PREPARACION DE MATERIALES DE ESPUMA A PARTIR DE EMULSIONES DE ELEVADA FASE INTERNA.

Un proceso para preparar un material de espuma polimérica que comprende las etapas siguientes:

A) formar una emulsión agua/aceite a partir de:

1) una fase oleosa que comprende: a) de 80 a 99% en peso de un componente monomérico que puede endurecerse rápidamente, en donde el componente monomérico comprende:

i) de 20% a 97% en peso de un monómero prácticamente insoluble en agua seleccionado del grupo que consiste en acrilatos de alquilo, metacrilatos de alquilo y mezclas de los mismos;

ii) de 2% a 40% de un reticulante polifuncional prácticamente insoluble en agua seleccionado del grupo que consiste en ésteres de acrilato y metacrilato polifuncionales, y mezclas de los mismos;

iii) de 0 a 8% en peso de un tercer monómero prácticamente insoluble en agua; en donde el término "alquilo", en la presente memoria, también abarca la clase "arilo" y el término "metacrilato", en la presente memoria, incluye restos "etacrilato" y restos de derivados superiores; y

b) de 1 a 20% en peso de un componente emulsionante que es soluble en la fase oleosa y adecuado para formar una emulsión agua/aceite estable; y

2) una fase acuosa que comprende una solución acuosa que contiene de 0,2 a 40% en peso de un electrolito soluble en agua; en donde la emulsión tiene una relación volumen/peso entre la fase acuosa y la fase oleosa en el intervalo de 8:1 a 140:1;

B) endurecer el componente monomérico en la fase oleosa de la emulsión agua/aceite utilizando una reacción de polimerización que se realiza a una temperatura de endurecimiento de 20ºC a 130ºC durante un tiempo suficiente para conformar un material de espuma polimérica saturada

Preparación de materiales de espuma a partir de emulsiones de elevada fase interna.

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica la ventaja y la prioridad de la solicitud provisional 60/238.990 presentada el 10 de octubre de 2000.

Campo de la invención

Esta aplicación se refiere al curado rápido de emulsiones de elevada fase interna para producir materiales de espuma polimérica de estructura celular abierta microporosos con características físicas que los hacen adecuados para diversos usos.

Antecedentes de la invención

El desarrollo de las espumas microporosas ha suscitado un considerable interés comercial. Estas espumas han resultado útiles para diversas aplicaciones como aislantes térmicos, acústicos, eléctricos y mecánicos (por ejemplo, para amortiguación o embalaje); materiales absorbentes; filtros; membranas; alfombrillas; juguetes; portadores para tintas, colorantes, lubricantes y lociones; y similares. Las referencias que describen estos usos y propiedades de las espumas incluyen Oertel, G., "Polyurethane Handbook"; Hanser Publishers: Munich, 1985, y Gibson, L. J.; Ashby, M. F., "Cellular Solids. Structure and Properties"; Pergamon Press: Oxford, 1988. El término "aislante" hace referencia a cualquier material que reduce la transferencia de energía de una ubicación a otra. El término "absorbente" hace referencia a materiales que embeben y retienen o distribuyen fluidos, normalmente líquidos, por ejemplo, una esponja. El término "filtro" hace referencia a materiales que dejan pasar un fluido, ya sea gas o líquido, a la vez que retienen impurezas en el material mediante exclusión del tamaño, intercepción, atracción electrostática, adsorción, etc. Otros usos de las espumas son, por lo general, obvios para el experto en la técnica.

Las espumas de estructura celular abierta preparadas a partir de emulsiones de elevada fase interna (a continuación denominadas "HIPE") son especialmente útiles en diversas aplicaciones tales como artículos absorbentes desechables (patentes US-5.331.015 (DesMarais y col.) concedida el 19 de julio de 1994, US-5.260.345 (DesMarais y col.) concedida el 9 de noviembre de 1993, US-5.268.224 (DesMarais y col.) concedida el 7 de diciembre de 1993, US-5.632.737 (Stone y col.) concedida el 27 de mayo de 1997, US-5.387.207 (Dyer y col.) concedida el 7 de febrero de 1995, US-5.786.395 (Stone y col.) concedida el 28 de julio de 1998, US-5.795.921 (Dyer y col.) concedida el 18 de agosto de 1998), aislamiento (térmico, acústico, mecánico) (patentes US 5.770.634 (Dyer y col.) concedida el 23 de junio de 1998, US-5.753.359 (Dyer y col.) concedida el 19 de mayo de 1998, y US-5.633.291 (Dyer y col.) concedida el 27 de mayo de 1997), filtración (Bhumgara, Z. Filtration & Separation marzo de 1995, 245-251; Walsh y col. J. Aerosol Sci. 1996, 27, US-5629-5630; solicitud PCT publicada W/O 97/37745, publicada el 16 de octubre de 1997, en nombre de Shell Oil Co.) y otros usos diversos. El proceso HIPE facilita el control de la densidad, el tamaño y la distribución de celdas y poros, la relación entre puntales celulares y ventanas, y la porosidad en estas espumas.

El aspecto económico es importante a la hora de hacer que las espumas HIPE resulten comercialmente atractivas. El aspecto económico de la producción de espuma HIPE depende de la cantidad y del coste de los monómeros utilizados por volumen unitario de la espuma y del coste para convertir los monómeros en una espuma polimérica utilizable (costes del proceso). Para que las espumas HIPE resulten económicamente atractivas puede que sea necesario minimizar uno o más de los siguientes factores: (1) el monómero total por volumen unitario de espuma, (2) el coste de los monómeros, (3) el coste del proceso para convertir estos monómeros en una espuma HIPE utilizable, o (4) combinaciones de estos factores. La formulación del monómero y las condiciones del proceso deben ser tales que las propiedades de la espuma HIPE cumplan los requisitos de la aplicación específica.

Las propiedades físicas de la espuma están determinadas por: (1) las propiedades del polímero que comprende la espuma, (2) la densidad de la espuma, (3) la estructura de la espuma (por ejemplo, el espesor, la forma y la relación dimensional de los puntales poliméricos que definen las celdas de espuma, el tamaño de la celda, el tamaño del poro, la distribución de tamaño de poro, etc.), y (4) las propiedades de la superficie de la espuma (p. ej., si la superficie de la espuma es hidrófila o hidrófoba). Una vez que se conocen y se cumplen los requisitos para una aplicación determinada, se desea un proceso económicamente atractivo para preparar el material. Un aspecto clave de este proceso es la velocidad de polimerización y reticulación, referidas conjuntamente como endurecimiento, de la fase oleosa de una HIPE para formar una red polimérica reticulada. Antes, esta etapa de endurecimiento requería que la emulsión se mantuviera a una temperatura elevada (40ºC-82ºC) durante un período de tiempo relativamente largo (de forma típica de 2 horas a 18 horas o más) o el uso de endurecimiento presurizado (para permitir el uso de temperaturas superiores a los 100ºC). Estos largos períodos de endurecimiento y/o reactores presurizados pueden proporcionar índices de rendimiento relativamente bajos y, en consecuencia, un capital más elevado y mayores costes de producción.

Entre los intentos anteriores para diseñar enfoques de producción de espumas HIPE con éxito comercial podemos citar, por ejemplo, el vertido de la HIPE en un recipiente de gran tamaño que, a continuación, se coloca en una zona calentada para endurecerlo. Consulte, por ejemplo, la patente US-5.250.576 (DesMarais y col.) concedida el 5 de octubre de 1993. Las patentes US-5.189.070 (Brownscombe y col.), concedida el 23 de febrero de 1993; US-5.290.820 (Brownscombe y col.) concedida el 1 de marzo de 1994; y US-5.252.619 (Brownscombe y col.), concedida el 12 de octubre de 1993, describen el endurecimiento de HIPE en varias fases. La primera fase se lleva a cabo a una temperatura inferior a 65ºC hasta que la espuma alcanza un estado parcial de endurecimiento. A continuación, la temperatura se incrementa entre 70ºC y 175ºC para efectuar un endurecimiento final rápido. Todo el proceso dura unas 3 horas. Otro modo de producir espumas HIPE requería la colocación de la emulsión en una capa de película impermeable que, a continuación, se enrollaba y colocaba en una cámara de endurecimiento (US-5.670.101 (Nathoo y col.) concedida el 23 de septiembre de 1997). La emulsión/película enrollada multilaminar podía entonces endurecerse utilizando la secuencia de temperatura secuencial descrita en las patentes de Brownscombe y col. mencionadas anteriormente. La patente US-5.849.805, concedida en nombre de Dyer el 15 de diciembre de 1998, describe la conformación de la HIPE a una temperatura de 82ºC (temperatura de vertido en el ejemplo 2) y el endurecimiento de la HIPE a 82ºC durante 2 horas. También se describe un proceso para preparar espumas HIPE en WO 96/21679. Sin embargo, ninguno de estos métodos ofrecen la combinación de una conversión muy rápida (p. ej., en minutos o segundos) de la HIPE a espuma polimérica que proporcionaría un proceso barato y relativamente simple para producir espumas HIPE tanto económicamente como con el conjunto deseado de propiedades. La PCT WO 00/50498, publicada en nombre de DesMarais y col. el 31 de agosto de 2000, describe un proceso para endurecer una banda continua de HIPE y obtener la espuma resultante y un aparato con un tubo inclinado para endurecer la HIPE bajo presión gracias a la presión hidrostática de la emulsión para facilitar el endurecimiento rápido a temperaturas elevadas. La patente US-6.274.638 (Yonemura y col.), concedida el 14 de agosto de 2001, describe un método para producir una espuma HIPE en un corto período de tiempo mediante el uso de un rayo de energía activa o subiendo la temperatura de la HIPE después del endurecimiento en un proceso continuo.

La técnica también describe el uso de presión para controlar la volatilidad de los monómeros que, de lo contrario, se volatizarían por ebullición a una temperatura de polimerización/endurecimiento adecuada. Por ejemplo, la patente US-5.767.168 de asignación común, concedida a Dyer y col. el 16 de junio de 1998, describe la idoneidad de la presurización para controlar la volatilidad de monómeros de dieno conjugados relativamente volátiles. Sin embargo, el tiempo de endurecimiento para las espumas que allí se describe sigue siendo superior a dos horas, de modo que todavía hay muchas posibilidades de mejorar considerablemente la...

1. Un proceso para preparar un material de espuma polimérica que comprende las etapas siguientes:

        A)        formar una emulsión agua/aceite a partir de:

1)        una fase oleosa que comprende:

a)        de 80 a 99% en peso de un componente monomérico que puede endurecerse rápidamente, en donde el componente monomérico comprende:

i)        de 20% a 97% en peso de un monómero prácticamente insoluble en agua seleccionado del grupo que consiste en acrilatos de alquilo, metacrilatos de alquilo y mezclas de los mismos;

ii)        de 2% a 40% de un reticulante polifuncional prácticamente insoluble en agua seleccionado del grupo que consiste en ésteres de acrilato y metacrilato polifuncionales, y mezclas de los mismos;

iii)        de 0 a 8% en peso de un tercer monómero prácticamente insoluble en agua; en donde el término "alquilo", en la presente memoria, también abarca la clase "arilo" y el término "metacrilato", en la presente memoria, incluye restos "etacrilato" y restos de derivados superiores; y

b)        de 1 a 20% en peso de un componente emulsionante que es soluble en la fase oleosa y adecuado para formar una emulsión agua/aceite estable; y

2)        una fase acuosa que comprende una solución acuosa que contiene de 0,2 a 40% en peso de un electrolito soluble en agua;

                en donde la emulsión tiene una relación volumen/peso entre la fase acuosa y la fase oleosa en el intervalo de 8:1 a 140:1;

        B)        endurecer el componente monomérico en la fase oleosa de la emulsión agua/aceite utilizando una reacción de polimerización que se realiza a una temperatura de endurecimiento de 20ºC a 130ºC durante un tiempo suficiente para conformar un material de espuma polimérica saturada.

2. El proceso de la reivindicación 1, en donde el tiempo de endurecimiento es inferior a 5 minutos a una temperatura de endurecimiento de 70ºC a 110ºC.

3. El proceso de la reivindicación 1, que comprende la etapa adicional de desecar el material de espuma polimérica hasta tal punto que se forma un material de espuma polimérica colapsado que se volverá a expandir al entrar en contacto con los fluidos acuosos.

4. El proceso de la reivindicación 3, en donde la relación volumen/peso entre la fase acuosa y la fase oleosa se encuentra en el intervalo de aproximadamente 12:1 a aproximadamente 65:1.

5. El proceso de la reivindicación 1, en donde el componente monomérico comprende:

        i)        de 20 a 97% en peso de un monómero de acrilato seleccionado del grupo que consiste en acrilatos de alquilo C₄-C₁₈, acrilatos de arilo, metacrilatos de alquilo C₂-C₁₈, y mezclas de los mismos;

        ii)        de 2% a 40% en peso de un reticulante polifuncional prácticamente insoluble en agua seleccionado del grupo que consiste en ésteres de acrilato y metacrilato polifuncionales; y

el componente emulsionante es de 3 a 10% en peso; y

la fase acuosa comprende además de 1 a 40% de una sal soluble en agua inorgánica.

6. El proceso de la reivindicación 1, en donde el emulsionante se selecciona del grupo que consiste en éter isodecilglicidílico, succinato de poliglicerol, metilsulfato de disebo dimetilamonio y mezclas de los mismos.

7. Una espuma polimérica preparada según el proceso de la reivindicación 1, en donde todos los monómeros son ésteres de ácidos acrílicos o metacrílicos.

8. Una espuma polimérica preparada según el proceso de la reivindicación 1, en donde el éster de 1 a ii) comprende dimetacrilato de 1,12-dodecanodiol o dimetracrilato de etilenglicol.

9. Una espuma polimérica preparada según el proceso de la reivindicación 1, en donde la composición de la fase oleosa además comprende acrilato de 2-etilhexilo y metacrilato de 2-etilhexilo.

10. Una espuma polimérica preparada según el proceso de la reivindicación 1, en donde la Tg es de 0ºC a 35ºC.