist, wie z. B. das unter dem Warenzeichen Isonate®143-L
von der Firma Upjohn Polymer Chemicals vertriebene Produkt, das
eine Funktionalität von ungefähr 2,1 besitzt und das aus einer
Mischung aus MDI und isocyanathaltigen Derivaten des MDI hergestellt
wird.
Bei der Ausführungsform B werden die Schaumstoffe aus einem
Prepolymeren hergestellt, das wenigstens ein Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol
mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht von kleiner
als 2000 und mit wenigstens 50 Gew.-% Oxyethylengruppen,
vorzugsweise von wenigstens 80 Gew.-% Oxyethylengruppen aufweist
und ferner ein polymeres Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel
mit 3 oder 4 Hydroxyläquivalenten pro Mol mit einem
durchschnittlichen Molekulargewicht von wenigstens 500, wie z. B.
ein Poly-(oxyethylen)-triol mit einem Molekulargewicht von etwa
900, oder das unter dem Warenzeichen Poly G®76-120 von der
Firma Olin vertriebene Produkt, ein mit Oxyethylen-Schutzgruppen
versehenes Poly-(oxypropylen)-triol mit einem Molekulargewicht
von etwa 1400, und ein Isocyanatprodukt auf Basis von
MDI mit einer Funktionalität von größer als 2,0 enthält, das aus
einer Mischung aus MDI und isocyanathaltigen Derivaten des MDI
hergestellt wird, wie z. B. Isonate®143-L. Mit diesen Formulierungen
werden weiße Schaumstoffe erhalten, die ästhetisch angenehm
sind und eine für medizinische Zwecke und Anwendungen in
der Gesundheitspflege wünschenswerte Beschaffenheit aufweisen.
Eine der wesentlichen Merkmale dieser Prepolymer-Formulierungen
besteht darin, daß die Menge an Diphenylmethandiisocynat enthaltendem
Isocyanatprodukt, beispielsweise an Isonate®143-L, so
eingeschränkt wird, daß sie weniger als 50 Gew.-%, in der Regel
38 bis 46 Gew.-%, des Prepolymeren in der Ausführungsform A und
37 bis 48 Gew.-% des Prepolymeren in der Ausführungsform B ausmacht.
Die Verminderung der Isocyanatmenge wird in Ausführungsform
A durch Erhöhung des durchschnittlichen Molekulargewichtes
der Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol-Komponente auf mehr als 1100
ermöglicht. Bei Verwendung von Trimethylolpropan als monomerem
Polyol-Vernetzungsmittel liegen die bevorzugten Diol-Molekulargewichte
bei 1200 bis 1400, und das Diol enthält wenigstens 80
Gew.-% Oxyethylengruppen. Das in einer bevorzugten Ausführungsform
eingesetzte Diol besteht aus einer Mischung aus 2 Diolen
mit verschiedenen Molekulargewichten. Beispielsweise kann das
eine Diol ein Molekulargewicht von 1000 und das andere Diol ein
Molekulargewicht von 1450 haben.
Die Reduzierung der Isocyanatmenge wird in Ausführungsform B
dadurch erreicht, daß man das durchschnittliche Molekulargewicht
des polymeren Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittels
auf über 500 erhöht. Wird als Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol ein
solches mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 eingesetzt,
dann ist das bevorzugte polymere Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-
Vernetzungsmittel ein Triol mit einem Molekulargewicht von etwa
1400.
Der tatsächlich vorhandene Gehalt an freiem MDI kann in diesem
Isocyanatprodukt nach oben oder unten einreguliert
werden, solange die Funktionalität größer als 2,0
bleibt. Beispielsweise könnte zusätzliches reines MDI zugefügt
werden.
Es wurde nun gefunden, daß in der Ausführungsform A mit MDI
enthaltenden Isocyanatprodukten, die ein Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-
diol und z. B. Trimethylolpropan als monomeres Polyol-Vernetzungsmittel
enthalten, die Isocyanatprodukte vorteilhaft durch
Erhöhung des durchschnittlichen Molekulargewicht der Poly-(oxy-
C2-4-alkylen)-diol-Komponenten
auf einen Wert größer als 1100 reduziert werden kann.
Diese Diole enthalten vorzugsweise wenigstens 80 Gew.-% Ethylenoxygruppen.
Die erhaltenen elastischen Schaumstoffe behalten
ihre physikalischen Eigenschaften selbst dann, wenn sie
in einem Autoklaven bei 120°C 5 Stunden lang Dampf ausgesetzt,
werden, und die Schaumstoffe weisen, verglichen mit TDI enthaltenden
Schaumstoffen, eine wesentliche Verminderung im Quellvermögen auf.
Hydrophile Schaumstoffe auf der Basis von TDI schwellen um
mehr als 100 Vol.-% an, wenn sie naß sind, während die erfindungsgemäßen
Schaumstoffe der Ausführungsform A in der Nässe
nur um 30 bis 60 Vol.-% anschwellen.
Ferner wurde gefunden, daß in der erfindungsgemäßen Ausführungsform
B in den MDI enthaltenden Isocyanatprodukten mit relativ
niedermolekularen Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diolen, deren Molekulargewicht kleiner
als 2000 ist, das Isocyanatprodukt vorteilhaft durch Erhöhung
des Molekulargewichts des Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittels
reduziert werden kann. Anstelle des Einsatzes von Trimethylolpropan mit
einem Molekulargewicht von 134 werden höhermolekulare Poly-
(oxy-C2-4-alkylen)-triole oder -tetraole mit Molekulargewichten
in der Größenordnung von 500 bis 2000 eingesetzt. Ein
bevorzugtes Beispiel hierfür ist POLY G®176-120.
Die erhaltenen
elastischen Schaumstoffe behalten ihre physikalischen Eigenschaften
selbst dann, wenn sie in einem Autoklaven bei 120°C
5 Stunden lang Dampf ausgesetzt werden, und die Schaumstoffe
weisen, verglichen mit TDI-Schaumstoffen, einen deutlichen
Abfall im Quellvermögen auf. Hydrophile Schaumstoffe auf
der Basis von TDI quellen in der Nässe auf ein Volumen von
mehr als 100 Vol.-%, während die erfindungsgemäßen Schaumstoffe
der Ausführungsform B nur um 30 bis 75 Vol.-% quellen,
wenn sie naß sind.
Der verminderte Gehalt an Isocyanatprodukt, wie beispielsweise Isonate
®143-L, in den beiden Ausführungsformen A und B ermöglicht
die Herstellung von Schaumstoffen, die elastisch und federnd
sind, verglichen mit den Schaumstoffen, die einen Gehalt
an Isonate®143-L von mehr als 50 Gew.-% haben und halbsteif und
nicht federnd sind. Die Erhöhung der Molekulargewichte der
Diole erlaubt eine Herabsetzung der erforderlichen Menge
an Isonate®143-L in einem solchen Maße, daß das Verhältnis
der funktionellen Isocyanatgruppen zu den funktionellen Hydroxylgruppen
(bekannt als sogenannter Isocyanatindex) von
3,5 : 1 auf etwa 3 : 1 reduziert werden kann. Diese Veränderung
trägt zur Flexibilität des Schaumproduktes bei.
Obwohl die Flexibilität am besten mit Hilfe des Biegemoduls
charakterisiert wird, wurde im vorliegenden Fall zur ungefähren
Klassifizierung dieser Schaumstoffe in weiche und elastische
(Module unter 0,14 N/mm²), feste, aber elastische (Module
zwischen 0,14 und 0,27 N/mm²) und halbsteife oder steife
(Module über 0,27 N/mm²) die leichter meßbare Zugfestigkeit
bei 1% Verlängerung angewandt.
Bei dem Diphenylmethandiisocyanat enthaltenden Isocyanat-Produkt
mit einer Funktionalität größer als 2,0 handelt es sich um ein
modifiziertes Diphenylmethandiisocyanat mit einem hohen Prozentsatz
an reinem Diphenylmethandiisocyanat und einer geringeren
Menge an Carbodiimiden und trifunktionellen Carbodiimid-Cycloaddukten.
Ein entsprechendes handelsübliches Produkt ist das unter dem Warenzeichen
Isonate®143-L von der Firma Upjohn Polymer Chemicals vertiebene Produkt, das durch Umsetzung von MDI in ein Carbodiimid
und weitere Umsetzung dieses Materials zu einem trifunktionellen
Cycloaddukt hergestellt wird. Die MDI-Mischung,
das Carbodiimid und das Cycloaddukt stehen miteinander im
Gleichgewicht. Ein Gemisch aus den nachfolgend angegebenen
Komponenten A und B stellen das Isonate®143-L-System dar:
Die Prepolymeren-Technologie zur Herstellung von Schaumstoffen
erfordert ein Mischen des Prepolymeren mit etwa dem gleichen
Volumen an Wasser. Das Prepolymere muß hydrophil sein,
aus welchem Grunde auch wenigstens eine geringe Menge an
Poly-(oxyethylen)Einheiten enthaltendem Diol zur Herstellung des Prepolymeren
eingesetzt werden muß. Die für ein gutes Vermischen
und Schäumen mit Wasser geeignete Viskosität liegt im Bereich
von 10 000 bis 35 000 mPa·s bei 25°C, vorzugsweise bei
von etwa 20 000 mPa·s. Sowohl die Viskosität als auch die Hydrophilie
der Prepolymeren werden durch die geeignete Auswahl der
Polyoltyps und des Molekulargewichts gesteuert. Die Prepolymeren
dürfen während der Lagerung nicht merklich eindicken. Es
wurde gefunden, daß eine ausreichende Lagerstabilität erreicht
wird, wenn die Viskosität nicht auf Werte über 100 000
mPa·s (gemessen bei 25°C) nach 2wöchiger Schnellagerungsprüfung
bei 80°C ansteigt.
Ein für die meisten Verwendungszwecke geeigneter elastischer
Schaum sollte eine Zugfestigkeit von wenigstens 0,14 N/mm²,
eine Schaumdichte von etwa 0,048 bis 0,096 g/cm³ und eine
Bruchdehnung von wenigstens 100%, vorzugsweise höhere
Werte, haben. In einem Beispiel gemäß Ausführungsform A
wurde eine Bruchdehnung von 200% und bei einem Beispiel
gemäß Ausführungsform B eine Bruchdehnung 250% erhalten.
Das Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol hat wenigstens
50 Gew.-% Oxyethylengruppen. Enthält es Oxypropylen-
und/oder Oxybutylengruppen, dann muß die vorstehend genannte
minimale Menge an Oxyethylengruppen ebenfalls vorhanden
sein. Die bevorzugten Diole in der Ausführungsform A weisen
wenigstens 80 Gew.-% Oxyethylengruppen auf.
In einer der bevorzugten Ausführungsformen A hat es sich
als zufriedenstellend erwiesen, als Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol eine Mischung aus unter dem Warenzeichen
Carbowax®1000 und Carbowax®1450 von der Firma Union Carbide Chemicals vertriebenen Produkten einzusetzen, obgleich auch
andere Kombinationen der besonders bevorzugten Poly-(oxyethylen)-diole
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 1000 bis 2000, vorzugsweise jedoch im Bereich von 1200
bis 1400, geeignet sind. In diesen Fällen liegen die durchschnittlichen
Molekulargewichte sämtlicher eingesetzter Diole
wenigstens bei 1100. Durch Verwendung einer Mischung
dieser beiden Diole in etwa äquimolaren Mengen werden Schaumstoffe
erhalten, die vorteilhafterweise ein niedriges Quellvolumen
und eine niedrige Dichte haben.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform A werden als
Vernetzungsmittel Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel eingesetzt, die
3 oder 4 Hydroxyläquivalente pro Mol aufweisen. Hierzu gehören
Trimethylolpropan, Trimethylolethan, Glycerin, Triethanolamin,
Pentaerythrit sowie Mischungen dieser Polyole. Besonders
bevorzugt wird Trimethylolpropan (TMOP) der Formel
Ferner wurde gefunden, daß in bevorzugten Ausführungsformen
B zufriedenstellende Ergebnisse bei der Verwendung von Carbowax®1000
oder Carbowax®1450 als Diolen erhalten werden, obwohl
für diese erfindungsgemäße Ausführungsform jedes Polyoxyethylen-diol
mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht
von 1000 bis 2000, vorzugsweise jedoch im Bereich von
1000 bis 1500, eingesetzt werden kann.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform B werden
als Vernetzungsmittel
polymere Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel,
die 3 oder 4 Hydroxyläquivalente
pro Mol und ein mittleres Molekulargewicht von
wenigstens 500 aufweisen, bzw. Mischungen dieser polymeren
Polyole eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt wird POLY G®76-120.
Es
wird angenommen, daß der Oxyethylenanteil Blöcke von Oxyethyleneinheiten
enthält, die an einen zentralen Polyoxypropylenkern
gebunden sind. Das Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel kann jedoch auch
aus einem Copolymeren mit einer zufälligen Verteilung dieser
Einheiten bestehen.
Die Dichte und die physikalischen Eigenschaften der Schaumstoffe
gemäß den Ausführungsformen A und B scheinen auf den Polyolgehalt
empfindlich anzusprechen. Falls ein Schaumstoff mit niedriger
Dichte gewünscht wird, der jedoch fest und weniger gummiartig
ist, dann muß die Polyolmenge erhöht werden. Entsprechend
muß bei einem gewünschten Schaumstoff mit höherer Dichte und
größerer Elastizität die Polyolmenge erniedrigt werden. Die betriebsbereite
Menge an Polyol-Vernetzungsmittel mit einer Hydroxylfunktionalität
von 3 oder 4 wird so bemessen, daß 2 bis
35% des Hydroxylgehalts der Diol- und Polyolmischung aus dem
Polyol stammt. Der bevorzugte Bereich liegt für einen Schaumstoff
mit guter Elastizität bei 10 bis 30% Hydroxylgehalt aus
dem Polyol. Bei der Ausführungsform B wird als Polyol ein polymeres
Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel eingesetzt,
wobei im allgemeinen eine relativ kleine Menge des polymeren
Polyols verwendet wird, um das Prepolymere in flüssigem
Zustand zu halten. Bezieht man die Menge an Polyol-Vernetzungsmittel
auf die Menge des vorhandenen Diols, dann liegen das Diol
und das Polyol-Vernetzungsmittel in der Ausführungsform A in
einem Molverhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 vor, und bezieht man die
Menge des polymeren Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittels
auf die größere Menge des vorliegenden Poly-(oxy-C2-4-
alkylen)-diols in der Ausführungsform B, dann liegt das Poly-
(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel in einer solchen
Menge vor, daß die Hydroxyläquivalente 5 bis 35 Mol.-% der Gesamthydroxyläquivalente
im Poly-(oxy-C2-4-alkylen)-diol und Poly-
(oxy-C2-4-alkylen)-polyol-Vernetzungsmittel ausmachen.
In der Ausführungsform A besitzt das Carbowax®1000 ein Äquivalentgewicht
von 500 pro Hydroxylgruppe, während TMOP mit
einem Molekulargewicht von 134 ein Äquivalentgewicht von
45 pro Hydroxylgruppe aufweist. Da das Isonate®143-L eingesetzt
wird, damit es an die Hydroxylgruppen gebunden wird,
wird die erforderliche Isocyanatmenge sehr empfindlich auf
die TMOP-Menge ansprechen, weshalb die TMOP-Menge verhältnismäßig
sorgfältig gesteuert wird.
Falls in der Ausführungsform B das Molekulargewicht des Polyols
zu hoch ist, bedeutet dies, daß die Hydroxylkonzentration
so niedrig ist, daß es zu lange dauert, bis die Ausgangsmaterialien
miteinander reagieren. Wenn andererseits das Molekulargewicht
des Polyols zu niedrig ist und Diole mit niedrigem
Molekulargewicht eingesetzt werden, dann sind größere
Mengen an Isocyanatprodukt erforderlich mit der Folge, daß steife
Schaumprodukte erhalten werden.
In der Ausführungsform B besitzt das Carbowax®1000 ein Äquivalentgewicht
von 500 pro Hydroxylgruppe, während POLY G®
76-120 mit einem Molekulargewicht von 1400 ein Äquivalentgewicht
von 467 pro Hydroxylgruppe aufweist. Da das Isonate®
143-L wiederum eingesetzt wird, damit es an die Hydroxylgruppen
gebunden wird, wird die erforderliche Isocyanatmenge
auch sehr empfindlich auf die Menge an POLY G®76-120 ansprechen,
weshalb dessen Menge verhältnismäßig
sorgfältig gesteuert wird.
Die betriebsfähige Menge an Isonate®143-L liegt in beiden
Ausführungsformen A und B so, daß der Isocyanatindex bei
2,5 bis 3,5, vorzugsweise bei 2,8 bis 3,2, und mit sehr guten
Ergebnissen bei 3,1 liegt. Höhere Verhältnisse führen zu
einer niedrigeren Viskosität des Polymeren, einer niedrigeren
Schaumdichte und einer geringeren Quellung, sie sind jedoch
auch kostspieliger und verringern die Weichheit und Dehnbarkeit der Polyurethanschäume.
Bei der Herstellung des Prepolymeren reagiert eine
Isocyanatgruppe der Polyisocyanatkomponente mit einer Hydroxylgruppe,
wobei die verbleibende Isocyanatgruppe nicht
umgesetzt wird. Diese freien Isocyanatgruppen in dem Prepolymeren
reagieren dann mit Wasser unter Bildung von Polyharnstoffbindungen,
wobei gleichzeitig das Molekulargewicht ansteigt
und CO₂ freigesetzt wird, das bei der Bildung des
geschäumten Produktes mitwirkt.
Bei der Umsetzung der Bestandteile zur Herstellung des Prepolymeren
gemäß den Ausführungsformen A und B hat es sich
als hilfreich erwiesen, die Isocyanatkonzentration nach einstündiger
Umsetzung durch Tritration zu messen. Dadurch und
durch nachfolgende Titrationen kann die zusätzliche Reaktionszeit
bestimmt werden, die erforderlich ist, um die Isocyanatkonzentration
auf den theoretisch erforderlichen Wert zu
erniedrigen, bei dem sämtliche Hydroxylgruppen mit dem Isocyanat
reagiert haben werden. Setzt man die Reaktion darüber
hinaus fort, so daß sich die Isocyanatkonzentration weiter
vermindert, dann steigt die Prepolymerviskosität an mit der
Folge, daß es schwieriger wird, anschließend das Prepolymere
mit Wasser zu mischen. Eine zu weitgehende Umsetzung der
Prepolymerbestandteile führt auch dazu, daß die Schaumdichte
ansteigt und die Fähigkeit des erhaltenen Schaums, Wasser
zu absorbieren, abnimmt.
Tenside werden so ausgewählt, daß sie einen Schaum von gutem
Aussehen mit der richtigen Zellgröße und Gestalt sowie Beständigkeit
gegen ungenügendes Schäumen oder Spaltungen ergeben.
Es können solche Tenside eingesetzt werden, deren
Eignung zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen bereits
bekannt ist. Beispiele bevorzugter Tenside sind Blockcopolymere
mit Oxyethylen- und Oxypropylen-Einheiten, wie beispielsweise die unter dem Warenzeichen
Pluronic® von der Firma Wyandette Chemicals Corporation vertriebenen Polyol-Tenside. Ein bevorzugtes Tensid ist Pluronic®L-62.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Polyurethanschaums
besteht darin, daß eine etwa gleiche Menge der wäßrigen
Suspension zu der Prepolymermischung zugefügt und dann
die beiden Bestandteile miteinander vermischt werden. Die
Zusammensetzung der wäßrigen Suspension kann auch auf die
Basis von 100 Teilen des Prepolymeren bezogen ausgedrückt
werden. So bedeuten 100 phr Wasser, daß 100 Teile Wasser auf
100 Teile Prepolymeres kommen. Das Mengenverhältnis von Prepolymermischung
zu wäßriger Suspension kann in einem weiten Bereich
variiert werden. Falls jedoch die Menge an wäßriger Suspension
zu groß ist, fällt die Festigkeit des erhaltenen Schaums
ab. Wenn andererseits die Menge der wäßrigen Suspension zu
stark verringert wird, dann wird es nicht möglich sein, eine
ausreichende Menge an Fasern und Füllstoffen zuzufügen, die
über die wäßrige Suspension in das Prepolymere eingeführt
werden.
Das bevorzugte Verfahren zum Schäumen des Prepolymeren besteht
darin, daß man die wäßrige Suspension, z. B. eine 2
%ige Lösung von Pluronic®L-62, und das Prepolymere auf eine
Temperatur von etwa 35°C erwärmt. Anschließend werden die
Komponenten zusammengegossen oder -gepumpt, und zwar in einem
Verhältnis von etwa 100 Gewichtsteilen wäßrige Suspension
zu etwa 80 Gewichtsteilen des Prepolymeren, und dann sofort bis
zu 30 s lang mit Hilfe eines mechanischen Rührers gerührt.
In dieser Zeit wird die vollständige Durchmischung ermöglicht,
ohne daß dabei eine merkliche chemische Umsetzung
stattfindet. Diese Mischung wird sofort in eine Form gegossen,
in der das Anschwellen und Aushärten des Polyurethanschaums
erfolgt.
Um eine zusätzliche strukturelle Steifigkeit zu erhalten,
können der wäßrigen Phase zwecks Einführung in die Schaumzusammensetzung
Fasern zugesetzt werden. Besonders vorteilhaft
sind Polyesterfasern, die bis zu einer Länge von etwa
1,27 cm oder weniger geschnitten sein können. Die Fasern
können in verschiedenen Mengen zu der wäßrigen Suspension
zugefügt werden, obwohl sie vorzugsweise nicht mehr als etwa
10 Gew.-% ausmachen sollen, da andernfalls die Suspension
zu schwierig zu pumpen ist.
Ferner kann auch ein hochmolekulares Suspensions- oder Verdickungsmittel
zugefügt werden, und zwar zu dem Zweck, die
Ingredienzien suspendiert zu halten, so daß kein Wasser von
den Fasern fließt und die Fasern nicht flottieren. Das Verdickungsmittel
wirkt wie ein Gleitmittel für die Fasern, so
daß diese sich nicht verfilzen, nicht entwässern und sich
beim Durchgang durch die Mischpumpe nicht aufstauen. Beispiele
für Verdickungsmittel sind wasserlösliches nichtionogenes Polyethylenoxid,
wasserlösliche Hydroxyethylcellulose, Xanthangummi und Polyacrylamide,
die hohe Molekulargewichte von etwa 1 Million haben.
Bevorzugte Suspensions- oder Verdickungsmittel sind Acrylsäurepolymere,
denen neutralisierende Mittel, z. B. Natrium- oder
Ammoniumhydroxid, zugefügt werden können. Wenn man Ammoniumhydroxid
als neutralisierendes Mittel dem Acrylsäurepolymer zufügt,
steigt die Viskosität der wäßrigen Phase in vorteilhafter
Weise an. Da ferner Ammoniumhydroxid weniger kostspielig als die
Acrylsäurepolymeren ist, kann man auf diese Weise eine wirtschaftlichere
Formulierung für die gleiche Menge an Verdickungsmittel
herstellen, bei der eine geringere Menge an Acrylsäurepolymeren
gebraucht wird.
Welches die am besten geeigneten Tenside sind, hängt von
den gegebenenfalls vorhandenen Fasern, Füllstoffen, antiseptischen
Mitteln, Farbstoffen, Verdickungsmitteln oder anderen
wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Bestandteilenn
ab, die eingearbeitet sein können. Daher können diese Tenside
beispielsweise stark hydrophobe Silicone, wie z. B. Pluronic®L-520
oder andere oberflächenaktive Silicone, aber
auch stark hydrophile Verbindungen
sein. Für die allgemeine Verwendung werden nichtionische
oberflächenaktive Substanzen, wie beispielsweise die
Pluronics®, insbesondere L-62, L-72, L-92, P-75 oder P-85,
bevorzugt. Die Verwendung dieser Tenside
ist für einen in der Formulierung von Polyurethanschäumen
bewanderten Fachmann bekannt.
Die Wasseradsorptionsprüfung wird mit rechteckig geschnittenen
Schaumproben mit den Abmessungen 2,54×7,62×12,70
cm durchgeführt. Die Probe wird in Wasser eingetaucht und
anschließend so lange hochgehalten, bis sie nicht länger
tropft. Das Verhältnis von Naßgewicht zu Trockengewicht der
Probe ist das Wasserradsorptionsverhältnis.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen weiter
erläutert, wobei in den Beispielen 1 bis 4 verschiedene Ausgestaltungen
der Ausführungsform A und in den Beispielen
5 bis 9 spezifische Ausgestaltungen der Ausführungsform B
beschrieben werden.
Beispiel 1
Eine Mischung aus 174 g (0,174 Mol) Carbowax®1000, 249 g
(0,172 Mol) Carbowax®1450 und 6,1 g (0,045 Mol) Trimethylolpropan
wurde durch zweistündiges Erhitzen auf 70°C unter
vermindertem Druck (2,7 mbar) getrocknet. Zu dieser getrockneten
und entgasten Polyolmischung wurden 365 g (2,56 Äquivalente
des Isocyanats) Isonate®-143 L zugefügt. Die Temperatur
wurde 70 Minuten lang auf 70°C gehalten, um die Reaktion
zu beenden. Es wurde eine hellgelbe Flüssigkeit mit einem
Isocyanatgehalt von 2,18 mÄq./g und mit einer Viskosität bei
25°C von 23 000 mPa·s erhalten. Nach zweiwöchiger Lagerung der
Probe bei 80°C besaß das Produkt noch eine Viskosität von
40 000 mPa·s bei 25°C, hatte sich also nur relativ wenig verdickt.
Wenn 80 g des auf 35°C erwärmten Produktes mit 100 ml
einer 2%igen nichtionischen Tensidlösung (Pluronic®L-62)
verrührt wurden, erhielt man einen Schaum mit einer Dichte
von 0,066 g/cm³, der weich, elastisch und hydrophil war und
die in Tabelle II zusammengestellten Eigenschaften aufwies.
Prepolymer-Zusammensetzung
Physikalische Eigenschaften der Polyurethanschäume
Beispiele 2 bis 3 und Vergleichsversuch I
Es wurden verschiedene Prepolymere hergestellt
unter Verwendung der in Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen.
Die Eigenschaften der erhaltenen Polyurethan-Schäume
sind in Tabelle II zusammengestellt.
In Beispiel 2 wurde eine Diolmischung mit einem erhöhten durchschnittlichen
Molekulargewicht eingesetzt, wodurch die Verwendung
von weniger Isocyanat ermöglicht und ein Schaumprodukt mit
höherer Dichte und größerer Wasseraufnahmefähigkeit erhalten
wurde.
In Vergleichsversuch I wurde die Menge an TMOP reduziert.
Das Verhältnis von Diol zu Triol lag
jedoch außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs.
Es wurde zwar ein steifer Schaum erhalten, der jedoch kein Wasser
aufsaugte und nicht naß wurde, so daß es nicht möglich
war, ein Wasseradsorptionsverhältnis festzustellen.
In Beispiel 3 wurde ein einziges Diol, nämlich Carbowax®1450,
zusammen mit TMOP als Vernetzungsmittel eingesetzt. Dabei
wurde ein weiches, hydrophiles Schaumprodukt mit hoher Dehnung,
und dennoch einem guten Wasserhaltevermögen und guter
Dampfbeständigkeit erhalten.
Beispiel 4
Eine Mischung aus 412 g (0,412 Mol) Carbowax®1000 und 28 g
(0,02 Mol) Poly G®176-120 wurde 2 Stunden lang bei 70°C unter
reduziertem Druck (2,7 mbar) getrocknet. Danach wurden 349 g
(2,45 Isocyanat-Äquivalente) Isonate®143-L zu dem getrockneten
und entgasten Polyolgemisch zugefügt. Die Temperatur
wurde auf 70°C 80 Minuten lang gehalten, um die Reaktion
zu beenden. Es wurde eine hellgelbe Flüssigkeit mit einem
Isocyanatgehalt von 1,96 mÄq./g und mit einer Viskosität von
27 000 mPa·s bei 25°C erhalten. Nach zweiwöchiger Lagerung einer
Probe bei 80°C war eine Verdickung auf nur 43 000 mPa·s bei
25°C eingetreten. Wenn 80 g des auf 35°C erwärmten Prepolymeren
mit 100 ml einer 2%igen nichtionischen Tensidlösung (Pluronic®L-62)
gerührt wurden, erhielt man einen Schaum mit einer
Dichte von 0,062 g/cm³, der weich, elastisch und hydrophil
war und die in Tabelle IV angegebenen Eigenschaften besaß.
Prepolymer-Zusammensetzung
Physikalische Eigenschaften der Polyurethanschäume
Beispiele 5 bis 7
Es wurden Schaumstoffe unter Verwendung verschiedener Prepolymer-Zusammensetzungen,
die in Tabelle III angegeben sind,
hergestellt. Die Eigenschaften der erhaltenen Schaumstoffe
sind in Tabelle IV zusammengestellt.
In Beispiel 5 wurde die Menge an Triol und als Ausgleich
der Isocyanatindex vergrößert, um ein Produkt mit niedrigerer
Viskosität und niedrigerer Schaumdichte und niedrigerem
Quellfaktor zu erhalten.
In Beispiel 6 wurden die Mengen an Triol und Isocyanat weiter
vergrößert, wobei die guten Schaumeigenschaften erhalten
blieben.
In Beispiel 7 wurde das Molekulargewicht des Carbowax®-Diols
auf 1450 vergrößert, wodurch ermöglicht wurde, die Menge
an Isocyanat auf nur 37 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung,
zu reduzieren, wobei die guten Schaumeigenschaften
des erhaltenen Produkts erhalten blieben.