Verfahren zur Herstellung von wässrigen Polyurethan-Dispersionen
Polyurethankunststoffe, bei deren Herstellung siliciumorganische Verbindungen mitverwendet werden, sind bekannt. Ihre Herstellung geschieht dadurch, dass in die Polyurethanmasse im Kneter, Innenmischer oder auf der Mischwalze Polysiloxane eingearbeitet werden. Vorteilhafter erscheinen Verfahren, bei denen Polysiloxane verwendet werden, die reaktionsfähige Wasserstoffatome enthalten, über die sie nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren in das Polyurethan eingebaut werden. In diesen derartig modifizierten Polyurethanen übt die Polysiloxangruppierung eine Schutzwirkung gegenüber hydrolytischen Einflüssen aus. Die stabilisierende Wirkung gegenüber Feuchtigkeitseinfluss tritt besonders in aus Polyestern aufgebauten Polyurethanen hervor.
Es ist auch bereits bekannt, opake Polyurethane unter Mitverwendung von Polysiloxanen herzustellen.
Die bis jetzt bekannt gewordenen Verfahren zur Herstellung von Polyurethankunststoffen, bei deren Herstel jung Polysiloxane mitverwendet werden, beschränken sich auf die Herstellung von Polyurethanmassen, die ent weder aus der Schmelze unter Formgebung oder mit Hilfe der in der Spritzgusstechnik gebräuchlichen Maschinen oder durch Verpressen, Extrudieren oder Granulieren verarbeitet werden, oder die sich aus organischer Lösung verstreichen oder versprühen lassen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von wässrigen Polyurethan-Dispersionen nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren auf der Grundlage von Verbindungen mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20 000, Polyisocyanaten und gegebenenfalls Kettenverlängerungsmitteln mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei der Herstellung der Polyurethan-Dispersionen 0,05 bis 300 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 30 Gewichtsprozent, Polysiloxane mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 194 bis 20000, bezogen auf die Verbindung mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20 000, mitverwendet werden.
In den auf diese Weise erhaltenen wässrigen Polysiloxan - modifizierten Polyurethan- Dispersionen sind durch den chemischen Einbau der Polysiloxane in die Polyurethanmasse die silicuimorganischen Gruppen in der Polyurethanmasse fixiert, wodurch ein Auswandern, Ausschwitzen oder eine Extraktion der Polysiloxane aus der Polyurethanmasse oder aus den aus der Dispersion erhältlichen Filmen, Fäden, Folien und Flächengebilden bzw. eine Phasentrennung der Dispersion unter Fischaugenbildung unmöglich ist. Durch die Polysiloxan-Modifizierung werden die Polyurethan-Kunststoffe besonders geschmeidig. Bereits die Mitverwendung geringer Mengen an Polysiloxanen genügt, um den daraus erhaltenen Polyurethanüberzügen einen angenehmen, weichen, vollen und warmen Griff zu verleihen.
Die erfindungsgemäss mitzuverwendenden Polysiloxane mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen gehorchen im allgemeinen der Summenformel RnSiO4 n in der R gegebenenfalls indifferent substituierte aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffreste, vorzugsweise Methyl- oder Phenylgruppen sind, während n einen Wert von mehr als 1 und höchstens 3 hat. Mindestens einmal im Molekül ist R ein car bofunktioneiler organischer Rest, dem im allgemeinen die Gruppierung -R'-Y zugesprochen werden kann, worin R' ein zweiwertiger ali phatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, der durch Äther- bzw. durch Thioäthergruppen unterbrochen sein kann, und Y beispielsweise eine Hydroxyl-, Merkapto-, Carboxyl- oder eine primäre oder sekundäre Aminogruppe ist.
Solche carbofunktionellen Reste sind beispielsweise: Hydroxymethyl -ClI..OH Hydroxybutyl -(CH,),OH -Hydroxyäthyl-oxymethyl -CH.2-O-CH2-CH2-OH ;ss-Hydroxyäthyl -mercapto - methyl -CH2-S-CH -CH2-OH ,^ -Dihydroxypropyl-mer- captomethyl -CH2-S-CH2-CHOH-CWOH Mercaptomethyl -CH..SH -Mercaptoäthyl-mercapto- methyl -CH2-S-CH2-CH5-SH ,3-Carboxyäthyl -Cff-C112-COOH Aminomethyl -CH2-NH o-Aminobutyl -(CHo) X n-Butylaminomethyl -CH.-NH-C4H
Die erfindungsgemäss zu verwendenden Organopolysiloxane sind nach bekannten Verfahren zugänglich.
Beispielsweise können die besonders geeigneten Hydroxymethylpolysiloxane durch direkte Umsetzung von Brommethylpolysiloxanen mit alkoholischer Kalilauge dargestellt werden. 4-Aminobutylpolysiloxane werden über die Hydrierung der leicht zugänglichen Nitrile hergestellt; entsprechende Carboxyl-Derivate durch Verseifung der Cyanoalkylsiliciumverbindungen. Aminomethylsiloxane werden durch Aminierung der Halogenmethylsiliciumverbindungen mit Ammoniak oder primären Aminen gewonnen.
In vielen Fällen werden die funktionellen Gruppen zunächst an niedermolekularen Siloxanen eingeführt; die so gewonnenen Produkte werden dann durch die bekannte Äquilibrierun3sreaktion in höhermolekulare Polysiloxane übergeführt.
Bevorzugt sind Polysiloxane mit einem Molekulargewicht von 194 bis 20000 und besonders zwischen 500 und 6000. Bevorzugt sind ferner im wesentlichen lineare Polysiloxane und solche mit endständigen Hydroxyl- oder Aminogruppen.
Solche Polysiloxane sind beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 291 937 und in der deutschen Auslegeschrift I 114 632 beschrieben.
Beispielsweise sind folgende Polysiloxane geeignet: als 10% der Polyurethanmasse zu betragen, sie kann aber auch niedriger sein. Das Molekulargewicht der zu verwendenden Polyhydroxylverbindungen kann zwischen 300 und 20 000, vorzugsweise 800 bis 4 000, liegen. Niedrige Molekulargewichte werden vor allem für harte Materialien bevorzugt.
In dem erfindungsgemässen Verfahren werden Polysiloxan-modifizierte Polyurethan-Dispersionen mit Feststoffgehalten zwischen 10 und 60% erhalten, wobei diese in Dispersionsform vorliegenden Polyurethanmassen ausserdem eingebaute Salzgruppen enthalten können.
Beispiele für die Herstellung von Polyurethan-Dispersionen, bei deren Herstellung die erfindungsgemäss mitzuverwendenden Polysiloxane mitverwendet werden können, finden sich in den deutschen Auslegeschriften 1 187 012, 1 184 946, 1 178 586, 1 179 363, in den belgischen Patentschriften 653 223, 658 026, in der englischen Patentschrift 883 568, in der französischen Patentschrift 1108 785, in der amerikanischen Patentschrift 3 178 310 und in den Polymer Preprints 6 (1965), Nr. 1, S. 156 - 162.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäss zugänglichen Polyurethan-Dispersionen wird im allgemeinen zunächst aus der Verbindung mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20000, den erfindungsgemäss mitzuverwendenden Polysiloxanen mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 194 bis 20000, Polyisocyanaten u. den gegebenenfalls mitzuverwendenden Kettenverlängerungsmitteln ein Isocyanatgruppen enthaltendes Voraddukt hergestellt u. in organischer Lösung, gegebenenfals in Gegenwart von Emulgatoren u. basischen Ket ,enverlängerungsmitteln in Wasser dispergiert oder umgekehrt mit Emulgatoren enthaltendem Wasser unter Dispersionsbildung versetzt und gegebenenfalls das organische Lösungsmittel entfernt.
Bei der Herstellung von Dispersionen von Polysiloxan-modifizierten, salzgruppenhaltigen Polyurethanen, deren Salzgruppen entsprechend der belgischen Patentschrift 653 223 definiert sind und deren Salzgruppengehalt von 0,05 bis 10 Gewichtspro zenit, vorzugsweise 0,1 bis 3 Gewichtsprozent, bezogen auf die Polyurethanmasse, variieren kann, kann das Isocyanatgruppen enthaltende Voraddukt in organischer Lösung mit einer salzartigen oder zur Salzbildung befähigten Komponente umgesetzt werden, und gegebenenfalls nach Überführung der zur Salzbildung befähigten Gruppen in die Salzform Wasser zugefügt und das orga HO-CH2-Si(CH3)2-O[Si.(CH3)2.-O]12-Si(CH3)2-CH2OH
EMI2.1
HO-(:
:H ,-Si(CH33 -O-Si(CH3) ,-CH2-OH HO-CH .-SitCH3)2-O-[Si(CH3)2-O]60-Si(CH3)2-CH2-OH n-CGH9-NH-CH2-Si (CH3)2-O-[Si(CH3)2-O]1s-Si(CH3)2-CH2-NH-n-CtH,
Die verwendeten MIengenverhältnisse der Komponenten können in weiten Grenzen variieren, je nach dem ob weiche, flexible oder elastische oder sehr harte Kunststoffe hergestellt werden sollen.
Im letztgenannten Fall braucht die Menge der Verbindungen mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20000 nicht mehr nische Lösungsmittel abdestilliert. Grundsätzlich kann auch umgekehrt vorgegangen werden, indem Wasser, das gegebenenfalls die salzartige Komponente oder die zur Salzbildung notwendige Gegenkomponente enthält, vorgelegt wird und das Isocyanatgruppen enthaltende Voraddukt oder das Polyurethan mit zur Salzbildung befähigten Gruppen eingerührt werden.
Zum Einbau geeignete salzartige oder zur Salzbildung befähigte Komponenten sind beispielsweise Taurin, Methyltaurin, Weinsäure, Glycin, Lysin, 6-Aminocapronsäure, Diaminobenzoesäure, Hydrazin-disulfonsäure, Milchsäure, Addukte von ungesättigten Säuren, cyclischen Dicarbonsäureanhydriden, Lactonen, Sultonen, cy clischen Sulfaten an aliphatische und aromatische Diamine, Triamine, Diaminole oder Amindiole, ferner die hydrierten Addukte von ungesättigten Nitrilen wie Acrylnitril an Aminosäuren wie Glycin oder Taurin und ihre Salze, sowie Methyldiäthanolamin, n-Butyldiisopropanolamin, 1,3-Amino-N,N-dimethylaminopropan, Bis-(N,N-yaminopropyl)-methylamin. Beispiele für die salzbildenden Gegenkomponenten, die mit den zur Salzbildung befähigten Gruppen unter Salzbildung reagieren, sind ebenfalls in der belgischen Patentschrift 653 223 enthalten.
Auch die Herstellung von Dispersionen von Polysiloxan-modifizierten Polyurethanen kann durch Umsetzung von bekannten Polysiloxan-modifizierten Polyurethanen mit Substanzen, die der Polysiloxan-modifizierten Polyurethanmasse Salzcharakter verleihen, nachträglich am hochmolekularen Produkt vorgenommen werden, beispielsweise mit Sultonen, Lactonen, cyclischen Sulfaten und Dicarbonsäureanhydriden. In einer besonderen Ausführungsform werden die zur Salzbildung befähigten Gruppen nur teilweise in Salzform übergeführt, so dass noch freie, nicht in die Salzform übergeführte Gruppen vorhanden sind. Durch das Verhältnis der freien, beispielsweise sauren Gruppen zu den in die Salzform übergeführten Gruppen kann so nach dem Massenwirkungsgesetzt a priori ein gewünschter pH-Wert eingestellt werden.
Wässrige Dispersionen von Polysiloxan-modifizierten Polyurethanen, die salzartige Gruppen enthalten, können auch dadurch erhalten werden, dass die Verbindung mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20 000 und/oder die erfindungsgemäss mitzuverwendenden Polysiloxane mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht von 300 bis 20 000 salzartige oder zur Salzbildung befähigte Gruppen enthalten.
Die wässrigen, Polysiloxan-modifizierten Polyurethan Dispersionen sind stabil, lager- und versandfähig und können erfindungsgemäss in Folien, Filme, Fäden oder Flächengebilde überführt werden. Die Isolierung der Polysiloxan-modifizierten Polyurethanmassen aus den Dispersionen geschieht durch Koagulation oder Entfernen des Wassers durch Verdunsten, gegebenenfalls bei höne- rer Temperatur, wobei je nach Zusammensetzung klare, transparente oder opake Kunststoffe mit thermoplastischen oder elastischen Eigenschaften anfallen.
Zu diesem Zweck werden beispielsweise die Dispersionen mittels einer Spritzpistole oder einer Rakel auf die zu beschichtenden oder zu imprägnierenden Substrate wie Natur-, Kunstleder- oder Papierbahnen aufgetragen und bei Raumtemperatur oder bei 80 bis 1600 C, gegebenenfalls in Gegenwart von Vernetzungsmitteln, getrocknet.
Es lässt sich weiterhin zeigen, dass die Dispersionen allgemein die Nassknitterwiakel der Ausrüstungen verbessern. Beschichtete Papiere zeigen einen matten, seidenartigen Oberflächenglanz. Eine weisslich-opak eingestellte Beschichtungsmasse erzeugt einen gleichmässigen matten Überzug, der Unebenheiten und farbige Ungleichmässigkeiten des Untergrundes verdeckt.
Die Überführung in Folien, Filme, Fäden oder Flächengebilde kann auch in Gegenwart von an sich bekannten Vernetzungsmitteln erfolgen. Dazu werden im Verlaufe der Dispersionsherstellung oder der fertigen Dispersion polyfunktionelle, vernetzend wirkende Substanzen zugesetzt, die nach Verdunsten des Wassers bei
Raum- oder erhöhter Temperatur chemische Vernetzung bewirken.
Genannt seien Schwefel, Schwefel sole, Formaldehyd, Formaldehyd abgebende oder wie Formaldehyd reagierende Substanzen, Polymethylolverbindungen von Melaminen, Harnstoffen und Dicyandiamid oder deren Methyl- oder Butyläther, lösliche Formaldehydharze von Phenolen, Harnstoffen oder Melaminen, Epoxydverbindungen wie die Polyglycidyläther von mehrwartigen Alkoholen wie Glykol, Diäthylenglykol, Glycerin oder Sorbit, freie und partiell oder vollständig verkappte Polyisocyanate, Carbodiimide, Polyamine, Polysäuren, Polyhalogenide, Verbindungen zwei- und mehrwertiger Metalle wie beispielsweise Dioxyde, Carbonate und Hydroxyde des Calciums, Zinks, Magnesiums, organische und anorganische Peroxyde.
Schliesslich können auch Füllstoffe, Weichmacher, Pigmente, Fluss- und Kieselsäuresole, Aluminium-, Ton- und Asbestdispersionen in die Polysiloxan-modifizierten Polyurethan-Dispersionen eingearbeitet werden, indem sie während der Herstellung der Dispersion oder der fertigen Dispersion zugegeben werden.
Die Dispersionen können mit gleich geladenen Dispersionen verschnitten werden wie z. B. mit Polyvinylchlorid-, Polyäthylen-, Polystyrol-, Polybutadien-, Copolymerisat-Kunststoff-Dispersionen und reinen Polysiloxan-Emulsionen.
Die Verfahrensprodukte weisen gute Wasser-, Öl- und Chemischreinigungsbeständigkeit auf und weisen einen weichen und vollen Griff auf. Bei höheren Temperaturen beispielsweise oberhalb 1500 C sind die Verfahrensprodukte gegenüber Vergilbung stabilisiert.
Beispiel I
105,3 g Adipinsäure- 1 ,6-Hexandiol-Neopentylglykol- -Polyester (Molverhältnis 30: 22:12; OH-Zahl 66,6) werden bei 1200 C / 12 Torr 30 Minuten entwässert und anschliessend mit 78,7 g des Polysiloxans der durchschnittlichen Formel HO-CH2-Si(CH5)2-O-[Si(CH3)2-0]2-Si(CH3)2-CH .OH mit einem OH-Gehalt von 2,7% und mit 55,0 g 1,6-Hexandiisocyanat versetzt und zwei Stunden bei 1200 umgesetzt. Bei 600 wird die Schmelze mit 800 ml Aceton aufgenommen und mit einer Mischung aus 7,52 g 1,2 Äthylendiamin, 15,25 g 1,3-Propansulton und 70 ml 1 0%Der Kalilauge in 50 ml Wasser versetzt. Nach Beendigung der Reaktion werden 480 ml Wasser eingetragen. Wenn der Reaktionsansatz homogen geworden ist, wird das Wasser abdestilliert.
Es wird eine stabile, weisse Dispersion mit einem Feststoffgehalt von 39,4% und einem pH-Wert von 6 erhalten. Die Dispersion trocknet zu elastischen, opaken Überzügen mit angenehmen Griffeffekten auf. Die Dispersion ist gegen lü%ige wässrige Natriumchloridlösung stabil. Bei Zusatz von Salzsäure tritt Koagulation ein. Eine ohne Mitverwendung des obigen Polysiloxans hergestellte Polyurethan-Dispersion trocknet zu klaren Überzügen von vergleichsweise hartem und leerem Griff auf.
Beispiel 2
Aus 202,0 g Adipinsäure-1,6-Hexandiol-Neopentyl- glykol-Polyester (Molverhältnis 30 : 22:12; OH-Zahl 65,85), 7,9 g der Polysiloxanverbindung aus Beispiel 1 und 38,0 g 1,6-Hexandiisocyanat wird wie in Beispiel 1 ein Voraddukt hergestellt und nach Abkühlen auf 600 mit 700 ml Aceton aufgenommen. Zu der acetonischen Lösung wird eine Mischung aus 3,76 g 1,2-Äthylendiamin, 7,63 g 1,3-Propansulton und 25 ml 10%iger Natronlauge in 50 ml Wasser gegeben und 425 ml Wasser eingerührt. Der Ansatz wird nachgerührt, bis die auftretenden Schlieren verschwunden sind. Nach Abdestillation des Acetons wird eine rein wässrige 40%ige weisse Dispersion erhalten, die zu leicht opaken, wasserfesten Folien auftrocknet. Die Folien haben einen angenehm weichen und warmen Griff.
Beispiel 3
105,3 g Adipinsäure-1,6-Hexandiol-Neopentylglykol- Polyester (Molverhältnis 30 : 22:12; OH-Zahl 66,6), 78,7 g der Polysiloxanverbindung aus Beispiel 1 und 42,0 g 1,6-Hexandiisocyanat werden zwei Stunden bei
1200 zur Reaktion gebracht. Die zähe Schmelze wird bei 600 mit 600 ml Aceton aufgenommen und langsam unter Rühren in eine Lösung aus 18,1 g Bis-(N,N-y-aminopropyl)-methylamin in 600 ml Aceton eingerührt.
Nach 30 Minuten wird auf 55 bis 600 aufgeheizt und 11,6 g Dimethylsulfat zugefügt. Nach Zugabe von 550 ml Wasser wird das Aceton abdestilliert. Die erhaltene Di Dispersion ist 35.057cig und mit verdünnten Säuren gut x erträglich.
Beispiel 4 50 g des in Beispiel 3 aufgeführten Adipinsäure-1,6 - Hexandiol - Neopentylglykol - Polyesters (OH-Zahl 60) werden aufgeschmolzen und mit 2,5 ccm eines Polysiloxans der allgemeinen Formel
Beispiel 5
Es wird wie in Beispiel 4 verfahren, jedoch werden anstelle von 8,8 ccm Dimethylsulfat nur 4,4 ccm Dimethylsulfat (49% der theoretischen Menge) und nach Alkylierung noch 2 ccm Eisessig zugefügt. Es werden vergleichbare Ergebnisse wie in Beispiel 4 erhalten, jedoch ist der Verdickungseffekt nur geringfügig.
Beispiel 6
250 g des Polyesters aus Beispiel 4 werden aufgeschmolzen und mit 5,0 ccm des Polysiloxans aus Beispiel 4 innig vermischt. Anschliessend wird bei Raumtemperatur mit 272 g Toluylendiisocyanat versetzt, auf 800 aufgeheizt und 30 Minuten bei dieser Temperatur belassen. Der Schmelze werden bei 300 100 g Butandiol und 30 g N-Methyl-diäthanolamin in 400 ccm Aceton zugefügt.
Nach drei Stunden Rühren bei 550 wird mit 500 ccm Aceton verdünnt und noch eine Stunde nachgerührt.
Zu 750 g dieser 48%igen Polyurethanlösung gibt man 6,5 ccm Dimethylsulfat und bei 500 langsam 40 ccm Wasser, anschliessend 3,8 ccm Eisessig und 560 ccm Wasser. Hierauf wird Aceton abdestilliert. Man erhält einen 42%igen Latex, der zu seidenmatten, harten, wasserfesten und lichtbeständigen Überzügen auftrocknet. Die Überzüge besitzen einen weichen angenehmen, seidigen Griff.
Vergleichsweise ohne Polysiloxan-Zusatz hergestellte Produkte sind hochglänzend und von kaltem Griff.
EMI4.1
innig vermischt. Anschliessend wird bei Raumtemperatur mit 175 g Toluylendiisocyanat (Isomerengemisch 6S: 35) versetzt. auf 800 aufgeheizt und 30 Minuten bei dieser Temperatur belassen. Der Schmelze werden bei 390 50 g Butandiol und 30 g N-Methyl-diäthanolamin in 300 ccm Aceton zugefügt. Nach 2,5 Stunden Rühren bei 550 wird mit 400 ccm Aceton verdünnt und noch drei Stunden nachgerührt. Die 48%ige Acetonlösung hat eine Viskosität von 117 Stokes.
400 g dieser Lösung werden mit 8,8 ccm Dimethylsulfat bei 500 alkyliert, anschliessend mit 10 ccm Wasser und 200 ccm Aceton verdünnt und hierauf mit 400 ccm Wasser versetzt. Nach Abdestillieren des Acetons wird eine 3396eXcige wässrigkolloide Polyurethanlösung von salbenartiger Konsistenz erhalten. Beim Auftrocknen werden seiden-glänzende überzüge von angenehmem Griff und guter Lichtbeständigkeit erhalten.
Ein ohne Polysiloxanzusatz durchgeführter Ver gleidlsversuch führt unter gleichen Bedingungen zu einer dünnen kolloiden Lösung, die zu glasklaren, hochglänzenden Überzügen von vergleichsweise kaltem Griff auftrocknen. Neben dem Griffeffekt wird also durch Einbau des Siloxans eine Verringerung der Kolloid-Teilchen Grösse erreicht.