DE102007062525A1 - New polyurethanes containing cyclodextrins in chemically bonded form, show complexing power and are useful e.g. in producing filter materials or protective clothing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen, vorzugsweise Polyurethan-Weichschäumen und Polyurethanklebern, durch Umsetzung von organischen Polyisocyanaten mit Polyetherpolyolen bzw. Polyesterpolyolen unter gleichzeitigem Einsatz von Cyclodextrinen und/oder seinen Derivaten, gegebenenfalls in Gegenwart von Adsorbermaterialien wie z. B. Aktivkohle/Zeolithen, Wasser und/oder anderen Treibmitteln, Katalysatoren und/oder weiteren Hilfs- und Zusatzstoffen.The The invention relates to a process for the preparation of polyurethanes, preferably Polyurethane flexible foams and polyurethane adhesives, by Reaction of organic polyisocyanates with polyether polyols or polyester polyols with the simultaneous use of cyclodextrins and / or its derivatives, optionally in the presence of adsorber materials such as Activated carbon / zeolites, water and / or other propellants, Catalysts and / or other auxiliaries and additives.
Polyurethanschaumstoffe
sind seit langem bekannt. Ihre Synthese und Verwendungsmöglichkeiten
sind vielfach in der Literatur beschrieben (siehe z. B.:
Die
Verwendung von Aktivkohle/Zeolithe als Filtermaterialien zum Herausfiltern
von Schadstoffen aus fluiden Medien ist ebenfalls vielfach beschrieben (siehe
z. B.
Cyclodextrine
sind makrozyklische Moleküle, die aus sechs, sieben oder
acht α-D-Glukoseeinheiten aufgebaut sind. Sie sind wohldefinierte
ringförmige Moleküle mit einem hydrophobem Hohlraum
(siehe
Da die Hydroxylgruppen der Cyclodextrinmoleküle nach außen orientiert sind, sind sie wasserlöslich. Der Hohlraum wird von unpolaren Gruppen umgeben, so dass er selber unpolar ist und bevorzugt unpolare Moleküle bzw. Molekülteile eingelagert werden. Durch die Komplexbildung von organischen Molekülen in den Hohlraum der Cyclodextrine nimmt die Wasserlöslichkeit der gebildeten Komplexe zu. Außerdem werden die eingeschlossenen Moleküle gegen Licht oder Sauerstoff stabilisiert. Der Dampfdruck leichtflüchtiger Substanzen wird durch die Komplexbildung erheblich verringert. Für technische Anwendungen sind die folgenden Effekte der Komplexbildung mit Cyclodextrinen von entscheidender Bedeutung: Stabilisierung licht-, oxidations-, wärme und/oder hydrolyseempfindlicher Substanzen, Reduzierung des Dampfdruckes von leichtflüchtigen Substanzen, Verzögerung der Wirkstofffreisetzung von pharmazeutischen Wirksubstanzen und eine daraus resultierende längere Wirksamkeit, Erhöhung der Löslichkeit und Bioverfügbarkeit schwer wasserlöslicher Substanzen, Abtrennung von einzelnen Komponenten aus Gemischen und Maskierung von Geruchs- und Geschmacksstoffen.There the hydroxyl groups of the cyclodextrin molecules to the outside oriented, they are water-soluble. The cavity becomes surrounded by nonpolar groups so that he himself is nonpolar and preferably nonpolar molecules or parts of molecules be stored. By the complex formation of organic molecules in the cavity of the cyclodextrins decreases the water solubility the complexes formed. In addition, the trapped Molecules stabilized against light or oxygen. Of the Vapor pressure of volatile substances is due to complex formation significantly reduced. For technical applications are the following effects of complex formation with cyclodextrins of crucial importance: Stabilization light, oxidation, heat and / or hydrolysis sensitive Substances, reducing the vapor pressure of volatile Substances, delay the drug release of pharmaceutical Active substances and a resulting longer effectiveness, Increase in solubility and bioavailability poorly water-soluble substances, separation of individual Components of mixtures and masking of odorants and flavorings.
Die
permanente Fixierung der Cyclodextrine auf unterschiedlichen textilen
Materialien ist bekannt (siehe z. B. H. -J. Buschmann, D. Knittel,
E. Schollmeyer,
Die
Entfernung von Gerüchen bzw. die Beduftung von textilen
Materialien mit Hilfe von Cyclodextrinen bzw. Cyclodextrinderivaten
ist ebenfalls bekannt (siehe z. B. T. Trinh, J. M. Gardlik, T. J.
Ranks und F. Benvegnu
Da
Cyclodextrine wasserlöslich sind, wurden bisher eine Reihe
von Arbeiten unternommen, um Cyclodextrine zu immobilisieren und
sie damit auch in Wasser als Komplexbildner verwenden zu können. Dazu
wurden eine Vielzahl von cyclodextrinhaltigen Polymeren synthetisiert
(siehe z. B.
Solms
und Egli synthetisierten ein Harz durch Vernetzung von Cyclodextrinen
mit Epichlorhydrin (
Szejtlj
et al. haben bereits 1982 ein „Verfahren zur Herstellung
von Cyclodextrin-Schaumpolymeren" patentieren lassen (
Ma
beschreibt in seinem Patent die Herstellung von cyclodextrinhaltigen
Polymeren, die unter anderem durch Reaktion von Cyclodextrinen mit Diisocyanaten
synthetisiert werden (
Sreenivasan
beschreibt Mischungen aus Polyurethanen und β-Cyclodextrin
(
Nußstein
et al. beschreiben in ihrem Patent die Herstellung von Cyclodextringelen,
die in Wasser quellen (
Erfindungsgemäß hat
sich nunmehr gezeigt, dass eine Synthese von Polyurethanen unter
Verwendung von Cyclodextrinen bzw. Cyclodextrinderivaten, ggf. bei
gleichzeitiger Verwendung von Adsorbermaterialien wie z. B. Aktivkohle/Zeolithen
möglich ist. Dabei können die Cyclodextrine bzw.
Cyclodextrinderivate in einem einzigen Verfahrensschritt mit einem
Polyol gemischt und wie gewohnt mit einem Isocyanat vernetzt werden.
Die Hydroxylgruppen der Cyclodextrine reagieren dabei wie die Polyole
mit dem Isocyanat und werden auf diese Weise ein Bestandteil des
Polymers (siehe
Erfindungsgemäß werden die Polyurethane aus Polyolen und Polyisocyanaten zusammen mit Cyclodextrinen hergestellt. Die Cyclodextrine werden dabei reaktiv in das Polymergerüst eingebunden. Polyole und Cyclodextrine stellen dabei die Polyolkomponente dar, die Polyisocyanate werden als Vernetzer oder Polyisocyanatkomponente bezeichnet.According to the invention the polyurethanes of polyols and polyisocyanates together with cyclodextrins produced. The cyclodextrins become reactive in the polymer backbone involved. Polyols and cyclodextrins make up the polyol component The polyisocyanates are used as crosslinking agent or polyisocyanate component designated.
Im Allgemeinen beträgt der Anteil der Cyclodextrine und/oder Cyclodextrinderivate 0,1 bis 45 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Polyolkomponente. Vorzugsweise beträgt deren Gewichtsanteil 0,2 bis 20 Gew.-% und besonders bevorzugt 1,0 bis 12,5 Gew.-%.in the In general, the proportion of cyclodextrins and / or Cyclodextrin derivatives 0.1 to 45 wt .-%, based on the total Polyol. Preferably, their weight fraction 0.2 to 20 wt .-% and particularly preferably 1.0 to 12.5 wt .-%.
Als Polyolkomponente kommen neben den Cyclodextrinen vor allem Polyesterpolyole, Polyetherpolyole, Glykole und C1-C6-Alkandiole, alleine oder in Abmischung untereinander und in jedem Fall mit den Cyclodextrinen in Frage. Als Polyisocyanatkomponente sind in erster Linie MDI, TDI, HDI und EPDI in Frage. Grundsätzlich können jedoch alle in der Polyurethantechnologie bekannten Polyole und Polyisocyanate eingesetzt werden. Es versteht sich, dass die Polyisocyanate auch in Form ihrer dimeren und oligomeren Derivate eingesetzt werden können.As the polyol component in addition to the cyclodextrins especially polyester polyols, polyether polyols, glycols and C 1 -C 6 alkanediols, alone or in admixture with each other and in any case with the cyclodextrins in question. As a polyisocyanate component are primarily MDI, TDI, HDI and EPDI in question. In principle, however, it is possible to use all polyols and polyisocyanates known in polyurethane technology. It is understood that the polyisocyanates can also be used in the form of their dimeric and oligomeric derivatives.
Der Gehalt an weiteren Adsorbermaterialien kann bis zu 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyurethans, betragen.Of the Content of other adsorber materials can be up to 50 wt .-%, based on the total weight of the polyurethane.
Für die Darstellung von Polyurethanen mit Zusätzen von Aktivkohle, Zeolithe oder anderen adsorbierenden Zusätzen werden die Polyole mit den Adsorbermaterialien vorgelegt und mit dem Vernetzer versetzt. Es ist auch möglich, Polyole und Vernetzer zu vermischen und unmittelbar darauf das Reaktionsgemisch mit dem Adsorber zu versetzen. Dabei kann es zweckmäßig sein, das Polyol bzw. das Gemisch aus Polyol/Adsorber zu erwärmen, um die Viskosität des Polyols zu verringern und eine homogenere Verteilung von Polyol/Adsorbens zu erzielen. Die Adsorbermaterialien wie z. B. Aktivkohle bzw. Zeolithe werden dabei in das polymere Material eingebunden.For the preparation of polyurethanes with additions of activated carbon, Zeolites or other adsorbing additives are the Polyols presented with the adsorber and with the crosslinker added. It is also possible to add polyols and crosslinkers mix and immediately afterwards the reaction mixture with the adsorber to move. It may be appropriate, the To heat polyol or the mixture of polyol / adsorber, to reduce the viscosity of the polyol and a more homogeneous To achieve distribution of polyol / adsorbent. The adsorber materials such as B. activated carbon or zeolites are thereby in the polymeric Material incorporated.
Trotz der Ausbildung einer chemischen Bindung zwischen dem bzw. den eingesetzten Cyclodextrinen und den Isocyanaten wird die Wirksamkeit der Cyclodextrine als Komplexbildner für organische Substanzen, wie z. B. Gerüche oder kosmetische Wirksubstanzen, kaum beeinträchtigt. Erreicht wird dies durch geeignete Auswahl und Verwendung solcher Ausgangssubstanzen, die als Produkt einen offenporigen Weichschaum bzw. bei Klebern die Zugänglichkeit der Cyclodextrinhohlräume garantieren. Die mit Cyclodextrinen hergestellten Polyurethane weisen daher prinzipiell die Eigenschaften auf, die zuvor bei der Verwendung bei textilen Trägermaterialien beschrieben wurde.Despite the formation of a chemical bond between the cyclodextrins used and the isocyanates, the effectiveness of cyclodextrins as complexing agents for organic substances such. As odors or cosmetic active substances, hardly affected. This is achieved by a suitable selection and use of such starting materials, which guarantee the product as an open-cell flexible foam or, in the case of adhesives, the accessibility of the cyclodextrin cavities. The polyurethanes produced with cyclodextrins therefore have in principle the properties that previously described for use with textile substrates.
Der erfindungsgemäße Vorteil des beschriebenen Syntheseweges besteht auch darin, Polyurethane zu synthetisieren, die als eine der Synthesekomponenten Cyclodextrine bzw. deren Derivate, auch in Mischungen, enthalten, aber ansonsten aus den bisher industriell eingesetzten Synthesebausteinen hergestellt werden. Da die Auswahl der Edukte so erfolgt, dass unter anderem ein offenporiger Weichschaum entsteht, kann das so synthetisierte Polyurethan durch Komplexierung Substanzen aufnehmen. Zudem können die Cyclodextrine in dem Polyurethan Geruchsdepots bilden und dann unter definierten Bedingungen wieder freisetzen. Dies steht ebenfalls in Analogie zu den auf Textilien verankerten Cyclodextrinen.Of the Advantage according to the invention of the described synthesis route It also consists of synthesizing polyurethanes that act as one the synthesis components cyclodextrins or their derivatives, also contained in mixtures, but otherwise from the hitherto industrially used synthesis blocks are produced. Because the selection the educts is such that, inter alia, an open-pored soft foam arises, the thus synthesized polyurethane by complexation Absorb substances. In addition, the cyclodextrins in form the polyurethane odor deposits and then under defined Release conditions again. This is also in analogy to the textiles anchored cyclodextrins.
Für die Herstellung von Polyurethanen in nicht-verschäumter Form werden Polyole in wasserfreier Form eingesetzt. Für die Verschäumung ist jedoch die Gegenwart eines Schaumbildners erforderlich, beispielsweise in Form eines üblichen Treibgases oder in Form von Wasser, das zur Ausbildung von schaumbildendem CO2 führt. Das Wasser kann separat zugesetzt werden, ist jedoch häufig in den kommerziellen Polyolen in geeigneten Mengen bereits enthalten.For the production of polyurethanes in non-foamed form polyols are used in anhydrous form. For the foaming, however, the presence of a foaming agent is required, for example in the form of a customary propellant gas or in the form of water, which leads to the formation of foam-forming CO 2 . The water can be added separately, but is often already included in the commercial polyols in suitable amounts.
Für die Realisierung der Polyurethane werden die entsprechenden Mengen an Polyetherpolyol bzw. Polyesterpolyol (Polyolkomponente) mit Cyclodextrinen gemischt. Diese Mischung kann zur besseren Homogenisierung erwärmt werden, wobei aber häufig ein Mischen mit einem Rührer mit hoher Drehzahl ausreichend ist. Dann gibt man unter weiterem Rühren den Vernetzer (Polyisocyanatkomponente) hinzu.For The realization of the polyurethanes will be the appropriate amounts to polyether polyol or polyester polyol (polyol component) with cyclodextrins mixed. This mixture can be heated for better homogenization but often mixing with a stirrer is sufficient at high speed. Then add with further stirring the crosslinker (polyisocyanate component) added.
Bei der Herstellung der PU-Schäume spielt es für die Eigenschaften der Produkte keine Rolle, ob ein Gemisch aus Polyol und Cyclodextrinen vorgelegt und dann mit Isocyanat vernetzt wird oder ob man das Isocyanat vorlegt und ein Gemisch aus Polyol/Cyclodextrin unter Rühren reagieren lässt. Welche Variante gewählt wird, ist mehr an der Handhabbarkeit der Komponenten ausgerichtet.at the production of PU foams it plays for the Properties of the products does not matter if a mixture of polyol and cyclodextrins and then cross-linked with isocyanate or whether to present the isocyanate and a mixture of polyol / cyclodextrin allowed to react with stirring. Which variant is chosen is more about the handling of the components aligned.
Derivatisierungen
zeigen, dass Cyclodextrine immer an OH-6 substituiert werden. So
erfolgt an dieser Position eine Tosylierung (
Es ist nicht notwendig, eine besondere Vorbereitung oder Verarbeitung der Synthesekomponenten vorzunehmen. Feuchtigkeit spielt keine Rolle, die Reinheit der industriell hergestellten Cyclodextrine ist für die Polymerisation ausreichend. Zusätze wie Flammschutzmittel oder Stabilisatoren werden üblicherweise nicht negativ beeinflusst. Die UV-Beständigkeit von entsprechend synthetisierten Polyurethanen bleibt ebenfalls erhalten.It is not necessary, a special preparation or processing make the synthesis components. Moisture does not matter, the Purity of industrially produced cyclodextrins is for the polymerization is sufficient. Additives such as flame retardants or stabilizers usually do not become negative affected. The UV resistance of appropriately synthesized Polyurethanes also remains.
Die mit Cyclodextrinen hergestellten Polyurethane können z. B. zur Abwasserreinigung eingesetzt werden. Polyurethane selbst sind in der Lage, Substanzen zu adsorbieren. Untersuchungen von Filmen aus Mischungen von Polyurethanen mit Cyclodextrinen zeigen jedoch, dass die Gleichgewichtseinstellung bei der Aufnahme von Schadstoffen wie z. B. Toluol bei Anwesenheit von Cyclodextrinen um etwa den Faktor 30 schneller erfolgt als bei Polyurethanen, die kein Cyclodextrin enthalten (K. Sreenivasan, Polymer Intern. 34 (1994), S.221. 223). Darüber hinaus sind die zu erzielenden Endkonzentrationen an zu entfernenden Substanzen im Wasser bei Verwendung von cyclodextrinhaltigen Polymeren deutlich besser als z. B. bei Verwendung von Aktivkohle.The can be prepared with cyclodextrins polyurethanes z. B. used for wastewater treatment. Polyurethanes themselves are able to adsorb substances. Investigations of films from mixtures of polyurethanes with cyclodextrins, however, that the equilibration in the absorption of pollutants such as As toluene in the presence of cyclodextrins to about the Factor 30 occurs faster than polyurethanes that are not cyclodextrin (Sreenivasan, Polymer International, 34 (1994), p.221, 223). In addition, the final concentrations to be achieved are substances to be removed in the water when using cyclodextrinhaltigen Polymers significantly better than z. B. when using activated carbon.
Aktivkohle (A-Kohle) ist eine feinkörnige Kohle mit hochporöser Struktur und einer sehr großen Oberfläche. Bedingt durch die Porenstruktur und die große Oberfläche, die üblicherweise zwischen 300 und 2000 m2/g Kohle liegt, kann A-Kohle eine Vielzahl von organischen Substanzen adsorbieren.Activated carbon (A coal) is a fine-grained coal with a highly porous structure and a very large surface area. Due to the pore structure and large surface area, which is usually 300 to 2000 m 2 / g coal is, activated carbon can adsorb a variety of organic substances.
Aktivkohle wird überwiegend zur Entfernung unerwünschter Begleitstoffe aus Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt. So lassen sich z. B. organische Schadstoffe wie etwa Pestizide oder perfluorierte Tenside aus Wasser entfernen. Ebenso können Benzindämpfe aus der Abluft von Tankanlagen an Aktivkohle adsorbiert werden.activated carbon becomes predominantly unwanted for removal Accompanying substances from gases or liquids used. So can be z. As organic pollutants such as pesticides or Remove perfluorinated surfactants from water. Likewise Gasoline fumes from the exhaust air from tank systems to activated carbon adsorbed.
Die Adsorption an Aktivkohle ist ein reversibler Prozess. Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer Desorption. Dies nutzt man zur Regenerierung von Aktivkohle, aber für den Einsatz in Filtern und bei Schutzbekleidung ist dieser Effekt unerwünscht.The Adsorption on activated carbon is a reversible process. An increase the temperature leads to a desorption. This one uses for the regeneration of activated carbon, but for use in filters and protective clothing, this effect is undesirable.
Wie Aktivkohle besitzen Zeolithe eine mikroporöse Struktur. Sie besitzen Poren oder auch Kanäle, in denen Substanzen adsorbiert werden können. Sie besitzen eine große innere Oberfläche von mehr als 1.000 m2/g. Zeolithe weisen eine anionische Gerüstladung auf, so dass auch ionische oder polare Verbindungen gebunden werden können. Aufgrund der guten adsorptiven Eigenschaften werden Zeolithe neben Aktivkohle als Sorptionsmittel eingesetzt. Die Adsorption durch Zeolithe ist wie bei der Aktivkohle ein reversibler Prozess. Eine Erhöhung der Temperatur führt ebenfalls zu einer Desorption.Like activated carbon, zeolites have a microporous structure. They have pores or channels in which substances can be adsorbed. They have a large internal surface of more than 1,000 m 2 / g. Zeolites have an anionic framework charge, so that ionic or polar compounds can be bound. Due to the good adsorptive properties zeolites are used in addition to activated carbon as a sorbent. The adsorption by zeolites is like the active coal is a reversible process. Increasing the temperature also leads to desorption.
Durch die Kombination der Eigenschaften von Aktivkohle und/oder Zeolithe mit Cyclodextrinen ist es möglich, die Vorteile der Substanzen für die Abtrennung von Schadstoffen zu kombinieren. So besitzen die Aktivkohle und Zeolithe ein hohes Adsorptionsvermögen. Cyclodextrine bilden überwiegend 1:1-Komplexe und besitzen daher im Vergleich zur Aktivkohle oder Zeolithen eine geringere Bindungskapazität. Allerdings lassen sich die komplexierten Substanzen nicht durch eine Temperaturerhöhung, sondern nur durch Wasser wieder freisetzen. Luftfeuchtigkeit ist dabei nicht ausreichend.By the combination of the properties of activated carbon and / or zeolites With cyclodextrins it is possible to take advantage of the substances for the separation of pollutants. So The activated carbon and zeolites have a high adsorption capacity. Cyclodextrins form predominantly 1: 1 complexes and possess Therefore, compared to the activated carbon or zeolites a lower Binding capacity. However, the complexed substances can be removed not by a temperature increase, but only by Release water again. Humidity is not sufficient.
Ein weiterer Vorteil bei der Kombination von Cyclodextrinen und A-Kohle zur Entfernung unerwünschter Substanzen besteht darin, dass die erreichbaren Endkonzentrationen der zu entfernenden Stoffe bei Cyclodextrinen deutlich geringer sind als bei A-Kohle bzw. Zeolithen. So beschreibt Ma [30] in einem Patent, dass Cyclodextrine Substanzen aus wässriger Phase so effektiv entfernen können, dass deren Konzentration nur noch im ppt-Bereich (ppt = Parts per trillion) liegen, während bei A-Kohle die Konzentration sich im ppm-Bereich (ppm = Parts per million) befindet. Dies entspricht einer Effektivitätssteigerung um den Faktor 106.A further advantage of the combination of cyclodextrins and carbon to remove unwanted substances is that the attainable final concentrations of the substances to be removed are significantly lower with cyclodextrins than with carbon or zeolites. For example, Ma [30] describes in a patent that cyclodextrins can remove substances from the aqueous phase so effectively that their concentration is only in the ppt range (ppt = parts per trillion), while in the case of A carbon, the concentration is in the ppm range. Range (ppm = parts per million). This corresponds to an increase in efficiency by a factor of 10 6 .
Wie sich erfindungsgemäß auch gezeigt hat, ist es auch möglich, Cyclodextrine, die bereits komplexierte Substanzen enthalten, für die Synthese von PU-Schäumen zu verwenden. Der Komplex bleibt bei der Synthese erhalten. Die komplexierten Substanzen können durch Wasser nach der Synthese wieder aus dem PU-Schaum freigesetzt werden.As It has also shown according to the invention, it is also possible cyclodextrins, which are already complexed substances included, for the synthesis of PU foams use. The complex remains intact during synthesis. The complexed Substances can be recovered by water after synthesis released from the PU foam.
Es ist auch möglich, ein Gemisch aus Cyclodextrinen zu verwenden, die einerseits bereits komplexierte Substanzen enthalten, andererseits aber noch einen zugänglichen Hohlraum besitzen und Komplexe bilden können. Der Vorteil besteht darin, dass die unbeladenen Cyclodextrine z. B. unangenehme Gerüche bilden können. Dann liegt im Anwendungsfall im PU-Schaum ein Gemisch aus den komplexierten Gerüchen sowie bereits bei der Polymerisation eingesetzten Komplexe vor. Wird der PU-Schaum mit Wasser in Kontakt gebracht, wird nicht nur der unangenehme Geruch freigesetzt, sondern auch die durch den Komplex mit Cyclodextrin im PU-Schaum enthaltene Substanz. Es kann sich bei diesen Substanzen um Aromastoffe handeln, die dann den unangenehmen Geruch überdecken. Das Verhältnis von Cyclodextrin und Komplex kann zwischen 0% und 100% variiert werden und richtet sich nach den Anforderungen und Einsatzgebieten des PU-Schaums.It it is also possible to use a mixture of cyclodextrins, on the one hand contain already complexed substances, on the other hand but still have an accessible cavity and complexes can form. The advantage is that the unloaded Cyclodextrins e.g. B. can form unpleasant odors. Then, in the application case in the PU foam, a mixture of the complexed Odors and already used in the polymerization Complexes ago. If the PU foam is brought into contact with water, not only is the unpleasant odor released, but also the substance contained in the PU foam by the complex with cyclodextrin. These substances can be flavorings, which then cover the unpleasant smell. The relationship of cyclodextrin and complex can vary between 0% and 100% be and depends on the requirements and application areas of PU foam.
Die erfindungsgemäßen Polyurethane können, insbesondere in Verbindung mit Trägermaterialien, für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, insbesondere für Filterzwecke, zur Geruchsbindung und zur Herstellung von Schutzkleidung in toxischer Umgebung. Dabei können solche Trägermaterialien selbst aus einem erfindungsgemäßen Polyurethan bestehen oder damit ausgerüstet oder beschichtet sein, aber auch mehrere Schichten enthalten, insbesondere zwei Schichten. Eine dieser Schicht kann beispielsweise aus einem erfindungsgemäßen Polyurethanschaum oder -kleber bestehen. Die andere Schicht kann beispielsweise aus einem Polyurethanschaum oder -kleber bestehen, der mit einem weitere Adsorptionsmittel vermischt ist oder beschichtet ist, ohne dabei Cyclodextrin zwingend zu enthalten.The polyurethanes according to the invention can, in particular in connection with carrier materials, for various purposes are used, in particular for Filtering purposes, for odor binding and for the production of protective clothing in toxic environment. In this case, such support materials themselves consist of a polyurethane according to the invention or be equipped with or coated with it, but also contain multiple layers, in particular two layers. One of these Layer can for example consist of an inventive Polyurethane foam or glue. The other layer can For example, consist of a polyurethane foam or adhesive, which is mixed with another adsorbent or coated is without necessarily containing cyclodextrin.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, die die Herstellung, die Anwendungsbereiche und die Wirksamkeit der cyclodextrinhaltigen Polyurethane mit adsorbierenden Zusätzen wie z. B. Aktivkohle zeigen.The The present invention will now be described by way of example explained in more detail the manufacturing, the application areas and the effectiveness of cyclodextrin-containing polyurethanes with adsorbing Additives such. B. show activated carbon.
Unter Cyclodextrine bzw. Cyclodextrinderivaten sind im nachfolgendem Text sowohl α-, β- und γ-Cyclodextrin, deren Mischungen als auch daraus herstellbare Cyclodextrinderivate, wie z. B. teilmethylierte Cyclodextrine, Prepolymere auf der Basis von Cyclodextrinen oder Cyclodextrinderivaten zu verstehen.Under Cyclodextrins and cyclodextrin derivatives are in the following text both α-, β- and γ-cyclodextrin, whose Mixtures and cyclodextrin derivatives which can be prepared therefrom, such as z. B. partially methylated cyclodextrins, prepolymers based on cyclodextrins or cyclodextrin derivatives.
Für die Synthese der Polyurethanschäume ohne und mit Cyclodextrinen wurden folgenden Produkte eingesetzt: Elastoflex W 5516/115 (Polyolkomponente, Fa. Elastogran GmbH, Lemförde), Iso 145/8 (Isocyanat auf Basis von MDI, Fa. Elastogran GmbH, Lemförde), Bayfit VP.PU 90WF99 (Polyolkomponente, Fa. Bayer AG, Leverkusen), Desmodur PU 2320 (Isocyanatkomponente auf Basis von MDI, Fa. Bayer AG, Leverkusen), SR-Pol 3900 und SR-Pol 3550 (Polyolkomponenten der Fa. SRS Meeder, Poppenbüll), Petol 36-3BR und Petol 56-2 (Polyolkomponenten der Fa. OLTCHIM, Rumänien), Cavamax W6 (α-Cyclodextrin der Fa. Wacker Chemie AG, Burghausen), CAVATEX W7 (β-Cyclodextrin der Fa. Wacker Chemie AG, Burghausen), GAMMA W8 (γ-Cyclodextrin der Fa. Wacker Chemie AG, Burghausen), BETA W7 M1.8 (teilmethyliertes β-Cyclodextrin der Fa. Wacker Chemie AG, Burghausen), CAVASOL W7 HP (Hydroxypropyliertes β-Cyclodextrin der Fa. Wacker Chemie AG, Burghausen).For the synthesis of polyurethane foams with and without cyclodextrins the following products were used: Elastoflex W 5516/115 (polyol component, Elastogran GmbH, Lemförde), Iso 145/8 (isocyanate on Based on MDI, Elastogran GmbH, Lemförde), Bayfit VP.PU 90WF99 (polyol component, Bayer AG, Leverkusen), Desmodur PU 2320 (isocyanate component based on MDI, Bayer AG, Leverkusen), SR-Pol 3900 and SR-Pol 3550 (polyol components from SRS Meeder, Poppenbüll), Petol 36-3BR and Petol 56-2 (polyol components from OLTCHIM, Romania), Cavamax W6 (α-cyclodextrin from Wacker Chemie AG, Burghausen), CAVATEX W7 (β-cyclodextrin from Wacker Chemie AG, Burghausen), GAMMA W8 (γ-cyclodextrin from Wacker Chemie AG, Burghausen), BETA W7 M1.8 (partially methylated β-cyclodextrin from Wacker Chemie AG, Burghausen), CAVASOL W7 HP (hydroxypropylated β-cyclodextrin the company Wacker Chemie AG, Burghausen).
Ferner wurden folgende Diole, Vernetzer, Katalysatoren und sonstige Hilfsmittel für die Synthesen verwendet: 1,4-Butandiol (Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 1,5-Pentandiol (Merck Schuchardt, Hohenbrunn), Ethylenglykol (Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat (MDI, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 2,4-Toluylendiisocyanat (TOI, Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), Hexamethylendiisocyanat (HDI, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO, Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), Tegomer H-SI 2111 (Degussa), demineralisiertes Wasser (Millipore Milli-Qplus 185)In addition, the following diols, crosslinkers, catalysts and other auxiliaries were used for the syntheses: 1,4-butanediol (Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 1,5-pentanediol (Merck Schuchardt, Hohenbrunn), ethylene glycol (Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), Diphenylmethane-4,4'-diisocyanate (MDI, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 2,4-toluene diisocyanate (TOI, Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), He xamethylene diisocyanate (HDI, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DABCO, Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), Tegomer H-SI 2111 (Degussa), demineralized water (Millipore Milli-Q plus 185 )
Für
den Nachweis der Komplexierungen wurden folgende Reagenzien verwendet:
4-Nitrophenol
(p-Nitrophenol, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), Phenolrot (Sigma-Aldrich
GmbH, Steinheim), Toluol (Riedel-de-Haen, Seelze)The following reagents were used for the detection of complexations:
4-nitrophenol (p-nitrophenol, Merck Schuchardt, Hohenbrunn), phenol red (Sigma-Aldrich GmbH, Steinheim), toluene (Riedel-de-Haen, Seelze)
Beispiel 1example 1
40 g Polyol werden vorgelegt und mit 21 g Vernetzer gemischt. Nachdem das Gemisch gerührt wurde, geht das Reaktionsgemisch nach ca. 15 Sekunden auf und bildet einen Weichschaum. Dieser Schaum entspricht denjenigen Schäumen, die industriell hergestellt werden. Er dient als Vergleichsmaterial für Untersuchungen zur Charakterisierung von Schäumen mit Cyclodextrinen.40 g of polyol are initially charged and mixed with 21 g of crosslinker. After this the mixture was stirred, the reaction mixture is followed About 15 seconds and forms a soft foam. This foam corresponds to those foams produced industrially become. It serves as reference material for investigations for the characterization of foams with cyclodextrins.
Beispiel 2Example 2
35 g Polyol werden mit 5 g Gramm Cyclodextrin gemischt und unter Rühren 21 g Vernetzer zugegeben. Das Reaktionsgemisch geht nach ca. 15 Sekunden auf und bildet einen Weichschaum.35 g of polyol are mixed with 5 grams of cyclodextrin and stirring 21 g of crosslinker added. The reaction mixture goes to about 15 Seconds and forms a soft foam.
Der
Nachweis des Komplexierungsvermögens des Cyclodextrins
ist mit Hilfe einer alkalischen Lösung von Phenolphthalein
möglich (
Beispiel 3Example 3
40 g Polyol, 3 g 1,4-Butandiol und 5 g Cyclodextrin werden gemischt und unter Rühren 24,4 g Vernetzer zugegeben. Die Reaktion beginnt nach ca. 15 Sekunden, es bildet sich ein Weichschaum.40 g of polyol, 3 g of 1,4-butanediol and 5 g of cyclodextrin are mixed and added with stirring 24.4 g of crosslinking agent. The reaction begins after about 15 seconds, it forms a soft foam.
Beispiel 4Example 4
40 g Polyol, 3 g 1,4-Butandiol und 5 g Cyclodextrin werden gemischt und unter Rühren 33,1 g Vernetzer zugegeben. Die Reaktion beginnt nach ca. 15 Sekunden und es bildet sich ein Weichschaum.40 g of polyol, 3 g of 1,4-butanediol and 5 g of cyclodextrin are mixed and 33.1 g of crosslinker were added with stirring. The reaction starts after about 15 seconds and forms a soft foam.
Beispiel 5Example 5
40 g Polyol, 3 g 1,4-Butandiol und 10 g Cyclodextrin gemischt und unter Rühren 33 g Vernetzer zugegeben. Nach ca. 15 Sekunden beginnt die Reaktion und es bildet sich ein Weichschaum.40 g of polyol, 3 g of 1,4-butanediol and 10 g of cyclodextrin mixed and under Stir 33 g of crosslinker added. After about 15 seconds begins the reaction and it forms a soft foam.
Beispiel 6Example 6
20 g Polyol, 5 g 1,4-Butandiol und 20 g Cyclodextrin gemischt und unter Rühren 30 g Vernetzer zugegeben. Nach ca. 15 Sekunden beginnt die Reaktion, und es bildet sich ein im Vergleich zu den anderen Schäumen ein etwas harter Weichschaum.20 g of polyol, 5 g of 1,4-butanediol and 20 g of cyclodextrin mixed and under Stirring 30 g of crosslinker added. After about 15 seconds begins the reaction, and it forms one in comparison to the other Foaming a little hard soft foam.
Beispiel 7Example 7
Für den Nachweis der Komplexierungen des Cyclodextrins im PU-Schaum wurden zunächst 2 Schäume aus denselben Ausgangsmaterialien, allerdings einmal mit und einmal ohne Cyclodextrine hergestellt. Dafür wurden zum einen 41,4 g Polyol mit 19 g Vernetzer gemischt und zum anderen ein Gemisch aus 36,6 g Polyol und 5 g Cyclodextrin und ebenfalls mit 19 g Vernetzer vernetzt.For Evidence of complexations of cyclodextrin in PU foam were initially 2 foams from the same starting materials, but once with and once without cyclodextrins produced. For a 41.4 g of polyol with 19 g of crosslinker mixed and on the other hand, a mixture of 36.6 g of polyol and 5 g of cyclodextrin and also crosslinked with 19 g of crosslinker.
Von beiden Schäumen wurden jeweils 1,52 g Schaum eingewogen und mit 50 ml einer Lösung von 5,7 mg p-Nitrophenol in dest. 250 ml Wasser versetzt. Es wurde erwartet, dass die über dem Schaum mit Cyclodextrin stehende Lösung von p-Nitrophenol eine größere Konzentrationsabnahme aufweist als die ohne Cyclodextrin.From Both foams were each weighed 1.52 g of foam and with 50 ml of a solution of 5.7 mg p-nitrophenol in least. 250 ml of water are added. It was expected that the over a solution of p-nitrophenol which is present in the foam with cyclodextrin greater concentration decrease than the without cyclodextrin.
Nachdem die Lösung zwei Tage über den Schäumen gestanden hatte, wurden die überstehenden Lösungen abdekantiert und photometrisch vermessen. Die Stammlösung wies dabei einen Extinktionskoeffizienten, gemessen bei 400 nm, von 2,244 Einheiten auf (mit Verdünnung). Die Lösung über dem Schaum ohne Cyclodextrin wies 0,9099 Einheiten und die über dem Schaum mit Cyclodextrin 0,4099 Einheiten auf. Die Konzentration an p-Nitrophenol hatte bei der Probe mit Cyclodextrin also deutlicher abgenommen als ohne.After this the solution for two days over the foams had become the supernatant solutions decanted and measured photometrically. The stock solution showed an extinction coefficient, measured at 400 nm, from 2,244 units to (with dilution). The solution over the Foam without cyclodextrin had 0.9099 units and over the foam with cyclodextrin 0.4099 units. The concentration to p-nitrophenol was so clear in the sample with cyclodextrin taken off as without.
Beispiel 8Example 8
In einem weiteren qualitativen Test wurden 3,6 mg p-Nitrophenol in 250 ml Wasser gelöst und mit 1,0 n wässrigen Natriumhydroxidlösung auf einen pH-Wert von 11 eingestellt. Von den Schäumen ohne und mit Cyclodextrin (siehe Beispiel 7) wurden jeweils 1,16 g in einen Erlenmeyerkolben eingewogen, mit 40 ml der Lösung von p-Nitrophenol versetzt und einen Tag geschüttelt. Anschließend wurden die Extinktionen der überstehenden Lösungen gemessen.In In another qualitative test, 3.6 mg of p-nitrophenol in Dissolved 250 ml of water and with 1.0 N aqueous sodium hydroxide solution adjusted to a pH of 11. Of the foams with and without cyclodextrin (see Example 7) were respectively 1.16 g weighed into an Erlenmeyer flask, with 40 ml of the solution spiked with p-nitrophenol and shaken for one day. Subsequently Extinctions of supernatant solutions became measured.
Die Extinktion (400 nm) der Stammlösung betrug 0,3775 Einheiten, der des Schaums ohne Cyclodextrin 0,3373 Einheiten und des Schaums mit Cyclodextrin 0,3282 Einheiten, wodurch zu erkennen ist, dass der letztgenannte, wenn auch nicht sehr ausgeprägt, mehr p-Nitrophenol aus der Lösung entfernt als der ohne Cyclodextrin.The extinction (400 nm) of the stock solution was 0.3775 units, that of the foam without cyclodextrin 0.3373 units and the foam with cyclodextrin 0.3282 units, whereby it can be seen that the latter, although not very pronounced, more p Nitrophenol from solution ent than the one without cyclodextrin.
Beispiel 9Example 9
Für den Nachweis, dass für die Herstellung der PU-Schäume Cyclodextrine verwendet werden können, die bereits komplexierte Substanzen enthalten, wurde β-Cyclodextrin mit einem handelsüblichen Deodorant versetzt. Die Mischung wurde gerührt. Dann wurde das Cyclodextrin zunächst bei 70°C für vier Stunden und dann bei 120°C für 2 Stunden getrocknet. Das Cyclodextrin war nahezu geruchslos.For the proof that for the production of PU foams Cyclodextrins can be used that are already complexed Substances containing β-cyclodextrin was mixed with a commercial deodorant added. The mixture was stirred. Then the cyclodextrin became initially at 70 ° C for four hours and then dried at 120 ° C for 2 hours. The cyclodextrin was almost odorless.
Für die Herstellung des PU-Schaums wurden 36 g Polyol mit 3 g Deodorant komplexiert enthaltendem Cyclodextrin gemischt und mit 21 g Vernetzer intensiv gerührt Nach kurzer Zeit bildete sich ein Weichschaum, der geringfügig nach Deodorant roch.For the preparation of the PU foam was 36 g of polyol with 3 g of deodorant Complexed containing cyclodextrin mixed and intensively with 21 g of crosslinking agent stirred After a short time, a soft foam formed, which smelled slightly of deodorant.
Der Schaum wurde 45 Tage offen stehen gelassen. Danach war kein Geruch mehr wahrnehmbar. Der Schaum wurde aufgeschnitten. Auch dann war noch kein Geruch wahrnehmbar. Der Schaum wurde mit Wasser versetzt und einer Geruchsmessung unterzogen. Alle sechs Probanden gaben an, dass bei dem trockenen Schaum kein Geruch und bei dem angefeuchteten ein Geruch von Deodorant wahrgenommen werden konnte. Demnach können zur Synthese von cyclodextrinhaltigen PU-Schäumen Komplexe aus Cyclodextrinen und komplexierten Substanzen ohne Funktionsverlust verwendet werden.Of the Foam was left open for 45 days. After that there was no smell more noticeable. The foam was cut open. Even then was still no smell perceptible. The foam was mixed with water and subjected to an odor measurement. All six subjects stated that with the dry foam no smell and with the moistened a smell of deodorant could be perceived. Accordingly, you can for the synthesis of cyclodextrin-containing PU foams complexes from cyclodextrins and complexed substances without loss of function be used.
Beispiel 10Example 10
Für dieselbe Beweisführung wurden 40 g Polyol und 2 g Cyclodextrin, das bereits den Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B in komplexierter Form enthielt, mit 21 g Vernetzer intensiv gemischt. Es bildete sich dabei ein Weichschaum unter den gewohnten Bedingungen. Der Schaum wurde aufgeschnitten und unter eine UV-Lampe (365 nm) gelegt. Dabei zeigte sich, dass der Polyurethanschaum fluoreszierende Eigenschaften aufwies, ebenso wie der Ausgangskomplex aus Cyclodextrin und dem Farbstoff.For the same reasoning was made with 40 g of polyol and 2 g of cyclodextrin, which already complexed the fluorescent dye rhodamine B Form, mixed intensively with 21 g of crosslinker. It formed while a soft foam under the usual conditions. The foam was cut open and placed under a UV lamp (365 nm). It showed that the polyurethane foam had fluorescent properties, as well as the starting complex of cyclodextrin and the dye.
Beispiel 11Example 11
Ebenfalls für dieselbe Beweisführung wurden 39,9 g Polyol und 2 g Cyclodextrin, das bereits den Farbstoff Resolin rot FB in komplexierter Form enthielt, mit 21 g Vernetzer intensiv gemischt. Es bildete sich dabei ein Weichschaum unter den gewohnten Bedingungen. Von diesem Schaum wurden zwei Proben mit identischem Gewicht entnommen. Die eine Probe wurde mit 50 ml trockenem Aceton, die andere mit Aceton/Wasser (40 ml/10 ml) versetzt. Nach entsprechender Reaktionszeit wurden die Lösungen photometrisch vermessen. Dabei zeigte sich, dass die Lösung mit Wasser/Aceton nahezu doppelt so viel Resolin rot FB enthielt wie die Probe mit reinem, getrocknetem Aceton.Also for the same reasoning, 39.9 g of polyol were used and 2 g of cyclodextrin, which already contains the dye Resolin red FB in Complexed form, mixed intensively with 21 g of crosslinking agent. It formed a soft foam under the usual conditions. Two samples of identical weight were taken from this foam. One sample was mixed with 50 ml of dry acetone and the other with Acetone / water (40 ml / 10 ml). After appropriate reaction time the solutions were measured photometrically. It showed itself, that the solution with water / acetone is almost twice as much Resolin red FB contained as the sample with pure, dried Acetone.
Beispiel 12Example 12
Zur Darstellung eines PU-Schaumes mit einem nennenswerten Anteil an Aktivkohle wurden 40 g Polyetherpolyol mit 60 g Aktivkohlekügelchen gemischt und im Trockenschrank auf ca. 60°C erwärmt. Die Erwärmung bewirkte eine deutliche Abnahme der Viskosität des Polyetherpolyols und ermöglichte eine bessere Vermischung mit den Aktivkohlekügelchen. Dann gab man 21 g Isocyanat unter Rühren hinzu. Nach ca. 15 Sekunden ging der Schaum auf und bildete einen Weichschaum.to Representation of a PU foam with a significant proportion of Activated carbon was 40 g of polyether polyol with 60 g of activated carbon beads mixed and heated in a drying oven to about 60 ° C. The Heating caused a significant decrease in viscosity of the polyether polyol and allowed for better mixing with the activated carbon beads. Then 21 g of isocyanate were added with stirring. After about 15 seconds, the foam went on and formed a soft foam.
Beispiel 13Example 13
Zur Darstellung eines PU-Schaumes mit einem nennenswerten Anteil an Aktivkohle und Cyclodextrin wurden 35 g Polyetherpolyol mit 60 g Aktivkohlekügelchen und 5 g β-Cyclodextrin gemischt und im Trockenschrank auf ca. 60°C erwärmt. Die Erwärmung bewirkte eine deutliche Abnahme der Viskosität des Polyetherpolyols und ermöglichte eine bessere Vermischung mit den Aktivkohlekügelchen. Dann gab man 21 g Isocyanat unter Rühren hinzu. Nach ca. 15 Sekunden ging das Reaktionsgemisch auf und bildete einen Weichschaum.to Representation of a PU foam with a significant proportion of Activated carbon and cyclodextrin were 35 g polyether polyol with 60 g activated carbon beads and 5 g of β-cyclodextrin mixed and in the oven on heated to about 60 ° C. The warming caused a significant decrease in the viscosity of the polyether polyol and allowed better mixing with the activated carbon beads. Then 21 g of isocyanate were added with stirring. After approx. 15 seconds went on the reaction mixture and formed a soft foam.
Beispiel 14Example 14
Zum Nachweis, dass das Cyclodextrin eine nahezu temperaturunabhängige Komplexierung bewirkt, wurde für einen qualitativen Versuch PU-Schäume, die sowohl Aktivkohle wie auch Aktivkohle/Cyclodextrine enthalten, mit Toluolhaltigem Wasser in einem Erlenmeyerkolben versetzt und einen Tag stehen gelassen. Dann wurde die Lösung abdekantiert und die Schäume im Trockenschrank bei 110°C einen Tag getrocknet. Anschließend wurden die Schäume in einen Erlenmeyerkolben überführt, jeweils mit Wasser versetzt und mit Diethylether extrahiert. Die Extrakte wurden über Magnesiumsulfat getrocknet und mit GC/MS untersucht. Dabei zeigte sich, dass nur aus dem Schaum, der Aktivkohle/Cyclodextrin enthielt, im Rahmen der Nachweisgrenze des GC/MS-Gerätes Toluol nachweisbar war. Bei dem Schaum, der nur Aktivkohle enthielt, war kein Toluol nachweisbar.To the Evidence that the cyclodextrin is a nearly temperature independent Complexing, PU foams were used for a qualitative test, containing both activated carbon and activated carbon / cyclodextrins, mixed with toluene-containing water in an Erlenmeyer flask and let one day stand. Then the solution was decanted off and the foams in the oven at 110 ° C a Day dried. Then the foams were transferred into an Erlenmeyer flask, each with Water and extracted with diethyl ether. The extracts were over Dried magnesium sulfate and analyzed by GC / MS. It showed itself that only from the foam that contained activated carbon / cyclodextrin, was detectable within the detection limit of the GC / MS instrument toluene. For the foam containing only activated carbon, no toluene was detectable.
Beispiel 15Example 15
Für die mechanische Immobilisierung von Aktivkohle wurden 37 g Polyol, 5 g 1,4-Butandiol und 2 g Wasser gemischt. Nach kurzer Homogenisierung wurden unter starkem Rühren 21 g Vernetzer zugegeben. Nach ca. 15 Sekunden wurden unter schwachem Rühren 70 g Aktivkohle zugegeben und kurz weitergerührt. Es bildet sich eine Masse, die zunächst nur nach Aktivkohle aussah. Dann bildet sich eine hochviskose Masse. Nach kurzer Zeit begann die Reaktion, und es bildete sich ein Weichschaum.For the mechanical immobilization of activated carbon, 37 g of polyol, 5 g of 1,4-butanediol and 2 g of water were mixed. After brief homogenization, 21 g of crosslinker were added with vigorous stirring. After about 15 seconds, 70 g activated charcoal were added with slight stirring and stirred briefly. It forms a mass that initially looked only to activated carbon. Then it forms a high viscosity mass. After a short time, the reaction started and a soft foam was formed.
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