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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft flammhemmende Polyurethanzusammensetzungen,
insbesondere flammhemmende, flexible Polyurethanschaumzusammensetzungen,
Verfahren flammhemmender, flexibler Polyurethanschaumzusammensetzungen,
aus solchen hergestellte Artikel und Flammhemmer, die Mischungen
aus Tetrahalophthalatestern und Phosphorhaltigen flammhemmenden
Zusatzstoffen umfassen.
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Stand der Technik
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Die
Produktion von Materialien auf Basis von Polyurethan und anderen
Polymersystemen, die von organischen Polyisocyanaten gewonnen werden,
ist allgemein bekannt. Je nach den in ihrer Herstellung verwendeten
Formulierungen können
die Produkte in ihrer Textur von gummiartigen, elastomerthermoplastischen
Polyurethanen bis zu den weichen, flexiblen Schäumen variieren, die als Polstermaterial
dienen, bis zu den festen Schäumen,
die als Isolier- oder Baumaterialien dienen.
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Flexible
Polyurethanschäume
werden durch die Reaktion eines Polyols mit einem Polyisocyanat
in Anwesenheit eines Schaumbildners produziert. Flexible Polyurethanschäume dienen
zur Herstellung elastischer Strukturmaterialien, wie etwa Polsterungs-
oder Auskleidungsmaterialien in der Möbel- und Automobilindustrie.
Sie enthalten bekannterweise flammhemmende Zusatzstoffe im Schaummaterial.
Es ist allerdings darauf zu achten, dass eine adäquate Flammhemmung erreicht
wird, ohne die erwünschten
physikalischen Eigenschaften solcher Schaummaterialien nachteilig
zu beeinträchtigen.
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Feste
Polyurethanschäume
werden durch die Reaktion eines Polyols mit einem Polyisocyanat
in Anwesenheit von Treibmitteln, oberflächenaktiven Mitteln und Katalysatoren
produziert. Feste Polyurethanschäume
werden in der Regel für
Isolierungen, etwa Isolierplatten, und für leichte, laminierte Strukturanwendungen verwendet.
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Mischungen
von alkyliertem Triphenylphosphat mit Pentabromdiphenyloxid wurden
als Flammhemmer für
flexible Polyurethanschäume
und als flammhemmende Weichmacher in Polyvinylchlorid-Produkten (PVC)
verwendet. Aufgrund von Umweltrücksichten
wird die Verwendung von Pentabromdiphenyloxid auslaufen gelassen;
alternative Ersatzsubstanzen werden gesucht.
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Dialkyltetrahalophthalatester
wurden weit reichend erforscht. Di(2-Ethylhexyl)tetrabromophthalat (DEHTBT)
ist ein gut bekannter, handelsüblicher
Flammhemmer, der zur Verwendung in PVC, Thermoplast-Elastomeren
und Klebstoffen/Beschichtungen empfohlen wird und in der International
Publication Nr.
WO 89/03854 an
die Pennwalt Corp. offenbart ist.
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Die
breite Klasse der (wahlweise halogenierten) Organophosphor-Verbindungen
wird seit langem zur Reduzierung der Entflammbarkeit von Substraten
verwendet, die diese Materialien enthalten. Insbesondere Trialkylphosphate,
gemischte Alkylarylphosphate, alkylierte Triarylphosphate und Halogenhydrocarbylphosphate
sind anerkannte flammhemmende Zusatzstoffe für unterschiedliche Anwendungen,
einschließlich
PVC und flexibler Polyurethanschäume.
Mischungen unterschiedlicher Flammhemmer-Typen sind ebenfalls bekannt.
Mischungen von Alkyldiphenylphosphat mit DEHTBT sind offenbart worden,
und Mischungen alkylierter Triarylphosphate mit DEHTBT zur Verwendung
in PVC werden in den
US-Patent-Nr.
4,892,683 an Naseem und
5,036,121 an
Coaker et al. vorgeschlagen. Alkylierte Triarylphosphat-Mischungen
mit DEHTBT als flammhemmende Hydraulikfluids sind im
US-Patent-Nr. 5,328,627 an Bohen et
al. offenbart
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Die
Verwendung von Organophosphor-Flammhemmern in Kombination mit halogenierten
Flammhemmern in polyether-flexiblen Urethanschäumen ist in
US-Patent-Nr.
4,880,844 an Fesman offenbart. Gleicherweise diskutiert
das
US-Patent-Nr. 4,407,981 an Aaronson
die Verwendung separater Quellen von Organophosphor- und Organohalogen-Flammhemmern
in Polyurethanen und offenbart die Klassen von "Estern und Imiden von Tetrabromphthalsäureanhydrid" in einer umfangreichen
Liste geeigneter Organohalogensubstanzen.
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Die
Europäische Patentanmeldungs-Publikation
Nr. 0 005 903 an die Imperial Chemical Industries Ltd. offenbart
die Verwendung von Dialkyltetrabromophthalaten mit Triarylphosphaten
in festen Polyharnstoffschäumen,
ohne Vorschläge
für eine
Anwendbarkeit auf flexible Polyurethanschäume.
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Im
U.S.-Patent Nr. 5,728,760 an
Rose et al. wird eine Familie von bromierten Benzoatestern beschrieben,
die besonders für
die Verwendung in flexiblen Polyurethanschäumen geeignet ist. Ein Mittel
zur Produktion der Ester ist über
die Decarboxylierung von Halbestern aus Tetrabromphthalsäureanhydrid.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind Reaktionsmischungen zur Produktion
eines flammhemmenden, flexiblen Polyurethanschaums gemäß Anspruch
1 und 20; ein flexibler, geschäumter
Artikel gemäß Anspruch
10; und ein Verfahren zur Bereitstellung einer flammhemmenden, flexiblen
Polyurethanzusammensetzung gemäß Anspruch
11.
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Nach
Maßgabe
unterschiedlicher Merkmale, Charakteristika und Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, die sich mit fortschreitender Beschreibung
zeigen werden, schafft die vorliegende Erfindung eine flammhemmende
Zusammensetzung, die einen nicht-reaktiven Dialkyltetrahalophthalatester,
einen phosphorhaltigen Flammhemmer mit mindestens etwa 5 Gew.% Phosphor
und eine flexible Polyurethanschaum-Reaktionsmischung enthält.
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Die
vorliegende Erfindung schafft des weiteren ein Verfahren zur Bereitstellung
flammhemmender flexibler Polyurethanzusammensetzungen, das vorzugsweise
die Verwendung (nach dem Gewicht des Polyols berechnet) von etwa
2 bis etwa 20 Gewichtsprozent einer Mischung eines Dialkyltetrahalophthalatesters
und eines phosphorhaltigen Flammhemmers mit mindestens etwa 5 Gew.%
Phosphor als Komponente einer flexiblen Polyurethanschaum-Reaktionsmischung
mit sich bringt.
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Die
vorliegende Erfindung schafft zudem eine flexible Polyurethanschaum-Reaktionsmischung,
die einen Dialkyltetrahalophthalatester, einen phosphorhaltigen
Flammhemmer mit mindestens etwa 5 Gew.% Phosphor und eine flexible
Polyurethanschaum-Reaktionsmischung umfasst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das kombinierte Gewicht des Dialkyltetrahalophthalatesters
und des phosphorhaltigen Flammhemmers vorzugsweise etwa 5 bis etwa
20 Gewichtsprozent des Polyolanteils der Zusammensetzungen, denen
sie hinzugefügt
werden, und das Verhältnis
des Dialkyltetrahalophthalatesters zum phosphorhaltigen Flammhemmer
reicht von etwa 80:20 bis etwa 20:80 Gewichtsprozent und vorzugsweise
von etwa 60:40 bis etwa 40:60 Gewichtsprozent.
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Die
gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellten Flammhemmer zur Verwendung in flexiblen Polyurethanschaum-Zusammensetzungen
umfassen zwei Komponenten: (A) einen Dialkyltetrahalophthalatester;
und (B) einen phosphorhaltigen, flammhemmenden Zusatzstoff mit mindestens
etwa 5 Gew.% Phosphor und wahlweise auch einem organisch gebundenen
Halogen.
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Die
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung allgemein verwendbare Dialkyltetrahalophthalatester-Komponente
hat folgende allgemeine Struktur:
wobei R
1 und
R
2 identisch oder unterschiedlich sein können und
eine C
1 bis C
20 lineare,
verzweigte oder zyklische Alkylgruppe darstellen, und X Cl oder
Br ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind R
1 und R
2 lineare
oder verzweigte C
1 bis C
12 Alkylgruppen,
und X ist Br. Di(2-Ethylhexyl)tetrabromophthalat hat sich als besonders
nützlich
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung erwiesen.
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Der
als Komponente (B) benützte,
phosphorhaltige, flammhemmende Zusatzstoff kann jeder phosphorhaltige
flammhemmende Zusatzstoff sein, der mindestens etwa 5 Gew.% Phosphor
aufweist. Er kann wahlweise auch organisch gebundenes Halogen besitzen,
vorzugsweise Chlor oder Brom. Verbindungen mit weniger als etwa
5 Gew.% Phosphor können
ebenfalls verwendet werden, doch hat sich erwiesen, dass übermäßig hohe
Mengen solcher Verbindungen nötig
wären,
um das gewünschte
Ausmaß an
Flammhemmung zu erreichen.
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Geeignete
Phosphorquellen umfassen Phosphate, Phosphonate, Phosphinate, Phosphite
und Phosphanoxide. Diese können
unterschiedliche Alkyl-, Aryl- oder Alkarylgruppen (wahlweise halogeniert)
enthalten, vorausgesetzt dass die Größe der Gruppe nicht dazu führt, dass
der Phosphorgehalt niedriger ist als etwa 5 Gew.%. Die phosphorhaltigen
flammhemmenden Zusatzstoffe können
monomer, dimer und/oder oligomer sein.
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Besonders
gut geeignete phosphorhaltige flammhemmende Zusatzstoffe umfassen
Phosphate und Phosphonate mit einem oder zwei Phosphoratomen pro
Molekül.
Beispiele umfassen Triethylphosphat, Tri-n-butylphosphat, Tri isobutylphosphat,
Tris(2-ethylhexyl)phosphat, Dimethylmethylphosphonat, Resorcinol-bis(diphenylphosphat)
Dimethylpropylphosphonat, Triphenylphosphat und Isodecyldiphenylphosphat.
Beispiele halogenierter Phosphor-Zusatzstoffe umfassen Tris(1,3-dichlor-2-propyl)phosphat,
auch bekannt als TDCP oder Antiblaze® 195
(von Rhodia) und einen Chlorethyldiphosphatester, der im Handel
unter der Bezeichnung Antiblaze® 100
(von Rhodia) erhältlich
ist.
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Bevorzugtere
phosphorhaltige Hammhemmende Zusatzstoffe umfassen (alkylsubstituierte)
Arylphosphate mit einem oder zwei (oder Mischungen aus einem oder
zwei) Phosphoratomen pro Molekül.
Solche Phosphate werden allgemein durch folgende allgemeine Formel
dargestellt:
wobei jedes R
3 unabhängig entweder
H oder eine lineare oder verzweigte C
1 bis
C
6 Alkylgruppe ist, X ein Rest eines aromatischen
oder aliphatischen Diols und n 0 oder 1 ist. Spezifische, nicht
einschränkende
Beispiele des X Präkursor-Diols
umfassen Resorcinol, Catechol, Neopentylglykol, Bisphenol-A und
Bisphenol-S.
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Beispiele
spezifischer (alkyl-substituierter) Arylphosphate umfassen: Neopentylbis(diphenylphosphat),
Tricresylphosphat, Bisphenol-A-bis(diphenylphosphat), butyliertes
Triphenylphosphat und isopropyliertes Triphenylphosphat.
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(Alkylsubstituierte)
Arylphosphate, die für
Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, umfassen
isopropylierte Triphenylphosphate. Es ist zu beachten, dass diese
reine Verbindungen enthalten, wie 4-Isopropylphenyl(diphenylphosphat), ebenso
wie gemischte Triarylphosphate, in denen die einzelnen Ringe 0,
1 oder 2 Isopropylgruppen enthalten könnten. Im allgemeinen enthalten
diese alkylierten Triarylphosphate von etwa 9 Gew.% Phosphor bis
etwa 7 Gew.% Phosphor, je nach dem Alkylierungsgrad.
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In
den Mischungen werden die Komponenten (A) und (B) in einfach zu
ermittelnden Verhältnissen
verwendet, um die optimale Ausgewogenheit der Eigenschaften zu erzielen.
Solche Verhältnisse
liegen in der Regel bei etwa 80:20 bis etwa 20:80 Gew.%, vorzugsweise
etwa bei 60:40 bis etwa 40:60 Gew.%. Das meistbevorzugte Verhältnis liegt
bei etwa 40 Gew.% des bromierten Dialkylphthalats und etwa 60 Gew.%
der Phosphorquelle.
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Zur
Einbringung der Mischungen von Tetrahalophthalatestern und phosphorhaltigen
flammhemmenden Zusatzstoffen in die Polyurethanschaumzusammensetzungen
können
die Komponenten (A) und (B) so kombiniert werden, dass (A) und (B)
als einzelnes flammhemmendes Paket bereitgestellt werden. Ansonsten können die
Komponenten (A) und (B) getrennt und einzeln zu den anderen Urethanschaum-Reaktionsteilnehmern
hinzugefügt
werden.
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Bei
Verwendung als vorkombiniertes Paket wird die Gesamtmischung der
Komponenten (A) und (B) in der Regel in einer Menge von etwa 2 bis
etwa 20 Gew.% verwendet, berechnet nach dem in den Formulierungen
verwendeten Polyol.
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Die
flexiblen Polyurethanschaumzusammensetzungen, in denen die Mischungen
von Tetrahalophthalatestern und phosphorhaltigen flammhemmenden
Zusatzstoffen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, umfassen alle allgemein bekannten, industriell
verwendeten Zusammensetzungen. Grundsätzlich können flexible Polyurethanschaumzusammensetzungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die Reaktion von Toluenisocyanat mit einem Polyol
in Anwesenheit eines Schaumbildners und einer Mischung aus Tetrahalophthalatestern
und phosphorhaltigen flammhemmenden Zusatzstoffen hergestellt werden.
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Die
flammhemmenden flexiblen Polyurethanschäume der vorliegenden Erfindung
sind als Polsterungsmaterial in Möbeln, für Automobile und andere Anwendungen
nutzbar, die typischer Weise flexible Schaummaterialien verwenden.
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Die
Polyurethanbeispiele wurden allgemein nach folgendem Verfahren hergestellt.
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Die
spezifizierte flammhemmende Komponente wird zunächst mit der Polyolkomponente
kombiniert. Wenn die Polyolkomponente und der Flammhemmer gemischt
erscheinen, werden die restlichen Komponenten der Formulierungen,
ausgenommen das Isocyanat, hinzugefügt und gemischt. Wenn die Zusammensetzung
gemischt erscheint, wird Isocyanat als letzte Komponente hinzugefügt und so
lange gemischt, bis die Mischung homogen erscheint. Wenn nicht anders
angegeben, sind die Messeinheiten per Gewicht angegeben.
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Die
Reaktionsmischung wird in einen Behälter geleert und darf sich
vollständig
ausdehnen. Der den ausgedehnten Schaum enthaltende Behälter wird
30 Minuten lang in einen belüfteten
110°C Ofen
gestellt, um das Aushärten
zu beschleunigen. Die Schaumproben werden aus ihren Behältern entfernt
und bei Umgebungsbedingungen mindestens vierundzwanzig Stunden gelagert,
bevor die Tests beginnen.
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Beispiele 1–8
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Die
Formulierungen des Schaums ergeben gemäß Tabelle 1 eine Polyurethanzusammensetzung
mit einer Dichte von 22,7 kg/m
3. Der Messindex
ist ein Maß für die Menge
an Reaktionsmittel, das für
eine stöchiometrische
Reaktion mit der Summe aller aus Polyol und Wasser anwesenden Hydroxylanteile
in der Reaktionsmischung erforderlich ist. Ein Index 100 steht für eine Stöchiometrie
von 1:1. Ein Index 110 bedeutet einen 10-prozentigen Überschuss
von Reaktionsmittel für
die Summe der anwesenden Hydroxyle. Tabelle
1
| Polyurethankomponente | Teile
pro Hundert |
| | Teile
Polyol (php) |
| Herkömmliches
Polyetherpolyol aus Polyethylenoxid mit | |
| einer
Hydroxylzahl 56 und einem Molekulargewicht | 100 |
| 3000 | |
| Wasser | 4,4 |
| Dabco
8264 Aminkatalysator von Air Products & | 0,48 |
| Chemicals
Inc., 7201 Hamilton Boulevard, Allentown, | |
| PA
18195, USA | |
| Osi
L-620 Silikon-Surfaktant, ein Polyalkalenoxid- | 1,0 |
| Methylsiloxan-Copolymer,
erhältlich
bei: Crompton | |
| Corporation,
One American Lane, Greenwich, CT, | |
| 06831
(USA) | |
| Zinnoctoat-Katalysator | 0,29 |
| Toluendiisocyanat | 110
Index |
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Unterschiedliche
flammhemmende Komponenten werden der Schaumzusammensetzung von Tabelle 1
hinzugefügt.
Die Flammhemmer werden evaluiert, um einen Beladungswert zu ermitteln,
der erforderlich ist, um die Norm des Federal Motor Vehicle Safety
Standard Nr. 302, veröffentlicht
im United States Code of Federal Regulations, 49 CFR Paragraph 571.302
(FMVSS-302) – "Flammability of interior
materials"; und
die vom Bundesstaat Kalifornien, Department of Consumer Affairs,
Bureau of Home Furnishings and Thermal Insulation, Technical Information
Bulletin 117, verkündete
Testnorm zu erfüllen
oder zu übertreffen.
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Für die gemäß dem Testverfahren
geprüften
Flammhemmer sind in Tabelle 2 die Mengen an Flammhemmern verzeichnet,
die zur Erfüllung
der Flammwidrigkeitsnormen der Tests für den Polyurethanschaum der
Table 1 erforderlich sind. Tabelle
2
| Beispiel | Flammhemmer | California | MVSS-302 |
| | | 117
Test | Beladung(php) |
| | | (php) | |
| 1* | Eine
Mischung aus 3 Teilen | 15 | 14 |
| | Pentabromdiphenyloxid
und 1 Teil | | |
| | triisopropyliertem
Arylphosphat | | |
| 2* | Eine
Mischung aus 1 Teil Benzoat von | 15 | 14 |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 1 | | |
| | Teil
triisopropyliertem Arylphosphat. | | |
| 3* | Tris-Dichlorpropylphosphat | 14 | 13 |
| 4 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 15 | 14 |
| | Ethylhexylphthalat
von | | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | | |
| | Teilen
triisopropyliertem Arylphosphat | | |
| 5 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 17 | 16 |
| | Ethylhexylphthalat
von | | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | | |
| | Teilen
Resorcinoldiphosphat | | |
| 6 | eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 15 | 14 |
| | Ethylhexylphthalat
von | | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | | |
| | Teilen
Tris-Chlorethylphosphat | | |
| 7 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 14 | 13 |
| | Ethylhexylphthalat
von | | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | | |
| | Teilen
Tris-Dichlorpropylphosphat | | |
| 8 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 14 | 14 |
| | Ethylhexylphthalat
von | | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | | |
| | Teilen
Phosphorsäure,
2,2- | | |
| | bis(Chlormethyl)-1,3- | | |
| | propandiyltetrakis(2-chlorethyl)ester | | |
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Beispiele 9–16
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Die
Formulierungen des Schaums ergeben eine Polyurethanzusammensetzung
mit einer Dichte von 27,3 kg/m
3 gemäß Tabelle
3. Tabelle
3
| Polyurethankomponente | Teile
pro Hundert |
| | Teile
Polyol (php) |
| Herkömmliches
Polyetherpolyol aus Polyethylenoxid mit | |
| einer
Hydroxylzahl 56 und einem Molekulargewicht 3000 | 100 |
| Wasser | 3,4 |
| Dabco
8264 Aminkatalysator | 0,48 |
| Osi
L-620 Silikon-Surfaktant | 1,0 |
| Zinnoctoat-Katalysator | 0,28 |
| Toluendiisocyanat | 110
Index |
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Für die gemäß dem Testverfahren
geprüften
Flammhemmer sind in Tabelle 4 die Mengen an Flammhemmer verzeichnet,
die erforderlich sind, um die Flammwidrigkeitsstandards des FMVSS-302
Tests für
den Polyurethanschaum der Tabelle 3 zu erfüllen. Tabelle
4
| Beispiel | Flammhemmer | MVSS-302
Beladung(php) |
| 9* | Eine
Mischung aus 3 Teilen | 4 |
| | Pentabromdiphenyloxid
und 1 Teil | |
| | triisopropyliertem
Arylphosphat | |
| 10* | Eine
Mischung aus 1 Teil Benzoat von | 4 |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 1 Teil | |
| | triisopropyliertem
Arylphosphat. | |
| 11* | Tris-Dichlorpropylphosphat | 4 |
| 12 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 4 |
| | Ethylhexylphthalat
von | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | |
| | Teilen
triisopropyliertem Arylphosphat | |
| 13 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 5 |
| | Ethylhexylphthalat
von | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | |
| | Teilen
Resorcinoldiphosphat | |
| 14 | eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 4 |
| | Ethylhexylphthalat
von | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | |
| | Teilen
Tris-Chlorethylphosphat | |
| 15 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 4 |
| | Ethylhexylphthalat
von | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | |
| | Teilen
Tris-Dichlorpropylphosphat | |
| 16 | Eine
Mischung aus 4 Teilen 2- | 4 |
| | Ethylhexylphthalat
von | |
| | Tetrabromphthalsäureanhydrid
und 6 | |
| | Teilen
Phosphorsäure,
2,2- | |
| | bis(Chlormethyl)-1,3-propandiyltetrakis(2- | |
| | chlorethyl)ester | |
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Zwar
wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Mittel,
Materialien und Ausführungsbeispiele
beschrieben, doch kann eine durchschnittlich bewanderte Fachperson
aus der vorangehenden Beschreibung ohne Probleme die wesentlichen
Merkmale der vorliegenden Erfindung erkennen und unterschiedliche Änderungen
und Modifikationen daran vornehmen, um diese an die verschiedenen
Nutzungen und Besonderheiten anzupassen.
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Wie
die oben aufgeführten
Beispiele zeigen, lassen sich kommerzielle Flammwidrigkeitsnormen
in flexiblen Polyurethanschäumen
erzielen, ohne dass hierfür
Pentabromdiphenyloxid vonnöten
wäre. Bei
vergleichbaren Beladungswerten erreichen gemischte Flammhemmer mit
Tetrahalophthalatestern und phosphorhaltigen Flammhemmer-Zusatzstoffen
vergleichbare, wenn nicht bessere Flammwidrigkeitseigenschaften.