DE1246994B - Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffkoerpern auf Polyurethanbasis - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B29d

Deutsche Kl.: 39 a3 - 27/00

Nummer: 1 246 994

Aktenzeichen: A 38590 X/39 a3

Anmeldetag: 18. Oktober 1961

Auslegetag: 10. August 1967

Die Erfindung befaßt sich mit Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffkörpern auf Polyurethanbasis. Gegenstand der Erfindung sind vor allem Verfahren zur Herstellung von weichelastischen, flexiblen Polyurethanschaumstoffkörpern.

Die Kunststoffschäume, insbesondere die Polyurethanschaumstoffe, zeichnen sich gegenüber den Latexschäumen dadurch aus, daß sie in der Herstellung vielfach billiger sind, weil bei der Massenfertigung zumeist rationellere Methoden angewandt werden können, als bei der Produktion von Latexschäumen, vor allem durch die Möglichkeit der Herstellung von großvolumigen Schaumstoffblöcken, die dann in Schaumstoffplatten aufgespalten werden können. Dennoch haftet den Polyurethanschäumen, d. h. also insbesondere den Polyäther- und den Polyesterschäumen, eine Eigenschaft an, die deren Verwendungsmöglichkeiten als Polstermaterial ζ. Β. für Liege- und Sitzmöbel, für Fahrzeugsitze, als Verpackungsmaterial stark beeinträchtigt, nämlich ihr Eindrückungsverhalten.

Unter »Eindrückungsverhalten« wird im folgenden der funktionell Zusammenhang zwischen dem auf einen Schaumstoff körper ausgeübten Druck D und der — in % der ursprünglichen Höhe des unbelasteten Körpers ausgedrückten — Eindrückung e verstanden, die der Schaumstöffkörper unter dem jeweiligen Druck D erfährt. Die graphische Darstellung dieses funtionellen Zusammenhangs wird im folgenden als »Eindrücklinie« bezeichnet.

Der Nachteil im Eindrückungsverhalten der Polyurethanschaumstoffe ergibt sich aus Fig. 1, in der drei Eindrückungslinien beispielsweise wiedergegeben sind: Die mit α bezeichnete Eindrücklinie für einen Latexschaumkörper unterscheidet sich in charakteristischer Weise von der mit b bezeichneten Eindrücklinie für einen Polyesterschaumkörper und der mit c bezeichneten Eindrücklinie für einen Polyätherschaumkörper, insbesondere im Bereich der Eindrückung von 0 bis 60%, während die Eindrücklinie α in diesem Bereich im wesentlichen linear verläuft, d. h. also bei Verdoppelung des Drucks auch eine Verdoppelung der Eindrückung festzustellen ist, weisen die Eindrücklinien b und c für die beiden Urethanschäume deutlich einen Sattel oder ein »Plateau« auf.

Welche praktische Bedeutung dieser »Plateaueffekt« im Eindrückungsverhalten der weichelastischen Urethanschäume hat, soll an einer der vielen Verwendungsmöglichkeiten erläutert werden, nämlich am Beispiel der Verwendung solcher Schäume als Polstermaterial. Es liegt auf der Hand, daß der nahe-Verfahren zur Herstellung von
Schaumstoffkörpern auf Polyurethanbasis

Anmelder:

Artilat N. V., Nijlen (Belgien)

Vertreter:

Dipl.-Phys. W. Kemp, Patentanwalt,

Köln-Lindenthal, Stadtwaldgürtel 20-22

Als Erfinder benannt:

Horst Bokelmann, Aarschot (Belgien)

zu lineare Zusammenhang zwischen Belastung und Eindrückung, wie er beim Latexschaum vorliegt, für diesen Verwendungszweck ideal ist, weil beim Niedersetzen auf bzw. beim Zurücklehnen in ein solches Polster die Polsterung stetig und kontinuierlich nachgibt, bis die der Endbelastung entsprechende Eindrückung erreicht ist. Der gleiche Vorgang — Niedersetzen und/oder Zurücklehnen ·—'■ in ein Urethanschaumpolster vollzieht sich wegen des »Plateaueffekts« ganz anders: In der ersten Phase wird eine gewisse Polsterhärte vorgetäuscht, die dem tatsächlichen Tragvermögen des Materials nicht entspricht, weil nämlich — sobald bei wachsender Belastung der Punkt der Eindrücklinie erreicht ist, an dem diese in das erwähnte »Plateau« umknickt — eine geringe Mehrbelastung und tiefes Einsinken in das sich dann unerwartet schnell eindrückende Polster bewirkt. Wenn dann — bei weiter zunehmender Belastung — auch noch der Punkt der Eindrücklinie erreicht ist, an dem das »Plateau« in den steilen letzten Ast übergeht, kommt es zu der bekannten Erscheinung des »Durchsitzens«.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung von Schaumstoff körpern auf Polyurethanbasis anzugeben, deren Eindrückungsverhalten im Sinne der Linearität zwischen Belastung und Eindrückung verbessert ist und darüber hinaus dem jeweiligen Verwendungszweck der Schaumstoffkörper beliebig angepaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen von Schaumstoffkörpern auf Polyurethanbasis mit im 'Sinne der Linearität zwischen Belastung und Eindrückung verbessertem Eindrückungsverhalten durch Änderung des Misch-

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verfahren der Rohstoffkomponenten und anschließendes Aufschäumen vorgeschlagen, dessen Besonderheit darin besteht, daß entweder die den normalen Rezepten für mindestens zwei Polyurethanschaumstoffe von unterschiedlicher Härte zugrunde liegenden Komponenten jeweils für sich auf herkömmliche Weise gemischt werden und unmittelbar anschließend diese beiden oder mehrere kurz vor der Schaumentwicklung stehenden oder bereits in der Schaumentwicklung begriffenen Komponentenmischungen nur unvollkommen miteinander gemischt werden, oder bei dem einer normalen Verschäumungsreaktion unmittelbar vorausgehenden Mischprozeß mindestens die als letzte in die Mischung einzubringendeReaktionskomponente nur unvollkommen zur Mischung oder Dispersion mit den anderen Reaktionskomponenten gebracht wird, und anschließend die Aufschäumung zu Schaumkörpern vorgenommen wird, in denen verstreut liegende Bereiche der Zellstruktur teils einen höheren Elastizitätsmodul und/oder Verschäumungsgrad, teils einen geringeren Elastizitätsmodul und/oder Verschäumungsgrad aufweisen als die übrigen Bereiche der Zellstruktur.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert.

Wie erwähnt, verwendet man Polyurethanschäume vor allem deswegen an Stelle von Latexschäumen, weil die Polyurethanschäume in der Herstellung meist wesentlich billiger sind; dies hängt damit zusammen, daß die Substanz im Zellgerüst des Latexschaumes von Natur aus weich ist, so daß man — bei vorgegebener Tragfähigkeit — mit verhältnismäßig niedrigen Verschäumungsgraden arbeiten muß. Versuche, die Zellsubstanz von Latexschäumen zu härten, um — bei gleicher Tragfähigkeit — mit höheren Verschäumungsgraden arbeiten zu können, haben wenig Erfolg gebracht. Der Vorteil der Polyurethanschäume besteht demgegenüber in ihrem wesentlichen höheren und in einem gewissen Bereich je nach der Rezeptierung wählbaren Elastizitätsmodul, wodurch — wiederum bei gleicher vorgegebener Tragfähigkeit — die Verschäumung wesentlich weitergetrieben werden kann als beim Latexschaum, so daß erheblich an Material gespart wird. Der Hauptnachteil der Polyurethanschäume gegenüber den Latexschäumen liegt, wie bereits erwähnt, in dem »Plateaueffekt«. Die Ursache für diesen Plateaueffekt beim Eindrückungsverhalten flexibler Polyurethanschäume dürfte sein, daß bei der Herstellung von Polyurethanschäumen der Polymerisationsgrad einerseits und die Verschäumung andererseits nicht unabhängig voneinander gehalten werden können, sondern daß — weil die Verschäumung durch Abspalten von CO₂ bei der Polymerisation hervorgerufen wird — ein hoher Polymerisationsgrad Hand in Hand geht mit einem großen Verschäumungsgrad. Dieses zwangläufige Hand-in-Hand-Gehen der Polymerisation (also auch des Elastizitätsmoduls) mit dem Verschäumungsgrad (also auch der Dichte) ist verantwortlich dafür, daß sich eine hinreichend breite, natürliche Streuung der »Härte« wegen der besonderen Eigenart der sich abspielenden chemischen Reaktion nicht ausbilden kann. Die Lehre der Erfindung läuft also im weitesten Sinne auf den Vorschlag hinaus, die zu geringe natürliche »Härtestreuung« künstlich zn verbreitern. Durch eine vergrößerte Streuungsbreite wird das Eindrückungsverhalten merklich verbessert. Mit ausreichender Streuungsbreite erzielt man vor allem in der ersten Hälfte des Eindrückungsbereiches Verbesserungen selbst bis zur praktisch völligen Proportionalität zwischen Druck und Eindrückung.

Die zur Verwirklichung der Lehre der Erfindung zu ergreifenden Maßnahmen können sehr vielseitig und unterschiedlich sein, da es ersichtlich nicht darauf ankommt, wie im einzelnen dafür gesorgt wird, daß in dem fertigen Schaumstoffkörper eine größere »Härtestreuung« im Sinne der oben gegebenen Definition vorliegt als bei einem nach den herkömmlichen Verfahren hergestellten Schaum. Die nachstehend angegebenen Verfahren sind daher nur Ausführungsbeispiele.

Die erste Methode die im folgenden die »indirekte Methode« genannt werden soll, besteht ganz einfach darin da,ß man zwei normale Rezepte für Polyurethanschaumstoffe von unterschiedlicher Härte zunächst jedes für sich auf die herkömmliche Weise mischt und daß man dann unmittelbar anschließend die beiden kurz vor der Schaumentwicklung stehenden oder bereits in der Schaumentwicklung begriffenen Komponenten unvollkommen miteinander mischt. Infolge der unvollkommenen Mischung besteht das Zellgefüge des fertiggeschäumten Schaumstoffkörpers aus zwei Schaumphasen von unterschiedlicher Härte, die sich gegenseitig durchdringen. Das Eindrückungsverhalten eines solchen zweiphasigen Schaumstoffes ergibt sich aus dem arithmetischen Mittel der Eindrücklinien der beiden Einzelphasen. Die wirkliche Eindrücklinie eines solchen, nach der »indirekten Methode« gewonnenen zweiphasigen Polyesterschaumstoffes mit der Rohdichte r_t ist in Fig. 2 mit der ausgezogenen Linie wiedergegeben. Es wurden zwei Phasen zu gleichen Anteilen von je 50 % nach der »indirekten Methode« gemischt, wobei die erste Phase eine Rohdichte von r_lt und die zweite Phase eine Rohdichte von r_2i hatte. Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die wirkliche Eindrücklinie r_t des zweiphasigen Polyesterschaumstoffes aus den unvollkommen gemischten Phasen r_xi und r_2i einen wesentlich steileren Verlauf hat als die wirkliche Eindrücklinie eines nur einphasigen Schaumstoffes von gleicher Rohdichte r_e, die gestrichelt gezeichnet ist.

In weiterer Ausbildung der soeben beschriebenen »indirekten Methode« können natürlich auch drei oder mehr Ausgangskomponenten unterschiedlicher Härte unvollkommen gemischt werden. Außerdem kann man die Mengenanteile der einzelnen Phasen variieren und damit — jeweils in Anpassung an den Einzelfall — das Eindrückverhalten der so hergestellten Schaumstoffe beeinflussen. In F i g. 3 ist die Eindrücklinie r_in für einen aus zwei ungleichen Phasen (33Vs% für eine weichere Phase, 66 ²A) % für eine härtere Phase) bestehenden Polyätherschaumstoffes verglichen mit der Eindrücklinie r_e eines nur einphasigen Schaumstoffes von im übrigen gleicher Zusammensetzung. Auch hier ist der verbesserte Verlauf der Eindrücklinie im Bereich des Plateaus deutlich erkennbar.

Eine zweite Methode, mit deren Hilfe man eine gewollte Verbreiterung der Härtestreuung in einem Polyurethanschaumkörper herbeiführen kann und die im folgenden die »direkte Methode« genannt wird, besteht darin, daß bei dem der Verschäumungsreaktion unmittelbar vorangehenden Mischprozeß eine der Komponenten oder auch mehrere Komponenten der normal zur Reaktion zu bringenden Mischung als

letzte eingebracht und nur unvollkommen zur Dispersion gebracht werden. Bei diesem Verfahren ergeben sich örtliche Konzentrationsunterschiede dieser Komponenten im Schaumstoffkörper, so daß auch hier im Schaumstoff Härteunterschiede wegen interstruktureller Abweichungen des Polymerisationsgrades bzw. des Verschäumungsgrades auftreten. Allerdings setzt die Anwendung dieser direkten Streuungsmethode voraus, daß zur Erzielung eines einwandfreien Zellgefüges eine gewisse Rezeptierungsbreite vorhanden ist. Man kann bei dieser direkten Methode auch eine der Komponenten im Überschuß verwenden.

Eine weitere Methode zur Erzielung einer verbreiterten Härtestreuung in einem Schaumstoffkörper besteht darin, daß man unmittelbar vor der Verschäumungsreaktion einen geeigneten Stoff, der für die Reaktion selbst an sich nicht erforderlich ist, sie aber auch nicht stört, unvollkommen einmischt. Der Vorschlag, das Eindrückungsverhalten von Polyurethanschaumstoffen dadurch zu verbessern, daß man Fremdstoffe in die Mischung eingibt, ist an sich nicht neu. So ist es z. B. bereits bekannt, der Mischung vor der Verschäumungsreaktion eine geeignete Flüssigkeit mit niedriger Verdampfungstemperatur zuzusetzen, z. B. ein Trichlormonofluormethan. Da die Verschäumungsreaktion exotherm verläuft, während der Verschäumung also Wärme frei wird, verdampft das Trichlormonofluormethan, so daß während der Verschäumung mehr Gas gebildet wird, als es der Gesetzmäßigkeit zwischen der Polymerisation einerseits und der Bildung von CO₂ andererseits entspricht. Während man aber bisher bestrebt war, derartige Zuschlagstoffe, wie das Trichlormonofluormethan, ebenso wie die für die Verschäumungsreaktion selbst erforderlichen Komponenten möglichst gründlich zu mischen und zu dispergieren, schlägt die Erfindung vor, auch derartige Zusatzstoffe nur unvollkommen kurz vor Beginn der Reaktion beizumischen. Das erwähnte Trichlormonofluormethan eignet sich auch noch aus einem anderen Grund besonders gut für die Anwendung im Verfahren gemäß der Erfindung, weil es die Wandungen des Zellgefüges aufweicht. Mit nur unvollkommen dispergiertem bzw. eingemischtem Trichlormonofluormethan hergestellte Kunststoffschäume weisen in den Volumelementen, in denen bei der unvollkommenen Einmischung der erwähnten Flüssigkeit zufällig mehr verblieben ist als in anderen Volumelementen, d. h. also gerade in den Zellgruppen mit erhöhtem Verschäumungsgrad, eine zusätzliche Aufweichung auf. Damit ist in diesen Volumelementen die obenerwähnte Gesetzmäßigkeit zwischen der Polymerisation und der Gasbildung, d. h. also des Elastizitätsmoduls und der Dichte, durchbrochen, und zwar im Sinne der gewollten Verbreiterung der Härtestreuung gemäß des Verfahrens nach der Erfindung.

Es liegt auf der Hand, daß die Herstellung von Schaumstoffen mit hohem Verschäumungsgrad deswegen interessant ist, weil mit wachsendem Verschäumungsgrad die Materialkosten geringer werden. Um bei vorgegebener Tragfähigkeit den Verschäumungsgrad erhöhen zu können, muß aber der Elastizitätsmodul der Substanz des Zellgerüstes entsprechend erhöht werden. In dieser Richtung ist man bisher nicht entscheidend weitergekommen (obwohl sich gerade bei den Urethanschäumen recht hohe Elastizitätsmodule erzielen lassen) weil mit steigendem Verschäumungsgrad das Eindrückverhalten wegen des Plateaueffekts immer schlechter wird.

Verfährt man nach den Vorschlägen der Erfindung, so ist es möglich, trotz sehr hoher Verschäumungsgrade im Eindrückverhalten einwandfreie Schaumstoffkörper zu erzeugen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen von Schaumstoffkörpern auf Polyurethanbasis mit im Sinne der Linearität zwischen Belastung und Eindrückung verbessertem Eindrückungsverhalten durch Änderung des Mischverfahrens der Rohstoffkomponenten und anschließendes Aufschäumen, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die den normalen Rezepten für mindestens zwei Polyurethanschaumstoffe von unterschiedlicher Härte zugrunde liegenden Komponenten jeweils für sich auf herkömmliche Weise gemischt werden und unmittelbar anschließend diese beiden oder mehrere kurz vor der Schaumentwicklung stehenden oder bereits in der Schaumentwicklung begriffenen Komponentenmischungen nur unvollkommen miteinander gemischt werden, oder bei dem einer normalen Verschäumungsreaktion unmittelbar vorausgehenden Mischprozeß mindestens die als letzte in die Mischung einzubringende Reaktionskomponente nur unvollkommen zur Mischung oder Dispersion mit den anderen Reaktionskomponenten gebracht wird, und anschließend die Aufschäumung zu Schaumstoffkörpern vorgenommen wird, in denen verstreut liegende Bereiche der Zellstruktur teils einen höheren Elastizitätsmodul und/oder Verschäumungsgrad, teils einen geringeren Elastizitätsmodul und/oder Verschäumungsgrad aufweisen als die übrigen Be reiche der Zellstruktur.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 917 109;
   deutsche Auslegeschrift Nr. 1107 922.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen