DE3541513A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus polyurethanschaum und additiv fuer die durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus polyurethanschaum und additiv fuer die durchfuehrung dieses verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Gegenständen aus Polyurethanschaum, bei dem der Gegenstand
in herkömmlicher Weise durch Schäumen in einer Form
hergestellt und die Form vor der Beschickung mit den
schaumbildenden Komponenten mit einem Trennmittel
behandelt wird.
Die Herstellung von Gegenständen aus Polyurethanschaum
erfolgt in Formen und kann nach den verschiedensten, aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Sowohl
hinsichtlich der dabei einzusetzenden, den Schaum bildenden
Komponenten als auch hinsichtlich der einzusetzenden
Vorrichtungen und Formwerkzeuge gibt es eine große
Vielfalt von Variationsmöglichkeiten, die dem Fachmann
geläufig sind. In der Regel erfolgt die Beschickung der
Form entweder im offenen oder geschlossenen Zustand durch
einen Einschußkanal mit den über einen Mischkopf vermeng
ten Polyol- und Isocyanat-Komponenten. Neben dem angestreb
ten Produkt und dessen gewünschten Eigenschaften richtet
sich die Zusammensetzung der Komponenten danach, ob nach
dem Einstufenverfahren (Direktverfahren) oder nach dem
Zweistufenverfahren (Präpolymerverfahren oder Semipräpoly
merverfahren) gearbeitet wird. Alle diese verschiedenen
möglichen Verfahrensweisen sind in der Literatur ausführ
lich beschrieben, so daß sich ein detailliertes Eingehen
darauf erübrigt. Es sei hierzu beispielsweise auf
"Integralschaumstoffe", Piechota und Röhr, 1975; Kunst
stoff-Handbuch, Band VII, "Polyurethane", 1966; "Schaum
kunststoffe", herausgegeben vom Fachverband Schaumkunst
stoffe in GKV, 1976 und Wittfoht, Kunststoff-Technisches
Wörterbuch, Teil 3, verwiesen.
Zwecks leichter und sauberer Entnahme der in den aus
Metall, Holz oder Kunststoff bestehenden Formen aus
polymerisierten Schaumgegenstände werden die mit den
schaumbildenden Komponenten bzw. dem Polyurethanschaum in
Kontakt tretenden Formoberflächen vor der Beschickung der
Form mit Trennmitteln (Formtrennmittel) behandelt. Zu
diesem Zweck werden die Werkzeugoberflächen unter
Erzeugung eines Trennfilms mit einer gleichmäßigen
Beschichtung durch ein Trennmittel versehen. Dies
geschieht üblicherweise nach den bekannten spritz- und
sprühtechnischen Verfahren, wobei das Trennmittel entweder
durch hohen Materialdruck oder zusätzliche Druckkraft
zerstäubt wird. Neben guten Entformungseigenschaften muß
das Trennmittel in speziellen Fällen darüber hinaus einen
Einfluß hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit des
fertigen Polyurethanschaumgegenstandes ausüben können. So
werden durch bestimmte Zusätze, beispielsweise auf dem
Kaltweichschaumsektor (Sitze, Nackenstützen, Armlehnen
usw. in Autos) Offenzelligkeit und dadurch die geforderte
"Atmungsfähigkeit" des Schaumgegenstandes erzeugt.
Herkömmliche Trennmittel bestehen aus organischen
Lösungsmitteln und darin gelösten, dispergierten,
suspendierten oder emulgierten trennwirksamen Substanzen,
die in ihrer Gesamtheit als Festkörper bezeichnet werden.
Dieser kann, wie dem Fachmann geläufig, Wachse, Fette,
Silikonverbindungen, Weichmacher, Stabilisatoren,
Beschleuniger usw. enthalten. Die im Trennmittel überwie
gend vorhandenen Lösungsmittel wie beispielsweise Frigen,
Methylenchlorid, Trichlorethan, Perchlorethylen, Benzine
und hochsiedende Benzinkohlenwasserstoffe dienen als
Träger, um die trennwirksamen Substanzen als gleichmäßigen
Trennfilm auf die Werkzeugoberflächen aufzubringen.
Festkörperzusammensetzung, Festkörperanteil und Lösungs
mittelkombination werden in Abhängigkeit von der Formentem
peratur, der Ablüftezeit (Zeit vom Trennmittelauftrag bis
zum Komponenteneintrag) und jeweiligen Schaumsystem
(Integral-, Hartintegral-, Kaltweichschaum) konzipiert.
Auf diese Weise können die verschiedensten Gegenstände mit
sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden.
So wird beispielsweise Integralschaum zur Herstellung von
Lenkrädern für Automobile verwendet, wobei spezielle
Anforderungen an die Oberfläche (Gleichmäßigkeit und gute
Griffeigenschaften) gestellt werden. Die Formtemperatur
liegt bei der Herstellung von Integralschaum in der Regel
zwischen 30 und 50°C. Demgegenüber liegt die Temperatur
des Formwerkzeugs beim RIM-Verfahren (RIM-Schaum), das
häufig zur Herstellung von polierten Formteilen verwendet
wird, bei 50 bis 70°C. Ähnliche Temperaturen, nämlich im
Bereich von 40 bis 70°C, weisen die Formwerkzeuge bei der
Herstellung von Gegenständen als Kaltweichschaum, wie
Sitzen, Kopfstützen und Armlehnen für Automobile auf. Bei
der Herstellung von Gegenständen aus Hartschaum wie
Konsolen für Automobile, Fensterläden, Kühlschrankelemen
ten, Möbelteilen und Stühlen beträgt die Temperatur in der
Regel 30 bis 50°C.
Beim Trennmitteleintrag, der in dem meisten Fällen mittels
einer Spritz- bzw. Sprühvorrichtung erfolgt, verdampfen
die Lösungsmittel weitgehend als azeotropes Gemisch von
der je nach vorliegemdem Schaumsystem zwischen 25 und 70°C
erwarmten Werkzeugoberfläche. Gemeinsam mit dem Overspray
werden diese Dämpfe über entsprechende Absauganlagen aus
dem Arbeitsfeld entfernt. Abgesehen vom Verlust wertvoller
Rohstoffe ist in diesen Schadstoffemissionen eine
bedeutende Umweltbelastung zu sehen. Recycling-Verfahren
wären mit Adsorptionsanlagen denkbar, jedoch stellen hier
die in fein verteilter Form vorliegenden Feststoffanteile,
die weder über Filter noch Wasserwände eliminiert werden
können, ein großes Problem dar. Die sofort mit einer aus
Wachs und Fett belegten Adsorptionsschichten müßten in
kürzesten Zeitabständen regeneriert werden, was einen
enormen arbeitsmäßigen und finanziellen Aufwand bedeutet.
Aufgrund der geschilderten Probleme wird schon seit geraumer
Zeit angestrebt, Trennmittel auf wässriger Basis einzusetzen,
d.h. Trennmittel, bei denen organische Lösungsmittel weitgehend
und vorzugsweise vollständig durch Wasser ersetzt sind. Lösungs
mittelarme bzw. lösungsmittelfreie Trennmittel sind bekannt.
Es handelt sich dabei im wesentlichen um Fett-, Wachs- oder
Seifenemulsionen bzw. -dispersionen. Bei diesen Trennmitteln
besteht das Problem, daß nach dem Trennmittelauftrag die
Beschickung der Form mit den schaumbildenden Komponenten
bei den meisten der oben beschriebenen Schaumsysteme erst
dann erfolgen kann, wenn das Lösungsmittel, hier das Wasser,
weitestgehend abgedunstet ist, damit der Polymerisationsvor
gang nicht störend beeinflußt wird.
Der Grund dafür, daß unzureichendes Abdunsten des Wassers
bei Verwendung wässriger Trennmittel zu Produkten geringerer
Qualität führt, besteht in der parallel zur Polyol-Isocyanat
reaktion ablaufenden Konkurrenzreaktion zwischen Wasser und
Isocyanatgruppen (R-N=C=O + H2OR-NH2 + CO2), die Kohlendioxid
freisetzt und das genau abgestimmte Polyol/Isocyanat-Verhältnis
partiell verschiebt. Dies führt zu Schaumstörungen in Form
von Verfärbungen über Blasen, Lunkerbildungen (Gaseinschlüsse)
bis hin zum teilweisen Schaumkollaps. Da für das Abdunsten
von Trennmittelfilmen aufgrund der systembedingten Umlauftakte
moderner Schaumanlagen üblicherweise nur 10 bis 50 Sekunden
bei Temperaturen von maximal 65°C vorgegeben sind, was erwiese
nermaßen für eine genügende Eliminierung des Wassers aus
dem mehr oder weniger stark wasserbindenden Trennfilm unzu
reichend ist, können bei den meisten der heutigen Schaumtechno
logien wässrige Trennmittel nicht eingesetzt werden.
Bekannt ist der Einsatz wässriger Trennmittel für den fast
schon überholten Bereich der Heißverschäumung, wo hohe energie
aufwendige Formtemperaturen das Abdunsten des Wassers bewirken.
Ferner werden wässrige Trennmittel dort eingesetzt, wo an
die Oberflächenqualität der gefertigten Schaumteile nur geringe
Anforderungen gestellt werden, da ihre Oberflächen keine
Sichtflächen darstellen. Als Beispiel sei die Hinterschäumung
genannt.
Um wässrige Trennmittel wirtschaftlich auch in anderen Berei
chen einsetzen zu können, hat man diesen zur Reduzierung
der Ablüftezeiten Verdunstungsbeschleuniger in Mengen von
etwa 10 bis 30% zugesetzt. Hierbei handelt es sich um niedrig
siedende Alkohole, Ketone, Ester usw., welche abgesehen von
möglichen Störreaktionen mit dem Isocyanat auch weiterhin
eine erhebliche Umweltbelastung darstellen. Der Einsatz solcher
teils wässrigen teils lösungsmittelhaltigen Systeme hat sich
ebenfalls in der Praxis bisher nicht durchsetzen können.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
durch Beseitigung der mit dem schlechten Abdunstverhalten
des Wassers einhergehenden Nachteile die Verwendung wässriger
Trennmittel wirtschaftlich und umweltbezogen auch für solche
Schaumsysteme zu ermöglichen, die bisher aufgrund der Kürze
der anlagen- und systembedingten Taktzeiten einen solchen
Einsatz nicht zuließen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung
von Gegenständen aus Polyurethanschaum der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
ein lösungsmittelfreies wässriges Trennmittel in Kombination
mit einem oder mehreren Alkalisalzen von höheren C18-C30-Fett
säuren und einem oder mehreren höheren C4-C12-Alkoholen verwen
det und die Kombination in heißem Zustand auf die Formober
fläche aufbringt.
Es wurde überraschend gefunden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren zu einer drastischen Verkürzung der Abdunstzeit
der aufgebrachten Trennfilme und zu einer weitestgehenden
Entfernung des Wassers aus dem Trennmittelfilm führt. Dies
ist umso überraschender, als die an sich als Trennmittel
bekannten Seifenemulsionen beim Abdunstungsvorgang zu einer
wasserhaltenden Micellbildung führen. Ferner ist es überra
schend, daß die bei Verwendung üblicher Emulgatoren auftreten
den wasserbindenden pseudokristallinen Strukturen durch die
erfindungsgemäße Vorgehensweise anscheinend aufgehoben werden.
Die erfindungsgemäß verwendete Kombination stellt im heißen
Zustand jedenfalls ein dünnflüssiges Trennmittel dar, das
einen gleichmäßigen Trennmittelfilm bildet, aus dem das Wasser
innerhalb der oben genannten kurzen Taktzeiten von industri
ellen Schaumanlagen weitestgehend abdunstet.
Hinsichtlich der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren
wässrigen Trennmittel, die vollständig oder zumindest im
wesentlichen frei von organischen Lösungsmitteln sind, bestehen
keine Beschränkungen, d.h. sie liegen in Form von Emulsionen
bzw. Dispersionen vor und enthalten übliche trennwirksame
Substanzen als Festkörper (siehe oben), die in die wässrige
Basis eingearbeitet werden. Dies erfolgt nach den in der
Emulsions- und Dispersionstechnik üblichen Verfahren (vgl.
z.B. Seifen-Öle-Fette-Wachse, 107. Jahrgang, Nr. 14, 1981,
Seiten 391 bis 402). In der Regel wird das Wasser oder zumin
dest ein Teil des Wassers vorgelegt, und dann werden die
verschiedenen trennwirksamen Substanzen sowie gegebenenfalls
übliche Zusätze (siehe unten) zu diesen Substanzen eingearbeitet,
wobei erforderlichenfalls Emulgatoren verwendet werden. Die
Reihenfolge der Einarbeitung der trennwirksamen Substanzen
kann beliebig gewählt werden. Außerdem können selbstverständ
lich zur Erleichterung des Emulgiervorganges auch erhöhte
Temperaturen angewandt werden. Nähere Erläuterungen hierzu
sind nicht erforderlich, da der Fachmann in der Lage ist,
die Zusammensetzung des Trennmittels entsprechend den jewei
ligen Anforderungen zu konzipieren und die jeweils günstigste
Verfahrensweise für die Herstellung des so konzipierten Trenn
mittels zu wählen.
Als besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren
haben sich wässrige Trennmittel erwiesen, die als trennwirk
same Substanz synthetische und/oder natürliche Wachse wie
Mikrowachs und insbesondere Polyethylenwachs enthalten. Die
Auswahl des jeweils geeigneten Wachses liegt im Bereich des
Könnens des Fachmanns und richtet sich nach dem jeweiligen
Anwendungsgebiet. So werden beispielsweise für die Kaltweich
schaumanwendung weichere (niedriger schmelzende) Wachse als
bei der Herstellung von Gegenständen aus Integralschaum einge
setzt.
Wie schon oben erwähnt, können die erfindungsgemäß verwendeten
wässrigen Trennmittel weitere übliche Bestandteile enthalten.
Zu diesen gehören u.a. Biozide, auf das System abgestimmte
Polyurethanschaumstabilisatoren wie z.B. Silikonglykole bzw.
Polysiloxanglykole und Beschleuniger wie die auch in den
zum Stand der Technik gehörenden Lösungsmittelsystemen verwen
deten Zinnbeschleuniger (z.B. Dibutylzinndilaurat) und Aminbe
schleuniger (z.B. Bis-(2-dimethyl- aminoethyl)-ether). Zur
Erzielung der bei Kaltweichschaum häufig erforderlichen Offen
zelligkeit (siehe oben) können beispielsweise im Handel erhält
liche Glykolsiloxantenside (Silikon/Glykol-Copolymere) eingear
beitet werden. Diese wasserlöslichen Tenside können allerdings
auch der Polyolkomponente direkt zugesetzt werden.
Das Additiv, das erfindungsgemäß mit dem wässrigen Trennmittel
kombiniert wird, besteht aus einer wässrigen Lösung von einem
oder mehreren Alkalisalzen, vorzugsweise Kaliumsalzen, höherer
C18-C30- und vorzugsweise C22-C26-Fettsäuren und einem oder
mehreren höheren C4-C12- und vorzugsweise C6-C10-Alkoholen.
Die Herstellung des Additivs erfolgt in der Weise, daß das
oder die Alkalisalze der höheren Fettsäuren oder höhere Fett
säure bzw. Fettsäuren und Alkalilauge sowie höherer Alkohol
bzw. höhere Alkohole in Wasser eingebracht werden und die
Mischung dann unter Rühren auf etwa 80°C erwärmt wird. Der
Gehalt an höherem Alkohol des so hergestellten Additivs
beträgt 1 bis 5 Gew.%. Der Gehalt an Alkalisalz höherer
Fettsäure liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 12 Gew.%
und vorzugsweise 5 bis 9 Gew.%. Das Additiv wird dem
erfindungsgemäß verwendeten wässrigen Trennmittel in
Abhängigkeit von dessen Beschaffenheit und der vorgesehenen
Anwendung in ausreichender Menge und normalerweise in einer
Menge von 10 bis 50 Gew.% zugesetzt.
Alternativ können die Bestandteile des zuvor beschriebenen
Additivs, nämlich das oder die Alkalisalze höherer Fettsäuren
und der oder die höheren Alkohole, dem wässrigen Trennmittel
auch direkt zugegeben werden. Dies geschieht vorzugsweise
unmittelbar vor Verwendung des Trennmittels, um ein zweimali
ges Erwärmen zu vermeiden. Diese Verfahrensweise ist
allerdings weniger bevorzugt als die Verwendung des zuvor
beschriebenen Additivs.
Das wässrige Trennmittel und das erfindungsgemäß damit kombi
nierte Additiv werden unter Durchmischen zusammengegeben und
üblicherweise in einem Durchlauferhitzer auf die gewünschte
Temperatur von mindestens 75°C und vorzugsweise mindestens
80°C erwärmt. Dabei wird die erwärmte Kombination in der
Praxis dauernd im Umlauf gehalten, also dauernd zirkuliert, um
eine gleichförmige Durchmischung sicherzustellen und eine
Abscheidung von Bestandteilen zu vermeiden. Die auf die ge
wünschte Temperatur erhitzte Kombination wird dann in üblicher
Weise auf die Formoberfläche der Form aufgebracht, was vorzugs
weise durch Aufsprühen erfolgt (siehe oben).
Wichtig ist, daß die Konzentration des oder der höheren Alko
hole in der erfindungsgemäß verwendeten Kombination nicht
größer als 3 Gew.% und vorzugsweise nicht größer als 2 Gew.%
ist. Üblicherweise liegt die Konzentration dementsprechend im
Bereich von 1 bis 3 Gew.%. Die Konzentration des oder der
Alkalisalze höherer Fettsäuren liegt, bezogen auf die
Gesamtkombination, üblicherweise im Bereich von 0,5 bis
10 Gew.% und vorzugsweise 2 bis 7 Gew.%.
Wie bereits oben erwähnt, führt die Verwendung der erfindungs
gemäßen Kombination aus wässrigem Trennmittel und Alkalisalzen
höherer Fettsäuren sowie höheren Alkoholen zu einer drasti
schen Verkürzung der Abdunstzeiten der aufgebrachten
Trennmittelfilme und zu einer weitestgehenden Beseitigung des
Wassers aus dem Trennmittelfilm. Dieser Effekt tritt nur dann
auf, wenn das wässrige Trennmittel vermischt mit dem Additiv
vor der Aufbringung auf mindestens 75°C erhitzt wird.
Wahrscheinlich beruht dieser Effekt neben der Oberflächen
spannungsreduzierung auf der Zerstörung der bei der Verwendung
von herkömmlichen Seifenemulsionen erfolgenden wasserhaltenden
Micellbildung sowie auf der Aufhebung ebenfalls wasserbinden
der pseudokristalliner Strukturen, die durch die Verwendung
üblicher Emulgatoren verursacht werden. Hinzu kommt, daß eine
Zerstörung der sonst bei diesen Temperaturen meist instabilen
Emulsionen durch die stabilisierende Wirkung des erfindungs
gemäß verwendeten Additivs verhindert wird. Das erfindungs
gemäße Additiv hat als solches trennwirksame Eigenschaften und
verbessert dadurch zusätzlich die Trennwirksamkeit der
herkömmlichen Trennemulsionen.
Bei der Herstellung von Gegenständen aus Kaltweichschaum
(Automobilteile) sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit
dem folgenden wässrigen Trennmittel sehr gute Ergebnisse
erzielt worden:
Polyethylenwachs0,5 Gew.-%
Emulgator
(sekundäres lineares Alkansulfonat
in Form des Natriumsalzes;
60% wirksame Substanz)1,3 Gew.-% Schaumstabilisator (siehe oben)0,3 Gew.-% WasserRest
(sekundäres lineares Alkansulfonat
in Form des Natriumsalzes;
60% wirksame Substanz)1,3 Gew.-% Schaumstabilisator (siehe oben)0,3 Gew.-% WasserRest
Dieses wäßrige Trennmittel wurde mit unterschiedlichen Mengen
(z. B. im Verhältnis 3 : 1) des folgendermaßen zusammengesetzten
Additivs kombiniert:
Behensäure8 Gew.-%
KOH1,6 Gew.-%
C₆-C₁₀-Alkohol4 Gew.-%
WasserRest
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Poly
urethanschaum, bei dem der Gegenstand in herkömm
licher Weise durch Schäumen in einer Form hergestellt
und auf die Formoberfläche vor der Beschickung mit
den schaumbildenden Komponenten ein Trennmittel
aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
ein lösungsmittelfreies wässriges Trennmittel in
Kombination mit einem oder mehreren Alkalisalzen
von höheren C18-C30-Fettsäuren und einem oder mehreren
höheren C4-C12-Alkoholen verwendet und die Kombination
in heißem Zustand auf die Formoberfläche aufbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man den oder die höheren Alkohole, bezogen auf
die Gesamtkombination, in einer Menge von maximal
3 Gew.% und vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.%
verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß man die Kombination mit einer Temperatur
von mindestens 75°C und vorzugsweise mindestens
80°C aufbringt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man ein oder mehrere Alkalisalze
von höheren C22-C26-Fettsäuren verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß man Kaliumsalze höherer Fettsäuren
verwendet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß man Kaliumbehenat als Alkali
salz höherer Fettsäuren verwendet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß man höhere C6-C10-Alkohole verwen
det.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß man das oder die Alkalisalze
höherer Fettsäuren, bezogen auf die Gesamtkombination,
in einer Menge von 0,5 bis 10 und vorzugsweise 2
bis 7 Gew.% verwendet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß man das wässrige lösungsmittel
freie Trennmittel in Form einer Emulsion oder Disper
sion einsetzt, wobei es sich vorzugsweise um eine
Emulsion oder Dispersion von synthetischen oder
natürlichen Wachsen, insbesondere Polyethylenwachs,
handelt.
10. Additiv für die Durchführung des Verfahrens gemäß
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein oder
mehrere Alkalisalze höherer C18-C30- und vorzugsweise
C22-C26-Fettsäuren, 1 bis 5 Gew.% eines oder mehrerer
höherer C4-C12- und vorzugsweise C6-C10-Alkohole
und im übrigen Wasser enthält.
11. Additiv nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß es 1 bis 12 und vorzugsweise 5 bis 9 Gew.% eines
oder mehrerer Alkalisalze höherer Fettsäuren enthält.
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