ES2914701T3 - Emulsionantes para espuma a base de poliuretano - Google Patents
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Abstract
Una mezcla de poliol que comprende: a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno, b) un catalizador y c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de 3,7 e igual a o menor de 17,9.
Description
DESCRIPCIÓN
Emulsionantes para espuma a base de poliuretano
Campo de la invención
Esta divulgación se refiere a dispersiones estables hidrófobas hidrófilas-de poliol, un método de preparación de dichas mezclas, sus usos en la fabricación de espumas de poliuretano y artículos preparados a partir de las mismas.
Antecedentes de la invención
La espuma de poliuretano hecha a partir de polioles con diferente hidrofobia o polaridad o contenido de polioxietileno y polioxipropileno, peso molecular y estructura se usa en una amplia diversidad de aplicaciones que varían desde acolchado (tal como colchones, almohadas y cojines de asiento) hasta envasado, aislamiento térmico y acústico, aplicaciones médicas y relleno de alfombrillas en automóviles. La diferente hidrofobia, peso molecular y estructura de los polioles da lugar a separación de fases en el sistema de premezcla y problemas de procesamiento de la espuma tales como poros, fracturas, franjas, defectos y hundimiento de la espuma cuando se produce la espuma de poliuretano flexible. El problema de separación de fases y las dificultades de procesamiento se resuelven cuando se usa un etoxilato de alcohol graso, lo que posibilita la mezcla de una fase homogénea in situ o estable de las mezclas de poliol o componentes mezclados.
La patente de Estados Unidos n.° 4.125.505 divulga que óxidos de polialquileno que tienen una determinada disposición como uno de los componentes de poliol pueden mejorar en su compatibilidad con un prolongador de cadena inherentemente incompatible, como un poliol de bajo peso molecular, mediante polímeros en partículas formados a partir de monómeros insaturados tales como, por ejemplo, copolímeros de estireno-acrilonitrilo. Las desventajas para el productor de poliuretano son que las partículas dispersadas de polímero pueden sedimentar en las mezclas, si no se usan directamente, o tener una influencia no pretendida sobre las propiedades mecánicas de los poliuretanos producidos a partir de las mismas.
La patente de Estados Unidos n.° 5.344.584 divulga la mezcla de una mezcla de dos compuestos reactivos a isocianato que normalmente no son miscibles entre sí con un compuesto tensioactivo que, como el éster carboxílico o carboxamida, tiene grupos ácidos. El éster policarboxílico preferiblemente deriva de un ácido hidroxicarboxílico o de una lactona de anillo abierto. Añadir el compuesto tensioactivo a los componentes de poliol inherentemente incompatibles mejora la compatibilidad, pero no siempre al grado deseado. Además, estos ésteres policarboxílicos tampoco son de aplicación universal debido a la posible reactividad de sus grupos ácidos.
Probablemente también hay limitaciones con el uso, divulgado en la patente de Estados Unidos n.° 4.673.696, de esteroles etilénicamente insaturados como compatibilizantes entre componentes de polioles reactivos a isocianato, de cadena corta y cadena larga que son inherentemente incompatibles entre sí. Esto se debe particularmente a que estas mezclas pueden usarse únicamente para producir determinados poliuretanos donde es improbable que el uso de esteroles etilénicamente insaturados provoque reacciones secundarias indeseadas. Estos compatibilizantes de nuevo no siempre pueden proporcionar una mejora de la compatibilidad al grado deseado.
El documento DE 102008 000 243 describe el uso de determinados poliéteres que contienen grupo uretano y urea como agentes para compatibilizar composiciones de poliol. Estos compuestos de nuevo no siempre pueden proporcionar una mejora de la compatibilidad al grado deseado.
El documento DE 2341 294 describe el uso de materiales inorgánicos tensioactivos para la mejora de la compatibilidad de una mezcla de poliol. Esto agentes de mezcla sólidos tienen riesgo de sedimentación. Además, los materiales preferidos usados en este documento, tales como amianto, constituyen un riesgo para la salud apreciable.
El documento US 2007/238800 describe etoxilatos de alquilfenol útiles como agentes de mezcla para formulaciones de poliol basadas en polioles de aceites vegetales específicos. Estos emulsionantes no solamente tienen que contemplarse de forma crítica con respecto a sus propiedades dañinas para la salud y ecotóxicas, sino también, en muchos casos, no ofrecen propiedades estabilizantes adecuadas para mezclas de poliol.
La patente de Estados Unidos n.° 7.223.890 B2 describe una mezcla reactiva a isocianato que, además de agua y un poliol alcoxilado catalizado con DMC, contiene un compuesto que tiene unidades de óxido de etileno y mejora la compatibilidad con el agua de la mezcla. Ejemplos mencionados de estos compuestos incluyen copolímeros de bloque de óxido de etileno y óxido de propileno. Nada en la divulgación apunta a ninguna mejora de la compatibilidad de polioles mutuamente incompatibles.
El documento US 2006/0189704 divulga la mejora de la compatibilidad, es decir, prevención de la separación de fases, de composiciones que contienen al menos un poliol, agua y un alcoxilato con tres o más grupos hidroxilo de compuestos con hidrógeno reactivo, por ejemplo, glicerol, como agentes que mejoran la compatibilidad. La presencia de estos agentes que mejoran la compatibilidad evita la separación del agua y el poliol en almacenamiento.
El documento US 2008/009209 describe una composición curable que contiene un poliácido, uno o más polioles y también uno o más agentes repelentes del agua reactivos. Los polialcoxilatos de alquil- y alquenilaminas están entre los ejemplos enumerados de compuestos repelentes del agua. Estas composiciones curable repelentes del agua conocidas se usan para recubrir fibras de vidrio o lana mineral, mientras que se recomienda un intervalo específico para la relación de grupos carboxilo a grupos OH en la mezcla. La compatibilización de mezclas de poliol mixtures no forma partes de la materia en cuestión de esta solicitud de Estados Unidos publicada.
La patente de Estados Unidos n.° 5.668.187 B2 divulga la producción de espuma rígida de poliuretano en la que el agente de soplado comprende una emulsión acuosa que contiene un copolímero de diversos monómeros insaturados en forma emulsionada que se añade directamente, como componente de reacción adicional, en la reacción de poliol con poliisocianato.
El documento EP 1845 121 A1 divulga un componente reactivo a isocianato que comprende al menos un 10 % en peso de un poliol a base de aceite vegetal, un emulsionante no iónico que comprende uno de un etoxilato de alcohol alifático y un etoxilato de fenol alifático que tiene un contenido de óxido de etileno polimerizado de al menos aproximadamente 25 moles por equivalente de alcohol o fenol y un valor de HLB mayor de aproximadamente 17, uno o más polioles que no son a base de aceite vegetal, uno o más tensioactivos siliconados, en el que el componente reactivo a isocianato es estable en almacenamiento a temperaturas de aproximadamente -10 °C a aproximadamente 60 °C durante al menos aproximadamente tres días. El documento US 2014/364525 A1 divulga dispersiones de melamina-poliol que comprenden al menos un alcohol etoxilado de estructura específica, en las que el al menos un alcohol etoxilado que tiene un equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 15,7. El documento US 2012/202903 A1 divulga alcoholes de alquiletoxilato o mezclas de etoxilato de alcohol alquílico con un valor promedio de HLB entre 10 y 15 como compatibilizantes para formulaciones de espuma de poliuretano soplado en agua que están sustancialmente libres de etoxilatos de nonilfenol.
Los poliuretanos se producen por reacción de polioles reactivos a OH con al menos un isocianato o poliisocianatos. Aunque la selección de poliisocianatos disponibles a gran escala industrial está limitada, hay una multiplicidad de polioles o componentes activos a OH que pueden usarse. Estos varían de polioles de poliéter a polioles de poliéster y de polibutadienos funcionales de hidroxilo a polioles de bajo peso molecular usados como prolongadores de cadena o reticulantes de cadena, por ejemplo.
Típicamente, un poliuretano se produce haciendo reaccionar no solamente un poliol específico con poliisocianatos, sino una mezcla de diversos polioles, que pueden ser de peso molecular bajo o comparativamente alto. En muchos casos, la mezcla de polioles usada no es estable, sino que tiende a la separación de fases a lo largo del tiempo como mínimo. Esta separación está provocada, por ejemplo, por diferentes pesos moleculares, diferente composición monomérica, diferente polaridad y/o una diferente disposición estructural tal como, por ejemplo, una disposición aleatoria o en bloques o una estructura lineal o ramificada de los polioles.
La producción de espuma de poliuretano implica el bombeo, mezcla y dispersión precisos de varios componentes o corrientes en un modo o sobre una cinta transportadora en movimiento. El número de corrientes puede ser de dos a >50. Sin embargo, la formulación típica está compuesta por dos corrientes que consisten en una corriente de isocianato y una corriente de resina. La corriente de resina o poliol es una mezcla de poliol de poliéter o poliéster, reticulantes (por ejemplo, dietanolamina, glicerol), tensioactivo, catalizador, agua y/o agente de soplado auxiliar y otros aditivos. La corriente de isocianato comprende diisocianato de tolueno, diversas formas de diisocianato de difenilmetano o mezclas de los dos tipos de isocianato u otros.
Además, se sabe que la tendencia de separación se amplifica en presencia de determinadas sustancias tales como agua, por ejemplo. La separación también puede provocarla o amplificarla el uso de aditivos y/o agentes auxiliares, o la presencia de más de dos polioles durante la producción o como una mezcla lista para su uso.
Independientemente de sus causas, la tendencia a la separación da lugar a problemas variados con la manipulación y procesamiento de dichas mezclas de poliol. Por tanto, el almacenamiento o transporte de dichas mezclas de poliol o la mezcla con agentes auxiliares incluso durante periodos cortos, por ejemplo, en un cabezal de mezcla, en muchos casos, no es posible a causa de la tendencia de separación entre los polioles. Por lo tanto, antes de que puedan procesarse dichas mezclas de poliol, los componentes poliméricos tienen que dispersarse más fuertemente o de nuevo para garantizar la dispersión homogénea de los componentes de poliol. Esto requiere que el productor de poliuretano invierta en equipo de mezcla lo que, además, da lugar a un consumo energético aumentado. Además, hay un riesgo de que la mezcla insuficiente de los componentes de poliol provoque que el poliuretano producido a partir de los mismos no tenga el perfil de funcionamiento deseado.
Breve sumario de la invención
La materia en cuestión de esta invención es una mezcla de poliol de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 1, un método para preparar una mezcla de poliol de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 3 y también un método para preparar espuma de poliuretano de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 5. Esta invención resuelve los
problemas anteriores proporcionando composiciones de poliol estables en todos los estados y estas composiciones son estables durante al menos 24 horas, en algunos casos durante más de 6 meses entre muchos otros objetos y beneficios.
Otro objeto de esta invención es proporcionar composiciones de mezcla de poliol que pueden mezclarse uniformemente en condiciones de fabricación en un periodo de tiempo de menos de ocho horas, típicamente menos de dos horas.
Un objeto adicional es proporcionar un método para preparar una mezcla de poliol estable de la invención.
Un objeto adicional de esta invención es proporcionar una formulación y un método para preparar espumas de poliuretano estables a partir de la invención. En un aspecto, esta divulgación proporciona una mezcla de poliol que comprende:
a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno,
b) un catalizador y
c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C1-C31 lineal o ramificado,
n es un número entero igual a o mayor de 1; y
en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7.
En un aspecto, esta divulgación proporciona una mezcla de poliol que comprende:
a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno,
b) un catalizador,
c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado,
n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 e igual a o menor de 17,9. En otro aspecto, esta invención divulga una mezcla de poliol que comprende:
a) al menos un poliol derivado de productos naturales y un segundo poliol que contiene polioxileno o un poliol polimérico con bases de tipos de relleno químico como estireno acrilonitrilo (SAN) o dispersiones de poliurea (PHD) o tipos de adición de poliisocianato-poliol (PIPA) u otros rellenos orgánicos o inorgánicos,
b) un catalizador,
c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal,
n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 e igual a o menor de 17,9. En otro aspecto más, esta invención proporciona un método para preparar la mezcla de poliol anterior, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:
a) combinar al menos un poliol a base de polioxipropileno y un poliol a base de polioxietileno y al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9; y
b) mezclar la mezcla de la etapa a) hasta que se forma una mezcla de fases estables.
En otro aspecto más, esta invención proporciona un método para preparar la mezcla de poliol anterior, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:
a) combinar al menos un poliol a base de polioxipropileno y un poliol a base de polioxietileno y al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y menor de o igual a 10, y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9; y
b) mezclar la mezcla de la etapa a) hasta que se forma una mezcla de fases estables.
En otro aspecto más, esta invención proporciona un método para preparar la mezcla de poliol anterior, incluyendo dicho método las siguientes etapas:
a) combinar al menos un poliol a base de polioxipropileno y/o un poliol a base de polioxietileno con un poliol a base de productos naturales y al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9; y
b) mezclar la mezcla de la etapa a) hasta que se forma una mezcla de fases estables.
Se divulga una formulación de espuma de poliuretano que comprende la mezcla de poliol divulgada anteriormente, junto con al menos un poliisocianato a un índice de isocianato de aproximadamente 80 a aproximadamente 150, al menos un agente de soplado, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado.
Se divulga una espuma de poliuretano hecha con la formulación de espuma divulgada previamente.
En un aspecto adicional más, esta invención proporciona un método para preparar una espuma de poliuretano que comprende las siguientes etapas:
a) formar una premezcla que comprende la mezcla de poliol divulgada anteriormente, al menos un agente de soplado, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado; y b) poner en contacto la premezcla con al menos un poliisocianato a un índice de isocianato de aproximadamente 80 a aproximadamente 150.
Descripción detallada de la invención
La materia en cuestión de esta invención es una mezcla de poliol de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 1, un método para preparar una mezcla de poliol de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 3 y también un método para preparar espuma de poliuretano de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 5. La invención se refiere a una mezcla de poliol que comprende polioles de diferente contenido de polioxietileno y polioxipropileno, y al menos un alcohol etoxilado, mostrado a continuación como fórmula A. La mezcla puede mantenerse estable sin agitación durante al menos 24 horas, en algunos casos más de 6 meses o un periodo de tiempo más largo. La espuma preparada con alcohol etoxilado de fórmula A tiene el beneficio añadido de tener mayor flujo de aire, mejores propiedades de soporte de carga, funcionamiento mejorado en maquinaria de formación de espuma flexible que da lugar a mejor distribución y reactividad mejorada.
Alcohol etoxilado
El al menos un alcohol etoxilado de la presente invención tiene la siguiente fórmula A:
RO(CH2CH2O)nH A
en que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, incluidos; n es un número entero igual a o mayor de 1 y menor de o igual a 10; y el compuesto tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9.
El término "alquilo" usado en este documento se refiere a radicales hidrocarbonados alifáticos que contienen solamente enlaces carbono-carbono saturados. Los grupos alquilo con o sin ramificaciones y sin enlaces carbonocarbono insaturados son adecuados para la presente invención.
El número "n" de unidades etoxi en la fórmula A puede ser cualquier entero igual a o mayor de 1. Ejemplos representativos no limitantes incluyen n = 1, n = 2, n = 3, n = 6, n = 10.
La expresión "valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB)", como se usa en este documento, es una medida del grado al que un compuesto es hidrófilo o lipófilo. El HLB se calcula usando la masa molecular de diferentes regiones de una molécula, como se describe por Griffin:
HLB = 20 x Mh/M
en la que Mh es la masa molecular de la parte hidrófila de la molécula, y M es la masa molecular de la molécula completa, dando un resultado sobre una escala arbitraria de 0 a 20.
Un valor de HLB de 0 corresponde a una molécula completamente hidrófoba, y un valor de 20 corresponde a una molécula completamente hidrófila.
Como un ejemplo, el valor de HLB de C13H27(CH2CH2O)4üH se calcula como sigue:
HLB = 20 X Mh/M = 20 x 1761 / 1944 = 18,1
en la que Mh es la masa molecular de la parte hidrófila (CH2CH2O)40H y M es la masa molecular de la molécula completa.
Ejemplos de un valor de HLB adecuado para la presente invención incluyen, aunque sin limitación, un valor de HLB igual a o mayor de 3,7, 8, 15,7, 17,9.
Mezclas de poliol
Pueden usarse en esta invención polioles de diferente peso molecular o contenido de polioxietileno y polioxipropileno que no mantengan una mezcla de una fase estable.
La mezcla de poliol comprende el siguiente poliol (A), el siguiente poliol (B), el siguiente poliol (C), el siguiente poliol (D) y el siguiente poliol (E), y la proporción del compuesto de poliisocianato con respecto a todos los compuestos que contienen hidrógeno activo en el material es de al menos 80 mediante el índice de isocianato, en el que:
Poliol (A) es un poliol de poliéter que tiene un promedio de 2-4 grupos hidroxilo y un peso molecular de 2500-5000. Los polioles adecuados para su uso en la invención incluyen, como ejemplos no limitantes, polioles de poliéter y poliéster. El poliol de éter de polialquileno incluye los polímeros de poli(óxido de alquileno) tales como polímeros y copolímeros de poli(óxido de etileno) y poli(óxido de propileno) con grupos hidroxilo terminales derivados de compuestos polihídricos, incluyendo dioles y trioles. Estos incluyen, aunque sin limitación, etilenglicol, propilenglicol, 1,3-butanodiol, 1,4-butanodiol, 1,6-hexanodiol, neopentilglicol, dietilenglicol, dipropilenglicol, pentaeritritol, glicerol, diglicerol, trimetilol propano, ciclohexanodiol y glúcidos tales como sacarosa.
Poliol (B) es un "poliol polimérico" y puede incluirse en un componente de poliol para su uso de acuerdo con la invención. Los polioles poliméricos pueden usarse en espumas de poliuretano para aumentar la resistencia de la espuma a la deformación, por ejemplo, para mejorar las propiedades de soporte de carga de la espuma. Dependiendo de los requisitos de soporte de carga para la espuma de poliuretano, los polioles poliméricos pueden comprender de un 0 a aproximadamente un 80 por ciento en peso del contenido de poliol total. Ejemplos de polioles poliméricos incluyen, aunque sin limitación, polioles injertados y polioles modificados con poliurea, que son los dos conocidos en la técnica y están disponibles en el mercado.
Poliol (C) es un poliol de poliéter que tiene un promedio de 2-3 grupos hidroxi y un peso molecular entre 100 - 2000. Poliol (D) es un poliol basado en productos naturales renovables. Ejemplos de aceites vegetales incluyen los de ricino, soja, oliva, cacahuete, colza, maíz, sésamo, algodón, canola, cártamo, linaza, palma, semilla de uva, comino negro, semilla de calabaza, semilla de borraja, germen de madera, hueso de albaricoque, pistacho, almendra, nuez de macadamia, aguacate, espino amarillo, cáñamo, avellana, onagra, rosa silvestre, cardo, nuez, girasol, semilla de jatrofa o una combinación de los mismos.
Adicionalmente, también pueden usarse aceites obtenidos de organismos tales como algas.
Ejemplos de productos animales incluyen manteca, sebo de bovino, aceites de pescado y mezclas de los mismos. También puede usarse una combinación de aceites/grasas de base vegetal y animal.
Para su uso en la producción de espumas de poliuretano, el material natural puede modificarse para dar los grupos reactivos a isocianato del material o para aumentar el número de grupos reactivos a isocianato en el material. Preferiblemente dichos grupos reactivos son un grupo hidroxilo. Pueden usarse varias químicas para preparar los polioles a base de aceite natural. Dichas modificaciones de un producto renovable incluyen, por ejemplo, epoxidación, hidroxilación, ozonólisis, esterificación, hidroformilación o alcoxilación.
Poliol (E) es poliol de polioxileno y polipropileno que contiene un 40-80 % de contenido de polioxileno con un peso molecular entre 3000 y 6000 y una funcionalidad entre 2 y 4.
En una realización de la invención, la mezcla de poliol comprende aproximadamente más de 0 a aproximadamente 90 pphp de Poliol A opcionalmente con 0 a 60 pphp de Poliol B opcionalmente con 10 a 40 pphp de Poliol D; opcionalmente de aproximadamente 10 a aproximadamente 90 pphp de Poliol A, o de aproximadamente 10 a aproximadamente 40 pphp de Poliol B con Poliol D a aproximadamente 20 a aproximadamente 40 pphp.
En otra realización de la invención la mezcla de poliol comprende aproximadamente más de 0 a 90 pphp de Poliol A con opcionalmente aproximadamente 5 a aproximadamente 50 pphp de Poliol C con opcionalmente de 20 a 70 pphp
de Poliol E; o de aproximadamente 10 a aproximadamente 20 pphp de Poliol A opcionalmente con aproximadamente 5 a 25 pphp de Poliol C y opcionalmente de aproximadamente 25 a 60 pphp de Poliol E.
En otra realización de la invención, la mezcla de poliol comprende aproximadamente más de 0 a aproximadamente 90 pphp de Poliol A opcionalmente con 0 a 60 pphp de Poliol B opcionalmente con 10 a 40 pphp de Poliol D; opcionalmente de aproximadamente 10 a aproximadamente 90 pphp de Poliol A, o de aproximadamente 10 a aproximadamente 40 pphp de Poliol B con Poliol D a aproximadamente 20 a aproximadamente 40 pphp.
En otra realización de la invención, la mezcla de poliol descrita anteriormente se combina con una cantidad eficaz de alcohol etoxilado y se mezcla hasta que se forma una mezcla uniforme. Puede emplearse cualquier método de mezcla convencional, tal como agitación o removido mecánico. El orden de adición de poliol y alcohol etoxilado en el poliol no influye en la formación de la mezcla estable.
En otra realización de la invención, el método para producir una espuma de poliuretano flexible comprende hacer reaccionar una mezcla de poliol y un alcohol etoxilado de la invención descrita anteriormente con un compuesto de poliisocianato en presencia de un catalizador que forma uretano, un agente de soplado y un estabilizante de espuma.
La mezcla de poliol se pone en reposo a temperatura ambiente (20-25 °C) y se observa de cerca su aspecto. Una mezcla estable significa una mezcla sin separación de capas apreciable a simple vista.
Una cantidad "eficaz" de alcohol etoxilado es una cantidad necesaria para mantener la mezcla de poliol estable durante al menos 24 horas, en algunos casos más de 6 meses. Una mezcla de poliol puede comprender al menos aproximadamente 0,5 pphp, al menos aproximadamente 2,0 pphp o al menos aproximadamente 4,0 pphp de alcohol etoxilado.
Condiciones de fabricación típicas implican poner en contacto el poliol, y la solución de alcohol etoxilado de fórmula A en un depósito de mezcla con una capacidad de 20 m3 y mezclar con un agitado mecánico de 30 vatios a aproximadamente 1800 revoluciones por minuto (rpm).
Preparación de espumas
Las espumas o material con celdillas de cualquiera de los diversos tipos conocidos en la técnica de poliuretano pueden prepararse usando los métodos de esta invención. Los componentes típicos de una formulación de poliuretano con celdillas o sin celdillas incluyen al menos un poliol reactivo a isocianato o mezclas del mismo, al menos un agente de soplado tal como agua, al menos un poliisocianato, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado. Pueden incluirse otros aditivos y/o un agente auxiliar dependiendo en los tipos y aplicaciones del poliuretano incluyendo, aunque sin limitación, catalizadores, carbonatos, sulfatos, amidas aromáticas heterocíclicas, sílices, materiales de cambio o transferencia de fases, aminas, rellenos renovables o rellenos termoplásticos. Por ejemplo, las espumas de poliuretano flexibles típicamente comprenderán los componentes mostrados en la tabla 1, en las cantidades indicadas. Los componentes mostrados en la tabla 1 se analizarán en detalle posteriormente.
Tabla 1. Componentes de poliuretano
La cantidad de poliisocianato usada en formulaciones de poliuretano de acuerdo con la invención no está limitada, pero típicamente estará dentro de aquellos intervalos conocidos por los expertos en la materia. Se da un intervalo ejemplar en la tabla anterior, indicado por la referencia a "índice de NCO" (índice de isocianato). Como se sabe en la técnica, el índice de NCO se define como el número de equivalentes de isocianato, dividido por el número total de equivalentes de hidrógeno activo, multiplicado por 100. El índice de NCO se representa por la siguiente fórmula:
Índice de NCO = [NCO/(OH+NH)] X 100
En algunas realizaciones de la invención, el catalizador, el agente de soplado, el reticulante, el tensioactivo y opcionalmente uno o más aditivos distintos usados normalmente en la formación de poliuretano pueden combinarse en la mezcla de poliol. Dichas mezclas posteriormente pueden ponerse en contacto con un isocianato orgánico para formar una espuma de poliuretano, de nuevo opcionalmente en presencia de otros aditivos conocidos en la técnica.
Además de generar espumas flexibles, la invención también puede usarse para preparar espumas semiflexibles, tales como se utilizan normalmente para muchas aplicaciones en la industria de automoción (por ejemplo, paneles instrumentales, revestimientos y embellecedores interiores).
Aunque se analizan tipos ejemplares específicos de espumas de poliuretano anteriormente y en otra parte en este documento, debe entenderse que pueden prepararse espumas de poliuretano de cualquier tipo de acuerdo con la invención.
Catalizadores
La formulación de poliuretano divulgada en este documento puede contener cualquiera de los catalizadores, y combinación de catalizadores, conocidos o usados para la producción de espumas de poliuretano. Ejemplos de catalizadores útiles incluyen hidróxido de sodio, acetato de sodio, aminas terciaria o materiales que generar aminas terciarias tales como trimetilamina, trietilendiamina, éter de bis-(dimetilaminoetilo), bis-(dimetil-(amino-N-propil)-metilamina, N-metilmorfolina, N,N-dimetilciclohexilamina y N,N-dimetilaminoetanol. También son aplicables compuestos metálicos tales como alquil carboxilatos de estaño, diacetato de dibutil estaño, dioctoato de dibutil estaño, dilaurato de dibutil estaño y octoato estañoso. Catalizadores ejemplares son DABCO 33LV® (Evonik Corp.) y DABCO® T-9 (Evonik Corp.). Muchos otros tipos de catalizadores pueden sustituir los enumerados anteriormente, si se desea. Típicamente, la carga del uno o más catalizadores para generar una espuma de acuerdo con la invención estará en el intervalo de más de 0 a aproximadamente 2 pphp, más típicamente de más de 0 a aproximadamente 1 pphp, y muy típicamente de más de 0 a aproximadamente 0,5 pphp. Sin embargo, puede usarse cualquier cantidad eficaz. El término "pphp" significa parte en peso por mil partes en peso del poliol.
Agentes de soplado
Puede ayudarse a la producción de espuma de poliuretano mediante la inclusión de un agente de soplado para producir espacios vacíos en la matriz de poliuretano durante la polimerización. Puede usarse cualquier agente de soplado conocido en la técnica. Los agentes de soplado adecuados incluyen compuestos con bajos puntos de ebullición que se vaporizan durante la reacción exotérmica de polimerización. Dichos agentes de soplado en general son inertes y, por lo tanto, no se descomponen o reaccionan durante la reacción de polimerización. Ejemplos de agentes de soplado inertes incluyen, aunque sin limitación, cloruro de metileno, dióxido de carbono, clorofluorocarbonos, fluorocarbonos hidrogenados, clorofluorocarbonos hidrogenados, acetona e hidrocarburos de baja ebullición tales como ciclopentano, isopentano, n-pentano y sus mezclas. Otros agentes de soplado adecuados incluyen compuestos, por ejemplo, agua, que reaccionan con compuestos de isocianato para producir un gas.
Isocianatos orgánicos
Los compuestos de isocianato orgánicos adecuados incluyen, aunque sin limitación, diisocianato de hexametileno (HDI), diisocianato de fenileno (PDI), diisocianato de tolueno (TDI) y diisocianato de 4,4'-difenilmetano (MDI). En un aspecto de la invención, se usa 2,4-TDI, 2,6-TDI o cualquier mezcla de los mismos para producir espumas de poliuretano. Otros compuestos de isocianato adecuados son mezclas de diisocianato conocidas en el mercado como "MDI en bruto". Un ejemplo se comercializa por Dow Chemical Company con el nombre PAPI, y contiene aproximadamente un 60 % de diisocianato de 4,4'-difenilmetano junto con otros poliisocianatos isoméricos y análogos superiores.
También son adecuados los "prepolímeros" de estos compuestos de isocianato, que comprenden una mezcla que ha reaccionado previamente parcialmente de un poliisocianato y un poliol de poliéter o poliéster para convertir uno o más hidroxilos en el poliol de poliéster en grupos carbamato sustituidos. Los prepolímeros adecuados derivados de polioles de poliéter y poliéster son bien conocidos en la técnica.
Otros componentes opcionales
Puede incluirse una diversidad de otros ingredientes en las formulaciones para generar espumas de acuerdo con la invención. Ejemplos de componentes opcionales incluyen, aunque sin limitación, estabilizantes de celdillas, agentes reticulantes, prolongadores de cadena, pigmentos, rellenos, productos de reacción prepolimerizados y combinaciones de cualquiera de estos.
La práctica de esta invención puede permitir que los fabricantes de poliuretano logren una o más ventajas. Estas pueden incluir a) tiempo y energía reducidos requeridos para formar mezclas de poliol que pueden usarse fácilmente en la producción de poliuretano; b) mezclas de poliol estables que permiten más tiempo para procesar otros componentes para generar poliuretano; c) la espuma de poliuretano producida con esta invención demuestra mayor flujo de aire, d) otras propiedades físicas de la espuma producida no se ven afectadas de forma adversa al emplear esta invención.
La invención se describe además en el contexto de los siguientes ejemplos, que se presentan a modo de ilustración, no de limitación.
Se divulga una composición que comprende a) al menos un poliol reactivo a isocianato, y b) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C1-C31 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 15,7.
La presente invención también se refiere a un método para preparar espuma de poliuretano de acuerdo con los requisitos de la reivindicación 5.
Preferiblemente, la composición que reacciona comprende al menos un aditivo adicional y/o un agente auxiliar del grupo que consiste en catalizadores, carbonatos, sulfatos, amidas aromáticas heterocíclicas, sílices, materiales de cambio o transferencia de fases, aminas, rellenos renovables o rellenos termoplásticos.
Se divulga una mezcla de poliol que comprende a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno, b) un catalizador y c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C1 -C31 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7.
Preferiblemente, R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 e igual a o menor de 17,9.
Preferiblemente, al menos un poliol se obtiene de productos naturales y un segundo poliol que contiene polioxileno o un poliol polimérico.
La presente invención también se refiere a un método para preparar una mezcla de poliol que comprende las etapas de a) combinar al menos un poliol a base de polioxipropileno y un poliol a base de polioxietileno y al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9; y b) mezclar la mezcla de la etapa a) hasta que se forme una mezcla de fases estables.
Preferiblemente, R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y menor de o igual a 10, y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 y menor de o igual a 17,9.
Preferiblemente, el poliol a base de polioxietileno y el poliol a base de polioxietileno se combina además con un poliol a base de productos naturales.
Se divulga una composición de espuma de poliuretano que comprende una mezcla de poliol que comprende a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno, b) un catalizador y c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C1-C31 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7; al menos un poliisocianato a un índice de isocianato de aproximadamente 80 a aproximadamente 150, al menos un agente de soplado, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado.
Preferiblemente, la composición de espuma de poliuretano comprende una mezcla de poliol en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10; y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de aproximadamente 3,7 e igual a o menor de 17,9.
Preferiblemente, la composición de espuma de poliuretano comprende una mezcla de poliol en la que al menos un poliol se obtiene de productos naturales y un segundo poliol que contiene polioxileno o un poliol polimérico.
Preferiblemente, la composición de espuma de poliuretano comprende además al menos un aditivo adicional y/o un agente auxiliar del grupo que consiste en catalizadores, carbonatos, sulfatos, amidas aromáticas heterocíclicas, sílices, materiales de cambio o transferencia de fases, aminas, rellenos renovables o rellenos termoplásticos.
La presente invención también se refiere a un método para preparar espuma de poliuretano que comprende las etapas de a) formar una premezcla que comprende la mezcla de poliol de cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, al menos un agente de soplado, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado; y b) poner en contacto la premezcla con al menos un isocianato a un índice de isocianato de aproximadamente 80 a aproximadamente 150.
Ejemplos
Ejemplo 1
Estabilidad de mezclas de poliol de aceite natural y poliol de poliéter
Se prepararon mezclas de poliol de aceite natural y poliol de poliéter usando el siguiente procedimiento a temperatura ambiente (20-25 °C). A un vaso de precipitados de 1000 ml se le añadió 20-80 g de poliol (A), 0-60 g de poliol B, 20 80 g de poliol (D), catalizador, tensioactivo y diversas cantidades de alcoholes etoxilados que se están ensayando. Las cantidades de los componentes se muestran en la tabla 2. La mezcla entonces se agitó usando un agitador mecánico con un diámetro de 90 mm a 1150 rpm durante 60 segundos o hasta que se formó una mezcla uniforme. La mezcla entonces se transfirió a un vial de vidrio de 20 ml y el vial se puso en reposo durante hasta 6 meses. El vial se comprobó visualmente de forma periódica para cualquier separación de capas en la mezcla. Si se observaba algunos de los fenómenos anteriores, la dispersión se registraría como inestable; de lo contrario, la dispersión se registraba como estable. Los resultados de estabilidad se enumeran en la tabla 3.
Tabla 2
Tabla 3. Resultados de estabilidad
Ejemplo 2
Ensayo de estabilidad de polioles con diferentes pesos moleculares y contenido de polioxileno
Se emplearon alcoholes etoxilados con diferentes grupos alquilo, unidades etoxi y, por lo tanto, valores de HLB distintos para preparar mezclas de poliol de acuerdo con el procedimiento del ejemplo 1. Las cantidades de los componentes en la mezcla de poliol se muestran en la tabla 4. Los efectos de los alcoholes etoxilados sobre la estabilidad de las mezclas formadas se compararon siguiendo el método de comprobación visual del ejemplo 1 y los resultados se enumeran en la tabla 5. Todos los alcoholes etoxilados ensayados se ajustan a la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en que R es un alquilo lineal o ramificado y n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10.
Tabla 4. Formulación
Tabla 5. Estabilidad de mezclas de poliol hidrófobas e hidrófilas con alcoholes etoxilados
Tomadol® 23-1, Tomadol® 1-3, Tomadol® 900 y Tomadol® 901 fueron de Evonik Corp. Propetal 160, un éter polialquilenglicólico de alcohol graso fue de Zschimmer y Schwarz, el polímero de polietilenglicol con PM de 200-5000 y Neodol 91 fue de Shell Chemical. Las muestras 1-4 pueden contener mezclas de compuestos con estructuras que están dentro del alcance de "R" y "n prom." especificados. "R" indica el intervalo de número de carbono del grupo alquilo lineal y "n prom." es el intervalo o número promedio de unidades etoxi en cada muestra. Los tipos de Genapol fueron productos de Clairant.
Una mezcla de poliol sin ningún alcohol etoxilado se volvió inestable en menos de 2 horas. Otros compuestos, tales como CARBOWAX™ polietilenglicol (PEG) 200 de Dow Chemical con una fórmula de HO-(CH2CH2O)4H no estabilizaron las mezclas de poliol cuando se combinaron en las mismas.
Este ejemplo ilustra que solamente los alcoholes etoxilados que satisfacen determinados requisitos estructurales pueden estabilizar las dispersiones de poliol hidrófobas e hidrófilas durante al menos 24 horas.
Ejemplo 3
Propiedades físicas de espumas de poliuretano preparadas con y sin alcoholes etoxilados
Las propiedades físicas se midieron de acuerdo con ASTM 3574. Las propiedades físicas de la muestra 1 del ejemplo 1 se midieron y se presentan en la tabla 6.
Tabla 6. Propiedades físicas de la muestra 1 de poliuretano
Los datos de la tabla 6 indican que la inclusión de alcohol etoxilado de la invención no afecta a la cinética de formación de espuma. Tampoco afecta de forma adversa a las propiedades físicas de las espumas de poliuretano resultantes.
Ejemplo 4
Se emplearon alcoholes etoxilados con diferentes grupos alquilo, unidades etoxi y, por lo tanto, valores de HLB distintos para preparar una mezcla de poliol de un 50 % en peso de Poliol A y un 50 % en peso de Poliol C de acuerdo con el procedimiento del ejemplo 1. Sus efectos sobre la estabilidad de las mezclas formadas se compararon siguiendo el método de comprobación visual del ejemplo 1 y los resultados se enumeran en la tabla 7. Todos los alcoholes etoxilados ensayados se ajustan a la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH, en que R es un alquilo lineal o ramificado y n es un número entero igual a o mayor de 1 e igual a o menor de 10.
Claims (5)
1. Una mezcla de poliol que comprende:
a) al menos dos polioles de diferente contenido de polioxietileno,
b) un catalizador y
c) al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula:
RO(CH2CH2O)nH,
en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado,
n es un número entero igual a o mayor de 1;
y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) igual a o mayor de 3,7 e igual a o menor de 17,9.
2. La mezcla de poliol de la reivindicación 1, en la que al menos un poliol se obtiene de productos naturales y un segundo poliol que contiene polioxileno o un poliol polimérico.
3. Un método para preparar una mezcla de poliol que comprende las etapas de
a) combinar al menos un poliol a base de polioxipropileno y un poliol a base de polioxietileno y al menos un alcohol etoxilado de la siguiente fórmula: RO(CH2CH2O)nH, en la que R es alquilo C9-C15 lineal o ramificado, n es un número entero igual a o mayor de 1 y en la que el al menos un alcohol etoxilado tiene un valor de equilibrio hidrófilolipófilo (HLB) igual a o mayor de 3,7 y menor de o igual a 17,9; y
b) mezclar la mezcla de la etapa a) hasta que se forma una mezcla de fases estables.
4. El método de la reivindicación 3, en el que el poliol a base de polioxipropileno y el poliol a base de polioxietileno se combina además con un poliol a base de productos naturales.
5. Un método preparar espuma de poliuretano que comprende las etapas de
a) formar una premezcla que comprende la mezcla de poliol de cualquiera de las reivindicaciones 1-2, al menos un agente de soplado, al menos un catalizador de amina, al menos un catalizador metálico y al menos un tensioactivo siliconado; y
b) poner en contacto la premezcla con al menos un isocianato a un índice de isocianato de 80 a 150.
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