用于制备发泡聚合物的系统和方法与流程

基于理论考虑，纳米孔状或纳米多孔聚合物泡沫材料是特别好的隔热材料。这是因为泡沫结构的内部尺寸在气体分子的平均自由程长度的范围内。以这种方式可以减少气体对热传递的参与。聚氨酯是经常用于隔热的聚合物类别。

在聚氨酯泡沫的制备中，使多元醇组分（其也含有发泡剂）与异氰酸酯反应。通过异氰酸酯与水的反应，形成二氧化碳，其也可用作发泡剂。

对于泡沫形成，因此对于后来的固化泡沫的泡孔尺寸的决定性步骤是发泡剂的成核，因为泡沫中的每个泡孔是由气泡形成的。这里可观察到，在成核之后通常不产生新的气泡，而是发泡剂扩散到现有的气泡中。

稳定剂的添加促进各种组分的乳化，影响成核并防止生长的气泡的聚结。它们也影响泡孔开口。在开孔泡沫中，生长的孔的膜被打开并且孔的连接物（stege）得以保留。

一种可能的方法是将反应混合物中的超临界发泡剂乳化，然后在降低压力后使泡沫固化。posme方法（超临界微乳液膨胀的原理）已知为其变体。发泡剂以微乳液的形式存在于其中。微乳液在特定条件下形成，这尤其取决于乳化剂的浓度和温度。微乳液的特征在于其是稳定的并且非极性相（即在这种情况下的发泡剂）可以以非常小的液滴存在于极性相中。这类液滴的直径可以为1至100纳米。

de10260815a1公开了发泡材料和制备发泡材料的方法。据说产生包含纳米尺寸的泡沫气泡的发泡材料，而不必克服在相转变和成核过程中通常出现的能垒。相关的目标是以可控的方式产生发泡材料，其泡沫气泡的数值密度为10¹²至10¹⁸/cm³，并且泡沫气泡的平均直径为10nm和10μm。基础是第二流体以池的形式分散在第一流体的基质中。在反应空间中，存在作为基质的第一流体和池形式的第二流体。通过压力和/或温度的变化，将第二流体转化为近临界或超临界状态，其具有接近于液体的密度。因此，第二流体完全或几乎完全呈池的形式，其在整个第一流体中均匀分布。通过减压，第二流体恢复到气体密度状态，而池膨胀成纳米尺寸的泡沫气泡。不必克服能垒，发泡剂分子也不必扩散到膨胀的气泡中。

这里，可聚合的物质通常被推荐作为第一流体。但是，仅强调地提及聚合得到聚丙烯酰胺的丙烯酰胺和聚合得到三聚氰胺树脂的三聚氰胺。第二流体应选自烃如甲烷或乙烷以及烷醇、氯氟烃或co2的材料类别。此外使用两亲性材料，其应具有至少一个对第一流体具有亲和力的嵌段和至少一个对第二流体具有亲和力的嵌段。

wo2011/054873a2涉及制备聚氨酯泡沫的方法，其中所用的发泡剂处于超临界或近临界状态。将反应混合物引入封闭的模具中，其中设置该封闭的模具，以使得其内部体积和/或其内部存在的压力可以在引入混合物后通过外部影响而改变。通过表面活性剂的选择，可以获得多元醇相中的发泡剂的微乳液。另一主题是可通过该方法获得的纳米孔状聚氨酯泡沫。

wo2012/059567a1公开了制备发泡材料的方法，其中将包含基质形成组分、表面活性剂组分和近临界或超临界发泡剂组分的乳液状组合物进行减压。所述发泡剂组分还包含疏水性共组分，其在≥150巴的压力下可溶于超临界co2、在≤40巴的压力下不溶于亚临界co2、并且不溶于基质形成组分、并且还以所述发泡剂组分的≥3重量％至≤35重量％的含量存在。该出版物还涉及可用于其中的乳液状组合物和可通过该方法获得的发泡材料。

在高压混合器中将多元醇和超临界发泡剂（包括催化剂和添加剂）的混合物与异氰酸酯混合后，开始氨基甲酸酯反应（粘度增加），在此期间压力不应降低至低于所用气态发泡剂的临界压力（在co2的情况下优选不低于100巴），以避免过早发泡。这通过将反应混合物注入具有所需压力和温度条件的反应空间来确保。实际上，反应空间中的这些条件是通过使用所谓的浮动密封件来实现的，所述浮动密封件用于将反应空间相对于压力室（例如通过压缩空气来增加压力）分开。

在反应混合物具有形成泡沫的正确粘度的时间点，可以通过降低压力（例如通过打开压缩空气阀）或增大体积，以将发泡剂从超临界状态转变成气态并因此引发发泡。发泡过程中的压力条件对于所得泡沫的各种性质（泡孔尺寸、泡孔结构、孔隙率、表观密度（rohdichte）、抗压强度、尺寸稳定性、表面结构等）是决定性的。

在基本考虑的基础上，通过反应空间的体积增大的发泡方法优于反应空间中的减压方法，因为受控的体积增大也可以控制压力，而相反的情况不是无条件地适用的。

用于反应空间中的体积增大的装置可以例如通过液压活塞来操作。然而，其缺点是反应混合物的注入和初始的活塞运动必须同步进行，这只能通过损失对压力条件的总体控制来确保。

本发明的目的是提供制备聚合物泡沫的装置和方法，其中注射和发泡过程都可以在受控条件下进行。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的系统和根据权利要求8所述的方法来实现。在从属权利要求中说明了有利的扩展方案。它们可以任意地组合，除非从上下文中明显给出相反内容。

通过下面的附图和实施例更详细地阐明本发明，但是本发明不限于此。

图1显示了本发明的系统

图2显示了用于阐明本发明方法的本发明系统的一部分

图3显示了用于阐明本发明方法的本发明系统的另一部分

图4显示了用于阐明本发明方法的本发明系统的另一部分

图1中显示了用于制备发泡聚合物的本发明系统。该系统包括：

-第一混合器140，其用于混合至少两种相互反应的反应组分，以获得反应得到聚合物的反应混合物，其中所述反应组分的至少一种还包含超临界流体；和

-与第一混合器140连接的发泡模具200，其用于接收反应混合物并具有可用于接收所述反应混合物的第一体积210，其中第一体积210是可变的。

第一混合器140优选是高压混合器，以便在混合期间可以为反应混合物中的流体保持超临界条件。例如，冲击喷射混合器或微混合器是合适的。然而，也可以以连接到相应管线的t形接头的形式形成混合器。联系本发明的方法给出关于反应混合物的反应组分的细节。

在发泡模具200中同样可以保持超临界条件。第一混合器140通过管线连接到发泡模具200，以使得在第一混合器140中获得的反应混合物可以被引入发泡模具，更确切地说发泡模具的可变的第一体积210中。发泡模具200的形状原则上不受限制。当然，优选是便于密封件300移动的内部成型。

在本发明的系统中，发泡模具200包括可移动的密封件300，其在至少一侧上界定第一体积210并且进行密封以至少抵抗液体组分的流出。密封件300的移动由图1中的符号↔表示。因此，密封件300有助于使第一体积210可以可变地配置，同时保持对于流体的超临界条件。所述密封件还可以针对气体来密封第一体积。然而，在某些情况下可以容许或甚至希望从第一体积210流出一定的气体量，如果这改善系统操作中反应混合物的发泡过程的话。

在简单的情况下，发泡模具200可以具有圆形内部横截面，并且密封件300是例如由铝制成的圆柱形盘。

该系统还包括可移动的限制器310，其布置在密封件300的与第一体积210相对的一侧上、没有或没有牢固地连接到密封件300，其位置可通过定位单元320而改变，其中定位单元320被设置成执行控制单元400的指令。限制器310的移动同样由图1中的符号↔表示。限制器310的移动方向对应于密封件300的移动方向。限制器310没有或没有牢固地连接到密封件300。以这种方式，两个元件可以彼此独立地布置在发泡模具300中。可以通过诸如电磁铁、可脱离的机械联接器等的可脱离元件来实现非牢固连接。

定位单元320实现限制器310的移动或其移动的阻挡，因此包括限制器310的推进器。定位单元320根据控制单元400的指令行事。控制单元400可以是过程控制系统的一部分。该控制单元优选地同样接收一个或多个位置传感器（positionsgeber）的信号，以便允许限制器310在发泡模具内的位置一起馈送到对定位单元320的指令中。

限制器310是可定位的，以使得根据控制单元400的指令而阻挡或允许密封件300的移动，所述移动对应于第一体积210的增大。因此，其中发生化学反应的第一体积210可以以受控方式保持或增大。

优选地，限制器310被制造为机械、液压或气动推进的活塞。

控制单元400被设置成根据位于第一体积210中的反应混合物的至少一个参数而将指令传达到定位单元320。作为参数，体积210中的压力、温度和/或粘度可以通过例如压力传感器、温度传感器或粘度计来确定。替代地或此外地，也可以在体积210中通过ir光谱、超声技术或其它常用的测量技术来获取表征所形成的泡沫的测量值，其作为参数传送到控制单元400，以便将指令传达到定位单元320。因此，第一体积210的尺寸可以根据反应混合物内的反应进程而改变。

根据图1所示的实施方案，所述系统还包括用于第一反应组分100的储备容器、用于第二反应组分110的储备容器和用于可转变成超临界状态的流体120的储备容器，其中用于第二反应组分110的储备容器和用于可转变成超临界状态的流体120的储备容器连接到第二混合器130并且第二混合器130的出口以及用于第一反应组分100的储备容器连接到第一混合器。

优选地，用于第一反应组分100的储备容器是用于异氰酸酯组分的储备容器，用于第二反应组分110的储备容器是用于多元醇组分的储备容器，且用于可转变成超临界状态的流体120的储备容器是用于二氧化碳的储备容器。

在本发明的系统的另一个实施方案中，发泡模具200还包括第二体积220，其布置在密封件300的与第一体积210相对的一侧上，所述第二体积可相对于大气封闭并且其压力可通过阀330调节。通过第二体积220可以建立反压力，其用于确保在第一体积膨胀期间，密封件300较缓慢地移动，从而不在第一体积中无意地临时存在亚临界条件。该反压力可以通过阀330建立和再次释放。

未在图1中示出，但尽管如此可能的是，在发泡模具200上还配备用于第一体积210的受控的空气加压和减压的阀。

在本发明系统的另一个实施方案中，密封件300被制造为浮动密封件。浮动密封件在本文中被定义为如下部件，其可以将第一体积210与第二体积220相对于发泡模具200气密性密封、并沿轴线（在发泡模具200的水平构造的情况下也相应水平地）移动、但没有机械地连接到发泡模具200或限制器310。

在本发明系统的另一个实施方案中，限制器310被制造为机械、液压或气动推进的活塞。

在本发明系统的另一个实施方案中，位于第一体积210中的反应混合物的参数（控制单元400根据该参数将指令传达到定位单元320）选自：第一体积210中的反应混合物的停留时间、第一体积210中的反应混合物的温度、第一体积210内存在的压力、第一体积210中的反应混合物的粘度和/或第一体积210中的反应混合物的红外光谱中先前确定的信号。为简单起见，优选反应混合物的停留时间。然而，也可以使用其它的工艺工程参数，例如温度、压力和粘度（作为进展的聚合反应的指标）。在聚氨酯反应混合物的情况下，也可以设想监测ir光谱中的nco谱带。

本发明的另一方面是制备发泡聚合物的方法。应例如参考图2、3和4示出各个步骤。该方法包括以下步骤：

a)提供本发明的系统；

b)将密封件300定位在发泡模具200内，以使得形成具有第一预定值≥0m³的第一体积210；

c)将限制器310定位在距密封件300的一定距离处，其中选择所述距离以使得在通过密封件300接触限制器310时，第一体积210采取大于第一预定值的第二预定值；

d)将包含两种相互反应以提供聚合物的反应组分和超临界流体的反应混合物引入第一体积210，其中通过引入反应混合物，密封件300首先移向限制器310，然后接触所述限制器，以使得第一体积210限于第二预定值，并且其中流体保持超临界状态；

e)使所述反应混合物反应，直至达到位于第一体积210中的反应混合物的参数预定值；

f)重新定位限制器310，以使得第一体积采取不同于第二预定值的第三预定值，并且其中流体在这一步骤之后处于亚临界状态。

根据该方法的步骤a)，首先提供具有第一混合器140、发泡模具200、密封件200、限制器310、定位单元320、控制单元400等的本发明系统，以使得该方法可以用该系统进行。例如可以提供如图1中示意性示出的本发明系统。

图2、3和4显示了本发明系统的部分，其中重点在于显示发泡模具200中的操作。进行该方法的步骤b)和c)之后的情况如图4所示。密封件300定位在发泡模具200内。可以形成图1所示的第一体积210，或者密封件300齐平地邻接发泡模具200的左边缘。此外，限制器310定位在发泡模具200内，以使得当密封件300移向限制器310并接触该限制器时，采取第一体积210的第二预定值。

图3显示了该方法的步骤d)和e)之后的情况。从如图1所示连接到第一混合器140的发泡模具200的左侧的管线，反应混合物被引入发泡模具200并因此进入第一体积210。该反应混合物包含两种相互反应以形成聚合物的组分。加聚聚合物优选作为反应产物。反应混合物还包含用作发泡剂的超临界流体。

合适的发泡剂流体的实例是直链、支化或环状c1至c6-烷烃、直链、支化或环状c1至c6-氟代烷烃、n2、o2、氩气和/或co2。例如由于异氰酸酯与水或与酸的反应，二氧化碳可以在反应提供聚氨酯泡沫的过程中形成。烃发泡剂的具体实例是甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、环戊烷、正己烷、异己烷、2,3-二甲基己烷和/或环己烷。其它实例是甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、环戊烷、正己烷、异己烷、2,3-二甲基丁烷和/或环己烷的部分或全氟化衍生物。

发泡剂流体在引入第一体积210时处于超临界状态。它可以溶解或乳化在反应混合物中。在乳液中，发泡剂可具有≥1nm至≤100nm的液滴尺寸。液滴尺寸也可以是≥3nm至≤30nm。其可以通过动态光散射或小角中子散射来确定，并且应理解为是指液滴尺寸的平均值。

引入发泡模具中的反应混合物将可移动的密封件300推向限制器310，直至接触所述限制器、并首先结束密封件300的进一步运动。第一体积210此时达到其第二预定值。通过选择第一体积210中存在的条件，使得流体能够始终还处于超临界状态。

根据步骤e)，现在使反应混合物反应，直至达到通常与反应混合物的反应进程相关的预定参数。对于流体，始终还存在超临界条件。第一体积仍然可以保留来自前面步骤的第二预定值，或者第一体积的尺寸可以在步骤e)中变化，只要流体还处于超临界状态。

在达到来自步骤e)的参数的预定值之后，反应混合物中的流体在步骤f)结束时处于亚临界状态。这是通过如下方式实现的：使限制器重新定位，以使得密封件300具有进一步的移动空间且因此第一体积210可以增大。在达到亚临界状态后，可任选地选择第三预定值，以使得第一体积210再次减小。以这种方式，可以使泡沫状材料中的泡孔破裂。

在转变成亚临界状态时，获得气态流体，从而结果是形成泡沫。该材料可以在发泡模具200中进一步固化，直至获得固体泡沫。

因此，可以在本发明的系统中实现发泡模具在第一体积中的填充而无需对反压力圆筒进行复杂的控制，然后控制第一体积的膨胀。

在本发明方法的一个实施方案中，在步骤a)中提供至少具有附加性质的系统，该附加性质在于发泡模具200还包括布置在密封件300的与第一体积210相对的一侧上的第二体积220，该第二体积可相对于大气封闭并且其压力可通过阀330调节。此外，至少直至步骤d)结束，在第二体积220中存在高于流体临界压力的压力，并且随后在步骤f)中，第二体积220中的压力降低至低于流体临界压力的压力。

这同样在图2至4中示意性地示出。通过第二体积220可以建立反压力，该反压力用于确保在第一体积膨胀期间，密封件300较缓慢地移动，从而使得不在第一体积中无意地临时存在亚临界条件。在根据步骤f)计划将反应混合物转变成亚临界状态时，可以打开阀330。

在本发明方法的另一个实施方案中，步骤e)中的参数选自：第一体积210中的反应混合物的停留时间、第一体积210中的反应混合物的温度、第一体积210内存在的压力、第一体积210中的反应混合物的粘度和/或第一体积210中的反应混合物的红外光谱中先前确定的信号。为简单起见，优选反应混合物的停留时间，其例如为≥1秒至≤60秒。然而，也可以使用其它的工艺工程参数，例如温度、压力和粘度（作为进展的聚合反应的指标）。在聚氨酯反应混合物的情况下，也可以设想监测ir光谱中的nco谱带。

在本发明方法的另一实施方案中，在步骤f)中，以对于第一体积210的先前确定的速率进行限制器310的重新定位。基于在重新定位程序之前不久的第一体积210的起始值，该速率可以是例如每秒≥1％至≤100％，优选每秒≥10％至≤80％，更优选每秒≥20％至≤60％。该速率可以是恒定的（线性膨胀）或随时间可变的，以使得例如使该膨胀具有斜坡。

在本发明方法的另一个实施方案中，流体是二氧化碳。

在本发明方法的另一个实施方案中，步骤d)中的反应混合物包含异氰酸酯组分和多元醇组分。用于异氰酸酯组分的合适多异氰酸酯的实例是丁1,4-二异氰酸酯、戊1,5-二异氰酸酯、六亚甲基1,6-二异氰酸酯（hdi）、异佛尔酮二异氰酸酯（ipdi）、2,2,4-和/或2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、异构双(4,4'-异氰酸根合环己基)甲烷或其具有任意异构体含量的混合物、亚环己基1,4-二异氰酸酯、苯1,4-二异氰酸酯、甲苯-2,4-和/或2,6-二异氰酸酯（tdi）、萘1,5-二异氰酸酯、二苯基甲烷2,2'-和/或2,4'-和/或4,4'-二异氰酸酯（mdi）或更高级同系物（聚合mdi、pmdi）、1,3-和/或1,4-双(2-异氰酸根合丙-2-基)苯（tmxdi）、1,3-双(异氰酸根合甲基)苯（xdi）以及具有c1至c6烷基的2,6-二异氰酸根合己酸烷基酯（赖氨酸二异氰酸酯）。mdi和pmdi的混合物是特别优选的。

除了上述多异氰酸酯之外，还可以按比例一起使用具有脲二酮、异氰脲酸酯、氨基甲酸酯、碳二亚胺、脲酮亚胺、脲基甲酸酯、缩二脲、酰胺、亚氨代噁二嗪二酮和/或噁二嗪三酮结构的改性二异氰酸酯以及具有每分子多于2个nco基团的未改性多异氰酸酯，例如4-异氰酸根合甲基-1,8-辛烷二异氰酸酯（壬烷三异氰酸酯）或三苯基甲烷4,4',4"-三异氰酸酯。

在反应混合物中，所述异氰酸酯中的nco基团的数量与异氰酸酯反应性基团的数量的彼此数值之比可以为≥70:100至≤500:100。该指数也可以为≥180:100至≤330:100或≥90:100至≤140:100。

在多元醇组分中，多元醇优选选自聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚醚酯多元醇和/或聚丙烯酸酯多元醇，并且此外其中多元醇的oh值≥100mgkoh/g至≤800mgkoh/g，特别优选≥350mgkoh/g至≤650mgkoh/g，多元醇的平均oh官能度≥2。

根据本发明可使用的多元醇可例如具有≥60g/mol至≤8000g/mol，优选≥90g/mol至≤5000g/mol，更优选≥92g/mol至≤1000g/mol的数均分子量mn。在加入一种多元醇的情况下，oh值表示所述多元醇的oh值。在混合物的情况下，表示平均oh值。该值可根据din53240测定。所述多元醇的平均oh官能度≥2，例如≥2至≤6，优选≥2.1至≤4，更优选≥2.2至≤3。

可根据本发明使用的聚醚多元醇是例如聚四亚甲基二醇聚醚，其可通过阳离子开环的四氢呋喃聚合来获得。

同样合适的聚醚多元醇是氧化苯乙烯、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷和/或表氯醇在二官能或多官能起始剂分子上的加成产物。

合适的起始剂分子的实例是水、乙二醇、二乙二醇、丁基二乙二醇、甘油、二乙二醇、三羟甲基丙烷、丙二醇、季戊四醇、山梨糖醇、蔗糖、乙二胺、甲苯二胺、三乙醇胺、1,4-丁二醇、1,6-己二醇和这类多元醇与二羧酸的低分子量的含羟基酯。

在本发明方法的另一个实施方案中，多元醇组分包含具有≥400mgkoh/g至≤700mgkoh/g的羟基值（din53240）的第一聚醚多元醇和不同于第一聚醚多元醇的具有≥700mgkoh/g至≤1000mgkoh/g的羟基值（din53240）的第二聚醚多元醇。优选是三羟甲基丙烷起始的eo-、po-和/或eo/po-聚醚多元醇。

在本发明方法的另一个实施方案中，多元醇组分还包含选自如下的表面活性剂组分：烷氧基化烷醇、烷氧基化烷基酚、烷氧基化脂肪酸、脂肪酸酯、聚亚烷基胺、烷基硫酸盐、烷基聚醚、烷基聚葡糖苷、磷脂酰肌醇、氟化表面活性剂、含聚硅氧烷基团的表面活性剂和/或磺基琥珀酸双(2-乙基-1-己基)酯盐。

根据本发明可用作表面活性剂组分的烷氧基化烷醇例如是具有≥10至≤30个碳原子的直链或支化烷醇与具有≥2至≤100个环氧烷单元的聚亚烷基二醇的醚。它们可以例如是具有≥15至≤20个碳原子的直链醇与具有≥5至≤30个环氧乙烷单元的聚亚烷基二醇的醚。

氟化表面活性剂可以是全氟化的或部分氟化的。其实例是部分氟化的乙氧基化烷醇或羧酸，如全氟辛酸。

含聚硅氧烷基团的表面活性剂可以是例如硅氧烷封端的聚环氧烷聚醚。这些表面活性剂可具有直链或支化结构。可根据本发明使用的这类表面活性剂可通过例如不饱和化合物与带有si-h基团的聚硅氧烷的氢化硅烷化反应获得。不饱和化合物尤其可以是烯丙醇与环氧乙烷或环氧丙烷的反应产物。

例如，所述表面活性剂也可以通过聚醚醇与带有si-cl基团的聚硅氧烷的反应获得。在聚醚中，所有端基可以是硅氧烷封端的。也可以存在混合端基，即存在硅氧烷端基和oh端基，或通过反应而官能化的oh端基例如甲氧基。该硅氧烷末端可以是单硅氧烷基团r3si−o−或低聚或聚硅氧烷基团r3si−o−[r2si−o]n−[ao]，其中例如n为≥1至≤100。在支化表面活性剂的情况下，硅氧烷末端也可具有符合r3si−o−rsi[ao]−o−[r2si−o]m−o−sir3的结构，其中例如m为≥0至≤10，或具有符合r3si−o−[rsi[ao]]n−o−[r2si−o]m−o−sir3的梳形聚合物结构，其中m+n为≥0至≤250。优选地，在所述情况下基团r为烷基，特别是甲基。基团[ao]表示聚环氧烷基团，优选聚环氧乙烷和/或聚环氧丙烷。基团[ao]也可以通过连接基团例如c3h6与硅氧烷键合。

本发明的方法实现在泡沫生产中受控的压力降低。

这使得能够（可再现地）调节该泡沫的泡孔尺寸、泡孔结构、孔隙率、表观密度、抗压强度、尺寸稳定性、表面结构和/或其它品质。

特别地，可以制备特别细孔的泡沫。

特别地，还可以制备其中表观密度分布特别均匀的泡沫。

在另一个特别的实施方案中，可以制备特别抗压的泡沫。

使用本发明方法的一个特别优选的实施方案，可以制备特别细孔且同时抗压的泡沫。

该方法的另一个优点是所得泡沫品质的高的可再现性。