DE102004038148A1

DE102004038148A1 - Verfahren zur Herstellung von Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen

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Publication number: DE102004038148A1
Application number: DE102004038148A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Dipl.-Chem. Herzig; Siegfried Dormeier
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US7582700B2; US20080033062A1; WO2006015740A1; EP1773920B1; JP2008508408A; DE502005003669D1; EP1773920A1; KR100839553B1; KR20070046158A; JP4809343B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Emulsionen hochviskoser Organopolysiloxane, dadurch gekennzeichnet, dass Siloxane, ausgewählt aus der Gruppe von Siloxanen (1), aus Einheiten der allgemeinen Formel DOLLAR F1 wobei A einen einwertigen, Si-C gebundenen Rest mit basischem Stickstoff bedeutet, R einen einwertigen, gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen je Rest bedeutet, R·1· ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen bedeutet, a 0 oder 1, c 0, 1, 2 oder 3 und d 0 oder 1 ist, mit der Maßgabe, dass die Summe a + c + d 3 ist und durchschnittlich mindestens ein Rest A und mindestens ein Rest R·1· in der Bedeutung von R·1· gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist, Siloxanen (2) aus Einheiten der allgemeinen Formel DOLLAR F2 wobei R, R·1·, c und d die oben dafür angegebene Bedeutung haben, mit der Maßgabe, dass die Summe c + d 3 ist und mindestens ein Rest R·1· in der Bedeutung von R·1· gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist, und den Mischungen aus Siloxanen (1) und (2), mit Silanen (3) der allgemeinen Formel DOLLAR F3 B einen einwertigen Rest der Formel -CR·2·¶2¶-Y bedeutet, R·2· ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeutet, Y ein monofunktionelles Heteroatom aus der Gruppe der Halogene, der monosubstituierten Atome O und S und der substituierten Atome N und P bedeutet, R·3· einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen je Rest und e 0, 1 oder 2 ist, in Gegenwart von ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen. Weiterhin betrifft die Erfindung Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen.
Zur Herstellung von Polysiloxanen mit hoher Viskosität existiert eine Reihe von Methoden, die hauptsächlich auf Kondensationsreaktionen beruhen. So werden silanolfunktionelle hochviskose Polysiloxane standardmäßig aus niedrigviskosen Hydrolysaten der Chlorsilane – meist Dimethyldichlorsilan – hergestellt, in dem diese unter Bildung von Wasser bei höherer Temperatur meist unter Mitwirkung saurer Katalysatoren kondensiert werden. Derartige Kondensationen verlaufen in wässriger Emulsion nur langsam und unvollständig, so dass eine Viskositätserhöhung der eingesetzten Siloxanrohstoffe nur in bescheidenem Ausmaß erfolgt. Zur Herstellung von Emulsionen hochviskoser Aminöle ist diese Methode überhaupt nicht anwendbar.
In ähnlicher Weise lassen sich silanolfunktionelle Polysiloxane mit Methoxysilanen unter Bildung von Methanol kondensieren. Hierzu sind meist höhere Temperaturen sowie Katalysatoren erforderlich, um technisch akzeptable Umsetzungsraten zu erreichen. So ist das Standardverfahren zur Herstellung von marktüblichen aminofunktionellen Siloxanen die basenkatalysierte Kondensation von Aminoalkyl-methoxysilanen mit einem kurzkettigen Hydrolysat von Dimethyldichlorsilan bei erhöhter Temperatur.
In Anbetracht der Umsetzungstemperaturen von 100°C und höher, sowie der Reaktionsdauer über mehrere Stunden ist dieses Verfahren zur Herstellung von Emulsionen hochviskoser Polysiloxane ungeeignet, besonders wenn es sich bei der kontinuierlichen Phase der Emulsion um Wasser handelt. In diesem Fall ist es zwar prinzipiell möglich, höherviskose Organopolysiloxane erst herzustellen und danach zu emulgieren. Das Emulgierverfahren selbst ist je nach mechanischer Ausführung auf Öle mit nicht zu hoher Viskosität beschränkt, so dass Organopolysiloxane mit mehr als 50.000 mPa·s bei 25°C kaum noch mit akzeptablem Aufwand emulgiert werden können, und eine wirtschaftliche Verfahrensweise eher Produkte mit weniger als 30.000 mPa·s bei 25°C erfordert.

In DE-A 2500020 ist ein Verfahren zur Herstellung von Aminosiloxanen, bei dem silanolterminierte Polysiloxane mit α-Aminosilanen umgesetzt, die eine Alkoxygruppe tragen. Die Reaktion läuft bei moderaten Temperaturen unter Abspaltung von Alkohol ab. Allerdings können mit dieser Technik nur vergleichsweise instabile α-Aminosiloxane und auch nur in difunktioneller telecheler Form hergestellt werden.

Hochviskose Polysiloxane sind auch durch Polyadditionsreaktionen zu erhalten, wie sie in US 5,241,034 und US 6,252,100 beschrieben sind. EP-A 874 017 und US 6,451,909 offenbaren Polyadditionsreaktionen in Emulsion zur Herstellung von hochviskosen Polysiloxanen. Allen diesen Polyadditionsmethoden ist jedoch gemein, dass zum Ablauf der Reaktionen Metallkatalysatoren benötigt werden, die oftmals nicht erwünscht sind. In Gegenwart von N-haltigen Sil(ox)anen treten außerdem noch Inhibierungseffekte auf, so dass eine gut katalysierte Polyaddition nur noch schlecht oder gar nicht mehr durchgeführt werden kann.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Emulsionen hochviskoser Organopolysiloxane, die Si-C gebundene Reste mit basischen Stickstoff enthalten, bereitzustellen, bei dem die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden und die unter moderaten thermischen Bedingungen hergestellt werden können. Weiterhin bestand die Aufgabe Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen bereitzustellen, die Si-C gebundene Reste mit basischen Stickstoff enthalten und die stabil sind.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen, dadurch gekennzeichnet, dass Siloxane ausgewählt aus der Gruppe von Siloxanen (1) aus Einheiten der allgemeinen Formel

wobei
A einen einwertigen, Si-C gebundenen Rest mit basischem Stickstoff bedeutet,
R einen einwertigen, gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen je Rest bedeutet,
R¹ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, bevorzugt ein Wasserstoffatom oder einen Methyl- oder Ethylrest bedeutet,
a 0 oder 1,
c 0, 1, 2 oder 3 und
d 0 oder 1 ist,
mit der Maßgabe, dass die Summe a + c + d ≤ 3 ist und durchschnittlich mindestens ein Rest A und mindestens ein Rest R¹ in der Bedeutung von R¹ gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist,
Siloxanen (2) aus Einheiten der allgemeinen Formel

wobei R, R¹, c und d die oben dafür angegebene Bedeutung haben, mit der Maßgabe, dass die Summe c + d < 3 ist und mindestens ein Rest R¹ in der Bedeutung von R¹ gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist,
und den Mischungen aus Siloxanen (1) und (2),
mit Silanen (3) der allgemeinen Formel BR_eSi(OR³)_3-e (III)B einen einwertigen Rest der Formel -CR² ₂-Y bedeutet,
R² ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, bevorzugt ein Wasserstoffatom bedeutet,
Y ein monofunktionelles Heteroatom aus der Gruppe der Halogene, der monosubstituierten Atome O und S und der substituierten Atome N und P bedeutet
R³ einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen je Rest und
e 0, 1 oder 2, bevorzugt 0 oder 1 ist,
in Gegenwart von Dispersionsmedium (4), vorzugsweise Wasser, und gegebenenfalls Emulgatoren (5)
umgesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen enthaltend hochviskose Organopolysiloxane aus Einheiten der allgemeinen Formel

wobei A, B, R, R¹, a, c und d die oben dafür angegebene Bedeutung haben,
b 0 oder 1 ist,
mit der Maßgabe, dass die Summe a + b + c + d ≤ 3 ist und a und b in derselben Siloxaneinheit nicht gleichzeitig 1 sind und dass durchschnittlich je Molekül mindestens ein Rest B enthalten ist,
Dispersionsmedium (4), vorzugsweise Wasser, und gegebenenfalls Emulgatoren (5).

Die erfindungsgemäßen hochviskosen Organopolysiloxane können eine lineare, verzweigte oder dendrimerartige hochverzweigte Struktur aufweisen.

Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Emulsionen wässrige Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen.

Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Emulsionen in Gegenwart von Emulgatoren (5) hergestellt.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen hochviskosen Organopolysiloxane sind stabiler als die nach dem in DE 25 00 020 A beschriebenen Verfahren erhaltenen Organopolysiloxane, die instabil sind, da die Aminogruppen thermisch oder/und im sauren pH-Bereich leicht abgespalten werden, was in einem Sinken der Aminzahl (Die Aminzahl entspricht der Anzahl von ml 1N HCl, die zur Neutralisation von 1 g Substanz erforderlich ist.) zu beobachten ist. Weiterhin werden durch das erfindungsgemäße Verfahren hochviskose Organopolysiloxane hergestellt, d.h. es erfolgt durch die Umsetzung eine Viskositätserhöhung, was nach dem in DE 25 00 020 A beschriebenen Verfahren nicht möglich ist.

Beispiele für Reste R sind Alkylreste, wie der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, 1-n-Butyl-, 2-n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl-, n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl-, tert.-Pentylrest, Hexylreste, wie der n-Hexylrest, Heptylreste, wie der n-Heptylrest, Octylreste, wie der n-Octylrest und iso-Octylreste, wie der 2,2,4-Trimethylpentylrest, Nonylreste, wie der n-Nonylrest, Decylreste, wie der n-Decylrest, Dodecylreste, wie der n-Dodecylrest, und Octadecylreste, wie der n-Octadecylrest; Cycloalkylreste, wie Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptyl- und Methylcyclohexylreste; Alkenylreste, wie der Vinyl-, 5-Hexenyl-, Cyclohexenyl-, 1-Propenyl-, Allyl-, 3- Butenyl- und 4-Pentenylrest; Alkinylreste, wie der Ethinyl-, Propargyl- und 1-Propinylrest; Arylreste, wie der Phenyl-, Naphthyl-, Anthryl- und Phenanthrylrest; Alkarylreste, wie o-, m-, p-Tolylreste, Xylylreste und Ethylphenylreste; und Aralkylreste, wie der Benzylrest, der α- und der β-Phenylethylrest.

Beispiele für substituierte Reste R sind Halogenalkylreste, wie der 3,3,3-Trifluor-n-propylrest, der 2,2,2,2',2',2'-Hexafluorisopropylrest, der Heptafluorisopropylrest und Halogenarylreste, wie der o-, m- und p-Chlorphenylrest.

Beispiele für Alkylreste R¹ sind der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, 1-n-Butyl-, 2-n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl-, n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl-, tert.-Pentylrest, Hexylreste, wie der n-Hexylrest, Heptylreste, wie der n-Heptylrest, Octylreste, wie der n-Octylrest und iso-Octylreste, wie der 2,2,4-Trimethylpentylrest.

Beispiele für Alkylreste R² sind der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, 1-n-Butyl-, 2-n-Butyl-, iso-Butyl- und tert.-Butylrest.

Beispiele für Alkylreste R¹ gelten im vollen Umfang für Alkylreste R³.

Bevorzugt ist der Rest A ein Rest der Formel R⁵ ₂N-(CHR²)_n- (V)wobei R² die oben dafür angegebene Bedeutung hat und vorzugsweise ein Wasserstoffatom ist,
R⁵ gleich oder verschieden ist und ein Wasserstoffatom oder einen Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aminoalkylrest bedeutet und
n eine ganze Zahl von 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 4, bevorzugt 3 ist.

Beispiele für Reste R⁵ sind die für den Rest R angegebenen Beispiele für Alkylreste und Cycloalkylreste, sowie Aminoalkylreste, wobei von den Aminoalkylresten der Aminoethylrest bevorzugt ist.

Beispiele für Reste A sind 3-Aminopropyl, 3-Methylaminopropyl, 3-Dimethylaminopropyl, 3-Diethylaminopropyl, 3-Cyclohexylaminopropyl, 3-(2-Aminoethyl)aminopropyl, 3-(3-Aminopropyl)aminopropyl, 3-(3-Dimethylaminopropyl)aminopropyl, 3,3-bis(dimethylaminopropyl)aminopropyl sowie durch Umsetzung mit Carbonsäuren, wie Essigsäure teilacylierte und durch Umsetzung mit Lactonen, wie Butyrolacton oder Valerolacton teilamidierte Formen.

Beispiele für Reste Y sind
der Fluor-, Chlor-, Brom- oder Jodsubstituent,
die Gruppen -OH oder -OR⁴
die Gruppen -SH oder -SR⁴,
die Gruppen -NH₂, -NHR⁴ oder -NR⁴ ₂ und
die Gruppen -PR⁴ ₂, -P(OR⁴)₂, und -PO(OR⁴)₂,
mit R⁴ gleich einem einwertigen organischen, gegebenenfalls N- und/oder O-Atome enthaltenden Rest, vorzugsweise einen einwertigen, gegebenenfalls N- und/oder O-Atome enthaltenden Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen.

Beispiele für Reste B sind Hydroxymethyl, Methoxymethyl, Ethoxymethyl, 2-Ethoxyethoxymethyl, 2-Butoxyethoxymethyl, Acetoxymethyl, Mercaptomethyl, Ethylthiomethyl, Dodecylthiomethyl, Aminomethyl, Methylaminomethyl, Dimethylaminomethyl, Diethylaminomethyl, Dibutylaminomethyl, Cyclohexylaminomethyl, Anilinomethyl, 3-Dimethylaminopropyl aminomethyl, Bis(3-dimethylaminopropyl)aminomethyl, Diethylphosphinomethyl, Dibutylphosphinomethyl, sowie Gruppen der Formeln
-CH₂NHCOR⁴, -CH₂NHCO₂R⁴ oder -CH₂NHCONHR⁴,
wobei R⁴ die oben dafür angegebene Bedeutung hat.

Vorzugsweise ist B ein Rest der Formel -CH₂NHR⁴ oder -CH₂NR⁴ ₂, wobei R⁴ die oben dafür angegebene Bedeutung hat.

Beispiele für Kohlenwasserstoffreste R gelten im vollen Umfang für Kohlenwasserstoffreste R⁴.

Bevorzugt werden als Siloxane (1) solche der allgemeinen Formel (R¹O)R₂SiO(SiR₂O)_n(SiRAO)_mSiR₂(OR¹) (VI)wobei A, R und R¹ die oben dafür angegebene Bedeutung haben,
m eine ganze Zahl von 1 bis 30 ist und
n 0 oder eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist,
mit der Maßgabe, das 25 bis 100 Mol-%, vorzugsweise 50 bis 100 Mol-% aller Reste R¹ Wasserstoffatome sind,
eingesetzt.

Als Siloxane (2) werden bevorzugt solche der allgemeinen Formel (R¹O)R₂SiO(SiR₂O)_pSiR₂(OR¹) (VII)wobei R und R¹ die oben dafür angegebene Bedeutung haben und p eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist,
eingesetzt.

Besonders bevorzugt werden Siloxane (1) eingesetzt.

Beispiele für Siloxane (1) sind handelsübliche Aminöle mit z.B. 3-(2-Aminoethyl)aminopropylfunktionen, die Silanolgruppen enthalten.

Beispiele für gegebenenfalls mitverwendete Siloxane (2) sind handelsübliche Polydimethylsiloxane mit endständigen Silanolgruppen.

Diese Verbindungen sind sehr kostengünstig zugänglich, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich besonders attraktiv ist.

Beispiele für Silane (3) sind
2-Butoxyethoxymethyltrimethoxysilan,
Methoxymethyl-methyldiethoxysilan,
Diethylaminomethylmethyldimethoxysilan,
Dibutylaminomethyltriethoxysilan,
Dibutylaminomethyltributoxysilan,
Cyclohexylaminomethyltrimethoxysilan,
Cyclohexylaminomethyltriethoxysilan,
Cyclohexylaminomethyl-methyldiethoxysilan,
Anilinomethyltriethoxysilan,
3-Dimethylaminopropyl-aminomethyltrimethoxysilan,
Acetylaminomethylmethyldimethoxysilan,
Ethylcarbamoylmethyltrimethoxysilan,
Ethylcarbamoylmethyl-methyldimethoxysilan,
Diisopropylaminocarbamoylmethyl-methyldimethoxysilan und
Imidazolylcarbamoylmethyl-methyldimethoxysilan.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Silane (3) vorzugsweise in Mengen von 0,01 bis 10 Gew.-% bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-%, jeweils bezogen auf Siloxan (1) und Siloxan (2) eingesetzt.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Emulsionen hochviskoser Organopolysiloxane erfolgt durch intensives Mischen von Siloxanen aus der Gruppe der Siloxane (1) und Siloxane (2), Silanen (3)
Dispersionsmedium (4), vorzugsweise Wasser, und
gegebenenfalls Emulgatoren (5)
miteinander.

Vorzugsweise werden Emulgatoren (5) mitverwendet.

Technologien zur Herstellung von Emulsionen von Organopolysiloxanen sind bekannt. So kann das intensive Mischen in Rotor-Stator-Rührvorrichtungen, Kolloidmühlen oder in Hochdruckhomogenisatoren erfolgen.

Obwohl die Silane (3) bekanntermaßen hydrolyseempfindliche Gruppen enthalten, besonders wenn R³ ein Methyl- oder Ethylrest ist, werden selbst in Gegenwart von Wasser überraschenderweise hochviskose Organopolysiloxane durch Kondensation mehrerer Siloxane (1) oder/und Siloxane (2) erhalten.

Die Art der Mischung der Komponenten, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Emulsionen gebraucht werden, ist nicht sehr kritisch und kann in verschiedener Reihenfolge ausgeübt werden. In Abhängigkeit von den Komponenten (1), (2), (3), (4) und (5) können sich aber bevorzugte Vorgehensweisen ergeben, die im Einzelfall geprüft werden sollten.

Es können z.B. die Komponenten (1) und/oder (2) und (3) miteinander vorgemischt werden, daraufhin der (oder die) Emulgator(en) (5) zugefügt und danach das Dispersionsmedium (4) eingearbeitet werden. Es ist auch möglich, die Komponenten (1) bis (5) der Reihe nach in die Emulgierapparatur zu dosieren. In besonderen Fällen kann es z.B. aufgrund der Siloxanviskosität oder -reaktivität vorteilhaft sein, Silan (3) mit Siloxan (1) zu mischen und danach Siloxan (2) einzuarbeiten, oder umgekehrt, je nachdem, wie sich günstigere rheologische Eigenschaften für Verarbeitung der Komponenten ergeben.

Bei sehr reaktiven Silanen (3) kann es vorteilhaft sein, erst die Komponente (1) und/oder (2) mit Emulgator (5) und dem Dispersionsmedium (4) in eine steife Phase überzuführen, und danach das Silan (3) einzudosieren, bevor eine Phasenumkehr und damit z.B. eine Öl-in-Wasser-Emulsion erhalten wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Dispersionsmedium (4), bevorzugt Wasser, in Mengen von vorzugsweise 40 bis 900 Gew.-%, besonders bevorzugt 100 bis 600 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an Siloxanen (1) und/oder (2) und Silane (3), eingesetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können als Emulgatoren (5) alle bisher bekannten, ionischen und nicht-ionischen Emulgatoren sowohl einzeln als auch als Mischungen verschiedener Emulgatoren eingesetzt werden, mit denen auch bisher wässrige Emulsionen von Organopolysiloxanen hergestellt werden konnten.

Beispiele für anionische Emulgatoren sind:

1. Alkylsulfate, besonders solche mit einer Kettenlänge von 8 bis 18 C-Atomen, Alkyl- und Alkarylethersulfate mit 8 bis 18 C-Atomen im hydrophoben Rest und 1 bis 40 Ethylenoxid (EO)- bzw. Propylenoxid(PO)einheiten.
2. Sulfonate, besonders Alkylsulfonate mit 8 bis 18 C-Atomen, Alkylarylsulfonate mit 8 bis 18 C-Atomen, Tauride, Ester und Halbester der Sulfobernsteinsäure mit einwertigen Alkoholen oder Alkylphenolen mit 4 bis 15 C-Atomen; gegebenenfalls können diese Alkohole oder Alkylphenole auch mit 1 bis 40 EO-Einheiten ethoxyliert sein.
3. Alkali- und Ammoniumsalze von Carbonsäuren mit 8 bis 20 C-Atomen im Alkyl-, Aryl-, Alkaryl- oder Aralkylrest.
4. Phosphorsäureteilester und deren Alkali- und Ammoniumsalze, besonders Alkyl- und Alkarylphosphate mit 8 bis 20 C-Atomen im organischen Rest, Alkylether- bzw. Alkaryletherphosphate mit 8 bis 20 C-Atomen im Alkyl- bzw. Alkarylrest und 1 bis 40 EO-Einheiten.

Beispiele für nichtionische Emulgatoren sind:

5. Polyvinylalkohol, der noch 5 bis 50 %, vorzugsweise 8 bis 20 Vinylacetateinheiten aufweist, mit einem Polymerisationsgrad von 500 bis 3000.
6. Alkylpolyglycolether, vorzugsweise solche mit 8 bis 40 EO-Einheiten und Alkylresten von 8 bis 20 C-Atomen.
7. Alkylarylpolyglycolether, vorzugsweise solche mit 8 bis 40 EO-Einheiten und 8 bis 20 C-Atomen in den Alkyl- und Arylresten.
8. Ethylenoxid/Propylenoxid(EO/PO)-Blockcopolymere, vorzugsweise solche mit 8 bis 40 EO- bzw. PO-Einheiten.
9. Additionsprodukte von Alkylaminen mit Alkylresten von 8 bis 22 C-Atomen mit Ethylenoxid oder Propylenoxid.
10. Fettsäuren mit 6 bis 24 C-Atomen.
11. Alkylpolyglykoside der allgemeinen Formel R^*-O-Z_o, worin R^* einen linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit im Mittel 8 – 24 C-Atomen und Z_o einen Oligoglykosidrest mit im Mittel o = 1 – 10 Hexose- oder Pentoseeinheiten oder Gemischen davon bedeuten.
12. Naturstoffe und deren Derivate, wie Lecithin, Lanolin, Saponine, Cellulose; Cellulosealkylether und Carboxyalkylcellulosen, deren Alkylgruppen jeweils bis zu 4 Kohlenstoffatome besitzen.
13. Polare Gruppen enthaltende lineare Organo(poly)siloxane, insbesondere solche mit Alkoxygruppen mit bis zu 24 C-Atomen und/oder bis zu 40 EO- und/oder PO-Gruppen.

Beispiele für kationische Emulgatoren sind:

14. Salze von primären, sekundären und tertiären Fettaminen mit 8 bis 24 C-Atomen mit Essigsäure, Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäuren.
15. Quarternäre Alkyl- und Alkylbenzolammoniumsalze, insbesondere solche, deren Alkylgruppen 6 bis 24 C-Atome besitzen, insbesondere die Halogenide, Sulfate, Phosphate und Acetate.
16. Alkylpyridinium-, Alkylimidazolinium- und Alkyloxazoliniumsalze, insbesondere solche, deren Alkylkette bis zu 18 C-Atome besitzt, speziell die Halogenide, Sulfate, Phosphate und Acetate.

Als Ampholytische Emulgatoren eignen sich besonders:

17. Langkettig substituierte Aminosäuren, wie N-Alkyl-di(aminoethyl-)glycin oder N-Alkyl-2-aminopropionsäuresalze.
18. Betaine, wie N-(3-Acylamidopropyl)-N,N-dimethylammoniumsalze mit einem C₈-C₁₈-Acylrest und Alkyl-imidazolium-Betaine.

Bevorzugt als Emulgatoren sind nichtionische Emulgatoren, insbesondere die vorstehend unter 6. aufgeführten Alkylpolyglycolether.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Emulgatoren (5) in Mengen von vorzugsweise 0,5 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 25 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an Siloxanen (1) und/oder (2) und Silane (3), eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei Temperaturen unter 100°C, bevorzugt bei 10°C bis 70°C, besonders bevorzugt bei 15°C bis 40°C durchgeführt. Weiterhin wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise beim Druck der umgebenden Atmosphäre durchgeführt, kann aber auch bei höheren oder niederen Drücken durchgeführt werden.

Die hochviskosen Organopolysiloxane weisen vorzugsweise Viskositäten von 10.000 mPa·s bis 50.000.000 mPa·s bei 25°C, bevorzugt 50.000 mPa·s bis 5.000.000 mPa·s bei 25°C und besonders bevorzugt 110.000 mPa·s bis 10.000.000 mPa·s bei 25°C auf.

Die Emulsionen können als Emulsionen unverdünnter hochviskoser Organopolysiloxane hergestellt werden, jedoch empfiehlt sich manchmal aus Handhabungsgründen eine Verdünnung mit organischen Lösungsmitteln oder niedrig viskosen Oligomeren/Polymeren, bevorzugt mit Siloxanen, wie Dimethylpolysiloxanen.

Bezogen auf das Gesamtgewicht an Siloxanen (1) und/oder (2) und Silanen (3) betragen diese Verdünnungszusätze vorzugsweise 10 bis 1000 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 100 Gew.-%

Sollten umgekehrt aus verwendungstechnischer Sicht besonders schwer fließende Konsistenzen gewünscht sein, können die hochviskosen Organopolysiloxane auch in Gegenwart von Harzen und/oder harzartigen Zusätzen hergestellt werden. Geeignet sind organische Harze wie Kohlenwasserstoffharze, Polyacrylatharze oder Polyurethanharze, sowie Polysiloxanharze wie MQ-Harze, MTQ-Harze, MDT-Harze und MDQ-Harze sowie kubische Siloxanverbindungen, die unter dem Begriff POSS (polyhedral oligomeric silsesquioxane) bekannt sind.

Beispiele für MQ-Harze sind solche aus Einheiten der Formel R₃SiO_1/2 und SiO₂, wobei R die oben dafür angegebene Bedeutung hat, vorzugsweise ein Methylrest ist, und die Einheiten der Formel R₃SiO_1/2 gleich oder verschieden sein können. Das Verhältnis von Einheiten der Formel R₃SiO_1/2 zu Einheiten der Formel SiO₂ beträgt vorzugsweise 0,6 bis 2,0.

Die oben genannten Harzzusätze werden bevorzugt in Mengen von 0,1 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt mit 10 bis 80 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht an Siloxanen (1) und/oder (2) und Silanen (3) eingesetzt.

Beispiele für organische Lösungsmittel sind Toluol, n-Hexan, n-Heptan und techn. Benzinfraktionen.

Die hochviskosen Organopolysiloxane können je nach Einsatz von Di- oder Trialkoxysilan (3) und linearem oder verzweigtem Siloxan (1) und/oder (2) ebenfalls lineare, verzweigte oder sogar hochverzweigte Strukturen haben.

Dialkoxysilane (3) erzeugen aus den bevorzugten Siloxanen der Formeln (VI) oder (VII) üblicherweise lineare hochviskose Organopolysiloxane, deren Endviskosität sowohl von den Kettenlängen der Siloxane (1) oder/und (2) abhängen, als auch von der Stöchiometrie der miteinander reagierenden SiOH- und SiOR³-Gruppen. Die höchsten Viskositäten werden erreicht, wenn gleich viele der reaktiven Gruppen miteinander reagieren. Verluste durch Flüchtigkeit oder Nebenreaktionen können hierzu ein stöchiometrisches Verhältnis – abweichend 1,0 : 1,0 – erfordern.

Werden Siloxane der Formeln (VI) oder (VII) eingesetzt, die weniger als 100 ihrer Gruppen R¹ in der Bedeutung von Wasserstoff vorliegen haben, werden niedrigere Kettenlängen erhalten, da vorhandene Alkoxygruppen eine Kettenendstopperung bewirken.

Der Einsatz von Trialkoxysilanen (3) führt zu verzweigten Siloxanpolymeren, deren Verzweigungsgrad unter anderem davon abhängt, wie viele Silane (3) pro erzeugtem hochviskosem Organopolysiloxanmolekül einkondensiert wurden. Bei einem Quotienten SiOR³/SiOH < 0,2 ist der Verzweigungsgrad der erhaltenen Polymere gering. Er steigt aber mit ebenfalls steigendem Quotienten. Der zum Erhalt von flüssigen Polymerprodukten einer bestimmten Zielviskosität erforderliche Quotient SiOR³/SiOH kann einfach experimentell bestimmt werden.

Monofunktionelles Monoalkoxysilan reagiert als Kettenendstopper und kann dann eingesetzt werden, wenn gewünscht ist, dass Gruppen „B" am Ende von Siloxan-ketten sitzen sollen.

Im Fall, dass stabile Endprodukte bezüglich ihrer Viskosität gewünscht sind, sollte ein SiOR³/SiOH-Quotient von maximal 1,0 gewählt werden. Polysiloxankondensate, die überschüssige SiOR³-Gruppen enthalten, haben das Risiko von hydrolytischen Folgereaktionen mit nachfolgender Kondensation und damit der Veränderung des durchschnittlichen Molekulargewichtes.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es ohne Zusatz von Katalysatoren, insbesondere ohne Zusatz von Metallkatalysatoren abläuft. Die Umsetzung von (1) und/oder (2) mit (3) läuft vorzugsweise in wenigen Minuten bis mehreren Stunden vollständig ab, wobei auch hier Methoxysilane schneller als Ethoxysilane reagieren. Die Kondensation kann allerdings durch Säuren und Basen beschleunigt werden, was aber nicht bevorzugt ist.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Kondensationsnebenprodukte anfallenden Alkohole können im Produkt verbleiben oder auch entfernt werden, beispielsweise durch Destillation unter Vakuum oder durch Extraktion.

Beispiel 1
In einem Turrax-Emulgiergerät (Fa. Janke & Kunkel) wird aus 9,38 g Isotridecyldecaethoxylat käuflich erwerblich unter dem Handelsnamen Lutensol TO 10 (Fa. BASF), 3,90 g Ricinusölethoxylat G 1300 (Fa. Atlas) und 4,55 g Wasser ein steifes Emulgatorgemisch hergestellt, zu dem 125,28 g eines frisch hergestellten homogenen Polymer/Silangemisches aus 124,63 g PDMS A (Polydimethylsiloxandiol mit einem Gehalt an terminalen OH-Gruppen von 765 Gew.-ppm) und 0,86 g N-Morpholylmethyl-methyldiethoxysilan dosiert wird. Es wird dann mit insgesamt 106,65 g Wasser portionsweise verdünnt, worauf man eine stabile Emulsion mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 275 nm erhält. Der Silicongehalt der Emulsion beträgt 50 %.
Durch Eindampfen der Emulsion nach einer Standzeit von 24h/25°C und Reextraktion des Siloxanpolymers mit n-Heptan wird nach Verdunsten des Lösemittels ein hochviskoses Polysiloxan mit einer Viskosität von 3400 Pa·s (25°C) erhalten. Die Viskosität des eingesetzten PDMS A wurde mit dem beschriebenen Verfahren in dispergierter Phase auf den 170-fachen Wert erhöht.
Beispiel 2
Nacheinander werden in einem Dissolver 15,33 g eines aufgeschmolzenen, nicht-ionischen Emulgators auf Polyethylenglycolgrundlage, der unter dem Handelsnamen Arlypon SA 4D (Fa. Grünau) käuflich erwerblich ist, 70,95 g entionisiertes Wasser und zuletzt 9,05 g einer 10%igen Lösung eines nicht-ionischen Emulgators auf Polyethylenglycolgrundlage, der unter dem Handelsnamen Arlypon SA 20 (Fa. Grünau) käuflich erwerblich ist, in Wasser miteinander homogenisiert. Danach werden 177,37 g einer zuvor homogenisierten Mischung aus 373,89 g PDMS A (in Beispiel 1 beschrieben) und 2,15 g N-Morpholylmethyl-methyldiethoxysilan in drei Portionen zugegeben. Zugabe von 42,23 g Wasser ergibt eine cremig steife Phase, die mit noch 2-mal der gleichen Menge Wasser weiter verdünnt wird. Die feincremige Emulsion enthält 44,4 % Siloxananteil; der Festgehalt beträgt 49,4 %. Die Emulsion hat eine Viskosität von 68 Pa·s (25°C) bei 2,5 UpM. Nach 24 Stunden wird das Siloxanpolymer mit Aceton gefällt und nachgewaschen. Das getrocknete hochviskose Polysiloxan hat eine Viskosität von 3800 Pa·s (25°C) und damit den 190-fachen Wert des ursprünglich eingesetzten Polymers.
Beispiel 3
Beispiel 2 wird sinngemäß wiederholt mit dem Unterschied, dass anstatt der Mischung aus PDMS A und Morpholylsilan nun 118,23 g reines PDMS A (in Beispiel 1 beschrieben) in drei Portionen und danach 59,14 g einer Lösung von 1,73 g Cyclohexylaminomethylmethyldiethoxysilan in 150,00g eines Siliconöls der Viskosität 350 mPa·s (25°C) in zwei Portionen zugegeben werden. Es folgt die identische Verdünnung mit Wasser.
Bei gleichem Silicon- und Festgehalt hat die Emulsion eine Viskosität von 31 Pa·s (25°C) bei 2,5 UpM. Die Emulsion zeigt nach 5 Tagen/50°C keine Veränderung.
Die mit Aceton gefüllte und gewaschene Siloxanpolymermischung hat nach Trocknung eine Viskosität von 510 Pa·s (25°C), gegenüber 5,5 Pa·s (25°C) einer frischen Mischung von PDMS A, Siliconöl und Silan der gleichen Mengen wie vorstehend.
Beispiel 4
In einem Labordissolver werden 223,73 g einer Voremulsion aus 161,91 g aufgeschmolzenem Arlypon SA 4D (Fa. Grünau), 749,33 g entionisiertem Wasser und 95,54 g einer 10%igen Lösung von Arlypon SA 20 (Fa. Grünau) in Wasser vorgelegt. In drei Portionen werden dann insgesamt 277,49 g einer frischen Mischung aus 200 g PDMS A (in Beispiel 1 beschrieben), 100 g eines Copolymers aus 3-(2-Aminoethylamino)propyl-methylsiloxy- und Dimethylsiloxyeinheiten mit einer Aminzahl von 0,145, einer Viskosität von 4700 mm²/s (bei 25°C) und einem Endgruppenverhältnis von OH/OMe = 54/46, und 1,12 g Cyclohexylaminomethyl-methyldiethoxysilan zugegeben. Nach Zugabe von 99,12 g Wasser erhält man eine cremig-steife Phase, die nach Zudosierung der doppelten Menge Wasser eine Emulsion mit 34,7 % Silicongehalt und einer Viskosität von 28 Pa·s (25°C) bei 2,5 UpM ergibt. Die Emulsion ist nach 5 Tagen/50°C unverändert.
Das mit Aceton gefällte und gewaschene Siloxanpolymer hat nach Trocknung eine Viskosität von 630 Pa·s (25°C) gegenüber 12,4 Pa·s (25°C) einer frischen Mischung der gleichen Menge von PDMS A, Aminöl und Silan.
Beispiel 5
Zur Herstellung einer Mikroemulsion eines aminhaltigen linearen Hochpolymers wird zunächst ein homogenes Emulgatorgemisch aus 15,08 g Diethylenglykolmonobutylether, 33,44 g Lutensol TO 5 (Fa. BASF), 27,40 g entiononisiertem Wasser, 3,02 Marlipal ST 1618/25 (Fa. Sasol GmbH, Marl) und 0,77 g 80%iger Essigsäure bereitet.
In diese Vormischung wird eine frische Lösung von 0,43 g Cyclohexylaminomethyl-methyldiethoxysilan in 100 g des in Beispiel 4 eingesetzten Aminöls eingerührt und dann langsam mit 119,68 g entionisiertem Wasser verdünnt. Man erhält eine dünnflüssige transparente Mikroemulsion.
Nach 24 Stunden wurde die Viskosität des durch Polykondensation entstandenen Aminöls wie folgt ermittelt: Die Mikroemulsion wird zunächst eingetrocknet, danach mehrmals mit Ethanol extrahiert. Das Siloxanpolymer konnte trotzdem nicht ganz frei von Emulgatoren erhalten werden (Nachweis von -CH₂CH₂O-Gruppen im ¹H-NMR).
Das getrocknete Aminöl hatte eine Viskosität von ca. 90 Pa·s (25°c) und damit einen rund 20-fachen Wert, bezogen auf das eingesetzte Öl.
Beispiel 6
Das Beispiel 5 wird sinngemäß wiederholt mit der Abänderung, dass jetzt 0,32 g des trifunktionellen Cycloaminmethyltriethoxysilans anstatt des Diethoxysilans eingesetzt werden.
Die Viskositätsschätzung des innerhalb von 24 Stunden erhaltenen verzweigten, hochpolymeren Aminöls mit geringem Emulgatorgehalt ergibt einen Wert von ca. 800 Pa·s (25°C). Das Polykondensationsverfahren führt somit etwa zu einem 170-fachen Wert. Das Polymer zeigt die für verzweigte Siloxane einer großen Segmentlänge (durchschnittlich 420 Siloxyeinheiten) typische Strukturviskosität.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Emulsionen hochviskoser Organopolysiloxane, dadurch gekennzeichnet, dass Siloxane ausgewählt aus der Gruppe von Siloxanen (1) aus Einheiten der allgemeinen Formel
wobei A einen einwertigen, Si-C gebundenen Rest mit basischem Stickstoff bedeutet, R einen einwertigen, gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen je Rest bedeutet, R¹ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, bevorzugt ein Wasserstoffatom oder einen Methyl- oder Ethylrest bedeutet, a 0 oder 1, c 0, 1, 2 oder 3 und d 0 oder 1 ist, mit der Maßgabe, dass die Summe a + c + d ≤ 3 ist und durchschnittlich mindestens ein Rest A und mindestens ein Rest R¹ in der Bedeutung von R¹ gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist, Siloxanen (2) aus Einheiten der allgemeinen Formel
wobei R, R¹, c und d die oben dafür angegebene Bedeutung haben, mit der Maßgabe, dass die Summe c + d ≤ 3 ist und mindestens ein Rest R¹ in der Bedeutung von R¹ gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist, und den Mischungen aus Siloxanen (1) und (2), mit Silanen (3) der allgemeinen Formel BR_eSi(OR³)_3-e (III)B einen einwertigen Rest der Formel -CR² ₂-Y bedeutet, R² ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, bevorzugt ein Wasserstoffatom bedeutet, Y ein monofunktionelles Heteroatom aus der Gruppe der Halogene, der monosubstituierten Atome O und S und der substituierten Atome N und P bedeutet R³ einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen je Rest und e 0, 1 oder 2, bevorzugt 0 oder 1 ist, in Gegenwart von Dispersionsmedium (4) und gegebenenfalls Emulgatoren (5) umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersionsmedium (4) Wasser eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hochviskosen Organopolysiloxane eine Viskosität von 110.000 bis 50.000.000 mPa·s bei 25°C aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest A ein Rest der Formel R⁵ ₂N-(CHR²)_n- (V),ist, wobei R² die in Anspruch 1 dafür angegebene Bedeutung hat und vorzugsweise ein Wasserstoffatom ist, R⁵ gleich oder verschieden ist und ein Wasserstoffatom oder einen Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aminoalkylrest bedeutet und n eine ganze Zahl von 2 bis 10 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest A ein 3-(2-Aminoethyl)aminopropylrest ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest A ein 3-Aminopropylrest ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest B ein Rest der Formel -CH₂NHR⁴ oder -CH₂NR⁴2 ist, wobei R⁴ einen einwertigen, gegebenenfalls N- und/oder O-Atome enthaltenden Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Siloxane (1) solche der allgemeinen Formel (R¹O)R₂SiO(SiR₂O)_n(SiRAO)_mSiR₂(OR¹) (VI)wobei A, R und R¹ die in Anspruch 1 dafür angegebene Bedeutung haben, m eine ganze Zahl von 1 bis 30 ist und n 0 oder eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist, eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass mindestens ein Rest R¹ in der Bedeutung von R¹ gleich Wasserstoffatom je Molekül enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Siloxane (2) solche der allgemeinen Formel (R¹O)R₂SiO(SiR₂O)_pSiR₂(OR¹) (VII)wobei R und R¹ die im Anspruch 1 dafür angegebene Bedeutung haben und p eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung von Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen in Gegenwart von organischen Harzen und/oder Polysiloxanharzen erfolgt.
Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen enthaltend hochviskose Organopoysiloxane aus Einheiten der allgemeinen Formel
wobei A, B, R, R¹, a, c und d die in Anspruch 1 dafür angegebene Bedeutung haben, b 0 oder 1 ist, mit der Maßgabe, dass die Summe a + b + c + d ≤ 3 ist und a und b in derselben Einheit nicht gleichzeitig 1 sind und dass durchschnittlich je Molekül mindestens ein Rest B enthalten ist, Dispersionsmedium (4) und gegebenenfalls Emulgator (5).
Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersionsmedium (4) Wasser eingesetzt wird.
Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hochviskosen Organopolysiloxane eine Viskosität von 110.000 bis 50.000.000 mPa·s bei 25°C aufweisen.
Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest A ein Rest der Formel R⁵ ₂N-(CHR²)_n- (V), ist, wobei R² die in Anspruch 1 dafür angegebene Bedeutung hat und vorzugsweise ein Wasserstoffatom ist, R⁵ gleich oder verschieden ist und ein Wasserstoffatom oder einen Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aminoalkylrest bedeutet und n eine ganze Zahl von 2 bis 10 ist.
Emulsionen von hochviskosen Organopolysiloxanen nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest B ein Rest der Formel -CH₂NHR⁴ oder -CH₂NR⁴ ₂ ist, wobei R⁴ einen einwertigen, gegebenenfalls N- und/oder O-Atome enthaltenden Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen bedeutet.