ВСПЕНЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВКЛЮЧЕННОЙ В НЕГО ЦЕЛЛЮЛОЗОЙ Российский патент 2011 года по МПК C08J9/00 C08L1/02 

Изобретение относится к вспененному элементу с включенным в пеноматериал гидрофильным агентом, который образован из целлюлозы, причем вспененный элемент с введенной целлюлозой имеет способность обратимо поглощать влагу, как это описано в пунктах 1-3 формулы.

В настоящее время пеноматериалы используются или применяются во многих областях повседневной жизни. Во многих этих областях применения пеноматериалы контактируют с телом, чаще всего их разделяют только один или несколько промежуточных слоев ткани. Большинство таких пеноматериалов состоит из синтетических полимеров, таких как полиуретан (ПУ), полистирол (ПС), синтетический каучук и т.д., которые в принципе имеют недостаточную водопоглощающую способность. В частности, при длительном контакте с телом или же при напряженной деятельности, когда выделяется пот, из-за высокого количества невпитывающейся влаги создаются неприятные температуро-влажностные условия для тела. Поэтому для большинства применений требуется делать такие пеноматериалы гидрофильными.

Это, опять же, может достигаться самыми разными способами. Одна возможность состоит в том, как это описано, например, в документе DE 19930526 A, что уже пенную структуру мягкого пенополиуретана делают гидрофильной. Это осуществляют путем взаимодействия по меньшей мере одного полиизоцианата с по меньшей мере одним соединением, содержащим по меньшей мере два активных к изоцианату соединения, в присутствии сульфокислот, которые содержат одну или несколько гидроксильных групп и/или их солей и/или могут быть получены из полиалкиленгликолевых эфиров, инициированных одноатомными спиртами. Такие пеноматериалы применяются, например, в качестве губок для домашнего хозяйства или для гигиенических изделий.

Следующая возможность описана в документе DE 10116757 A1, где гидрофильный алифатический полиметановый пеноматериал с открытыми ячейками, с дополнительным собственным слоем целлюлозных волокон с введенным в него гидрогелем, применяется как аккумулирующее средство.

Из европейского патента EP 0793681 B1 или немецкого перевода DE 69510953 T2 стал известен способ получения мягких пенопластов, в котором используются так называемые суперпоглощающие полимеры (SAP), которые можно назвать также гидрогелями. При этом применяемые SAP предварительно смешиваются с форполимером, что делает этот способ очень простым для производителя пен. Такие SAP можно выбирать из SAP, привитых крахмалами или целлюлозой, с применением, например, акрилонитрила, акриловой кислоты или акриламида в качестве ненасыщенного мономера. Такие SAP продаются, например, фирмой Höchst/Cassella под наименованием SANWET IM7000.

В документе WO 96/31555 A2 описан пеноматериал с ячеистой структурой, причем пеноматериал опять же содержит суперпоглощающие полимеры (SAP). При этом SAP может быть образован из синтетического полимера или также из целлюлозы. Применяемый там пеноматериал используется для того, чтобы поглощать влагу или жидкости и удерживать их в пенной структуре.

Из документа WO 2007/135069 A1 стали известны обувные подошвы с водопоглощающими свойствами. При этом еще перед вспениванием синтетического материала добавляют водопоглощающие полимеры. Такие водопоглощающие полимеры обычно получают полимеризацией водного раствора мономера и факультативно последующим измельчением гидрогеля. Водопоглощающий полимер или образованный из него высушенный гидрогель после его получения предпочтительно размалывают и просеивают, причем здесь применяются частицы просеянного, высушенного гидрогеля с размерами предпочтительно ниже 1000 мкм и предпочтительно выше 10 мкм. Кроме того, дополнительно к гидрогелям перед вспениванием могут добавляться или вмешиваться наполнители, причем здесь в качестве органических наполнителей могут применяться, например, сажа, меламин, канифоль, а также целлюлозные волокна, полиамидные, полиакрилонитрильные, полиуретановые, полиэфирные волокна на основе ароматических и/или алифатических сложных эфиров дикарбоновых кислот и углеродные волокна. При этом для получения вспененного элемента все вещества вводятся в реакционную смесь отдельно друг от друга.

Известные в уровне техники пеноматериалы по своим свойствам выполняются так, чтобы они сохраняли и удерживали поглощенную ими влагу в течение длительного времени. Как это следует из WO 2007/135069 A1, впитанная влага, или поглощенная вода, снова полностью возвращается к исходному состоянию, что касается влажности окружающей атмосферы, только по истечении 24 часов.

Эта скорость отдачи является слишком медленной для нормального способа использования, как, например, матрасов, обувных подошв или сидений в транспортных средствах, которые непрерывно используются несколько часов подряд в день и поэтому имеют существенно меньше 24 часов времени для отдачи впитанной влаги. При этом можно говорить о так называемой равновесной влажности, причем это есть значение влажности, при котором пена находится в равновесии с влажностью, содержащейся в окружающей атмосфере.

Поэтому в основе настоящего изобретения стоит задача создать вспененный элемент, который для улучшения его влагорегулирования в отношении скорости отдачи влаги содержит материал, который, кроме того, прост в переработке при получении пены.

Эта задача изобретения решена отличительными признаками пункта 1 формулы. Преимущество, даваемое признаками пункта 1, состоит в том, что добавлением целлюлозы к пенной структуре достигается достаточно высокая способность впитывать влагу или жидкость, но при этом впитанная влажность или жидкость по окончании наполнения в результате пользования как можно быстрее отдается снова в окружающую атмосферу, так что снова достигается равновесная влажность. Таким образом, благодаря применению целлюлозы-II избегают материалов с волокнистой структурой, вследствие чего улучшается сыпучесть и предотвращается взаимное зацепление волокон. Длительность отдачи зависит от цели применения или назначения вспененного элемента, и равновесная влажность после использования, например как матраса, снова достигается самое позднее через 16 часов. В случае обувных подошв или стелек эта длительность должна устанавливаться еще меньшей. Поэтому в качестве гидрофильного агента добавляется определенное количество целлюлозы, которое вводится или вмешивается прямо при образовании пены в один из образующих пену компонентов. Благодаря целлюлозе достигается не только достаточная накопительная емкость, но и повторная быстрая отдача поглощенной влаги в окружающую среду. Благодаря добавленной фракции целлюлозы достигается то, что способность поглощать и отдавать влагу вспененным элементом можно легко подстраивать к самым разным случаям применения.

Независимо от этого, задача изобретения может быть решена также отличительными признаками пункта 2 формулы. Преимущество, даваемое признаками пункта 2, состоит в том, что добавлением целлюлозы в пенную структуру создается достаточно высокая способность поглощения влаги или жидкости, однако после наполнения в результате использования поглощенная влажность или жидкость как можно быстрее отдается снова в окружающую атмосферу, так что снова достигается равновесная влажность. В результате особой комбинации добавления целлюлозы-II и достигнутых при этом значений плотности получается очень высокое паро- или влагопоглощение. Благодаря высокому значению промежуточного хранения влаги или воды, которая поглощается во время использования вспененного элемента, можно гарантировать пользователю приятное чувство сухости при использовании. Таким образом, благодаря этому тело не контактирует напрямую с влагой.

Независимо от этого, задача изобретения может быть решена также отличительными признаками пункта 3. Преимущество, даваемое отличительными признаками пункта 3, состоит в том, что в результате добавления целлюлозы в пенную структуру создается достаточно высокая способность поглощать влагу или жидкость, однако после наполнения в результате использования поглощенная влага или жидкость как можно быстрее отдается снова в окружающую атмосферу, так что снова достигается равновесная влажность. В результате особой комбинации добавления целлюлозы-II и достигнутых при этом значений плотности получается очень высокое паро- или влагопоглощение.

Благодаря этому можно при хорошем удобстве в применении достичь быстрой отдачи влаги, впитанной вспененным элементом. Таким образом, и после высокого поглощения влаги уже через относительно короткий промежуток времени возможно повторное использование, и при этом возможно снова иметь в распоряжении равно сухой вспененный элемент.

Выгодна также следующая форма осуществления по п. 4, так как в зависимости от полученной пенной структуры пенопласта длину волокна можно подобрать так, чтобы можно было достичь оптимального переноса влаги как для быстрого поглощения, так и для быстрой отдачи после использования.

Далее, выгодно усовершенствование по п.5, поскольку так можно достичь еще более тонкого распределения целлюлозных частиц внутри пенной структуры и тем самым просто подстроить вспененный элемент к самым разным целям применения.

В результате усовершенствования по п.6 можно улучшить сыпучесть частиц. Благодаря не вполне гладкой и неправильной структуре поверхности это ведет к повышенной удельной поверхности, которая способствует отличным адсорбционным свойствам целлюлозных частиц.

Согласно другому варианту осуществления по п.7 создается возможность использовать такие частицы также при так называемом углекислотном вспенивании без того, чтобы при этом закупоривались мелкие отверстия в пластине форсунки.

Выгодно также усовершенствование по п.8, поскольку таким образом избегают сферической формы и создается нерегулярная поверхность без волокнистой бахромчатости или фибрилл. Тем самым избегают пылевидных образований, и достигается благоприятное распределение внутри пенной структуры.

В результате усовершенствования по п.9 можно обогащать целлюлозу или соединять ее с по меньшей мере одной дополнительной добавкой непосредственно при получении целлюлозы, и, таким образом, для введения в компонент реакции нужно учитывать только одну-единственную добавку.

Выгодно также усовершенствование по п.10, поскольку таким образом можно получить вспененный элемент, который может найти применение в самых разных областях применения.

Согласно усовершенствованию, какое описано в пункте 11, достигается еще лучший перенос влаги внутрь вспененного элемента.

Далее, использование вспененного элемента выгодно также для самых разных целей назначения, поскольку таким образом не только можно улучшить удобство в носке при использовании, но и существенно быстрее выполняется дальнейший цикл сушки. Это выгодно особенно для самых разных сидений, матрасов, а также в тех формах применения, при которых телом отдается влага.

Для лучшего понимания изобретения оно будет подробнее объяснено на следующих чертежах.

Показано, каждый раз в упрощенном виде:

фиг.1 - первый график, на котором для различных образцов с разным местом отбора проб показано влагопоглощение между двумя заданными температурно-влажностными условиями;

фиг.2 - второй график, который показывает различное влагопоглощение обычной пеной и пеной с введенными частицами целлюлозы;

фиг.3 - третий график, который показывает разную отдачу влаги обычной пеной и пеной с введенными частицами целлюлозы;

фиг.4 - гистограмма, которая показывает поглощение водяного пара обычным пенопластом и, в сравнении с этим, пенопластом с введенными частицами целлюлозы.

Для начала следует отметить, что в разных описанных формах осуществления одинаковые детали снабжены одинаковыми позициями для ссылок или одинаковыми обозначениями конструктивных элементов, причем раскрытия, содержащиеся во всем описании, могут быть перенесены по смыслу на одинаковые детали с одинаковыми позициями или одинаковыми обозначениями конструктивных элементов. Равным образом, и указания на место, выбранное в описании, как например сверху, снизу, сбоку и т.д., относятся к непосредственно описываемой, а также показанной фигуре и должны при изменении места переноситься по смыслу на новое место. Кроме того, отдельные признаки или комбинации признаков из показанных и описанных разных примеров осуществления могут представлять собой самостоятельные изобретательские решения или решения согласно изобретению.

Все указания на диапазон значений в настоящем описании следует понимать так, что они охватывают все без исключения подобласти диапазона, например если указано "от 1 до 10", следует понимать, что охватываются все поддиапазоны, исходя из нижней границы 1 и верхней границы 10, т.е. все подобласти, начинающиеся с нижней границы 1 или больше и заканчивающиеся верхней границей 10 или меньше, например от 1 до 1,7, или от 3,2 до 8,1 или от 5,5 до 10.

Сначала подробнее остановимся на вводимом в пенопласт, в частности в образованный из него вспененный элемент, гидрофильном агенте, который образован, например, из целлюлозы. Таким образом, вспененный элемент образован из пенопласта, а также из включенного в него гидрофильного агента. Пенопласт, со своей стороны, может быть образован из соответствующей смеси компонентов, способных вспениваться друг с другом, которые предпочтительно находятся в жидкой форме, как это уже достаточно известно.

Как уже было написано во введении, в WO 2007/135069 A1 помимо водопоглощающих полимеров в качестве дополнительного наполнителя добавляют целлюлозные волокна. Они должны в известных случаях улучшать механические свойства пеноматериала. Однако здесь было установлено, что добавление волокнистых добавок затрудняет переработку вспениваемой исходной смеси, так как изменяется ее текучесть. Например, волокнистые целлюлозные частицы, которые перед вспениванием вмешиваются, в частности, в полиольный компонент, сделали бы его более вязкотекучим, что затрудняет или даже делает невозможным смешение с другими компонентами, а именно с изоцианатом, в дозирующей головке установки по производству пены. Равным образом, может также стать более трудным распространение реакционной массы в результате растекания по конвейерной ленте установки по производству пены. Кроме того, волокнистые целлюлозные частицы могут также усиленно задерживаться как отложения в трубопроводах для подвода реакционной смеси.

Поэтому добавление волокнистых добавок возможно только в определенных границах. Чем меньше количественная доля волокнистых добавок, в частности коротких отрезков целлюлозных волокон, тем меньше также водопоглощающая способность, когда они добавляются к пеноматериалу. Так, уже при добавлении незначительного количества порошка из волокон целлюлозы следует ожидать повышения вязкости, в частности, полиольного компонента. Правда, такие смеси в принципе перерабатываются, но при обработке следует принимать во внимание изменившуюся вязкость.

Как известно, целлюлозу или произведенные из нее нити, волокна или порошки по большей части получают путем переработки и измельчения лигнина или также древесины и/или однолетних растений.

В зависимости от производственных затрат получают порошки различного качества (чистота, размер и т.п.). Общим для всех этих порошков является то, что они имеют волокнистую структуру, так как натуральная целлюлоза любого порядка величины имеет выраженную тенденцию образовывать такие волокнистые структуры. Также и МКЦ (микрокристаллическая целлюлоза), которая описывается как сферическая, состоит тем не менее из фрагментов кристаллических волокон.

В зависимости от микроструктуры различают разные структурные типы целлюлозы, в частности целлюлозу-I и целлюлозу-II. Разница между этими двумя структурными типами детально описана в специальной литературе и, кроме того, может быть установлена рентгенографически.

Преобладающая часть целлюлозного порошка состоит из целлюлозы-I. Получение и применение порошков целлюлозы-I защищено большим числом правовых норм. Ими защищены, например, также многие технические детали измельчения. Порошки целлюлозы-I имеют волокнистую природу, что не очень благоприятно для ряда применений или даже мешает им. Так, волокнистые порошки часто приводят к сцеплению волокон. С этим связана также ограниченная сыпучесть.

Целлюлозные порошки на основе целлюлозы-II в настоящее время практически отсутствуют на рынке. Такие целлюлозные порошки с подобной структурой можно получить или из раствора (главным образом вискоза), или измельчением продуктов из целлюлозы-II. Таким продуктом был бы, например, целлофан. Кроме того, такие тонкие порошки с размером зерна 10 мкм и ниже также доступны лишь в очень незначительных количествах.

Получение сферических, нефибриллярных целлюлозных частиц с размером в диапазоне от 1 мкм до 400 мкм можно осуществить, например, из раствора недериватизированной целлюлозы в смеси органического вещества и воды. При этом раствор в свободном течении охлаждают до его температуры затвердевания и затем застывший целлюлозный раствор измельчают. После этого растворитель вымывают и измельченные промытые частицы сушат. Дальнейшее измельчение проводится чаще всего с помощью мельницы.

Особенно выгодно, если уже в подготовленный раствор целлюлозы перед его охлаждением и последующим застыванием вводят по меньшей мере отдельные из называемых далее добавок. Эта добавка может быть выбрана из группы, содержащей пигменты, неорганические вещества, как например оксиды титана, в частности нестехиометрический диоксид титана, сульфат бария, ионообменник, полиэтилен, полипропилен, полиэфир, сажу, цеолиты, активированный уголь, полимерный суперабсорбер или огнезащитное средство. В таком случае они присутствуют в получаемых позднее целлюлозных частицах. При этом добавление может производиться в любой момент получения раствора, но в любом случае перед застыванием. При этом можно вводить от 1 вес.% до 200 вес.% добавок, в расчете на количество целлюлозы. Оказалось, что эти добавки при вымывании не удаляются, а остаются в целлюлозных частицах, также по существу сохраняют свою функцию. Так, например, при подмешивании активированного угля можно установить, что его активная поверхность, которую можно измерить, например, методом БЭТ, также полностью сохраняется в готовых частицах. Кроме того, в результате этого полностью доступны не только добавки, находящиеся на поверхности целлюлозных частиц, но и находящиеся внутри частиц. Это следует считать особенно экономически выгодным, так как в подготовленный раствор целлюлозы нужно добавлять лишь незначительное количество добавок.

Это имеет то преимущество, что в реакционную смесь для получения вспененного элемента добавляют только целлюлозные частицы с уже содержащимися в них функциональными добавками. При известном до сих пор раздельном добавлении всех добавок по отдельности в реакционную смесь здесь для расчета параметров пенообразования нужно учитывать только тип добавки. Благодаря этому можно избежать неконтролируемых колебаний свойств многих из этих различных добавок.

Итак, этим образом действий можно получить целлюлозный порошок, который состоит из частиц, имеющих структуру целлюлозы-II. Целлюлозный порошок имеет размер частиц в диапазоне с нижней границей 1 мкм и с верхней границей 400 мкм, при среднем размере частиц ×50 с нижней границей 4 мкм и с верхней границей 250 мкм, при унимодальном распределении частиц по размеру. Далее, целлюлозный порошок или частицы имеют приблизительно сферическую форму с дискретной поверхностью, причем степень кристалличности, определенная согласно методу Рамана, лежит в диапазоне с нижней границей 15% и с верхней границей 45%. Кроме того, частицы имеют удельную поверхность (адсорбция N₂, БЭТ) с нижней границей 0,2 м²/г и с верхней границей 8 м²/г при насыпной плотности с нижней границей 250 г/л и верхней границей 750 г/л.

Структура целлюлозы-II достигается путем растворения и повторного осаждения целлюлозы, и настоящие частицы отличаются, в частности, от частиц, полученных из целлюлозы без этапа растворения.

На размер частиц в описанном выше диапазоне (нижняя граница 1 мкм и верхняя граница 400 мкм, распределение частиц, которое характеризуется значением ×50 с нижней границей 4 мкм, в частности 50 мкм, и с верхней границей 250 мкм, в частности 100 мкм) влияет, естественно, режим процесса измельчения путем размола. Тем не менее, в результате особого способа получения посредством застывания свободно текучего раствора целлюлозы и благодаря обусловленным этим механическим свойствам затвердевшей целлюлозной массы, этого распределения частиц можно достичь особенно легко. Раствор целлюлозы, застывающий под действием срезывающих нагрузок, имел бы при равных условиях измельчения другие, но, в частности, фибриллярные характеристики.

Форма применяемых частиц является приблизительно сферической. Эти частицы имеют соотношение осей (1:d) от 1 и до 2,5. Они имеют неправильную поверхность, однако в микроскоп не видно никакой волокноподобной бахромчатости или фибрилл. Таким образом, речь никоим образом не идет о сферах с гладкой поверхностью. Однако для рассматриваемых приложений такая форма была бы и не особенно благоприятной.

Также и насыпная плотность описываемых здесь целлюлозных порошков, которая лежит между нижней границей 250 г/л и верхней границей 750 г/л, заметно выше, чем плотность сопоставимых фибриллярных частиц, соответствующих уровню техники. Такая насыпная плотность имеет существенные технологические преимущества, так как она выражает также компактность описываемых здесь целлюлозных порошком и тем самым, наряду с прочим, лучшую сыпучесть, смешиваемость в различных средах и не являющуюся проблемой пригодность для хранения.

Резюмируя, еще раз подчеркнем, что частицы, полученные из целлюлозного порошка, благодаря своей сферической структуре имеют улучшенную сыпучесть и почти не обнаруживают структурновязкого поведения. Определение характеристик частиц посредством широко распространенных в промышленности приборов для определения гранулометрического размера благодаря сферической форме также является более простым и более содержательным. Не вполне гладкая и нерегулярная структура поверхности приводит к повышенной удельной поверхности, которая способствует еще лучшим адсорбционным свойствам порошка.

Независимо от этого было бы также возможно смешивать чистый целлюлозный порошок или образованные из него частицы с другими целлюлозными частицами, которые дополнительно содержали бы введенные добавки в количестве с нижней границей 1 вес.% и с верхней границей 200 вес.%, в расчете на количество целлюлозы. Отдельные из этих добавок снова могут выбираться из группы, содержащей пигменты, неорганические вещества, как например оксиды титана, в частности подстехиометрический диоксид титана, сульфат бария, ионообменник, полиэтилен, полипропилен, полиэфир, активированный уголь, полимерный суперабсорбер и огнезащитное средство.

В зависимости от применяемого способа вспенивания для получения пеноматериалов особенно выгодными показали себя, в частности при углекислотном вспенивании, сферические целлюлозные частицы по сравнению с известными волокнистыми целлюлозными частицами. При этом углекислотное вспенивание может проводиться, например, по способу Novaflex-Cardio или подобным способом, причем здесь применяются, в частности, мелкие отверстия в пластинах форсунки. Крупные и волокнистые частицы могли бы сразу же забить отверстия форсунки и создавать другие проблемы. Поэтому как раз при этом способе вспенивания особенно выгодна высокая степень дисперсности сферических целлюлозных частиц.

Теперь вспененный элемент согласно изобретению, соответственно способ получения вспененного элемента будут подробнее пояснены на нескольких примерах. Их следует рассматривать как возможные формы осуществления изобретения, причем изобретение никоим образом не ограничено объемом этих примеров.

Данные по влажности в вес.% относятся к массе или весу всего вспененного элемента (пенопласт, целлюлозные частицы и вода или влага).

Пример 1

Получаемый вспененный элемент может быть образован из пенопласта, как например мягкий пенополиуретан, причем здесь опять же могут найти применение самые разные возможности получения и способы. Такие пены чаще всего имеют структуру пены с открытыми ячейками. Это можно осуществить, например, на установке по производству пены "QFM" фирмы Hennecke, причем пеноматериал создается способом дозировки при высоком давлении в непрерывном процессе. Все необходимые компоненты точно дозируются посредством управляемого насоса с использованием компьютера и смешиваются по принципу мешалки. Один из этих компонентов в настоящем случае является полиолом, который был разбавлен описанными ранее целлюлозными частицами. Из-за добавления целлюлозных частиц в компонент реакции полиол необходимы дополнительно различные корректировки рецептуры, например, воды, катализаторов, стабилизаторов, а также TDI, чтобы по существу нейтрализовать влияние добавленного целлюлозного порошка на получение и достигаемые в последующем физические величины.

Была получена одна возможная согласно изобретению пена с 7,5 вес.% сферических целлюлозных частиц. Для этого сначала был получен сферический целлюлозный порошок, который позднее добавляли в один из компонентов реакции для получения пеноматериала. При этом количественная доля целлюлозы в расчете на полную массу пеноматериала, в частности пенопласта, может лежать в диапазоне с нижней границей 0,1 вес.%, в частности 5 вес.%, и верхней границей 10 вес.%, в частности 8,5 вес.%.

Пример 2 (сравнительный пример)

Для сравнения с примером 1 на этот раз из пенопласта получали вспененный элемент, который был получен без добавления целлюлозного порошка или целлюлозных частиц. Причем это может быть стандартная пена, HR-пена или вискозная пена, каждая из которых была получена по известной рецептуре и вспенена.

Сначала попытались установить, равномерно ли распределены по высоте добавленные целлюлозные частицы во всех слоях полученного вспененного элемента. Это проводили так, чтобы посредством водопоглощения пеноматериалом при нормальных условиях (20°C и 55% отн. вл.), а также при других стандартизованных температурно-влажностных условиях (23°C и 93% отн. вл.) измерить так называемую равновесную влажность. Для этого с трех разных высот пеноблока, полученного в примере 1, а также в примере 2, отбирались образцы одинакового размера и на каждом измерялось водопоглощение в обоих описанных ранее стандартизованных температурно-влажностных условиях. При этом 1,0 м означает верхний слой пеноблока, 0,5 м - средний слой и 0,0 м - нижний слой пеноматериала для отбора образцов из пенопласта с добавленными целлюлозными частицами. Полная высота блока составляла около 1 м. В качестве сравнения служил не содержащий целлюлозы пенопласт из примера 2.

Таблица 1 Образец Пример 1. Верх Пример 1. Середина Пример 1. Низ Пример 2 Нормальные условия 1,6% 1,6% 1,5% 0,7% Равновесная влажность тела 4,6% 4,7% 4,5% 2,5%

Как видно из приведенных численных значений, пена, соединенная с целлюлозными частицами, как в нормальных условиях, так и в других стандартизованных температурно-влажностных условиях с равновесной влажностью тела, поглощает существенно больше влаги по сравнения с пеноматериалами, не содержащими целлюлозы. Разное место отбора проб (сверху, с середины, снизу) также показывает относительно хорошее соответствие результатов измерения, из чего можно сделать вывод о равномерном распределении целлюлозных частиц в полученном вспененном элементе.

Следующая таблица 2 показывает механические свойства обоих пеноматериалов согласно примеру 1 и примеру 2. Легко увидеть, что тип пеноматериала с включенными целлюлозными частицами имеет сравнимые механические свойства с пеноматериалом без добавления целлюлозных частиц. Это говорит о беспроблемных технологических свойствах компонентов реакции, в частности, когда в них добавлены сферические целлюлозные частицы.

Таблица 2   Тип пены   A A B B Доля порошка (целлюлозные частицы) 0% 10% 0% 7,50%           Объемный вес 33,0 кг/м³ 33,3 кг/м³ 38,5 кг/м³ 43,8 кг/м³ Напряжение при сжатии 40% 3,5 кПа 2,3 кПа 2,7 кПа 3,0 кПа Эластичность 48% 36% 55% 50% Прочность на разрыв 140 кПа 100 кПа 115 кПа 106 кПа Удлинение 190% 160% 220% 190% Остаточная деформация при сжатии во влажном состоянии (22 ч/70% давл./50°C/95% отн. вл.) 6% 50% 6% 9%

Вспененный элемент без добавленных целлюлозных частиц должен для обоих указанных типов пены иметь следующие номинальные значения:

  Тип пены   A   B   Объемный вес 33,0 кг/м³   38,5 кг/м³   Напряжение при сжатии 40% 3,4 кПа   2,7 кПа   Эластичность >44%   >45%   Прочность на разрыв >100 кПа   >100 кПа   Удлинение >150%   >150%   Остаточная деформация при сжатии во влажном состоянии (22 ч/70% давл./50°C/95% отн. вл.) <15%   <15%  

Средний объемный вес или плотность всего вспененного элемента лежат при этом в диапазоне с нижней границей 30 кг/м³ и с верхней границей 45 кг/м³.

На фиг.1 показана влажность пены (в процентах) для однотипных образов, но взятых из разных мест отбора из целого вспененного элемента, как это уже было описано ранее. При этом влажность пены в [%] отложена по ординате. Доля добавленного целлюлозного порошка или целлюлозных частиц составляет в этом примере 10 вес.%, а целлюлозные частицы опять же представляют собой вышеописанные сферические целлюлозные частицы. Эти отдельные разные отборы проб с и без добавления отложены по абсциссе.

Показанные кружками точки измерения влажности пены отдельных образцов представляют собой исходные значения, а точки измерения, изображенные квадратами, те же образцы, но через день после поглощения влаги. Более низкие исходные значения определены при описанных выше нормальных условиях, а другие нанесенные значения представляют собой влагопоглощение тех же образцов через 24 часа в других стандартизованных температурно-влажностных условиях (23°C и 93% отн. вл.). Сокращение “отн. вл.” означает относительную влажность воздуха, которая указана в %.

На фиг.2 показано изменение влагопоглощения в течение 48 часов, причем значения времени (t) отложены по абсциссе в [ч]. При этом исходное состояние образцов снова соответствует определенным выше нормальным условиям с 20°C и 55% отн. вл. Другие стандартизованные температурно-влажностные условия с 23°C и 93% отн. вл. должны показывать условия при пользовании, или климат тела, чтобы таким образом можно было установить промежуток времени для увеличения влажности пены в вес.%. Значения влажности пены отложены по ординате в [%].

Так, первая линия 1 на графике с изображенными кружками точками измерения показывает вспененный элемент с заданным размером образца согласно примеру 2 без добавления целлюлозных частиц или целлюлозного порошка.

Вторая линия 2 на графике с изображенными квадратами точками измерения показывает влажность пены элемента, в который было добавлено 7,5 вес.% целлюлозных частиц или целлюлозного порошка. Под целлюлозными частицами опять подразумеваются вышеописанные сферические целлюлозные частицы.

Ход влагопоглощения в течение 48 часов показывает, что равновесная влажность тела у "пены" в условиях "климата тела" достигается уже через короткое время. Так, отсюда можно понять, что пеноматериал с введенными целлюлозными частицами в течение 3 часов может поглотить вдвое больше влаги, чем пеноматериал согласно примеру 2 без добавления целлюлозных частиц.

Измеренные значения влагопоглощения были получены в результате выдерживания образцов пеноматериала объемом примерно 10 см³ в эксикаторе с регулируемой влажностью воздуха (пересыщенный раствор KNO₃ и 93% отн. вл.) после того, как образцы были высушены. Через определенные промежутки времени отдельные образцы вынимали из эксикатора и измеряли увеличение веса (=водопоглощение). Колебания влагопоглощения объясняются манипуляциями с образцами, а также небольшой неоднородностью образцов.

На фиг.3 показаны характеристики сушки вспененного элемента с введенными целлюлозными частицами согласно примеру 1 в сравнении с пеноматериалом из примера 2 без таких целлюлозных частиц. Для сравнения оба образца сначала выдерживали 24 часа в условиях "климата тела". Это снова означает 23°C и относительную влажность 93%. Значения влажности пены снова отложены по ординате в [%], а время (t) в [мин] отложено по абсциссе. Приведенные процентные значения влажности пены представляют собой весовые проценты в расчете на массу или вес всего вспененного элемента (пенопласт, целлюлозные частицы и вода или влажность).

Точки измерения, показанные кружками, снова относятся к вспененному элементу согласно примеру 2 без добавления целлюлозных частиц, причем на графике была нанесена соответствующая линия 3, показывающая отдачу влаги. Точки измерения, которые показаны квадратами, были получены на вспененном элементе с введенными целлюлозными частицами. Соответствующая следующая линия 4 на графике также показывает быструю отдачу влаги. Доля целлюлозных частиц снова составляла 7,5% вес.

Здесь ясно, что равновесная влажность 2% снова достигается через примерно 10 минут. Это значительно быстрее, чем у пеноматериала согласно уровню техники, у которого отдача сравнимого количества воды длится несколько часов.

Если теперь вспененный элемент с включенными целлюлозными частицами из кристаллической модификации целлюлозы-II выдержать 24 часа в условиях "климата тела" и затем привести в "нормальные условия", то в условиях "климата тела" он сначала поглощает влаги более 5 вес.%, и в течение периода времени 2 мин после приведения в "нормальные условия" влагосодержание снижается по меньшей мере на два (2) вес.%.

На фиг.4 показана гистограмма поглощения водяного пара "Fi" согласно Hohenstein, выраженная в [г/м²], причем эти значения отложены по ординате.

Время, за которое произошло поглощение водяного пара при переходе от определенных выше нормальных условий (20°C и 55% отн. вл.) в также описанные выше стандартизованные температурно-влажностные условия (23°C и 93% отн. вл.) (условия применения или климат тела), для обоих определенных измеренных значений составило 3 (три) часа. Под образцами для испытаний всегда имеют в виду уже описанную ранее пену типа "B". Так, первый столбик 5 на гистограмме показывает тип пены "B" без добавления целлюлозы или целлюлозных частиц. Измеренное значение составляет здесь примерно 4,8 г/м². Образец пены с включенной целлюлозой, напротив, имеет более высокое значение, примерно 10,4 г/м², которое представлено на гистограмме другим столбиком 6. Таким образом, это другое значение превышает значение 5 г/м² по Hohenstein.

Вспененный элемент образован из пенопласта, причем в качестве предпочтительного пеноматериала применяется пенополиуретан. Как выше разъяснялось на отдельных графиках, для определения влагопоглощения исходят из так называемой равновесной влажности, которая показывает "нормальные условия" и имеет при 20°C относительную влажность 55%. Для моделирования использования были определены другие стандартизованные температурно-влажностные условия, которые имеют при 23°C относительную влажность 93%. Эти другие стандартизованные температурно-влажностные условия должны, например, иллюстрировать внесение влаги при пользовании из-за выделения пота телом живого организма, в частности человека. Для этого целлюлоза, включенная во вспененный элемент, должна после использования снова отдавать влагу, поглощенную при использовании, в течение времени в диапазоне с нижней границей 1 час и верхней границей 16 часов, и, таким образом, весь вспененный элемент должен принимать равновесную влажность относительно окружающей атмосферы. Это означает, что по окончании пользования целлюлоза очень быстро отдает запасенную в ней влагу в окружающую атмосферу и тем самым вызывается высыхание вспененного элемента.

Как уже упоминалось во введении, о равновесной влажности говорят тогда, когда вспененный элемент подвергается действию вышеописанных внешних атмосферных условий настолько долго, пока влагосодержание элемента (влажность пены) не придет в равновесие с влажностью, содержащейся во внешней атмосфере. После достижения равновесной влажности больше не происходит взаимного обмена влагой между вспененным элементом и окружающей элемент внешней атмосферой.

Так, вышеописанный метод испытаний может быть осуществлен, например, так, чтобы вспененный элемент выдерживать в первой внешней атмосфере с первыми температурно-влажностными условиями с заданной температурой и относительной влажностью воздуха, например 20°C и 55% отн. вл., до тех пор, пока не будет достигнута равновесная влажность с этой внешней атмосферой, и затем этот же вспененный элемент внести во вторую, измененную по сравнению с первой, или в другую внешнюю атмосферу. Эта вторая внешняя атмосфера имеет вторые температурно-влажностные условия с более высокой, по сравнению с первыми условиями, температурой и/или более высокой относительной влажностью воздуха, как например 23°C и 93% отн. вл. При этом влагосодержание пены повышается, причем влага поглощается находящейся в пеноматериале целлюлозой. Затем этот же вспененный элемент снова вносят в первую внешнюю атмосферу, причем тогда через заранее заданный промежуток времени, от 1 часа до 16 часов, снова достигается исходное значение влажности пены, соответствующее равновесной влажности относительно первой внешней атмосферы. Таким образом, за этот промежуток времени влага, впитанная ранее во второй внешней атмосфере, снова отдается целлюлозой во внешнюю атмосферу, и тем самым влажность снижается.

Приведенное здесь нижнее значение 1 час зависит от количества впитанной жидкости или влаги и может также лежать существенно ниже и составлять также всего несколько минут.

Независимо от описанных выше сферических целлюлозных частиц, возможно также, чтобы целлюлоза была образована в виде отрезков волокон с длиной волокна с нижней границей 0,1 мм и верхней границей 5 мм. Равным образом, было бы также возможно, чтобы целлюлоза была образована в виде измельченных волокон с размером частиц с нижней границей 50 мкм и верхней границей 0,5 мм.

Получаемый пеноматериал в зависимости от приложения имеет разные характеристики пеноматериала, которые отличаются самыми разными физическими свойствами.

Напряжение при 40%-ном сжатии может иметь нижнюю границу 1,0 кПа и верхнюю границу 10,0 кПа. Эластичность при испытании с падающим шариком может иметь значение с нижней границей 5% и с верхней границей 70%. Этот метод испытания проводится согласно стандарту EN ISO 8307 и при этом устанавливает высоту возврата и связанную с ней эластичность по отскоку.

Если под полученным вспененным элементом имеется в виду пеноматериал из полиуретана, в частности мягкий пенопласт, то он может быть получен как на основе TDI, так и на основе MDI. Но могут использоваться также и другие пеноматериалы, как например пенополиэтилен, пенополистирол, пенополикарбонат, вспененный ПВХ, пенополимид, пеносиликон, вспененный ПММА (полиметилметакрилат), пенорезина, которые образуют пенный скелет, внутрь которого может быть введена целлюлоза. В таком случае, в зависимости от выбранного пеноматериала, можно говорить о пенопласте или же о пенорезине, как например пенорезине из латекса. При этом высокое влагопоглощение получается независимо от исходной системы, а также от того, каким способом получен пеноматериал, так как способность обратимо поглощать влагу достигается введением или включением целлюлозы. Предпочтительно используются типы пенопласта с открытыми ячейками, которые делают возможным беспрепятственный воздухообмен с внешней атмосферой. Равным образом существенно равномерное распределение добавленной в пенную структуру целлюлозы, как это уже было описано при проводимых ранее экспериментах. Если никакой пенной структуры с открытыми ячейками не может быть, то ее можно создать путем известной целенаправленной дополнительной обработки.

Если в качестве исходного материала используется полиол как один из реакционных компонентов, тогда целлюлоза может добавляться в него перед вспениванием. Это добавление может проводиться вмешиванием или диспергированием целлюлозы способами, известными в данной области. В качестве полиола действуют спирты, которые необходимы для соответствующего типа пеноматериала и которые вводятся в рецептуру в необходимом количестве. Однако при составлении рецептуры следует учитывать также влагосодержание целлюлозных частиц.

Вспененный элемент может служить для создания отдельных синтетических изделий, причем синтетические изделия выбраны из группы, включающей матрасы, мебельную обивку и подушки.

Примеры осуществления показывают возможные варианты реализации вспененного элемента с включенным в пенопласт гидрофильным агентом, который образован из целлюлозы, причем в этом месте следует отметить, что изобретение не ограничено этими частными показанными вариантами реализации, но, напротив, возможны также различные комбинации отдельных вариантов реализации друг с другом, и эти возможности изменения на основе указаний о технологических действиях посредством настоящего изобретение лежат в сфере знаний специалистов, занятых в этой технической области. Таким образом, все мыслимые варианты реализации, которые возможны в результате комбинации отдельных деталей проиллюстрированных и описанных вариантов осуществления, подпадают в сферу защиты.

Задача, лежащая в основе самостоятельных изобретательских решений, может быть взята из описания.

Список позиций для ссылок

1 линия на графике 2 линия на графике 3 линия на графике 4 линия на графике 5 столбик гистограммы 6 столбик гистограммы

Изобретение относится к вспененному элементу с включенным в пеноматериал гидрофильным агентом, образованным из целлюлозы, причем вспененный элемент с введенной в него целлюлозой обладает способностью обратимо поглощать влагу, при этом целлюлоза образована структурным типом кристаллической модификации целлюлозы-II, и доля целлюлозы от полной массы пеноматериала выбирается в диапазоне от 0,1 вес.%, в частности, 5 вес.%, и до 10 вес.%, в частности 8,5 вес.% и содержание влаги во вспененном элементе, начиная с исходного значения влажности, соответствующего равновесной влажности относительно первой внешней атмосферы с первыми температурно-влажностными условиями с заданной температурой и относительной влажностью, повышается во время его применения во второй, измененной по сравнению с первой, внешней атмосфере со вторыми температурно-влажностными условиями с более высокой, по сравнению с первыми условиями, температурой и/или более высокой относительной влажностью, и влажность, поглощенная во время применения включенной во вспененный элемент целлюлозой-II, после применения во второй внешней атмосфере снова отдается в первую внешнюю атмосферу через промежуток времени в диапазоне от 1 часа и до 16 часов вплоть до нового достижения исходного значения влажности, соответствующего равновесной влажности относительно первой внешней атмосферы. Технический результат - вспененный элемент с улучшенным влагорегулированием. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

1. Вспененный элемент с включенным в пеноматериал гидрофильным агентом, образованным из целлюлозы, причем вспененный элемент с введенной в него целлюлозой обладает способностью обратимо поглощать влагу, отличающийся тем, что целлюлоза образована структурным типом кристаллической модификации целлюлозы-II, и доля целлюлозы от полной массы пеноматериала выбирается в диапазоне от 0,1 вес.%, в частности 5 вес.%, и до 10 вес.%, в частности 8,5 вес.%, и содержание влаги во вспененном элементе, начиная с исходного значения влажности, соответствующего равновесной влажности относительно первой внешней атмосферы с первыми температурно-влажностными условиями с заданной температурой и относительной влажностью, повышается во время его применения во второй, измененной по сравнению с первой, внешней атмосфере со вторыми температурно-влажностными условиями с более высокой, по сравнению с первыми условиями, температурой и/или более высокой относительной влажностью, и влажность, поглощенная во время применения включенной во вспененный элемент целлюлозой-II, после применения во второй внешней атмосфере снова отдается в первую внешнюю атмосферу через промежуток времени в диапазоне от 1 ч и до 16 ч вплоть до нового достижения исходного значения влажности, соответствующего равновесной влажности относительно первой внешней атмосфере.

2. Вспененный элемент по п.1, отличающийся тем, что вспененный элемент имеет плотность от 30 кг/м³ и до 45 кг/м³ и поглощение водяного пара - показатель Fi по Hohenstein - больше 5 г/м².

3. Вспененный элемент по п.1, отличающийся тем, что вспененный элемент имеет объемный вес от 30 кг/м³ и до 45 кг/м³, и содержание влаги во вспененном элементе, которое больше 5%, исходя из второй внешней атмосферы со вторыми температурно-климатическими условиями, после воздействия первой внешней атмосферы с первыми температурно-климатическими условиями (20°С и относительная влажность 55%) в течение 2 мин снижается по меньшей мере на 2%.

4. Вспененный элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что целлюлоза-II находится в виде отрезков волокон с длиной волокна от 0,1 мм и до 5 мм.

5. Вспененный элемент по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что целлюлоза-II находится в виде измельченных волокон с размером частиц от 50 мкм и до 0,5 мм.

6. Вспененный элемент по п.1, отличающийся тем, что целлюлоза-II образована приблизительно сферическими целлюлозными частицами с дискретной поверхностью.

7. Вспененный элемент по п.2, отличающийся тем, что целлюлоза-II образована приблизительно сферическими целлюлозными частицами с дискретной поверхностью.

8. Вспененный элемент по п.3, отличающийся тем, что целлюлоза-II образована приблизительно сферическими целлюлозными частицами с дискретной поверхностью.

9. Вспененный элемент по одному из пп.6, 7 или 8, отличающийся тем, что приблизительно сферические целлюлозные частицы имеют размер от 1 мкм и до 400 мкм.

10. Вспененный элемент по одному из пп.6, 7 или 8, отличающийся тем, что приблизительно сферические целлюлозные частицы имеют отношение осей (1:d) от 1 и до 2,5.

11. Вспененный элемент по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что целлюлоза дополнительно содержит по меньшей мере одну из добавок из группы, содержащей пигменты, неорганические вещества, как оксид титана, нестехиометрический оксид титана, сульфат бария, ионообменник, полиэтилен, полипропилен, полиэфир, сажа, цеолиты, активированный уголь, полимерный суперабсорбер или огнезащитное средство.

12. Вспененный элемент по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что пеноматериал выбран из группы пенополиуретана (вспененный ПУ), пенополиэтилена, пенополистирола, пенополикарбоната, вспененного ПВХ, пенополиимида, пеносиликона, вспененного ПММА (полиметилметакрилата), пенорезины.

13. Вспененный элемент по одному из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что пеноматериал имеет структуру пены с открытыми ячейками.

14. Применение вспененного элемента по одному из пп.1-13 для образования синтетических изделий, причем синтетические изделия выбраны из группы, содержащей матрасы, мебельную обивку, подушки.