Вспененный элемент с включенным в него гидрофильным агентом
Изобретение относится к вспененному элементу (7) из пеноматериала и частиц (11) из по меньшей мере одного гидрофильного агента, такого как целлюлоза, суперабсорбенты, причем содержащий частицы (11) элемент (7) из пеноматериала имеет способность обратимо поглощать влагу, часть частиц (11) полностью введена внутрь пеноматериала, а другая часть частиц (11) расположена в пеноматериале, выдаваясь наружу через поверхность (13), например, стенок (9) ячеек или перемычек (10) ячеек, и тем, что пеноматериал без гидрофильного агента, в соответствии с равновесной влажностью, при температуре 23°С и относительной влажности 93% имеет влагопоглощение более 2,8% вес. Изобретение также относится к применению вспененного элемента. Технический результат - вспененный элемент имеет высокую способность впитывать влагу при последующей высокой скорости отдачи впитанной и аккумулированной влаги. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 15 ил., 2 табл., 2 пр.
Изобретение относится к вспененному элементу из пеноматериала и частиц по меньшей мере одного гидрофильного агента, такого как целлюлоза, суперабсорбенты, причем содержащий частицы пеноматериал имеет способность обратимо поглощать влагу, как это описано в пунктах 1-7 формулы.
В настоящее время пеноматериалы используются или применяются во многих областях повседневной жизни. Во многих 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 не впитывающейся влаги создаются неприятные температурно-влажностные условия для тела. Поэтому для большинства приложений 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 19930526A, что уже пенную структуру мягкого пенополиуретана делают гидрофильной. Это осуществляется 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 10116757A1, 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 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 в своем управлении влажностью имеет высокую способность впитывать влагу при последующей высокой скорости отдачи впитанной и аккумулированной влаги.
Эта задача изобретения решена отличительными признаками пункта 1 формулы. Преимущество, даваемое признаками пункта 1, состоит в том, что благодаря этому не все удерживаемые пеноматериалом частицы полностью окружены им, и так получается лучшая возможность контакта с условиями окружающей среды, как для впитывания влаги, так и для отдачи влаги. Тем самым эта часть частиц обеспечивает относительно быструю и высокую емкость для поглощаемой влаги или жидкости, но при этом впитанная влага или жидкость по окончании наполнения в результате использования как можно быстрее отдается в окружающую атмосферу, так что снова достигается равновесная влажность. Благодаря этому при быстрой просушке через короткое время становится возможным повторное использование.
Независимо от этого, задача изобретения может быть решена также отличительными признаки пункта 2 формулы. Преимущество, даваемое признаками пункта 2, состоит в том, что несмотря на расположенные в пеноматериале частицы, можно достичь благоприятного для целей конкретного применения напряжения при сжатии. Благодаря этому можно, в зависимости от цели назначения вспененного элемента, при заданных напряжениях при сжатии обеспечить для пользователя оптимальное управление влажностью во всем вспененном элементе. 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, снова в зависимости от цели назначения вспененного элемента, несмотря на добавленные частицы, образующие гидрофильный агент, для разных назначений достигается достаточная эластичность и связанный с ней эффект поддержки для пользователя вспененного элемента. Таким образом, можно в определенных границах обеспечить удобство при использовании при одновременном достаточном управлении влажностью.
Независимо от этого, задача изобретения может также быть решена отличительными признаками пункта 4. Преимущество, даваемое отличительными признаками пункта 4, состоит в том, что можно достичь высокого влагопоглощения у пеноматериала, которое выше значений для обычного пеноматериала. Благодаря этому можно не только достичь высокой способности поглощать влагу, причем она по окончании пользования уже через относительно короткий промежуток времени снова отдается вспененным элементом, но также имеется возможность ее нового использования. При этом сухой вспененный элемент быстро становится готов к новому использованию.
Независимо от этого, задача изобретения может также быть решена отличительными признаками пункта 5. Преимущество, даваемое отличительными признаками пункта 5, состоит в том, что уже в случае пеноматериала без добавления гидрофильного агента при заранее определенном наполнении влагой можно достичь высокого влагопоглощения, которое, кроме того, можно еще больше усилить добавлением поглощающих и снова быстро отдающих влагу частиц. Благодаря этому можно не только поглощать и запасать много влаги в течение определенного времени при пользовании, но можно также после использования снова быстро отдавать ее в окружающую среду. Благодаря этому уже через относительно короткий промежуток времени после использования высохший вспененный элемент снова готов к использованию.
Независимо от этого, задача изобретения может также быть решена отличительными признаками пункта 6. Преимущество, даваемое отличительными признаками пункта 6, состоит в том, что пеноматериал получается из исходного материала, который уже без добавления гидрофильного агента имеет высокое влагопоглощение, которое дополнительным добавлением частиц можно просто подстраивать, в зависимости от весовой доли, к самым разным условиям применения. Изменением количества добавленных частиц влияют не только на управление влажностью в элементе из пеноматериала, но также, кроме того, дополнительно на связанные с этим разные показатели прочности, а также на эластичность. Чем выше доля частиц, тем меньше эластичность, что, в свою очередь, можно компенсировать повышением объемного веса или плотности.
Независимо от этого, задача изобретения может также быть решена отличительными признаками пункта 7. Преимущество, даваемое отличительными признаками пункта 7, состоит в том, что из-за повышения объемного веса или плотности в связи с добавлением частиц для влияния на управление влажностью можно снова достичь достаточных значений эластичности. Благодаря этому можно не только достичь очень высокого поглощения водяного пара или влагопоглощения при последующей высокой скорости отдачи, но и с удобством оформить соответствующую эластичность и связанный с ней эффект поддержки для пользователя.
Добавлением целлюлозы в пенную структуру, согласно п. 8, можно достичь достаточно высокой способности поглощать влагу или жидкость, причем поглощенная влага или жидкость после наполнения в результате использования снова как можно быстрее отдается в окружающую атмосферу, так что быстро достигается равновесная влажность. 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.9, так как в зависимости от полученной пенной структуры пеноматериала 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.10, 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.11 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.12, 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.13, 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.
Усовершенствованием по п.14 достигается то, что добавлением фракции целлюлозы можно легко подстраивать способность вспененного элемента поглощать и отдавать влагу к самым разным случаям применения.
В результате усовершенствования по п.15 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.
Выгодна также следующая форма осуществления, согласно п.16, так как благодаря ей могут найти применение получаемые простым образом частицы из натуральных материалов. Благодаря этому снова можно подстраивать поглощение, а также отдачу влаги вспененным элементом в соответствии с самыми разными условиями применения.
Далее, выгодно усовершенствование по п.17, так как тем самым можно ввести натуральный материал и, тем не менее, можно подавить распространение неприятных запахов.
В результате усовершенствования по п.18, с одной стороны, частицы дополнительно окружаются оболочкой, не ухудшая этим способности к поглощению, а также отдаче влаги. Этим можно достичь дополнительной защиты частиц внутри вспененного элемента, причем можно замедлить или вообще предотвратить распадение частиц именно в диапазоне обрезных кромок.
Согласно другим вариантам осуществления по пункту 19 или 20, предотвращается взаимное расслоение частиц в одном из базовых материалов для образования пеноматериала, в результате чего в процессе вспенивания обеспечивается также равномерное распределение частиц внутри всего вспененного элемента. Благодаря этому по всему сечению получаемого вспененного элемента можно достичь почти равномерного распределения частиц.
Выгодно также усовершенствование по п.21, так как благодаря ему частицы располагаются на поверхности стенок ячеек или перемычек ячеек, вследствие чего у пеноматериалов с открытыми ячейками в этих областях можно получить высокую концентрацию частиц для поглощения, а также для отдачи влаги. Тем самым можно, например, дополнительно улучшить характеристики аккумулирования и отдачи.
Благодаря усовершенствованию по п.22 можно также адаптировать покрытие, нанесенное на вспененный элемент, к различным условиям применения, так как поглощение, а также отдача влаги, могут происходить уже на высокой поверхности вспененного элемента благодаря содержащимся в покрытии частицам.
В результате усовершенствования по п.23 добавка натурального средства оказывает положительное влияние на пользователя, когда он напрямую или опосредованно контактирует с вспененным элементом. Благодаря добавленному материалу, который содержит ценное активное вещество, можно, кроме того, достичь также исцеляющего, ухаживающего или защитного действия.
В результате усовершенствования по п.24 вспененный элемент можно просто подогнать к самым разным условиям применения.
Выгодным является также усовершенствование по п.25, потому что так можно получить вспененный элемент, который может найти применение в самых разных областях назначения.
Введением частиц внутрь ячеистой структуры, согласно п.26, поглощение влаги находящимися там частицами достигается не только в краевой области стенок ячеек или перемычек ячеек, но в управление влагой вовлекается также любой объем пенной структуры, который заключен внутри стенок или перемычек ячеек. Тем самым становится возможным передавать впитавшуюся влагу от частиц, расположенных в краевой области, дальше внутрь пенной структуры. Таким образом, можно еще больше повысить абсорбционную емкость, а также последующую отдачу влаги.
Согласно усовершенствованию, какое описано в пункте 27, 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 фигурах.
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 пеноматериалом и, в сравнении с этим, пеноматериалом с введенными частицами целлюлозы;
фиг.5 - деталь вспененного элемента с его пенной структурой, в упрощенном увеличенном изображении;
фиг.6 - следующая увеличенная деталь пенной структуры вспененного элемента, в упрощенном увеличенном изображении;
фиг.7-15 - различные возможности расположения частиц в пеноматериале элемента или в нанесенном на него покрытии, в большом увеличении.
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 пеноматериал, в частности, в образованный из него элемент, гидрофильном агенте, который образован, например, из целлюлозы.
Однако могут добавляться также и другие гидрофильные средства. При этом речь может вестись, например, о суперабсорбентах или же частицах из самых разных древесных материалов. Эти материалы могут иметь размер частиц меньше 400 мкм. Если используются частицы из древесных материалов, выгодно, когда они покрыты подавляющим или предотвращающим гниение средством. Также была бы возможной полная пропитка. Независимо от этого, было бы также возможным покрывать частицы из древесных материалов в процессе экструзии пластмассой, как оболочкой, или вводить внутрь пластмассы и затем измельчать посредством процесса измельчения, такого как шинкование или помол, до частиц желаемого размера.
Таким образом, создается элемент из пенопласта, а также включенного в него гидрофильного агента. Пенопласт, со своей стороны, может быть образован соответствующим смешением совместно вспениваемых компонентов, которые предпочтительно находятся в жидкой форме, как это уже достаточно известно.
Как уже было написано во введении, в WO 2007/135069A1 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, делают 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 это всем 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. Размер частиц может найти применение также в случае любых других добавленных частиц. 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, подстехиометрический 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, и 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 почти сферическую форму с неправильной 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 близка к сферической. Эти частицы имеют отношение осей (l:d) с нижней границей 0,5, в частности, 1, и с верхней границей 5, в частности, 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 порошков 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 структурно-вязкого 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. Количественная доля частиц, в частности, целлюлозы, от полной массы пеноматериала, в частности, пенопласта, может при этом лежать в диапазоне с нижней границей 0,1% вес., в частности, 5% вес., и с верхней границей 35% вес., в частности, 20% вес.
Пример 2 (сравнительный пример)
Для сравнения с примером 1 на этот раз из пенопласта получали 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 пенопластового блока, 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 пенопластового блока, 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 сравнению с пеноматериалами, не содержащими целлюлозы. Разное место отбора проб (сверху, с середины, снизу) также показывает относительно хорошее соответствие результатов измерения, из чего можно заключить 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 лежит 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 изображенные квадратами точки измерения - 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) отложено 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 вспененного элемента, в который было добавлено 7,5% вес. целлюлозных частиц или целлюлозного порошка. Под целлюлозными частицами речь опять идет о вышеописанных сферических целлюлозных частицах.
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 пенопластовому 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 элементе из пеноматериала 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.
Из обоих графиков на фиг.2 и 3 видно, что вспененный элемент, в который введены частицы, в частности, из целлюлозы, в условиях "климата тела" с 23°C и относительной влажностью 93% имеет водопоглощающую способность более 3,5% вес., то есть она лежит выше значений для вспененного элемента без добавления частиц.
При этом было бы также возможным вводить в базовый материал или материалы добавки для образования пеноматериала, чтобы еще больше повысить влагопоглощение самого пеноматериала, даже без частиц. Эта добавка добавляется чаще всего в полиольный компонент еще перед вспениванием или вмешивается в него. Однако это имеет тот недостаток, что при этом эластичность полученного пеноматериала падает или является меньшей по сравнению с таким же пеноматериалом без добавок. Для повышения эластичности пеноматериала следует увеличить его объемный вес, вследствие чего эластичность снова повышается. При этом объемный вес или плотность следует выбирать выше 45 кг/м3. Это же справедливо и для пенопластов с добавленными частицами, даже если в базовые материалы для образования пеноматериала не добавлялось никаких добавок для повышения влагопоглощения.
Так, в случае пеноматериала без добавленного гидрофильного агента в условиях "климата тела" с 23°C и относительной влажностью 93% можно достичь влагопоглощения выше 2,8% вес.
На фиг.4 показана гистограмма поглощения водяного пара "Fi", согласно Hohenstein, выраженная в [г/м2], причем эти значения отложены по ординате. Величина "Fi" представляет собой для материала числовую меру, характеризующую его способность поглощать водяной пар. Величину "Fi" рассчитывают, определяя вес образца перед началом измерений и в конце измерений, и разность весов представляет собой мгновенное поглощение водяного пара.
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.
На фиг.5 и 6 в увеличении показана деталь образующего элемент 7 пеноматериала, в частности, пенопласта, причем в упрощении схематически показано несколько ячеек 8. Под ячейкой 8 понимается образованная в структуре пеноматериала маленькая полость, которая частично и/или полностью окружена стенками 9 ячеек и/или перемычками 10 ячеек. Если стенки 9 ячеек образованы полностью и окружают образованную этой ячейкой 8 полость, можно говорить о пенной структуре с закрытыми ячейками. Если, напротив, стенки ячеек 9 или перемычки ячеек 10 образованы лишь частично, говорят о пенной структуре с открытыми ячейками, причем отдельные ячейки 8 соединены друг с другом гидродинамически.
Далее, также упрощенно показано, что в пеноматериале, в частности, пенопласте элемента 7 расположены уже описанные частицы 11 или включены внутрь него. Так, можно, чтобы только часть частиц 11 была частично введена внутрь пеноматериала вспененного элемента 7. Это означает, что эта фракция частиц 11 только частично находится внутри пеноматериала, и что частицы выдаются наружу из стенки 8 ячейки или перемычки 10 ячеек в направлении на образующую полость ячейку 8. Участки частиц 11 находятся внутри пеноматериала. Однако другая фракция частиц 11 может быть полностью введенной в ячеистую структуру пеноматериала и тем самым быть полностью окружена им.
В левой верхней части фиг.5 на одной из стенок 9 ячеек или одной из перемычек ячеек 10 упрощенно показано, что пластмассовый каркас пенопласта снабжен дополнительным покрытием 12, соответственно оно расположено на его поверхности. Это покрытие 12 можно получить процессом погружения или пропитки или же нанести также другим способом покрытия. Это покрытие 12 должно иметь высокую влагопроницаемость, причем в образующей покрытие 12 среде также могут быть расположены частицы 11. Это можно осуществить, например, тем, что в текучем состоянии покрытие 12 смешивается с частицами 11 и, тем самым, разбавляется ими, и в процессе сушки происходит закрепление или связывание частиц 11 покрытием 12 в форме процесса адгезии.
Однако независимо от этого возможно также, чтобы по меньшей мере одна часть частиц 11, но преимущественно все частицы 11, были снабжены собственным дополнительным покрытием, которое, со своей стороны, имеет высокую влаго- или паропроницаемость.
Как можно видеть из детали с фиг.6, независимо от этого было бы также возможным не иметь в стенке 9 ячейки или в перемычке 10 ячеек никаких вышеописанных частиц, но чтобы частицы 11 были расположены исключительно в изображенном упрощенно покрытии 12 и там неподвижно удерживались для желаемого влагопоглощения. При этом отдельные частицы 11 снова могут быть образованы из уже описанных самых разных материалов, причем здесь также возможна произвольная комбинация отдельных частиц 11 друг с другом. Эта произвольная комбинация разных частиц 11 друг с другом возможна также для расположения частиц 11 на или в стенках 9 ячеек, или в перемычках 10 ячеек.
На фиг.7-15 в упрощенном виде показан элемент 7 из пеноматериала, причем на его поверхность 13 по меньшей мере местами может быть нанесено вышеописанное покрытие 12. Для простоты, а также для лучшей наглядности, здесь отказались от детального изображения стенок 8 клеток 8 или перемычек 9 клеток, и элемент 7 из пеноматериала, а также покрытие 12 каждый раз показаны как блок с сильно увеличенными пропорциями. Это сделано для того, чтобы таким образом можно было более наглядно показать разные возможности расположения частиц 11 в или на элементе 7 из пеноматериала и/или в или на покрытии 12.
На фиг.7 показан элемент 7 из пеноматериала с включенными в него вышеописанными частицами 11, причем одна часть, или фракция, частиц 11 полностью расположена внутри пеноматериала элемента 7, а другая часть, или другая фракция частиц 11 выдается через поверхность 13. При этом одна часть, или фракция, всех частиц 11 расположена в зоне поверхности 13 так, что она выдается из поверхности 13, причем участок, или часть объема всей частицы 11 еще находится внутри пеноматериала и, таким образом, удерживается им и, тем самым, фиксирован. Под долей, или фракцией, частиц 11 понимается указание их количества в соответствии с массовым или численным количеством. Участок, или часть, объема частицы 11 относится к объемному указанию размеров отдельной частицы 11.
На фиг.8 показан следующий элемент 7 из пеноматериала, который снабжен вышеописанным покрытием 12. В элементе 7 из пеноматериала все частицы 11 полностью введены внутрь него, причем здесь ни одна частица 11, расположенная в пеноматериале элемента 7, не выдается через поверхность 13. Покрытие 12, со своей стороны, также разбавлено частицами 11, причем здесь все частицы 11 выступают через поверхность 14 покрытия 12. Таким образом, в этом примере осуществления частицы 11 расположены в зоне поверхности 14 покрытия 12 и выдаются из него, больше или меньше в зависимости от степени заращивания, и удерживаются покрытием 12, так как часть их еще вдается внутрь покрытия 12.
На фиг.9 показан следующий элемент 7 из пеноматериала, причем он опять снабжен покрытием 12 в области по меньшей мере одной своей поверхности 13. Здесь также одна часть частиц 11 полностью включена внутрь пеноматериала, причем часть, или фракция, частиц 11 также выдается через поверхность 13 пеноматериала. Здесь все частицы 11 в покрытии 12 расположены в области поверхности 14 и выдаются из нее наружу по меньшей мере местами, больше или меньше в зависимости от степени заращивания. В области контакта между покрытием 12 и пеноматериалом элемента 7 для одной частицы 11 показано, что она, выходя из пеноматериала, может выдаваться также внутрь покрытия 12, так как часть частиц 11 выступает наружу через поверхность 13 пеноматериала.
На фиг.10 частицы 11 расположены в пеноматериале аналогично тому, как уже было описано для фиг.9. Так, снова часть частиц 11 полностью находится внутри пеноматериала элемента 7, причем часть частиц 11 снова выступает через поверхность 13 пеноматериала. Частицы 11 покрытия 12 здесь полностью находятся внутри покрытия 12. Только для одной частицы 11 показано, что она, выходя из поверхности 13 пеноматериала 7, выступает через поверхность 13 и, таким образом, после нанесения покрытия 12 также будет вдаваться в него.
В показанном на фиг.11 элементе 7 из пеноматериала все частицы 11 полностью расположены внутри пеноматериала для образования элемента 7. Из частиц 11, которые находятся в покрытии 12, одна часть полностью расположена внутри покрытия 12, а другая часть выдается через поверхность 14.
В примере осуществления элемента 7 из пеноматериала, показанном на фиг.12, с одной стороны, частицы 11 включены в пеноматериал полностью, а, с другой стороны, часть удерживается в пеноматериале, выступая через поверхность 13. Здесь в покрытии 12 также имеется часть частиц 11, которые находятся полностью внутри покрытия 12. Другая часть частиц 11 выдается через поверхность 14, причем куски частиц 11 находятся внутри покрытия 12.
В примере осуществления, показанном на фиг.13, частицы 11 расположены в пеноматериале так, что они выступают через поверхность 13 только местами, и куски этих частиц 11 находятся внутри пеноматериала. Частицы 11, которые содержатся в покрытии 12, все полностью расположены внутри него. Опять же, только для одной из частиц 11 показано, что она, выходя из поверхности 13 пеноматериала, может выдаваться внутрь покрытия 12.
В примере осуществления, показанном на фиг.14, в пеноматериале вообще не содержится никаких вышеописанных частиц 11. В свою очередь, покрытие 12 содержит как фракцию частиц 11, которые полностью находятся внутри покрытия 12, так и другую фракцию, которая местами выдается через поверхность 14.
Наконец, в примере осуществления с фиг.15 показано, что содержащиеся в пеноматериале частицы 11 выступают наружу исключительно через поверхность 13, и куски этих частиц 11 находятся в пеноматериале. Частиц 11, которые бы находились целиком внутри него, здесь не имеется. Покрытие 12 содержит как часть частиц 11, которые полностью введены внутрь покрытия 12, так и другую часть частиц 11, которые выдаются через поверхность 14, больше или меньше в зависимости от степени заращивания. В области контакта между пенопластом и покрытием 12 снова показаны частицы 11, которые выступают через поверхность 13 пеноматериала элемента 7 и, таким образом, вдаются внутрь покрытия 12.
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 в 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 происходит 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 волокна 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 материала, которые отличаются самыми разными физическими свойствами. Так, например, объемный вес может иметь нижнюю границу 14 кг/м3 и верхнюю границу 100 кг/м3.
Напряжение при 40%-ном сжатии может иметь нижнюю границу 1,0 кПа, предпочтительно 2,5 кПа, и верхнюю границу 10,0 кПа, предпочтительно 3,5 кПа. Эластичность при испытании с падающим шариком может иметь значение с нижней границей 5% и с верхней границей 70%. Однако этот диапазон значений может лежать также между нижней границей 25%, предпочтительно 35%, и верхней границей 60%, предпочтительно 50%. 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, пенополиимид, 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 пеноматериала 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.
Как уже описывалось выше, частицы 11 вводятся в один из образующих пеноматериал компонентов или смешиваются с ним предпочтительно перед процессом вспенивания. Чтобы достичь равномерного распределения внутри в основном жидкого исходного материала, выгодно, если разница между объемным весом или плотностью частиц 11 и исходным материалом, применяющимся для образования пеноматериала, таким, например, как полиол, составляет ±10% предпочтительно от ±0,5% до ±3,0%. Особенно предпочтительно, если частицы 11, а также исходный материал, использующийся для образования пеноматериала, как, например, полиол, также имеют объемный вес или плотность, которые почти равны друг другу. Тем самым достигается непреднамеренное снижение и связанное с этим равномерное распределение частиц 11 внутри получаемого пеноматериала.
Из соображений качества для намечаемого в настоящее время введения в области матрасов предусмотрен объемный вес от 45 кг/м3 и выше.
Полиол подается в смесительный резервуар с помощью нагнетательного насоса с производительностью от 60 кг/мин до 150 кг/мин и при температуре от 18°C до 30°C. Подготовленное количество полиола нужно выдерживать очень точно, с тем, чтобы примешиваемые частицы 11, в частности, целлюлозу, можно было добавлять при определенном соотношении в смеси. Соотношение в смеси между полиолом и частицами 11 составляет от 5 частей на 1 часть до 2 частей на 1 часть. Введение частиц 11 проводится посредством медленно вращающегося заземленного винтового шнека, чтобы вся область смешения находилась во взрывобезопасной среде. Смесь частиц 11, в частности, порошка из целлюлозы, с воздухом дает при определенном соотношении компонентов в смеси очень взрывоопасную пыль.
Скорость подачи в полиол частиц 11, таких как целлюлозный порошок, устанавливается от 3 кг/мин до 6 кг/мин, чтобы непрерывная засыпка в вихревую зону танка для растворения давало дисперсию, свободную от агломератов. Длительность перелопачивания готовой дисперсии составляет от 10 минут до 20 минут. Для оптимального образования пены дисперсию дегазуют в вакууме 0,6 бар в течение 3 минут. Иначе неблагоприятное наполнение смеси газом приведет к помехам при производстве пеноматериала.
Крайне важным фактором является также момент времени для обработки после диспергирования. Так, обработку нужно проводить в пределах от одного до трех часов. Если момент времени для обработки выбирается вне этого временного интервала, то нельзя выдержать плотность (кг/м3) получаемого пеноматериала, и она подвержена вследствие этого сильным отклонениям.
Материал, нагретый из-за смешения, снова возвращают к температуре обработки (между 20°C и 25°C). С этого момента дисперсия полиола с частицами готова к переработке на машине по производству пены.
При разработке рецептуры для получаемого пеноматериала следует учитывать, кроме того, фактические погодные условия, такие как давление воздуха и относительная влажность воздуха. Далее, влажность подготовленного целлюлозного порошка также учитывается при расчете компонентов. Принимается во внимание также температура сырья для подходящей зоны сметанообразной консистенции вспениваемой смеси. "Недовспенивание" ведет к дефектам во внутренней части блока. Этому можно помешать изменением количества добавляемого амина. Введением оловянного катализатора регулируется степень открытости ячеек, позволяя, таким образом, получить блоки без трещин. Таким образом, можно достичь оптимального качества пеноматериала.
Варьирование давления в смесительной камере от 1,1 бар до 1,8 бар вызывает изменение размера пор, чтобы достичь желаемой пенной структуры.
Следующим важным фактором для идеального процесса вспенивания является скорость конвейерной ленты в сочетании с количеством выпускаемой продукции. Так, при производительности от 60 кг/мин до 150 кг/мин скорость продвижения составляет от 2 м/мин до 5 м/мин.
Применение устройства "планировщик блоков" приводит, наряду с выполненными оптимально прямоугольными блоками, также к равномерному распределению твердости, объемного веса, а также частиц 11, в частности, целлюлозы, по сечению или объему всего пеноблока.
Созревание и охлаждение пеноблоков проводится в складских помещениях, защищенных от влияния метеорологических условий. Соответствующее длительное время охлаждения, по меньшей мере двадцать часов, дает наилучшее качество.
Затем эти сырые блоки с введенными частицами 11 подают в место дальнейшей обработки. Содержащиеся в пеноматериале частицы 11 никоим образом не влияют на дальнейшую обработку пеноматериала.
Предпочтительно, пеноматериал режут вращающимся ленточным ножом на самых разных машинах. Наряду с простыми прямыми разрезами на горизонтальных и вертикальных резальных машинах возможны также сложные формы в двух- и трехмерном направлении на копировальных автоматах с числовым программным управлением и машинах для фигурной резки.
Далее, может оказаться выгодным, если в пеноматериал, в частности, пенопласт, и/или в частицы 11, и/или в покрытие 12 добавить материал или активное вещество алоэ вера. Это можно осуществить, например, тем, чтобы уже в сырье или исходные материалы для образования пеноматериала, в частности, пенопласта, и/или в частицы 11, и/или в покрытие 12 добавлять или примешивать материал или активное вещество уже в процессе получения и смешивать с ними. Независимо от этого было бы также возможным наносить материал или активное вещество алоэ вера позднее на пеноматериал, в частности, пенопласт, и/или на частицы 11, и/или на покрытие 12 различными известными способами. Это можно осуществить, например, процессом распыления или процессом пропитки в пропиточном баке.
Вспененный элемент может служить для создания отдельных вспененных изделий, в частности, из пенопласта, причем изделия выбраны из группы, включающей матрасы, сиденья или части сидений для транспортных средств, таких как автомобили, поезда, трамваи, самолеты; портативную складную мебель, части обивки для транспортных средств, как обивка дверей, потолка кузова, обивка багажников, футеровка моторного отделения, обувные подошвы и другие детали обуви, такие как супинаторы, стельки, подкладки для лямок, подкладки в шлемы; мебельную обивку, подушки, набивку для медицинских повязок.
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 изобретения 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 |
| 7 | вспененный элемент |
| 8 | ячейка |
| 9 | стенка ячейки |
| 10 | перемычка ячейки |
| 11 | частица |
| 12 | покрытие |
1. Вспененный элемент (7) из пеноматериала и частиц (11) из по меньшей мере одного гидрофильного агента, такого как целлюлоза, суперабсорбенты, причем содержащий частицы (11) элемент (7) из пеноматериала имеет способность обратимо поглощать влагу, отличающийся тем, что часть частиц (11) полностью введена внутрь пеноматериала, а другая часть частиц (11) расположена в пеноматериале, выдаваясь наружу через поверхность (13), например, стенок (9) ячеек или перемычек (10) ячеек, и тем, что пеноматериал без гидрофильного агента, в соответствии с равновесной влажностью, при температуре 23°С и относительной влажности 93% имеет влагопоглощение более 2,8 вес.%.
2. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что содержащий частицы (11) элемент (7) из пеноматериала при глубине сжатия 40% имеет напряжение при сжатии с нижней границей 1 кПа, предпочтительно 2,5 кПа, и с верхней границей 10 кПа, предпочтительно 3,5 кПа.
3. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержащий частицы (11) элемент (7) из пеноматериала имеет в испытании с падающим шариком согласно EN ISO 8307 эластичность с нижней границей 5% и верхней границей 70%.
4. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержащий частицы (11) элемент (7) из пеноматериала, в соответствии с равновесной влажностью, при 23°С и относительной влажности 93% имеет влагопоглощение более 3,5 вес.%.
5. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержащий частицы (11) пеноматериал (7), в соответствии с равновесной влажностью, при температуре 23°С и относительной влажности 93% имеет влагопоглощение более 3,5 вес.%.
6. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что доля частиц (11) от полной массы пеноматериала лежит в диапазоне с нижней границей 0,1 вес.%, в частности 5 вес.%, и с верхней границей 35 вес.%, в частности 20 вес.%.
7. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что объемный вес или плотность разбавленного частицами (11) пеноматериала больше 45 кг/м3.
8. Вспененный элемент (7) по п.1 или 2, отличающийся тем, что частицы (11) образованы из целлюлозы и выбраны из структурного типа кристаллической модификации целлюлозы-I и/или целлюлозы-II.
9. Вспененный элемент (7) по п.8, отличающийся тем, что целлюлоза находится в виде отрезков волокон при длине волокна с нижней границей 0,1 мм и с верхней границей 5 мм.
10. Вспененный элемент (7) по п.8, отличающийся тем, что целлюлоза находится в виде измельченных волокон с размером частиц с нижней границей 50 мкм и верхней границей 0,5 мм.
11. Вспененный элемент (7) по п.8, отличающийся тем, что целлюлоза образована сферическими целлюлозными частицами.
12. Вспененный элемент (7) по п.11, отличающийся тем, что целлюлозные частицы имеют размер с нижней границей 1 мкм и с верхней границей 400 мкм.
13. Вспененный элемент (7) по п.11 или 12, отличающийся тем, что целлюлозные частицы имеют отношение осей (1:d) с нижней границей 0,5, в частности 1, и с верхней границей 5, в частности 2,5.
14. Вспененный элемент (7) по п.8, отличающийся тем, что доля целлюлозы от полной массы пеноматериала выбирается в диапазоне с нижней границей 0,1 вес.%, в частности 5 вес.%, и с верхней границей 25 вес.%, в частности 20 вес.%.
15. Вспененный элемент (7) по п.8, отличающийся тем, что целлюлоза содержит добавки из группы, включающей пигменты, неорганические вещества, как оксид титана, подстехиометрический оксид титана, сульфат бария, ионообменник, полиэтилен, полипропилен, полиэфир, сажа, цеолиты, активированный уголь, полимерные суперабсорберы и огнезащитные средства.
16. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что частицы (11) образованы из древесных материалов, и размер частиц меньше 400 мкм.
17. Вспененный элемент (7) по п.16, отличающийся тем, что частицы (11) из древесных материалов покрыты средством, препятствующим образованию гнили, в частности, пропитаны им.
18. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что частицы (11) снабжены покрытием, которое имеет высокую влаго- или паропроницаемость.
19. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что разность между объемным весом или плотностью частиц (11) и полиола, использующегося для образования пенопласта, находится в диапазоне ±10%, предпочтительно от ±0,5% до ±3,0%.
20. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что частицы (11), а также использующийся для образования пенопласта полиол, имеют объемный вес или плотность, который или которые почти равны друг другу.
21. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что пенный скелет пеноматериала снабжен покрытием (12), которое состоит из среды, имеющей высокую влагопроницаемость, и в покрытие (12) также введены частицы (11).
22. Вспененный элемент (7) по п.21, отличающийся тем, что часть частиц (11) полностью введена внутрь покрытия (12), а другая часть частиц (11) выдается наружу через поверхность (14) покрытия (12).
23. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что в пеноматериал, и/или в частицы (11), и/или в покрытие (12) добавляется активное вещество алоэ вера.
24. Вспененный элемент (7) по п.3, отличающийся тем, что содержащий частицы (11) элемент (7) имеет в испытании с падающим шариком согласно EN ISO 8307 эластичность с нижней границей 25%, предпочтительно 35%, и верхней границей 60%, предпочтительно 50%.
25. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что пеноматериал выбран из группы пенополиуретана (вспененный ПУ), пенополиэтилена, пенополистирола, пенополикарбоната, вспененного ПВХ, пенополиимида, пеносиликона, вспененного ПММА (полиметилметакрилата), пенорезины.
26. Вспененный элемент (7) по п.1, отличающийся тем, что следующая фракция частиц (11) введена внутрь ячеистой структуры пеноматериала.
27. Вспененный элемент (7) по п.25 или 26, отличающийся тем, что пеноматериал имеет структуру пены с открытыми ячейками.
28. Применение вспененного элемента (7) по одному из пп.1-27 для создания вспененных изделий, причем вспененные изделия выбраны из группы, включающей матрасы, сиденья или детали сидений для транспортных средств, таких как автомобили, поезда, трамваи, самолеты; портативную складную мебель, детали обивки для транспортных средств, такие как обивка дверей, потолок кузова, обивка багажников, футеровка моторного отделения; обувные подошвы и другие детали обуви, такие как супинаторы, стельки, подкладки для лямок; подкладки в шлемы, мебельную обивку, подушки, набивку для медицинских повязок.
