粘彈性聚氨酯泡沫的制作方法

專利名稱：粘彈性聚氨酯泡沫的制作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及具有1-30磅/立方英尺的密度的粘彈性聚氨酯泡沫。更具體地，本發明涉及由具有可改進所述泡沫物理性質和粘彈性的擴鏈劑的組合物形成的粘彈性聚氨酯泡沫。
2.相關技術的描述多種相關技術的粘彈性泡沫由作為異氰酸酯組分和與異氰酸酯反應的異氰酸酯反應性組分的反應產物的組合物形成。這些相關技術的泡沫在美國專利No.6,204,300；歐洲專利申請No.1,178,061；和PCT公開WO01/32736中得到了說明。
粘彈性聚氨酯泡沫目前在美國是一個具有前景的領域。其主要用于家庭和辦公設備，盡管對于汽車應用已經進行了大量的工作。在美國應用于家庭設備的粘彈性泡沫的市場目前估計約為2500萬磅/年。雖然現在市場規模相對小，但是其正以約為每年20％-30％的預計速率增長。
粘彈性泡沫在壓縮循環過程中表現出緩慢的回復以及由此的高滯后性。其通常也具有低的落球回彈值。這些特性可能是由低氣流引起的，因為回復會受到空氣再進入所述泡沫的速率限制，或者由發泡聚合物的固有性質所致。聚合物粘彈性通常是溫度敏感的，以及當聚合物經歷玻璃化轉變時最大化。對于目前研究的粘彈性泡沫，這種玻璃化轉變由于所述聚醚軟段相的玻璃化引起。通過控制軟段相的結構和組成，以使得玻璃化轉變溫度近似地與材料的“使用溫度”相符合，該材料的粘彈特性得以最大化。當這種材料被用于床墊中或用作坐墊時，來自使用者的體熱可加熱一部分的所述材料，由此使其軟化。結果墊子成型為與其接觸的身體部分的形狀，從而產生更均勻的壓力分布，這可提高舒適性。另外，材料的其余部分保持堅硬，提供支撐。因而，溫度敏感性可提高所述材料的有效支撐系數，這使得不必使用金屬彈簧而構造墊子。
選擇和設計異氰酸酯組分的類型以及異氰酸酯反應性組分的官能度和羥基值以使得玻璃化轉變在泡沫的使用溫度下發生。盡管粘彈性泡沫的大多數物理性質類似于常規泡沫的性質，但是粘彈性泡沫的回彈性低得多，通常小于約15％。粘彈性泡沫的合適應用領域利用了其形狀適應性、能量衰減性和消音性。獲得這些特性的一種途徑是改變異氰酸酯反應性組分、異氰酸酯組分、表面活性劑、催化劑、填料的用量和種類，如美國專利No.4,367,259中的那樣，或者改變其他組分的用量和種類，以得到具有低回彈性、良好柔軟度和適當加工特性的泡沫。然而，進行這些配方設計的手段往往是不合需要地有限的。這些方法在美國專利No.6,495,611和5,420,170中作了說明。其他相關技術泡沫在美國專利No.4,334,031；4,374,935；和4,568,702；PCT公開WO01/25305；歐洲專利No.0934962；以及歐洲專利申請No.1125958和0778301中作了說明。然而，這些相關技術專利中均未公開或提出本發明的獨特而新穎的聚氨酯粘彈性泡沫。
其他制造粘彈性泡沫的方法關鍵在于尋找聚醚多元醇和其他組分的適當混合物。例如，美國專利No.4,987,156用羥基官能度分別至少為2的高分子量和低分子量多元醇的混合物和凝固點小于-20℃的增塑劑而得到了柔軟的低回彈性泡沫。然而，該’156專利沒有公開粘彈性泡沫并且要求所述多元醇和異氰酸酯在所述增塑劑的存在下反應。美國專利No.5,420,170教導了使用包括一種羥基官能度為2.3-2.8的多元醇和另一種官能度2-3的多元醇的混合物。美國專利No.5,919,395用包含官能度為2.5-6、重均分子量為2500-6500的多元醇與分子量為300-1000、官能度為2.5-6的剛性多元醇的多元醇混合物采取相似的方法。該’170專利和該’395專利均沒有公開向組合物中添加擴鏈劑以改變泡沫的玻璃化轉變溫度。
另一種相關技術組合物在Lutter和Mente的題為“Novel MDI-BasedSlabstock Foam Technology”的論文中得到公開。所公開的組合物由異氰酸酯封端的預聚物、柔性多元醇和富含環氧乙烷的多元醇制得粘彈性泡沫。然而，該論文沒有公開以顯著量存在從而制備具有改進性質的粘彈性泡沫的擴鏈劑。
一元醇(monol)，例如單官能醇類，出于多種原因也已經被包括在柔性聚氨酯泡沫中，但其很少用于粘彈性泡沫(例如美國專利No.6,391,935)中。該’935專利公開了一種基于TDI的粘彈性泡沫，它沒有公開基本上不含TDI的泡沫。該’935專利也沒有公開使用擴鏈劑以改變泡沫的玻璃化轉變溫度。包括一元醇的大多數參考文獻教導了形成具有高回彈性泡沫的組合物，例如美國專利No.4,981,880、3,875,086和3,405,077。然而，這些參考文獻均未公開使用基本上不含阻燃劑的包含擴鏈劑以制備粘彈性泡沫的組合物。
其他參考文獻教導了低分子量單官能材料的使用。例如，美國專利No.5,631,319教導了在非粘彈性泡沫中使用與羥基酮聯合的C1-C25一元醇。美國專利No.4,209,593教導了使用萘酚或其他“大體積”單羥基化合物以制造能量吸收泡沫。該’319專利和該’593專利都沒有公開根據本發明的粘彈性泡沫。不幸的是，在粘彈性泡沫中包含低分子量(＜1000)、高羥基值(＞60mg KOH/g)的一元醇會不利地影響重要的泡沫性質，特別是壓縮形變。另外，任何一元醇會保持大量未反應狀態，尤其是在低指數配方中，從而導致觸覺上油性的并且具有不良“手感”的泡沫。
歐洲專利申請No.0913414公開了可包含聚醚一元醇的粘彈性聚氨酯泡沫。該一元醇具有小于1500的分子量，并與分子量大于1800的多元醇一起使用。所有實施例制備具有小于90的低異氰酸酯指數的泡沫。美國專利No.4,950,695教導了用于軟化柔性聚氨酯泡沫的單官能醇或聚醚。該配方還包括分子量為2000-6500的三元醇。該’695專利沒有公開不添加附加阻燃劑而呈阻燃性的粘彈性泡沫。
這些泡沫表現出一個或多個不足之處。因此，提供克服這些不足之處的粘彈性聚氨酯泡沫將是有利的。此外，提供由作為異氰酸酯組分和異氰酸酯反應性組分的反應產物并且包含擴鏈劑以改進泡沫的物理性質和粘彈性的組合物而形成的粘彈性泡沫將是有利的。
本發明及其優點的概述本發明提供了一種具有1-30磅/立方英尺的密度的粘彈性聚氨酯泡沫。所述泡沫是基本上不含甲苯二異氰酸酯的異氰酸酯組分、異氰酸酯反應性組分和主鏈具有2-8個碳原子的擴鏈劑的反應產物。另外選擇所述擴鏈劑以具有小于1,000的分子量。基于100重量份所述組合物，所述擴鏈劑的用量為5-50重量份。所述組合物可制備具有5-65℃的玻璃化轉變溫度和0.40-1.75的tanδ峰值的泡沫。
因此，本發明提供了作為異氰酸酯組分、異氰酸酯反應性組分和擴鏈劑的反應產物的粘彈性聚氨酯泡沫。所述擴鏈劑在制備具有接近于泡沫使用溫度的所需玻璃化轉變溫度的泡沫中提供更大的柔性。此外，用具有擴鏈劑的組合物制成的泡沫在保持泡沫粘彈性的同時還具有改進的物理性質。因此，本發明克服了相關技術具有的不足。
附圖簡要說明當結合附圖考慮時通過參照下列詳細描述，將容易認識到本發明的其他優點并且其同時能夠得到更好的理解，其中

圖1是說明擴鏈劑用量和異氰酸酯指數對根據本發明所形成的粘彈性聚氨酯泡沫的玻璃化轉變溫度的影響的圖示；圖2是說明增加擴鏈劑用量和增加異氰酸酯指數對調節根據本發明所形成的粘彈性聚氨酯泡沫的DMTA性質的影響的圖示；圖3是說明基于增加擴鏈劑用量和異氰酸酯指數的粘彈性聚氨酯泡沫硬度的圖示；圖4是說明增加一元醇用量對粘彈性聚氨酯泡沫的玻璃化轉變的影響的圖示；和圖5是說明與商購粘彈性泡沫制品的DMTA曲線圖比較的根據本發明制備的粘彈性聚氨酯泡沫的DMTA曲線圖的圖示。
發明詳述本發明提供了一種具有1-30磅/立方英尺(pcf)的密度的粘彈性聚氨酯泡沫。優選地，所述粘彈性聚氨酯泡沫具有2.5-25pcf、更優選3-18pcf的密度。測量多種性質以確定該泡沫是否呈粘彈性。一種性質是泡沫的玻璃化轉變溫度。玻璃化轉變溫度通過動態力學熱分析(DMTA)測量。其玻璃化轉變溫度通常為約5-50℃，優選10-40℃，更優選15-35℃。DMTA還產生峰值tanδ，其顯示泡沫在壓縮循環過程中消散能量的能力并且與泡沫的回復時間有關。所述峰值tanδ約為0.3-1.8，優選0.4-1.75，更優選0.9-1.5。玻璃化轉變溫度和峰值tanδ由泡沫的軟段相的玻璃化引起。玻璃化作用利用的是所述軟段相的結構和組成，以使所述玻璃化轉變溫度近似地與泡沫的使用溫度相符合，由此使泡沫的粘彈特性最大化。
有利的、但與粘彈性質并非特別相關的其他物理性質包括密度、硬度和回復特性。回復特性差的泡沫會導致指紋，即觸摸后指紋長時間地(例如大于1分鐘)保留在泡沫中。另外，由本發明形成的泡沫應具有不發粘且不具有接觸可發覺的任何油質殘留物的表面。
本發明的泡沫是基本上不含甲苯二異氰酸酯的異氰酸酯組分與異氰酸酯反應性組分和擴鏈劑的反應產物。所屬領域技術人員可認識到該泡沫是由包括所述異氰酸酯組分、異氰酸酯反應性組分和擴鏈劑的組合物形成的。下文中提及這些組分的含量可能是針對所述泡沫或者所述組合物，因為正如本領域技術人員所理解的那樣在整個反應中必須平衡質量。
應當理解的是，基本上不含甲苯二異氰酸酯指的是以100重量份所述異氰酸酯組分計小于8重量份，優選以100重量份異氰酸酯組分計小于5重量份。更優選地，所述異氰酸酯組分完全不含甲苯二異氰酸酯，即以100重量份異氰酸酯組分計的0重量份。
然而，應當理解的是，在不影響聚氨酯泡沫的粘彈特性的情況下，該泡沫可以包含最小量的甲苯二異氰酸酯。如本領域中已知的，異氰酸酯指數是異氰酸酯組分中NCO基團與異氰酸酯反應性組分中OH基團的比值。優選地，異氰酸酯指數為75-110、更優選80-105。本領域技術人員可以認識到異氰酸酯組分的用量可通過結合異氰酸酯指數與存在的異氰酸酯反應性組分的量而確定。
優選地，所述異氰酸酯組分選自純二苯甲烷二異氰酸酯和聚合的二苯甲烷二異氰酸酯中的至少一個。純二苯甲烷二異氰酸酯被本領域技術人員理解為包括二苯甲烷-2，4’-二異氰酸酯和二苯甲烷-4，4’-二異氰酸酯。聚合的二苯甲烷二異氰酸酯被本領域技術人員理解為包括具有3-環化合物、4-環化合、5-環化合物和更高同系物的多環聚異氰酸酯。一種實施方式中，純二苯甲烷二異氰酸酯基于100重量份異氰酸酯組分以50-99重量份的量存在以及聚合的二苯甲烷二異氰酸酯基于100重量份異氰酸酯組分以1-50重量份的量存在。所述純二苯甲烷二異氰酸酯包括基于100重量份純二苯甲烷二異氰酸酯以1-45重量份的量存在的二苯甲烷-2，4’-二異氰酸酯和基于100重量份純二苯甲烷二異氰酸酯以55-99重量份的量存在的二苯甲烷-4，4’-二異氰酸酯。合適異氰酸酯的實例包括但不限于從BASF公司可購得的LUPRANATEMS、LUPRANATEM20S、LUPRANATEMI、和LUPRANATEM10、LUPRANATEM70和LUPRANATEM200異氰酸酯，以及No.236異氰酸酯、No.233異氰酸酯和No.278異氰酸酯。
另一實施方式中，所述異氰酸酯組分可作為異氰酸酯封端的預聚物加入。該預聚物是異氰酸酯和多元醇(polyol)的反應產物。所述多元醇具有大于1,000的重均分子量并且基于100重量份異氰酸酯組分以1-20重量份的量存在。所述多元醇可選自乙二醇、二甘醇、丙二醇、雙丙甘醇、丁二醇、甘油、三羥甲基丙烷、三乙醇胺、季戊四醇和山梨糖醇中的至少一個。所述多元醇也可以是選自但不限于乙二胺、甲苯二胺、二氨基二苯基甲烷和聚亞甲基聚亞苯基多胺的多元胺，以及氨基醇。氨基醇的實例包括乙醇胺和二乙醇胺、三乙醇胺及其混合物。合適多元醇的實例包括但不限于從BASF公司可購得的PLURACOL2100、PLURACOL2115、PLURACOL2120、和PLURACOL2130、PLURACOL2145、PLURACOL593、PLURACOL945、PLURACOL1509、PLURACOL1051、PLURACOL1385、PLURACOL381、PLURACOL726、PLURACOL220、PLURACOL718、PLURACOL1718、PLURACOL1442和PLURACOL1117多元醇。
所述異氰酸酯反應性組分包括選自聚醚多元醇和聚酯多元醇中至少一個的多元醇。優選地，所述多元醇具有20-200mg KOH/g多元醇的羥基值。多元醇用引發劑形成，如本領域中已知那樣，并且可選自乙二醇、二甘醇、丙二醇、雙丙甘醇、丁二醇、甘油、三羥甲基丙烷、三乙醇胺、季戊四醇和山梨糖醇中的至少一個。所述多元醇也可以是選自但不限于乙二胺、甲苯二胺、二氨基二苯基甲烷和聚亞甲基聚亞苯基多胺的多元胺，以及氨基醇。氨基醇的實例包括乙醇胺和二乙醇胺、三乙醇胺及其混合物。
所述聚酯多元醇可通過適當比例的二元醇和更高官能度的多元醇與多元羧酸的縮合得到。更進一步適合的多元醇包括羥基封端的聚硫醚、聚酰胺、聚酯酰胺、聚碳酸酯、聚縮醛、聚烯烴和聚硅氧烷。優選的多元醇是包含環氧乙烷和/或環氧丙烷基團的聚醚多元醇。可用的其他多元醇包括加成或縮合聚合物在上述類型的多元醇中的分散體或溶液。這種改性多元醇，通常被稱為“聚合物”多元醇，已經在現有技術中得以充分描述并且包括通過一種或多種乙烯基單體(例如苯乙烯和丙烯腈)在聚合的多元醇(例如聚醚多元醇)中的原位聚合或者通過多聚異氰酸酯與氨基-或羥基官能的化合物(例如三乙醇胺)之間在聚合的多元醇中的原位反應所得到的產物。
優選所述異氰酸酯反應性組分包括富含環氧乙烷(EO)的多元醇和柔性多元醇。如本領域技術人員所理解的，該富含EO的多元醇具有40-95％、優選50-90％、更優選65-85％的環氧乙烷基團含量。該柔性多元醇具有小于110的羥基值。適合的富含EO多元醇的實例包括但不限于從BASF公司可購得的PLURACOL593和PLURACOL1123多元醇。適合的柔性多元醇的實例包括但不限于從BASF0公司可購得的PLURACOL2100、PLURACOL380、PLURACOL2115、PLURACOL2120和PLURACOL2130、PLURACOL2145、PLURACOL945、PLURACOL1509、PLURACOL1051、PLURACOL1385、PLURACOL1538、PLURACOL381、PLURACOL726、PLURACOL220、PLURACOL718、PLURACOL1718、PLURACOL1442和PLURACOL1117和PLURACOL1135多元醇。
所述組合物進一步包括主鏈具有2-8個碳原子的擴鏈劑。優選地，所述主鏈具有2-6個碳原子。該擴鏈劑另外具有小于1,000的重均分子量。優選地，所述擴鏈劑具有25-250、更優選小于100的重均分子量。擴鏈劑可基于100重量份所述組合物以5-50重量份、優選5-30重量份、更優選5-15重量份的量存在。
所述擴鏈劑具有兩個異氰酸酯反應性基團。優選地，所述擴鏈劑是具有羥基作為異氰酸酯反應性基團的二醇。更優選地，所述擴鏈劑選自1，4-丁二醇、1，3-丁二醇、2，3-丁二醇、1，2-丁二醇、1，3-丙二醇、1，5-戊二醇、乙二醇、二甘醇和重均分子量至多為200的聚乙二醇中的至少一個。可商購擴鏈劑的一個合適實例是來自Crompton OSI的NIAXDP-1022。
所述擴鏈劑可提高泡沫的玻璃化轉變溫度(Tg)。所述擴鏈劑與異氰酸酯組分反應以形成泡沫中的聚氨酯硬段，其被引入所述軟段相中并提高軟段的Tg。這使得可以不依賴于泡沫的密度而在寬溫度范圍內調整Tg，這在以前是不可能的。本發明通過調節擴鏈劑含量而提供柔性以制備具有寬范圍Tg的泡沫。應當注意的是除了調節擴鏈劑含量之外，提高異氰酸酯指數也可提高Tg。通過同時調節異氰酸酯指數，所述Tg和硬度均可獨立地改變。
所述組合物可進一步包括交聯劑。如果包括的話，交聯劑基于100重量份以2-18重量份、優選4-16重量份、更優選4-15重量份的量存在。優選地，所述交聯劑是基于胺的交聯劑，更優選地，該基于胺的交聯劑選自三乙醇胺、二乙醇胺、乙二胺及羥基值大于250的其烷氧基化產物中的至少一個。然而，應當認識到，不同于基于胺的交聯劑的其他類型交聯劑可以用于本發明中。具有大于250的羥基值和大于2的官能度的多元醇可在本發明中用作交聯劑。一種合適的交聯劑是可從BASF公司購得的Pluracol355，但并不限于此。
一元醇也可包括在所述組合物中，并且如果包括的話，基于100重量份組合物其以1-15重量份的量存在以增加泡沫的tanδ峰值。優選地，該一元醇選自芐醇、2，2-二甲基-1，3-二氧戊環-4-甲醇和脂肪醇乙氧基化物中的至少一個。增加所述一元醇可提高所述泡沫的峰值tanδ，同時也軟化泡沫和減緩回復作用。Tg也會隨著一元醇含量的增加而提高，這樣形成相對于其他樹脂副組分而言更多的聚氨酯，這是由于其高羥基含量所致。所述一元醇也可包括其他典型的表面活性劑。合適一元醇的實例包括但不限于從Chemische Werke Hommel GmbH可購得的Solketal，從BASF公司可購得的ICONOLTMDA-4、ICONOLTMDA-6、MACOLLA4、PLURAFACRA-40、PLURAFACLF4030和INDUSTROLTFA-8。
所述組合物可包括具有鏈烷烴鏈、環狀烴鏈和芳族烴鏈中至少一個的擴孔劑(cell opener)，并且如果包括的話，基于100重量份組合物其以1-15、優選1-12、更優選3-12重量份的量存在。優選地，該擴孔劑是礦物油。然而，其他擴孔劑也可使用，其包括但不限于硅油、玉米油、棕櫚油、亞麻籽油、豆油和基于微粒如二氧化硅的消泡劑。用所述擴孔劑形成的泡沫與不用擴孔劑的那些相比發粘性顯著更小，并且該泡沫不具有油質殘留物。已經確定的是包含以100重量份組合物計小于2.5重量份擴孔劑的泡沫具有在觸摸后保留指紋的較小傾向。然而，應當認識到改變組合物的其他組分也可以影響指紋作用。所述擴孔劑可增加通過泡沫的氣流并減少泡沫的回復時間。它還降低壓縮形變。合適擴孔劑的一個實例是從Mallinckrodt Chemicals可購得的白色、輕質礦物油。
如本領域技術人員已知的那樣，所述組合物可進一步包括其他添加劑例如穩定劑或催化劑。合適穩定劑的實例為從Goldschmidt ChemicalCorporation均可購得的TEGOSTABB-8409和TEGOSTABB-8418，但不限于此。交聯劑的實例包括但不限于從Air Products and ChemicalsInc.可購得的DABCO33LV或DABCOBL-11。
從本發明的組合物形成的泡沫具有5-65℃的玻璃化轉變溫度和0.40-1.75的tanδ峰值，如下文將更充分地描述的那樣。如前所述，存在于組合物中的擴鏈劑的量可影響玻璃化轉變發生的溫度以及另外影響泡沫的tanδ峰值。當擴鏈劑以上述優選量存在時，所述泡沫具有15-35℃的玻璃化轉變溫度和0.9-1.5的tanδ峰值。優選選擇、設計和改變擴鏈劑和一元醇的量以使得所述泡沫在其使用溫度下具有玻璃化轉變。當考慮到泡沫可能用于具有變化溫度的領域中時這尤其重要，并且可能有利的是改變所述組合物以使得所述泡沫更好地適合于特定的溫度。“使用溫度”可基于體溫、一年中的時節、地理位置或以上全部因素。
本發明進一步提供一種了形成粘彈性聚氨酯泡沫的方法，其包括提供基本上不含阻燃劑的異氰酸酯組分、提供異氰酸酯反應性組分以及提供上述擴鏈劑的步驟。該方法進一步包括將所述異氰酸酯組分、異氰酸酯反應性組分和擴鏈劑反應以形成具有5-65℃玻璃化轉變溫度和0.40-1.75的tanδ峰值的泡沫的步驟。
實施例根據本發明形成粘彈性聚氨酯泡沫。除非另作說明，形成所述組合物的各組分以重量份列出。如上所述，異氰酸酯指數是異氰酸酯組分中-NCO基團與異氰酸酯反應性組分中-OH基團的比值。
表1代表在下列實施例中進一步描述的一般配方。該基礎配方如下列實施例中所示通過改變多元醇C、擴鏈劑、交聯劑、一元醇、水的量以及通過改變異氰酸酯指數而改變。除非在下列表中另行注明，所用水的量為1.4pbw以及所用催化劑2的量為0.2pbw。
表1基礎配方
多元醇A是官能度為2.96、重均分子量3606、羥基值460、75％EO-25％PO混雜的從BASF公司可購得的PLURACOL593多元醇，以及多元醇B是官能度為3、重均分子量6000、羥基值25、5％EO-95％PO混雜的從BASF公司可購得的PLURACOL220多元醇。交聯劑是官能度3.96、重均分子量491、羥基值453、10％EO-77.9％PO的從BASF公司可購得的PLURACOL355多元醇。異氰酸酯組分是各自可從BASF公司購得的48.7重量份異氰酸酯No.233、31.6重量份LUPRANATEMI、和19.7重量份LUPRANATEM20S異氰酸酯的混合物。擴鏈劑是1，4-丁二醇。添加劑是穩定劑，從Goldschmidt Chemical Corporation可購得的TEGOSTABB-8418。催化劑1是從Crompton OSI可購得的NIAXA-1。催化劑2是從Air Products and Chemicals，Inc.可購得的DABCO33LV。一元醇是芐醇。
如下列實施例中論述的，泡沫在用標準手動攪拌技術的手動攪拌器中制備。在手動攪拌器中，將除了異氰酸酯的所有組分加入至64盎司的紙杯中，并用在2200rpm下旋轉的直徑3英寸的圓形混合槳葉進行預混48秒。然后加入異氰酸酯組分，混合8秒。將該混合物倒入5加侖的桶中并在室溫下固化至少30分鐘。然后將泡沫放于設定在250°F下的烘箱中16小時。如下表中所示，用M-30實驗室規模的連續攪拌機制成一些泡沫。20分鐘后從傳送裝置中取出這些機器制備的泡沫，在切割前使其固化過夜。不對這些實施例中所述的泡沫進行粉碎。根據以下所列ASTM參考資料進行物理性質試驗。
對根據本發明制備的泡沫測量其多種物理性質。密度根據ASTMD1622測量。壓痕力撓曲(IFD)根據ASTM D3574在25％、50％、65％和25％恢復下測定。塊狀撕裂(block tear)根據ASTM D1938測量。抗張強度根據ASTM D3574測量。落球回彈性根據ASTM D3574測量。Frazier氣流根據ASTM D737測量。壓縮形變根據ASTM D395測量以及熱老化根據D3574測定。DMTA根據D4065用Rheometrics RSA II測定并且沖切2cm寬1/2英寸厚的圓盤形試樣用于該測量。采用0.5％應變、1Hz頻率和5℃/min的加熱速率。
表2說明了擴鏈劑基于100重量份的組合物以0-7.5重量份的量存在、水以2.42或2.80的量存在的表1中所示基礎配方，并且異氰酸酯指數為90或95。對各個實施例測量所得到的物理性質并在下面列出。
表2 擴鏈劑和異氰酸酯指數對Tg的影響
初始塊狀撕裂＝original block tear參照圖1、2和3，圖示地說明來自表2的結果。通常，當擴鏈劑的量增加時，泡沫的Tg提高。同樣，當異氰酸酯指數增加時，泡沫的Tg提高。泡沫的峰值tanδ通常隨著異氰酸酯指數的增加而降低，但是擴鏈劑的量沒有實質上影響峰值tanδ。對于100或更小的異氰酸酯指數，泡沫的硬度基本上不受增加擴鏈劑用量的影響。當異氰酸酯指數為105時，通過增加擴鏈劑用量而提高硬度。改變水的用量以改進泡沫的密度。
表3說明擴鏈劑用量和異氰酸酯指數對泡沫收縮的影響。
表3擴鏈劑和異氰酸酯指數對泡沫收縮的影響
從表3可以確定的是，增加異氰酸酯指數使泡沫的收縮傾向增加。然而，似乎通過增加擴鏈劑用量，高異氰酸酯指數下的收縮可得以減少。
表4說明改變多元醇C的量對泡沫物理性質和粘彈性的影響。表4中，催化劑2以0.1pbw的量存在。
表4多元醇C用量對Tg和泡沫收縮的影響
增加多元醇C的量傾向于增加泡沫密度，同時也可改進張力和伸長率。然而，增加多元醇C的量降低了Frazier氣流。泡沫的粘彈性似乎不受增加多元醇C用量的影響。
表5說明由具有基于100重量份組合物以12重量份的量存在的擴鏈劑和異氰酸酯指數為95的表1配方所制備的泡沫的物理性質。實施例19沒有附加阻燃劑，而實施例20具有基于100重量份組合物以6重量份的量存在的阻燃劑。實施例19和20的泡沫通過上述的機器制備。
表5具有12pbw擴鏈劑的泡沫的性質
應當注意到的是，實施例19和20都沒有通過垂直明火實驗(verticalopen flame test)，但通過了煙草悶燃實驗(cigarette smoldering test)，這兩種實驗是本領域技術人員已知的。盡管實施例20沒有通過垂直明火實驗，炭長(char length)和后燃燒(after flame)值與實施例19相比得以改進。
表6說明改變存在于組合物中的一元醇用量的影響。下列實施例按照具有基于100重量份組合物以7重量份的量存在的擴鏈劑和異氰酸酯指數為100的表1配方而形成。表6中，催化劑2以0.1pbw的量存在。
表6一元醇用量對泡沫的影響
參照圖4，圖示說明以上結果。通常，增加一元醇的量可同時改進泡沫的Tg和峰值tanδ，從而導致改進的粘彈性。增加的一元醇還降低了泡沫的硬度使其更柔軟，然而，它也降低了泡沫的張力、伸長率和撕裂強度。
表7說明存在的交聯劑的量的影響和由此對Tg產生的影響。泡沫按照表1的配方制備，除了不存在多元醇B。擴鏈劑基于100重量份組合物以7重量份的量存在。異氰酸酯指數為100。表7中，催化劑2以0.1pbw Dabco33LV存在。同樣，交聯劑是三乙醇胺(TEOA)而不是Pluracol 355。
表7交聯劑對泡沫Tg的影響
從表7可以確定的是，通過增加交聯劑用量增加了Tg，但降低了峰值tanδ。希望保持較高的峰值tanδ，因為其表示泡沫在壓縮循環過程中消散能量的能力并且與回復時間有關。Frazier氣流也隨著交聯劑量的增加而降低。同樣由表7結合表6、實施例23得出，具有6重量份TEOA的實施例27得到與具有12重量份Pluracol 355的實施例23相似的性質。
表8說明擴孔劑對泡沫的影響。泡沫按照表1的配方制備。擴鏈劑基于100重量份組合物以7重量份的量存在，異氰酸酯指數為100。表8中，催化劑2以0.1重量份的量存在并且異氰酸酯以80.7重量份的量存在。
表8擴孔劑對泡沫的影響
增加擴孔劑的用量似乎不會影響基于Tg和峰值tanδ的泡沫粘彈性。然而，增加擴孔劑用量確實增加了通過泡沫的氣流量，其表明泡沫具有改進的壓縮回復性。因此，所得到的泡沫具有改進的回復性，但不犧牲任何物理性質或粘彈性。
表9說明商購的高密度、粘彈性泡沫的比較例。該對比泡沫具有約5.3磅/英尺3的密度。
表9對比高密度粘彈性泡沫的性質
表9中的比較例與表5中的實施例20相比，該比較例和實施例20都具有相似的密度。該比較例具有85g/l的密度而實施例20具有91g/l的密度。實施例20具有更好的張力、熱老化張力和抗撕裂性質。實施例20具有0％的高度損失，然而所述比較例具有1.5％的損失。因此，實施例20具有與比較例相比更好的疲勞特性。所述比較例具有28℃的Tg而實施例20具有30.3℃的Tg，顯示各自具有相似的粘彈性質。兩者都通過了香煙悶燃實驗，但實施例20沒有通過垂直明火實驗。圖5說明另一Tg為23.9℃和峰值tanδ為1.56的對比粘彈性泡沫實例的DMTA曲線。根據本發明泡沫的另一實例的DMTA曲線也在示于圖5中，其具有23.5℃的Tg和1.23的峰值tanδ。
顯然，本發明的許多改進和變化根據上述的教導是可能的。除了如具體描述的那樣以外，本發明可在所附權利要求的范圍內實施。
權利要求
1.一種具有1-30磅/立方英尺(16-480g/l)的密度的粘彈性聚氨酯泡沫，所述泡沫包含下列物質的反應產物異氰酸酯組分；異氰酸酯反應性組分；主鏈具有2-8個碳原子并且重均分子量小于1,000的擴鏈劑，其中所述擴鏈劑基于100重量份所述泡沫以5-50重量份的量使用；以及所述泡沫具有5-65℃的玻璃化轉變溫度和0.40-1.75的峰值tanδ。
2.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑基于100重量份所述泡沫以5-30重量份的量使用。
3.如權利要求2中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑具有25-250的重均分子量。
4.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑基于100重量份所述泡沫以5-15重量份的量使用。
5.如權利要求4中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑具有小于100的重均分子量。
6.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑具有兩個異氰酸酯反應性基團。
7.如權利要求6中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑是具有羥基作為所述異氰酸酯反應性基團的二醇。
8.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑進一步限定為具有2-6個碳原子。
9.如權利要求8中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑選自1，4-丁二醇、1，3-丁二醇、2，3-丁二醇、1，2-丁二醇、1，3-丙二醇和1，5-戊二醇中的至少一個。
10.如權利要求9中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴鏈劑選自乙二醇、二甘醇、和具有至多200的重均分子量的聚乙二醇中的至少一個。
11.如權利要求9中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述泡沫具有15-35℃的玻璃化轉變溫度和0.9-1.5的峰值tanδ。
12.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述異氰酸酯組分進一步限定為以100份所述異氰酸酯組分計50-99重量份的純二苯甲烷二異氰酸酯；和以100份所述異氰酸酯組分計1-50重量份的聚合的二苯甲烷二異氰酸酯。
13.如權利要求12中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述純二苯甲烷二異氰酸酯進一步限定為以100份所述純二苯甲烷二異氰酸酯計1-45重量份的二苯甲烷-2，4’-二異氰酸酯；和以100份所述純二苯甲烷二異氰酸酯計55-99重量份的二苯甲烷-4，4’-二異氰酸酯。
14.如權利要求13中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述異氰酸酯組分進一步限定為異氰酸酯封端的預聚物。
15.如權利要求14中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述預聚物包含異氰酸酯和重均分子量大于1,000的多元醇的反應產物，所述多元醇基于100份所述異氰酸酯組分以1-20重量份的量使用。
16.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述反應產物進一步包含以100重量份所述泡沫計2-18重量份的交聯劑。
17.如權利要求16中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述交聯劑進一步限定為基于胺的交聯劑。
18.如權利要求17中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述基于胺的交聯劑選自三乙醇胺、二乙醇胺、乙二胺及羥基值大于250的其烷氧基化產物中的至少一個。
19.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述異氰酸酯反應性組分包含選自聚醚多元醇和聚酯多元醇中至少一個的多元醇。
20.如權利要求19中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述多元醇具有20-200mg KOH/g所述多元醇的羥基值。
21.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述反應產物進一步包含以100重量份所述泡沫計1-15重量份的一元醇。
22.如權利要求21中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述一元醇選自芐醇、2，2-二甲基-1，3-二氧戊環-4-甲醇和脂肪醇乙氧基化物中的至少一個。
23.如權利要求1中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述反應產物進一步包含具有鏈烷烴鏈、環狀烴鏈和芳族烴鏈中的至少一個并且基于100重量份所述泡沫以1-15重量份的量存在的擴孔劑。
24.如權利要求23中所述的粘彈性聚氨酯泡沫，其中所述擴孔劑是礦物油。
25.一種用于形成具有1-30磅/立方英尺的密度的粘彈性聚氨酯泡沫的組合物，所述組合物包含基本上不含甲苯二異氰酸酯的異氰酸酯組分；異氰酸酯反應性組分；和主鏈具有2-8個碳原子并且重均分子量小于1,000的擴鏈劑，其中所述擴鏈劑基于100重量份所述組合物以5-50重量份的量存在。
26.一種形成粘彈性聚氨酯泡沫的方法，其包括下列步驟提供基本上不含阻燃劑的異氰酸酯組分；提供異氰酸酯反應性組分；提供主鏈具有2-8個碳原子并且重均分子量小于1,000的擴鏈劑，其中所述擴鏈劑基于100重量份所述泡沫以5-50重量份的量使用；和使所述異氰酸酯組分、所述異氰酸酯反應性組分和所述擴鏈劑反應以形成具有5-65℃的玻璃化轉變溫度和0.40-1.75的tanδ峰值的泡沫。
全文摘要
本發明提供一種具有1－30磅/立方英尺的密度的粘彈性聚氨酯泡沫，其由包含基本上不含甲苯二異氰酸酯的異氰酸酯組分、異氰酸酯反應性組分、和具有含2－8個碳原子的主鏈的擴鏈劑的組合物形成。所述擴鏈劑還具有小于1,000的重均分子量，并基于100重量份所述組合物以5－50重量份的量存在。所述粘彈性聚氨酯泡沫具有15－35℃的玻璃化轉變溫度和0.9－1.5的tanδ峰值。
文檔編號C08G18/66GK1813015SQ200480017881
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月21日 優先權日2003年6月26日
發明者H-D·盧特爾, R·A·內夫, R·古馬拉居, T·M·施密辛斯基 申請人:巴斯福公司