硬質(zhì)泡沫體的制作方法
【專利說明】硬質(zhì)泡沬體
[0001] 本申請要求2013年1月15日提交的美國臨時專利申請系列號61/752,483的優(yōu) 先權(quán)和全部權(quán)益，其明確在此以它全部引入。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體涉及一種硬質(zhì)泡沫體，更具體地，涉及包含異氰酸酯組分和異氰酸酯 反應(yīng)性組分的反應(yīng)產(chǎn)物的硬質(zhì)泡沫體和涉及形成該硬質(zhì)泡沫體的方法。
[0003] 相關(guān)領(lǐng)域描述
[0004] 日益需要更好性能的硬質(zhì)泡沫體，其具有特別的易燃性規(guī)格和可接受的物理性 能。本領(lǐng)域公知的是當形成厚度大于約2英寸的常規(guī)硬質(zhì)泡沫體，特別是噴涂泡沫體時，這 樣的泡沫體遭受了內(nèi)部灼熱，這歸因于在形成過程中某些異氰酸酯和多元醇反應(yīng)所產(chǎn)生的 高放熱溫度。內(nèi)部灼熱不僅僅降低了該硬質(zhì)泡沫體的物理性能，使得它們不適于大部分的 應(yīng)用，而且具有引起涉及易燃性的其他問題的潛在可能。例如這些常規(guī)的硬質(zhì)泡沫體易于 燃燒和發(fā)煙，其全部都是不期望的。
[0005] 為了減少燒焦，降低易燃性和降低發(fā)煙，許多常規(guī)的硬質(zhì)泡沫體包括了高含量的 鹵代阻燃劑。實際上，加州家庭裝飾易燃性要求（本領(lǐng)域稱作技術(shù)公報117(TB117))已經(jīng) 導(dǎo)致了從二十世紀八十年代早期開始在加州每年使用了數(shù)百萬鎊的鹵代阻燃劑。典型地鹵 代阻燃劑被分類為是鹵代烴，并且傾向于包括有機氯例如PCB，有機溴例如PBDE和鹵代磷 化合物例如三鄰甲苯基磷酸酯，TRIS，TEPA和其他。雖然鹵代阻燃劑是廉價的，并且用于滿 足加州要求，但是它們已經(jīng)與環(huán)境關(guān)注有關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 和優(yōu)點
[0007] 本發(fā)明提供一種具有增加的阻燃性的硬質(zhì)泡沫體。該硬質(zhì)泡沫體包含異氰酸酯組 分和異氰酸酯反應(yīng)性組分的反應(yīng)產(chǎn)物。該異氰酸酯組分具有異氰酸酯官能團，該異氰酸酯 反應(yīng)性組分具有異氰酸酯反應(yīng)性官能團。該異氰酸酯組分和該異氰酸酯反應(yīng)性組分是在用 于形成至少一個異氰脲酸酯部分的異氰脲酸酯催化劑組分存在下和在用于形成至少一個 碳二酰亞胺部分的碳二酰亞胺催化劑組分存在下反應(yīng)的。該異氰脲酸酯催化劑組分包含 1，3, 5-三（3-(二甲基氨基）丙基）_六氫-S-三嗪，該碳二酰亞胺催化劑組分包含3-甲 基-1-苯基-2-磷雜環(huán)戊烯-1-氧化物。該異氰酸酯組分、異氰酸酯反應(yīng)性組分、異氰脲酸 酯催化劑組分和碳二酰亞胺催化劑組分形成了上升時間不大于約150秒和不黏時間不大 于約120秒的混合物。
[0008] 本發(fā)明還提供一種在表面上形成硬質(zhì)泡沫體的方法。該方法包括提供具有異氰酸 酯官能團的異氰酸酯組分的步驟。該方法還包括提供具有異氰酸酯反應(yīng)性官能團的異氰酸 酯反應(yīng)性組分的步驟。該方法進一步包括提供異氰脲酸酯催化劑組分，用于形成至少一個 異氰脲酸酯部分的步驟。該方法仍然進一步包括提供碳二酰亞胺催化劑組分，用于形成至 少一個碳二酰亞胺部分的步驟。該方法還包括將該異氰酸酯組分、異氰酸酯反應(yīng)性組分、異 氰脲酸酯催化劑組分和碳二酰亞胺催化劑組分噴涂到表面上，來在該表面上形成硬質(zhì)泡沫 體的步驟。
【具體實施方式】
[0009] 本發(fā)明提供硬質(zhì)泡沫體和形成該硬質(zhì)泡沫體的方法。該硬質(zhì)泡沫體特別適于噴涂 泡沫應(yīng)用，其中該硬質(zhì)泡沫體是由噴涂形成的，例如噴涂泡沫絕緣，例如適于墊子或者支撐 應(yīng)用。但是，可以理解的是本發(fā)明的硬質(zhì)泡沫體可以具有超過噴涂泡沫絕緣的應(yīng)用。如下 面進一步詳細所述，該硬質(zhì)泡沫體表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，同時使常規(guī)阻燃劑添加劑的使 用最小化，并且具有快速的固化速率，同時使該硬質(zhì)泡沫體的開裂和蠕變最小。
[0010] 該硬質(zhì)泡沫體可以是開泡孔或者封閉泡孔的，并且典型地包括高度交聯(lián)的聚合 物結(jié)構(gòu)，其使得該泡沫體具有良好的熱穩(wěn)定性，在低密度時的高壓縮強度，低導(dǎo)熱率和 令人期望的阻擋性能。典型地，本發(fā)明的硬質(zhì)泡沫體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于室溫（約 23°C+/-2°C (約73. 4+/-3. 6° F))和是典型地在室溫是硬質(zhì)的。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員公 知的，泡沫體是在處于或者低于它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，特別是處于它們的儲能模量的 玻璃態(tài)區(qū)域時是硬質(zhì)的。在各種實施方案中，該硬質(zhì)泡沫體的密度是約1-約81，約16-約 65,或者約16-約49公斤/立方米（或者約0. 1-約5,約1-約4,或者約1-約3鎊/立方 英尺（pcf))。
[0011] 該硬質(zhì)泡沫體具有如下所述的各自根據(jù)ASTM標準編號E84-10測量的火焰蔓延指 數(shù)值和煙霧形成指數(shù)值。例如在各種實施方案中，該硬質(zhì)泡沫體的火焰蔓延指數(shù)值不大于 25,或者不大于20,不大于15,不大于10或者不大于5,均是根據(jù)ASTM標準編號E84-10測 量的。或者，該硬質(zhì)泡沫體的火焰蔓延指數(shù)值是0-25, 5-25,10-25,15-25或者20-25。在 其他實施方案中，該硬質(zhì)泡沫體的發(fā)煙值不大于450,或者不大于400,不大于350,不大于 300,或者不大于250,均是根據(jù)ASTM標準編號E84-10測量的?；蛘?，該硬質(zhì)泡沫體的發(fā)煙 值是0-450, 250-450, 300-450, 350-450或者400-450。在某些實施方案中，該硬質(zhì)泡沫體的 火焰蔓延指數(shù)值不大于25且發(fā)煙值不大于450,均根據(jù)ASTM標準編號E84-10測量的。在 其他實施方案中，該硬質(zhì)泡沫體的火焰蔓延指數(shù)值不大于25或者發(fā)煙值不大于450,均是 根據(jù)ASTM標準編號E84-10測量的。
[0012] 該硬質(zhì)泡沫體包含異氰酸酯組分和異氰酸酯反應(yīng)性組分的反應(yīng)產(chǎn)物。該異氰酸酯 組分具有異氰酸酯官能團（NC0基團）和該異氰酸酯反應(yīng)性組分具有異氰酸酯反應(yīng)性官能 團，例如羥基（-OH)和/或胺基（-NH)。典型地，至少一部分該異氰酸酯反應(yīng)性官能團是羥 基，使得NCO基團和包含羥基的異氰酸酯反應(yīng)性官能團反應(yīng)來形成至少一個聚氨酯部分。 為了清楚起見，至少一個聚氨酯部分在下文中稱作"聚氨酯部分"和/或"聚氨酯部分"。
[0013] 在當NCO基團和該異氰酸酯反應(yīng)性官能團除了羥基之外或者替代羥基，還含有胺 基的實施方案中，胺基團通常與該NCO基團反應(yīng)來形成至少一個聚脲部分。為了清楚起見， 該至少一個聚脲部分在下文中稱作"聚脲部分"和/或"聚脲部分"?？梢岳斫庠摦惽杷狨?反應(yīng)性組分可以沒有羥基，從而僅含有胺基，使得NCO基團和該異氰酸酯反應(yīng)性官能團反 應(yīng)來形成聚脲部分。典型地，該異氰酸酯反應(yīng)性官能團包含羥基和胺基二者，使得該異氰酸 酯反應(yīng)性官能團和NCO基團反應(yīng)，形成聚氨酯部分和聚脲部分。
[0014] 該異氰酸酯和異氰酸酯反應(yīng)性組分是在用于在硬質(zhì)泡沫體中形成至少一個異氰 脲酸酯部分的異氰脲酸酯催化劑組分存在下反應(yīng)的。更具體的，該異氰酸酯組分的至少三 個NCO基團在異氰脲酸酯催化劑組分存在下自反應(yīng)，形成至少一個異氰脲酸酯部分。為了 清楚起見，該至少一個異氰脲酸酯部分在下文中稱作"異氰脲酸酯部分"和/或"異氰脲酸 酯部分"。本文使用的"自反應(yīng)"應(yīng)解釋為該異氰酸酯組分的第一部分的NCO基團與該異氰 酸酯組分的第二部分的NCO基團反應(yīng)，其中該異氰酸酯組分包含至少一種具有NCO基團的 單體、低聚物和/或聚合物，使得該第一部分和/或第二部分是相同的和/或不同的單體、 低聚物和/或聚合物。換言之，該異氰酸酯組分的NCO基團可以分子內(nèi)反應(yīng)，分子間反應(yīng)或 者其組合。該異氰脲酸酯部分是通過三個NCO基團在異氰脲酸酯催化劑組分存在下三聚形 成的。該異氰脲酸酯部分的形成如下所示，其僅用于示例的目的，其中R是多價有機基團：
[0015]
[0016] 該異氰脲酸酯催化劑組分包含1，3, 5-三（3_(二甲基氨基）丙基）_六氫-S-三 嗪。雖然要求注意，但是據(jù)信1，3, 5-三（3_(二甲基氨基）丙基）_六氫-S-三嗪通過形 成異氰脲酸酯部分而增加了該硬質(zhì)泡沫體的阻燃性。該1，3, 5-三（3_(二甲基氨基）丙 基）-六氫-S-三嗪具有下面的化學(xué)結(jié)構(gòu)：
[0017]
[0018] 該異氰脲酸酯部分在硬質(zhì)泡沫體中提供了熱穩(wěn)定的連接基。該熱穩(wěn)定的連接基 阻止在該硬質(zhì)泡沫體曝露于火焰時產(chǎn)生可燃氣體，由此降低了當存在聚氨酯部分時該硬質(zhì) 泡沫體的可燃性。因此，該硬質(zhì)泡沫體的阻燃性是通過包括異氰脲酸酯部分而增加。典型 地，該硬質(zhì)泡沫體中的異氰脲酸酯部分具有比硬質(zhì)泡沫體中的聚氨酯部分更高的熱穩(wěn)定 性。但是，該硬質(zhì)泡沫體中的異氰脲酸酯部分增加了該硬質(zhì)泡沫體的脆性，這歸因于由異 氰脲酸酯部分的形成而產(chǎn)生的增加的交聯(lián)密度。該異氰脲酸酯催化劑組分典型地用量是 約0. 1-約20,約0. 1-約10,或者約0. 1-約5重量份，均基于100重量份的該異氰酸酯組 分計，從而形成硬質(zhì)泡沫體中的異氰脲酸酯部分。合適的異氰脲酸酯催化劑組分的一個非 限定性例子是以商品名市售自Allentown，PA的Air Products and Chemicals，Inc.的 POLYCAT⑧41催化劑。
[0019] 在某些實施方案中，除了 1，3, 5-三（3-(二甲基氨基）丙基）-六氫-S-三嗪之外， 該異氰脲酸酯催化劑組分可以包含一種或多種異氰脲酸酯催化劑，從而在硬質(zhì)泡沫體中形 成異氰脲酸酯部分。據(jù)信該異氰酸酯組分和水也在異氰脲酸酯催化劑組分存在下反應(yīng)形成 二氧化碳（CO2)。在1，3, 5-二（3_(二甲基氨基）丙基）-六氫-S-二嗪存在下形成(1)2典 型地大于在其他異氰脲酸酯催化劑存在下形成CO2。合適的異氰脲酸酯催化劑非限定性的 例子是以商品名Cur ithane?例如52催化劑，Dabco?例如K-15催化劑，TMR催化劑， TMR-2催化劑，TMR-3催化劑，TMR-4催化劑和TMR-5催化劑，和P0LYCAT⑧例如46催化 劑下市售自Allentown，PA的Air Products and Chemicals，Inc·。在其他實施方案中，該 異氰脲酸酯催化劑組分基本上由1，3, 5-三（3-(二甲基氨基）丙基）-六氫-S-三嗪組成， 或由其組成。
[0020] 該異氰酸酯和異氰酸酯反應(yīng)性組分也在碳二酰亞胺催化劑組分存在下反應(yīng)，用于 在該硬質(zhì)泡沫體中形成至少一個碳二酰亞胺部分。更具體的，該異氰酸酯組分的至少兩個 NCO基團在碳二酰亞胺催化劑組分存在下自反應(yīng)，形成至少一個碳二酰亞胺部分。為了清楚 起見，該至少一個碳二酰亞胺部分在下文中稱作"碳二酰亞胺部分"和/或"多個碳二酰亞 胺部分"。該碳二酰亞胺部分是通過兩個NCO基團在碳二酰亞胺催化劑組分存在下縮合反應(yīng) 來形成的。另外，CO 2典型地是作為這種縮合反應(yīng)的副產(chǎn)物而形成的。在某些實施方案中， 〇)2可以用作該硬質(zhì)泡沫體形成過程中的發(fā)泡劑。但是，CO 2的形成會導(dǎo)致該硬質(zhì)泡沫體開 裂。碳二酰亞胺部分的形成如下所述，其僅僅是用于示例性目的，其中R是多價有機基團：
[0021] 2R-N = C = 0 - R-N = C = N-R+C02。
[0022] 該碳二酰亞胺催化劑組分包含3-甲基-1-苯基-2-磷雜環(huán)戊烯-1-氧化物。雖 然需要注意，但是據(jù)信3-甲基-1-苯基-2-磷雜環(huán)戊烯-1-氧化物通過形成碳二酰亞胺 部分，增加了該硬質(zhì)泡沫體的阻燃性。這種3-甲基-1-苯基-2-磷雜環(huán)戊烯-1-氧化物 可以單獨使用或者與其他碳二酰亞胺催化劑組合使用。該3-甲基-1-苯基-2-磷雜環(huán)戊 烯-1-氧化物具有下面的化學(xué)結(jié)構(gòu)：
[0023]
[0024] 該碳二酰亞胺部分在硬質(zhì)泡沫體中提供了熱穩(wěn)定的連接基。如上所述，該熱穩(wěn)定 的連接基阻止了在硬質(zhì)泡沫體曝露于火焰的過程中產(chǎn)生可燃氣體。因此，硬質(zhì)泡沫體的阻 燃性是通過將碳二酰亞胺部分包括在該硬質(zhì)泡沫體中而