粘弹性聚氨酯制造技术

基于包含单体的多异氰酸酯组合物、规定的多元醇混合物和规定的添加剂包的反应体系的粘弹性泡沫和弹性体。该粘弹性材料提供优越的综合物理性能，包括令人惊奇地低的压缩永久变形。由该反应体系可以方便地制备非常柔软的粘弹性泡沫和微孔弹性体，而不必需使用增塑剂。该反应体系可以使用各种各样的常规的聚氨酯加工方法加工成有用的聚合物制品。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及聚氨酯的柔性和半柔性的泡沫，其具有粘弹性或者能量吸收性能以及通常低的压缩永久变形。更具体地，本专利技术涉及基于两亲的嵌段的聚氨酯脲和聚氨酯的泡沫和微孔弹性体，其制备自中等羟基当量重量的富含环氧乙烷(EO)的聚醚多元醇与富含环氧丙烷和/或四氢呋喃的聚醚多元醇的某些混合物。该粘弹性物质在大约0℃和大约50℃之间主要显示一个显著的玻璃化转变并且具有很低的回弹性。
技术介绍
在压缩时具有低的回弹性并且回复缓慢的柔软泡沫和弹性体被称为粘弹性的。这些材料在本领域中是众所周知的并且因具有能量吸收性能而被使用。粘弹性泡沫和弹性体被用于各种应用，用于提供缓冲性能(例如用于枕头、轮椅坐具、垫子等等)、作为声音和振动阻尼材料、用于提供冲击保护等等。可反应加工的聚氨酯和聚氨酯脲尤其可用于生产粘弹性物质。聚氨酯化学为设计具有精细调整的物理性能的材料和为就地加工复杂形状和复合结构提供了独特的机会。反应加工的聚氨酯和聚氨酯脲材料通常通过混合两个或多个液体化学品物流来生产。这些液体物流的混合引发了聚合，以及视需要的发泡反应。成型和聚合通常在同一操作中进行，通常通过在混合的反应混合物仍然是液态时将其模塑或者喷雾来进行。聚氨酯和聚氨酯脲材料还可以成块地制备，然后切割成成型制品，或者另外地在聚合后进行后成型。对于聚氨酯和聚氨酯脲的反应加工，非常广泛使用的方法是双物流方法，其中一个物流是多官能有机异氰酸酯组分(有时称为“A-组分”)和第二个物流是多官能异氰酸酯反应性的单体和包含催化剂和其他添加剂的树脂的混合物(有时称为“B-组分”)。两个物流以需要的重量比计量和混合，所述重量比部分地由反应的化学计量决定。发泡通常通过在B-组分中包含水来完成。水与多异氰酸酯反应放出CO2并且在聚合物中形成脲键，借此形成聚氨酯脲聚合物结构。有时单独地或者与水结合地使用挥发性惰性有机化合物或者惰性的气体来实现发泡。该基本过程的许多变化是已知的。某些方案包括在加工期间作为附加的化学品物流加入水(或者其他发泡剂)、催化剂和/或其他添加剂。而另一种已知的变化包括在反应性的化学品物流被混合之后、但是在发生凝胶化以前物理地注射惰性的气体，以促进发泡。当然，发泡程度可能很大地取决于使用的发泡剂的水平而变化。较高密度的弹性聚氨酯和聚氨酯脲泡沫有时被称为微孔弹性体。对于制备微孔弹性体，水也是优选的发泡剂，虽然水的使用通常用溶解的或者分散的大气气体例如空气或者氮气来补充。最常规的聚氨酯和聚氨酯脲固体弹性体、微孔弹性体、柔软泡沫和半柔性泡沫是相分离的嵌段共聚物，其包括具有高和低玻璃化转变温度(Tg)的不同的相。这些高和低Tg相通常决定了材料的使用温度范围，并且这些材料的动态力学谱通常显示被相对平坦区(或者模量平台)分离的不同的玻璃化转变。在这些材料中，低Tg相通常是(虽然不一定总是)由低Tg“嵌段”获得的，其被预先形成并且通过反应性的液体化学品物流引入。相比之下，高Tg相通常在聚合期间、由于聚氨酯和/或脲键的形成而形成。低Tg嵌段(通常称为“软嵌段”)通常由包含许多具有与异氰酸酯基团的反应性的基团的液体或者低熔点的低聚树脂获得。聚醚和聚酯多元醇是这些低聚树脂的典型实例。在常规的弹性聚氨酯和聚氨酯脲中，硬(高Tg)和软(低Tg)相在聚合反应期间自组装，然后在本体聚合物结构内自发地分离成形态不同的相。它们被称为“相分离”材料。粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲形成弹性材料和半柔性材料的亚组，其特征在于具有相对不完全的或者不存在的相分离。这些材料有时被称为“相混合的”。相混合形态特征为具有单一的大的玻璃化转变，通常在材料的正常使用温度范围内(其通常为大约0℃到大约50℃)。在这些材料的动态力学谱中还可能存在其他的玻璃化转变，但是这些即便存在也远远小于主转变。在相混合材料中的主要的玻璃化转变通常是相当宽的，覆盖材料的整个或者大部分的正常使用温度范围。该主要的转变导致独特的能量吸收(低回弹性)性能，这是粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲的特征。相比之下，充分相分离的嵌段聚氨酯和聚氨酯脲是高弹性的并且在模量平坦区(在不同的硬和软相玻璃化转变之间)内具有差的能量吸收特性。在聚氨酯和聚氨酯脲材料中获得粘弹性质的最有效的方法包括以某些方式干扰聚合物嵌段的相分离。这些方法实际上使硬和软嵌段之间的界面模糊。已经在本领域中使用的某些特定的方法包括相对高度的交联、降低柔性链段前体的当量重量(实际上，降低弹性有效链的长度)、使用包含相对低、中和高当量重量组分的柔性链段前体(多元醇)的混合物、加入高水平的增塑剂、加入高水平的颗粒填料和这些方法的不同组合。这些现有技术方法的每一种都具有不希望的缺点，特别是在需要相对软的材料时更是这样。过度的交联可能严重地降低重要的机械性能，例如伸长率、抗撕裂性和拉伸强度。这还可能引起高压缩永久变形和不理想的高硬度。降低弹性有效链的长度和使用具有高/中/低当量重量的多元醇混合物也可能引起过高的压缩永久变形。重要的是粘弹性材料能够在被压缩或者经过其他变形后回复到其原来的形状(虽然缓慢)。其不应该具有永久变形。因此，在湿老化和干燥条件两者下的低压缩永久变形对于粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲是有价值的物理性能特征。最后，使用高水平的增塑剂或者填料也会降低与强度、例如拉伸强度和抗撕裂性相关的机械性能。为了获得有用的粘弹性性能，需要很高水平的这些添加剂，通常远远超过30％重量，并且通常高于聚合物重量的100％。这样高的填料加入量可能导致过高的硬度和重量。当在这种极端的水平下使用时，增塑剂可能迁移并且引起污染以及毒性和气味问题。粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲泡沫应该主要地是开口的以避免收缩。用于促进粘弹性的某些已知技术，例如使用具有低到中范围的当量重量的多元醇，通常妨碍聚脲(硬链段)沉积或者微相的形成。这可能进而妨碍自发的泡孔开口。虽然有时仍然可以通过挤压泡沫来实现泡孔开口，但是这并不总是实用的，并且这将使工艺增加昂贵的额外步骤。关于主要地基于具有中等当量重量的富含PO和富含EO的柔性多元醇混合物的柔性聚氨酯或者聚氨酯脲泡沫制剂，现有技术中明显缺乏相关的文献。富含PO的多元醇通常被认为是疏水性的，而富含EO的多元醇被认为是相对亲水性的。PO很高的多元醇与EO很高的多元醇可以是不相容的，使得这些多元醇的混合物通常发生相分离。将这种混合物加工成柔性的或者半柔性的泡沫是尤其困难的，因为起初的泡沫具有强烈的陷缩倾向。因此，在工业中存在对改进的可反应加工的、具有低压缩永久变形值、良好的强度和伸长率性能并且不需要使用高填充量的增塑剂或者填料的软的以及半硬的(半柔性的)粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲的需求。此外还对可反应加工的粘弹性聚氨酯和聚氨酯脲泡沫存在需要，其除在宽的泡沫密度范围内具有全部上述的特性外，还主要地是开口泡孔的，覆盖非常宽的硬度范围，并且不需要挤压。
技术实现思路
令人惊奇地，通过使用包含以下组分的反应体系，获得了能够满足上述需求的基于粘弹性聚氨酯的弹性体、柔软的泡沫和半柔性的泡沫(A)有机单体多异氰酸酯组合物，其具有2到3的有机地键接的异氰酸酯基团的数均官能度和25到50％重量的有机地键接的异氰酸酯基团的总浓度；(B)异氰酸酯反应性组分，其包括(i)0到12％的水；(ii)30到70％的基于聚亚氧乙基的多元醇，其具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于制备粘弹性聚氨酯材料的反应体系，其包含：　　　　（ａ）有机单体多异氰酸酯组合物，其具有２到３的有机地键接的异氰酸酯基团的数均官能度和２５到５０％重量的有机地键接的异氰酸酯基团的总浓度；　　　　（ｂ）异氰酸酯反应性组分，其包括：　　　　（ｉ）０到１２％的水；　　　　（ｉｉ）３０到７０％的基于聚亚氧乙基的多元醇，其具有２到４的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的总的标称官能度、４００到１５００的数均分子量和２００到７５０的总的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的数均当量重量，其中基于聚亚氧乙基的多元醇由大于７０％重量的环氧乙烷单元组成并且至少５０摩尔百分数的脂肪性地键接的羟基基团是伯羟基基团；　　　　（ｉｉｉ）３０到７０％重量的第二种基于聚亚氧烷基的多元醇，其具有２到４的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的总的标称官能度、４００到１５００的数均分子量和２００到７５０的总的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的数均当量重量，其中第二种基于聚亚氧烷基的多元醇由大于７０％重量的氧化烯单元组成，所述氧化烯单元选自环氧丙烷单元、四氢呋喃单元和环氧丙烷和四氢呋喃单元的混合物；　　　　（ｉｖ）０到２０％的不同于（ｂ）（ｉｉ）和（ｂ）（ｉｉｉ）的聚亚氧丙基或者聚亚氧乙基－聚亚氧丙基多元醇，其具有２到４的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的总的标称官能度和大于７５０到４０００的总的伯和仲脂肪性地键接的羟基基团的数均当量重量，其中该聚亚氧丙基或者聚亚氧乙基－聚亚氧丙基多元醇包含的环氧乙烷与环氧丙烷单元的重量比为０∶１００到９０∶１０；和　　　　（ｖ）０到１５％的有机多元醇，其具有２到４的总的异氰酸酯反应性基团官能度和３０到低于２００的异氰酸酯反应性基团的当量重量，其中异氰酸酯反应性基团限于一种或多种选自以下的成员：伯脂族醇基团、仲脂族醇基团和脂肪族仲胺基团，并且至少两个异氰酸酯反应性基团是醇基团，　　　　其中（ｂ）（ｉｉ）与（ｉｉｉ）的重量比为７０∶３０到３０∶７０，并且（ｂ）（ｉｉ）和（ｂ）（ｉｉｉ）的总重量占异氰酸酯反应性组分的至少５３％重量；　　　　（ｃ）任选的表面活性剂；　　　　（ｄ）催化剂；和　　　　（ｅ）任选的添加剂，其选自染料、颜料、内含脱模剂、物理发泡剂、化学发泡剂、阻燃剂、填料、增强剂、增塑剂、烟雾抑制剂、香料、抗静电剂、抗微生物剂、抗氧剂、光稳定剂、增粘剂和这些的混合物，　　　　其中，反应体系中的有机地键接的异氰酸酯基团与异氰酸酯反应性基团总...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RJ罗克伍德，VD普尔，
申请(专利权)人：亨茨曼国际有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]