Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften von fluorhaltigen amphipolaren Polymeren als Additive für Polyurethanhartschäume

Abstract

Fluorhaltige amphipolare Polymere wurden als neuartige Stabilisatorsysteme für die Herstellung von Polyurethanhartschäumen eingesetzt. Da aufgrund der Komplexität des kolloidalen Systems der Schaumherstellung bisher nur ungenügende Kenntnisse über die Wirkungsweise der heute nahezu ausschließich eingesetzten Siloxan-Stabilisatoren im Schaumprozess vorliegen, wurde anhand von fluorhaltigen amphipolaren Polymeren der Einfluss der Struktur sowohl auf die schaum-stabilisierenden als auch auf die oberflächen-physikalischen Eigenschaften untersucht. Deshalb wurden fluorhaltige amphipolare Polymere mit Block- und Pfropfstruktur synthetisiert. Blocksysteme wurden aus einseitig mit Perfluoralkylresten funktionalisierten Poly(oxyalkylen)en aufgebaut, bei welchen die Perfluoralkylgruppe aus Hexyl- und Oktylresten bestand. Pfropfsysteme wurden durch radikalische Copolymerisation von Perfluoroktylmethacrylat und Poly(ethylenoxid)methacrylat als Makromonomer unter Verwendung eines Reglers synthetisiert. Die oberflächenaktiven Eigenschaften der fluorhaltigen Stabilisatorsysteme wurden durch Messung der statischen und dynamischen Oberflächenspannung, der kritischen Mizellbildungskonstanten (cmc) sowohl in Wasser als auch in einem dem Schaumprozess nahen Lösungsmittel (Polyolmischung) sowie durch Aufnahmen von Druck-Flächen-Diagrammen der Monolayer der Stabilisatormoleküle an der Grenzfläche Wasser/Luft untersucht. Die Wirksamkeit der Stabilisatoren im Schaumprozess wurde in Schäumexperimenten untersucht. Als Referenz wurde bei allen Untersuchungen ein kommerziell eingesetzter Poly(dimethylsiloxan)-Poly(alkylenoxid)-Stabilisator verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass die Oberflächenaktivität in wässriger Lösung nicht als Kriterium zur Bewertung der Stabilisatorwirksamkeit im Schaumprozess herangezogen werden kann, dass allerdings die Absenkung der Oberflächenspannung der Polyolmischung eine notwendige Voraussetzung für eine gewisse Stabilisierung des Schaumes darstellt.

Fluorine containing amphipolar polymers were employed as a novel class of foam stabilizers in the formation of rigid polyurethane foams. For being a complex colloidal system the stabilizing efficiency of the exclusively used siloxane-surfactants in the foam process is very incompletely understood. Therefore the influence of the structure on the properties of stabilizers not only referring to foam stabilizing but also to surface active properties has been examined by these surfactants. Fluorine containing amphipolar surfactants with different molecular architectures (block and grafted structures) were synthesized. Block surfactants consisted of one-ended perfluorocarbon-functionalized derivates of poly(alkylene oxide)s in which the perfluoroalkyl groups were either hexyl or octyl. Grafted fluorine containing surfactants were synthesized by the macromonomer technique copolymerizing a PEO macromonomer and perfluoroalkylene methacrylate (PfOMA) using benzylmercaptane for molecular weight control. Surface active properties of the fluorine containing amphipolar polymers were examined by measuring the static and dynamic surface tension and the critical micelle concentration (cmc) both in aqueous solution and in a solvent used in the foam process (polyol) as well as by investigation of the monolayer formed at the interface water/air. To determine the stabilizing efficiency in the foam process the amphipolar polymers were deployed as surfactants in the formation of rigid polyurethane foams. As reference for all investigations, a commercially applied poly(dimethylsiloxane)-poly(alkylen oxide)-stabilizer was used. It could be revealed that the surface activity in aqueous solution could not be used as criterium for the interpretation of the shown stabilizing efficiency in the foam process. Whereas lowering the surface tension of the polyol was found to be a necessary requirement for a certain foam stabilisation.