Förderung und Anwendung von wassergeblasenen Polyesterpolyolen

Vergleich der Eigenschaften verschiedener Treibmittel für Polyurethanschaum

Zu den Treibmitteln, die derzeit in Polyurethanschaum verwendet werden, gehören hauptsächlich Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Fluorkohlenwasserstoffe (HFC), Pentan und Kohlendioxid.

1. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

ein CFC-11

FCKW-11 hat einen Siedepunkt von 23,7 °C und ist bei Raumtemperatur flüssig. Es ist leicht zu handhaben, hat eine geringe Verdampfungswärme und verdampft während des Schäumvorgangs leicht. Es hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und der resultierende Schaum weist gute Wärmedämmeigenschaften auf; Es ist nicht brennbar und ungiftig und hat eine minimale korrosive Wirkung auf Polyurethan-Substrate. Obwohl es sich um ein ausgezeichnetes Treibmittel handelt, wurde es aufgrund seiner erheblichen Schädigung der atmosphärischen Ozonschicht, die sich auf die ökologische Umwelt auswirkt, von der das Überleben des Menschen abhängt, aus dem Verkehr gezogen.

b HCF-141b

HCF-141b hat einen Siedepunkt von 32,0 °C. Als Übergangsersatzstoff für FCKW-11 besitzt es ähnliche Eigenschaften wie FCKW-11, hat jedoch mit einem ODP von 0,15 immer noch eine gewisse zerstörerische Wirkung auf die atmosphärische Ozonschicht; Auch die Nutzung wird nach einer gewissen Zeit eingestellt.

2. Fluorkohlenwasserstoffe (HFC)

Fluorkohlenwasserstoffe enthalten keine Chloratome und haben einen ODP von 0; Sie sind eine äußerst wettbewerbsfähige Klasse von CFC-11-Ersatztreibmitteln. Zu den bemerkenswerten Verbindungen dieser Klasse gehören: HFC-245fa, HFC-365mfc und HFC-356mffm. Ihre Siedepunkte liegen bei 15,3 °C, 40 °C bzw. 24,9 °C. Da ihre Siedepunkte denen von FCKW-11 ähneln, müssen bestehende Geräte während des Gebrauchs kaum verändert werden; Ihre hohen Kosten führen jedoch dazu, dass Polyurethanschaumprodukte unerschwinglich teuer sind, was ihre Werbung und Akzeptanz behindert.

3. Pentan

Pentan liegt in drei Strukturformen vor: n-Pentan, Isopentan und Cyclopentan, mit Siedepunkten von 36 °C, 28 °C bzw. 49 °C. Es hat einen ODP von 0 und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als CFC-11. Da Pentan jedoch brennbar ist und mit Luft explosive Gasgemische bildet, müssen die Produktionsanlagen und die Arbeitsumgebung angepasst werden, um eine sichere Produktion zu gewährleisten. Darüber hinaus ist das Produkt aufgrund des Pentanaustritts bei der Anwendung nicht für den Einsatz in geschlossenen Räumen geeignet, was den Einsatzbereich von Polyurethanschaum stark einschränkt.

4. Kohlendioxid

Beim Schäumen mit Kohlendioxid wird im Allgemeinen die Reaktion zwischen Wasser und Isocyanat genutzt, um Kohlendioxid zum Schäumen zu erzeugen, was auch als wassergeblasenes Schäumen bezeichnet wird. Typischerweise wird es in Kombination mit physikalischen Treibmitteln verwendet, um deren benötigte Menge zu reduzieren. Darüber hinaus verändert die Reaktion zwischen Wasser und Isocyanat zu Polyharnstoff bestimmte Eigenschaften des Polyurethanschaums und erhöht dadurch die Festigkeit des Schaums. Da die Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxid jedoch weitaus höher ist als die von FCKW-11, ist die Wärmedämmleistung des Produkts etwas geringer. Da außerdem Kohlendioxid schneller entweicht als Luft eindringen kann, wird die Formstabilität des Schaums in gewissem Maße beeinträchtigt. Um die Formstabilität zu gewährleisten, wird in der Regel die Schaumdichte erhöht. Derzeit wurden Verfahren und Geräte zum Schäumen von flüssigem Kohlendioxid erfolgreich entwickelt. Ihr Einsatz ist jedoch aufgrund der hohen Kapitalinvestitionen, die für die Ausrüstung erforderlich sind, etwas eingeschränkt.

 

Schäumverfahren für Polyurethanschaum

1. Physikalisches Schäumen: Hierbei wird die exotherme Reaktion zwischen -OH und -NCO genutzt, um ein physikalisches Treibmittel mit niedrigem Siedepunkt zum Verdampfen zu bringen und so Schaum zu erzeugen. Beispiele hierfür sind Pentan und HFC-141b.

2. Chemisches Schäumen: Dabei handelt es sich um das Schäumen mit Gasen, die durch chemische Reaktionen entstehen, vor allem durch die Bildung von Kohlendioxid aus der Reaktion zwischen Wasser und Isocyanaten oder durch die Zersetzung von Bikarbonaten zur Bildung von Kohlendioxid. Schäumen durch die Reaktion von Isocyanaten mit Wasser in Kombination mit einem physikalischen Treibmittel ist derzeit die primäre Schäummethode; Es verbessert die Schaumleistung und senkt gleichzeitig die Produktionskosten. Das Schäumen mit Bikarbonat wird im Allgemeinen für mikrozelluläre Strukturen verwendet, die eine höhere Härte und größere Dichte aufweisen, wie z. B. Produkte mit Holzeffekt und bestimmte Formprofile.

 

Probleme mit reiner Wasserschäumung und ihre Lösungen

Da beim reinen Wasserschäumen keine physikalischen Treibmittel zum Einsatz kommen und aufgrund der inhärenten Mängel des Kohlendioxid-Schaumsystems die Verwendung gewöhnlicher Polyether- und Polyesterpolyole eine Reihe von Problemen mit sich bringt, vor allem die folgenden:

1. Die exotherme Reaktion ist zu intensiv, wodurch es zu Kernverbrennungen kommt und es schwierig ist, sie in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen. Durch die Reduzierung der Hydroxylzahl und dadurch die Begrenzung der Reaktion zwischen -OH- und -NCO-Gruppen kann die Reaktionswärme minimiert werden. Gleichzeitig erhöht die Verwendung von Vollpolyesterschäumen die thermische Zersetzungstemperatur der Molekülketten; Da die thermische Zersetzungstemperatur von Estergruppen weit über der von Etherbindungen liegt, ist das Produkt bei hohen Temperaturen weniger anfällig für Zersetzung, Verdampfung und Verbrennung. Dies verhindert Kernverbrennungen und ermöglicht die Schaumerzeugung im Single-Pass-Betrieb. Nach zahlreichen Experimenten wurde festgestellt, dass die Steuerung der Hydroxylzahl des Polyesterpolyols im Bereich von 180–200 mg KOH/g im Allgemeinen den Anforderungen genügt.

2. Schlechte Dimensionsstabilität des Schaums Eine schlechte Dimensionsstabilität wird hauptsächlich durch die übermäßige Freisetzung von Kohlendioxid verursacht. Um dieses Problem zu lösen, wird eine mehrfach verzweigte Struktur in die Molekülkette des Polyesters eingeführt, um die Luftdichtheit der Zellen zu erhöhen und die Geschwindigkeit des Kohlendioxidaustritts zu verringern. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der funktionellen Gruppendichte und die Einführung von -NH₂-Gruppen in die Molekülkette die Steifigkeit der Zellen erhöht, wodurch ihre Drucktragfähigkeit verbessert und ihre Dimensionsstabilität gewährleistet wird.

3. Die hohe Viskosität der Mischung beeinträchtigt das Mischen und Zerstäuben der schwarzen und weißen Komponenten. Da das Fehlen eines physikalischen Treibmittels im System einer Verringerung des Lösungsmittelgehalts gleichkommt, erhöht sich zwangsläufig die Viskosität des Systems. Dies kann nur durch eine Verringerung der Viskosität des Polyesterpolyols behoben werden; Daher werden Alkylseitenketten mit höheren Molekulargewichten in die Polyesterstruktur eingeführt, um das Molverhältnis der Estergruppen zu verringern und dadurch die Viskosität des Polyesters zu verringern. In der Praxis kann die Viskosität des Systems auch durch eine entsprechende Erhöhung der Flammschutzmittelmenge gesenkt werden, wodurch die Fließfähigkeit der Mischung verbessert und das Mischen und Zerstäuben mit dem Isocyanat erleichtert wird.

4. Reduzierte Wärmedämmleistung und erhöhte Wärmeleitfähigkeit. Obwohl CO₂ eine höhere Wärmeleitfähigkeit als CFC-11 hat, können wir die Wärmedämmleistung des Schaums verbessern, indem wir die Dichte der Zellen erhöhen und die Wärmekonvektion zwischen CO₂ und Luft reduzieren.

5. Schlechte Lagerstabilität. Der Wasserverbrauch beim reinen Wasserschäumen ist höher als bei bestehenden Schäumverfahren; und der Kontakt zwischen Wasser und verschiedenen Additiven und Flammschutzmitteln führt zwangsläufig zu einem gewissen Grad an Hydrolyse, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit beim Schäumen verlangsamt wird. Durch die Einführung hydrophiler Gruppen an den Polyester-Enden werden Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen fest an den Enden der Polyester-Molekülketten gebunden. Der Einsatz einer Wasser-in-Öl-Emulsion verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Wassermoleküle mit Additiven und Flammschutzmitteln in Kontakt kommen, wodurch die Hydrolyse minimiert und die Lagerstabilität der Rohstoffe verbessert wird.

 

Technische Spezifikationen für wasserbasierten geschäumten Polyester

Da bei geschäumtem Polyester auf Wasserbasis die Hydrophilie, Zelldichte, Zellsteifigkeit und die Viskosität des Polyesters selbst berücksichtigt werden müssen, ist es schwierig, mit einem einzigen Polyesterpolyol zu arbeiten. Derzeit verwenden wir eine Mischung aus zwei Polyestern: XF-2003 und XF-2006. XF-2003 ist ein wasserbasierter Polyester mit einer gewissen Mischbarkeit mit Wasser. XF-2006 enthält eine mehrfach verzweigte Struktur und eine bestimmte Menge an -NH₂ und seine technischen Spezifikationen sind wie folgt:

 

 

 

Schäumungsprozess für All-Water-Polyester und Produktleistung

Beim Vollwasserblasen von Schaum kommt derzeit meist ein offenzelliges Schäumverfahren zum Einsatz. Dies gewährleistet zum einen die Formstabilität; Zweitens verringert es das Risiko eines Kernbrandes. Da die offenzellige Struktur jedoch zu verringerten Wärmedämmeigenschaften des Schaumkunststoffs führt und dessen Anwendungsmöglichkeiten einschränkt, nutzt dieses Verfahren ein neuartiges Polyesterpolyol, das eine Kombination aus XF-2003 und XF-2006 umfasst und die Mängel bestehender Verfahren perfekt überwindet. Dabei kommt geschlossenzelliges Schäumen zum Einsatz und der Prozess läuft wie folgt ab:

 

Schlussfolgerungen und Zusammenfassung

Die reine Wasserschäumung bietet die Vorteile einer einfachen Bedienung, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit; Es sind keine Änderungen an der vorhandenen Ausrüstung erforderlich und da es lösungsmittelfrei ist, stellt es kein Gesundheitsrisiko für die Bediener dar. Nach dem Ausstieg aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) bietet es erhebliche Vorteile bei der Senkung der Kosten für Fertigprodukte.

Durch Verbesserungen ihrer Molekularstruktur verleihen XF-2006 und XF-2003 Polyurethanschaum hervorragende Dimensionsstabilität und Wärmedämmeigenschaften. Im Vergleich zum offenzelligen Vollwasserschäumen bieten sie größere Vorteile und eine bessere Leistung; Im Vergleich zum Hydrofluoralkan-Schäumen bieten sie ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis. Durch kontinuierliche Bemühungen und die fortlaufende Entwicklung neuer Materialien wird sich das rein wasserbasierte Schäumen zwangsläufig zu einem neuen Trend entwickeln.