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Die
Erfindung betrifft wässrige
Dispersion eines Polyurethans, erhältlich durch Umsetzung von
Polyisocyanaten und mit Isocyanat reaktiven Verbindungen in Miniemulsion,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den mit Isocyanat reaktiven
Verbindungen zumindest zum Teil um Polysiloxane der Formel I
handelt wobei,
R
1 und R
2 unabhängig voneinander
für einen
einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit maximal 20 C-Atomen, der gegebenenfalls
auch Heteroatome wie O oder N enthalten kann, stehen,
R
3 und R
4 unabhängig voneinander
für eine
Einfachbindung oder einen zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest mit
maximal 20 C-Atomen, der gegebenenfalls auch Heteroatome wie O oder
N enthalten kann, stehen
R
5 und R
6 unabhängig
voneinander für
eine Gruppe OH, SH, NH
2 oder NHR
7 stehen und R
7 ein
einwertiger Kohlenwasserstoffrest mit maximal 20 C-Atomen, der gegebenenfalls
auch Heteroatome wie O oder N enthalten kann, ist
und n für eine ganze
Zahl von 1 bis 100 steht.
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Polyurethane
werden üblicherweise
durch Umsetzung ihrer Ausgangsverbindungen (Isocyanate und mit Isocyanaten
reaktive Verbindungen) in einem organischen Lösemittel hergestellt. Durch
Dispergierung des erhaltenen Polyurthans in Wasser erhält man eine
sogenannte Sekundärdispersion.
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Polyurethandispersionen
können
auch direkt durch Umsetzung der Ausgangsverbindungen in wässriger
Phase erhalten werden (Primärdisperionen).
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Dies
ist möglich
durch das in WO 02/064657 beschriebene Verfahren der Polymerisation
in Miniemulsion.
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Bei
diesem Verfahren werden die Ausgangsverbindungen in Wasser in Gegenwart
geringer Mengen einer hydrophoben Verbindung mit einer Wasserlöslichkeit
kleiner 10–7 g/l
Wasser (bei 21 °C)
emulgiert.
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Die
Größe der Tröpfchen wird
durch bekannte Verfahren auf 50 bis 500 nm eingestellt. Durch die
Gegenwart der hydrophoben Substanz tritt der Effekt der Ostwaldreifung
(Anwachsen der Tröpfchen
bis zur Phasentrennung) nicht auf.
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In
den Tröpfchen
können
vielmehr die Ausgangsverbindungen bei mehr oder weniger gleich bleibender
Tröpfchengröße zu Polyurethanen
umgesetzt werden. Auf diese Weise werden Polyurethan-primärdispersionen
erhalten.
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Gewünscht sind
möglichst
kleinteilige Polyurethandispersionen. Die Polyurethandispersionen
sollen möglichst
wenig niedermolekulare Bestandteile, die später aus den erhaltenen Filmen
migrieren können,
aufweisen.
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Die
Polyurethandispersionen sollen eine hohe Stabilität aufweisen
und gute anwendungstechnische Eigenschaften haben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war daher, die Stabilität und die
anwendungstechnischen Eigenschaften in Miniemulsion erhältlichen
Polyurethanprimärdispersionen
zu verbessern.
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Demgemäß wurde
die eingangs definierte wässrige
Polyurethandisperion gefunden.
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Gefunden
wurde auch ein Verfahren zu ihrer Herstellung, sowie die Verwendung
der Dispersion z.B. als Schaumstabilisator.
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Bei
den Polyurethandispersionen der vorliegenden Anmeldung handelt es
sich um Primärdispersionen,
die durch Umsetzung von Isocyanaten und mit Isocyanat reaktiven
Verbindungen in wässriger
Phase in Miniemulsion erhältlich
sind, wie in WO 02/064657 beschrieben ist.
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Die
Isocyanate und die mit Isocyanat reaktiven Verbindungen (kurz: Ausgangsverbindungen)
werden dazu in Wasser mit Hilfe von oberflächenaktiven Verbindungen, z.B.
Emulgatoren oder Schutzkolloide, emulgiert.
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Wesentlich
ist die Mitverwendung von hydrophoben Verbindungen als Costabilisatoren.
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Diese
Costabilisatoren haben eine Wasserlöslichkeit von vorzugsweise
kleiner 10–5,
besonders bevorzugt kleiner 10–6, ganz besonders bevorzugt
kleiner 10–7 g/Liter
Wasser bei 21 °C,
1 bar.
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Die
Menge der Costabilisatoren kann z.B. 0,1 bis 10 Gew.-Teile, insbesondere
1 bis 3 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Ausgangsverbindungen betragen.
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Als
Costabilisatoren in Betracht kommen z.B. Kohlenwasserstoffe wie
Hexadecan, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Silane, Siloxane, hydrophobe Öle (Olivenöl) oder
auch Ausgangsverbindungen für
das Polyurethan, soweit sie die notwendige Hydrophobie haben.
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Insbesondere
kommen auch die Polysiloxane der Formel I in Betracht. Bevorzugte
Polysiloxane der Formel I haben daher die oben angegebenen Löslichkeiten
der Costabilisatoren. Auf andere Costabilisatoren kann dann verzichtet
werden. Das Polyurethan enthält
dann keine Costabilisatoren, die aus den erhaltenen Beschichtungen
migrieren können.
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Insbesondere
kann es sich bei mindestens 50 Gew.-% der Costabilisatoren um solche
der Formel I handeln.
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Die
Teilchengröße der emulgierten
Tröpfchen
der Ausgangsverbindungen beträgt
vorzugsweise 50 bis 500 nm.
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Die
Teilchengröße kann
durch bekannte Methoden wie Homogenisierung in Hochdruckhomogenisatoren
oder Anwendung von Ultraschall eingestellt werden.
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Die
Umsetzung der Ausgangsverbindungen zum Polyurethan kann in bekannter
Weise bei erhöhter Temperatur,
z.B. von 20 bis 120°C,
vorzugsweise 60 bis 100°C
erfolgen.
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Die
erhaltene Polyurethandispersion hat wie die Emulsion der Ausgangsverbindungen
eine Tröpfchengröße von vorzugsweise
50 bis 500 nm, besonders bevorzugt 100 bis 300 nm.
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Erfindungsgemäß handelt
es sich bei den mit Isocyanat reaktiven Verbindungen zumindest zum
Teil um Polysiloxane der Formel I.
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In
dieser Formel stehen R1 und R2 unabhängig voneinander
für einen
einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit maximal 20 C-Atomen, der gegebenenfalls
auch Heteroatome wie O oder N-Atome enthalten kann.
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Der
Kohlenwasserstoffrest kann Sauerstoffatome z.B. als Ethergruppe
oder Hydroxylgruppe enthalten.
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Insbesondere
stehen R1 und R2 für eine Alkylgruppe,
besonders bevorzugt für
eine C1-C10-Alkylgruppe, ganz besonders bevorzugt
für eine
C1-C4-Alkylgruppe.
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Insbesondere
stehen R1 und R2 für eine Methylgruppe.
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R3 und R4 in der Formel
I können
unabhängig
voneinander für
eine Einfachbindung oder einen zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest
mit maximal 20 C-Atomen, der gegebenenfalls auch Heteroatome wie
O oder N enthalten kann, stehen.
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Der
Fall, dass R3 und R4 für eine Einfachbindung
stehen ist so zu verstehen, dass R3 bzw.
R4 in obiger Formel I wegfallen und R5 bzw. R6 direkt
an das jeweilige Siliziumatom gebunden sind.
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Falls
R3 und R4 für einen
Kohlenwasserstoffrest stehen, kann dieser Heteroatome z.B. als Ethergruppe,
Hydroxylgruppe oder primäre
oder sekundäre
Aminogruppen enthalten.
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Vorzugsweise
stehen R3 und R4 unabhängig voneinander
für eine
Einfachbindung oder eine C1-C20-Alkylgruppe,
insbesondere eine C1-C10-Alkylengruppe.
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Besonders
bevorzugt stehen R3 und R4 unabhängig voneinander
für eine
Einfachbindung oder eine C1-C6-Alkylengruppe.
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R5
und R6 stehen unabhängig
voneinander für
eine Gruppe OH, SH, NH2 oder NHR7. R7 hat dabei die Bedeutung
von R1. Insbesondere steht R7 für eine Alkylgruppe,
besonders bevorzugt für
eine C1-C10-Alkylgruppe,
ganz besonders bevorzugt für
eine C1-C4-Alkylgruppe.
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Bevorzugt
stehen R5 und R6 für eine Hydroxylgruppe
(OH).
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Die
Variable n steht für
eine ganze Zahl von 1 bis 100, vorzugsweise von 1 bis 50, besonders
bevorzugt von 5 bis 50 und ganz besonders bevorzugt von 5 bis 40.
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Als
bevorzugte Verbindungen der Formel I seien z.B. Verbindungen der
Formel II
genannt, in der R
6 und R
5 für eine Hydroxylgruppe
und R
1 und R
2 für eine C
1-C
4-Alkylgruppe stehen.
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Bevorzugte
Verbindungen der Formel I sind auch solche, in denen R6 und
R5 für
eine Hydroxylgruppe stehen, R1 und R2 für
eine C1-C4-Alkylgruppe
und R3 und R4 für eine C1-C6-Alkylengruppe
stehen.
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Derartige
Verbindungen sind z.B. unter dem Namen Tegomer® von
Goldschmidt erhältlich.
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Insgesamt
ist das Polyurethan vorzugsweise aufgebaut aus:
- a)
Polyisocyanaten
- b) Polyolen, von denen
b1) 10 bis
100 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Polyole (b), ein Molekulargewicht
von 500 bis 5000 g/mol aufweisen,
b2)
0 bis 90 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Polyole (b), ein
Molekulargewicht von 60 bis 500 g/mol aufweisen,
- c) von den Monomeren (a) und (b) verschiedene Monomere mit wenigstens
einer Isocyanatgruppe oder wenigstens einer gegenüber Isocyanatgruppen
reaktiven Gruppe, die darüber
hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine potentiell hydrophile
Gruppe tragen,
- d) gegebenenfalls weiteren von den Monomeren (a) bis (c) verschiedenen
Verbindungen mit mindestens 2 gegenüber Isocyanat reaktiven Gruppen,
von denen mindestens eine Gruppe eine primäre oder sekundäre Aminogruppe
oder eine Mercaptogruppe ist,
- e) gegebenenfalls von den Monomeren (a) bis (d) verschiedenen
einwertigen Verbindungen mit einer reaktiven Gruppe, bei der es
sich um eine alkoholische Hydroxylgruppe, eine primäre oder
sekundäre
Aminogruppe oder eine Isocyanatgruppe handelt.
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Insbesondere
zu nennen sind als Monomere (a) Diisocyanate X(NCO)2,
wobei X für
einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 15 Kohlenstoffatomen,
einen cycloaliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffrest
mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest
mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen steht. Beispiele derartiger Diisocyanate
sind Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat,
1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1-Isocyanato-3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan
(IPDI), 2,2-Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)-propan, Trimethylhexandiisocyanat, 1,4-Diisocyanatobenzol,
2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan, 2,4'-Diisocyanatodiphenylmethan,
p-Xylylendiisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), die
Isomeren des Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)methans (HMDI) wie das
trans/trans-, das cis/cis- und das cis/trans-Isomere sowie aus diesen
Verbindungen bestehende Gemische.
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Derartige
Diisocyanate sind im Handel erhältlich.
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Als
Gemische dieser Isocyanate sind besonders die Mischungen der jeweiligen
Strukturisomeren von Diisocyanatotoluol und Diisocyanato-diphenylmethan
von Bedeutung, insbesondere ist die Mischung aus 80 mol-% 2,4-Diisocyanatotoluol
und 20 mol-% 2,6-Diisocyanatotoluol
geeignet. Weiterhin sind die Mischungen von aromatischen Isocyanaten
wie 2,4-Diisocyanatotoluol und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol mit aliphatischen oder
cycloaliphatischen Isocyanaten wie Hexamethylendiisocyanat oder
IPDI besonders vorteilhaft, wobei das bevorzugte Mischungsverhältnis der
aliphatischen zu aromatischen Isocyanate 4 : 1 bis 1 : 4 beträgt.
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Auch
Polyisocyanate mit mehr als 2 Isocyanatgruppen können mitverwendet werden. In
Betracht kommen z.B. Isocyanate und Biurete z.B. des Hexamethylendiisocyanats.
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Zum
Aufbau der Polyurethane kann man als Verbindungen außer den
vorgenannten auch Isocyanate einsetzen, die neben den freien Isocyanatgruppen
weitere verkappte Isocyanatgruppen, z.B. Uretdiongruppen tragen.
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Im
Hinblick auf gute Filmbildung und Elastizität kommen als Polyole (b) vornehmlich
höhermolekulare Polyole
(b1) in Betracht, die ein Molekulargewicht von etwa 500 bis 5000,
vorzugsweise von etwa 1000 bis 3000 g/mol haben. Es handelt sich
hierbei um das zahlenmittlere Molgewicht Mn. Mn ergibt sich durch
Bestimmung der Anzahl der Endgruppen (OH-Zahl).
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Bei
den Polyolen (b1) kann es sich um Polyesterpolyole handeln, die
z.B. aus Ullmanns Encyklopädie der
technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, S. 62 bis 65 bekannt sind.
Bevorzugt werden Polyesterpolyole eingesetzt, die durch Umsetzung
von zweiwertigen Alkoholen mit zweiwertigen Carbonsäuren erhalten
werden. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden
Polycarbonsäureanhydride
oder entsprechende Polycarbonsäureester
von niederen Alkoholen oder deren Gemische zur Herstellung der Polyesterpolyole
verwendet werden. Die Polycarbonsäuren können aliphatisch, cycloaliphatisch,
araliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein und gegebenenfalls,
z.B. durch Halogenatome, substituiert und/oder ungesättigt sein.
Als Beispiele hierfür
seien genannt: Korksäure,
Azelainsäure,
Phthalsäure,
Isophthalsäure, Phthalsäureanhydrid,
Tetrahydrophthalsäureanhydrid,
Hexahydrophthalsäureanhydrid,
Tetrachlorphthalsäureanhydrid,
Endomethylentetrahydrophthalsäurean hydrid,
Glutarsäureanhydrid,
Maleinsäure,
Maleinsäureanhydrid,
Fumarsäure,
dimere Fettsäuren.
Bevorzugt sind Dicarbonsäuren
der allgemeinen Formel HOOC- (CH2)y-COOH,
wobei y eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2
bis 20 ist, z.B. Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure und
Dodecandicarbonsäure.
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Als
mehrwertige Alkohole kommen z.B. Ethylenglykol, Propan-1,2-diol,
Propan-1,3-diol,
Butan-1,3-diol, Buten-1,4-diol, Butin-1,4-diol, Pentan-1,5-diol,
Neopentylglykol, Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexane wie 1,4-Bis-(hydroxymethyl)cyclohexan,
2-Methylpropan-1,3-diol, Methylpentandiole, ferner Diethylenglykol,
Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol,
Polypropylenglykol, Dibutylengiykol und Polybutylenglykole in Betracht.
Bevorzugt sind Alkohole der allgemeinen Formel HO-(CH2)x-OH, wobei x eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt
eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist. Beispiele hierfür sind Ethylenglycol,
Butan-1,4-diol, Hexan-1,6-diol, Octan-1,8-diol und Dodecan-1,12-diol.
Weiterhin bevorzugt ist Neopentylglykol.
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Ferner
kommen gegebenenfalls auch Polycarbonat-Diole, wie sie z.B. durch
Umsetzung von Phosgen mit einem Überschuss
von den als Aufbaukomponenten für
die Polyesterpolyole genannten niedermolekularen Alkohole erhalten
werden können,
in Betracht.
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Gegebenenfalls
können
auch Polyesterpolyole auf Lacton-Basis mitverwendet werden, wobei
es sich um Homo- oder Mischpolymerisate von Lactonen, bevorzugt
um endständige
Hydroxylgruppen aufweisende Anlagerungsprodukte von Lactonen an
geeignete difunktionelle Startermoleküle handelt. Als Lactone kommen bevorzugt
solche in Betracht, die sich von Verbindungen der allgemeinen Formel
HO-(CH2)z-COOH ableiten, wobei
z eine Zahl von 1 bis 20 ist und ein H-Atom einer Methyleneinheit
auch durch einen C1- bis C4-Alkylrest substituiert
sein kann. Beispiele sind e-Caprolacton, β-Propiolacton, g-Butyrolacton und/oder
Methyl-e-caprolacton sowie deren Gemische. Geeignete Starterkomponenten
sind z.B. die vorstehend als Aufbaukomponente für die Polyesterpolyole genannten
niedermolekularen zweiwertigen Alkohole. Die entsprechenden Polymerisate
des e-Caprolactons sind besonders bevorzugt. Auch niedere Polyesterdiole
oder Polyetherdiole können als
Starter zur Herstellung der Lacton-Polymerisate eingesetzt sein. Anstelle
der Polymerisate von Lactonen können
auch die entsprechenden, chemisch äquivalenten Polykondensate
der den Lactonen entsprechenden Hydroxycarbonsäuren, eingesetzt werden.
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Polyetherpolyole
sind insbesondere durch Polymerisation von Ethylenoxid, Propylenoxid,
Butylenoxid, Tetrahydrofuran, Styroloxid oder Epichlorhydrin mit
sich selbst, z.B. in Gegenwart von BF3 oder
durch Anlagerung dieser Verbindungen gegebenenfalls im Gemisch oder
nacheinander, an Startkomponenten mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen, wie
Alkohole oder Amine, z.B. Wasser, Ethylenglykol, Propan-1,2-diol,
Propan-1,3-diol, 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan oder Anilin erhältlich.
Besonders bevor zugt sind Polypropylenoxid, Polytetrahydrofuran eines
Molekulargewichts von 240 bis 5000, und vor allem 500 bis 4500.
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Unter
b1) fallen nur Polyetherpolyole, die zu
weniger als 20 Gew.-% aus Ethylenoxid bestehen. Polyetherdiole mit
mindestens 20 Gew.-% sind hydrophile Polyetherdiole, welche zu Monomeren
c) zählen.
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Gegebenenfalls
können
auch Polyhydroxyolefine mitverwendet werden, bevorzugt solche mit
2 endständigen
Hydroxylgruppen, z.B. α,-ω-Dihydroxypolybutadien, α,-ω-Dihydroxypolymethacrylester
oder α,-ω-Dihydroxypolyacrylester
als Monomere (c1). Solche Verbindungen sind beispielsweise aus der
EP-A 06.22378 bekannt. Weitere geeignete Polyole sind Polyacetale,
Polysiloxane und Alkydharze.
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Die
Härte und
der Elastizitätsmodul
der Polyurethane lassen sich erhöhen,
wenn als Diole (b) neben den Diolen (b1) noch niedermolekulare Diole
(b2) mit einem Molekulargewicht von etwa 60 bis 500, vorzugsweise
von 62 bis 200 g/mol, eingesetzt werden.
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Als
Monomere (b2) werden vor allem die Aufbaukomponenten der für die Herstellung
von Polyesterpolyolen genannten kurzkettigen Alkandiole eingesetzt,
wobei die unverzweigten Diole mit 2 bis 12 C-Atomen und einer gradzahligen
Anzahl von C-Atomen sowie Pentan-1,5-diol und Neopentylglykol bevorzugt
werden.
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Als
Polyole b2) kommen z.B. Ethylenglykol, Propan-1,2-diol,
Propan-1,3-diol, Butan-1,3-diol,
Buten-1,4-diol, Butin-1,4-diol, Pentan-1,5-diol, Neopentylglykol,
Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexane
wie 1,4-Bis-(hydroxymethyl)cyclohexan, 2-Methylpropan-1,3-diol,
Methylpentandiole, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol,
Polyethylenglykol, Dipropylenglykol, Polypropylenglykol, Dibutylenglykol
und Polybutylenglykole in Betracht. Bevorzugt sind Alkohole der
allgemeinen Formel HO-(CH2)x-OH, wobei x eine Zahl
von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist. Beispiele
hierfür
sind Ethylenglycol, Butan-1,4-diol, Hexan-1,6-diol, Octan-1,8-diol
und Dodecan-1,12-diol. Weiterhin bevorzugt ist Neopentylglykol.
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Bevorzugt
beträgt
der Anteil der Polyole (b1), bezogen auf
die Gesamtmenge der Diole (b) 10 bis 100 mol-% und der Anteil der
Monomere (b2), bezogen auf die Gesamtmenge
der Diole (b) 0 bis 90 mol-%. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der
Diole (b1) zu den Monomeren (b2) 0,1 : 1 bis 5:1, besonders bevorzugt
0,2 : 1 bis 2 : 1.
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Um
die Wasserdispergierbarkeit der Polyurethane zu verbessern, können die
Polyurethane von den Komponenten (a), (b) und (d) verschiedene Monomere
(c), die wenigstens eine Isocyanatgruppe oder wenigstens eine gegenüber Isocyanatgruppen
reaktive Gruppe und darüber
hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine Gruppe, die sich
in eine hydrophile Gruppe überführen lässt, tragen,
als Aufbaukomponente enthalten.
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Derartige
hydrophile Monomere können
zwar mitverwendet werden, sind aber für eine stabile Miniemulsion
nicht erforderlich. Vorzugsweise ist der Gehalt an ionischen Gruppen
kleiner 100 mmol pro 1000 g Polyurethan, besonders bevorzugt enthält das Polyurethan
keine Monomeren c).
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Die
Monomere (d), die von den Monomeren (a) bis (c) verschieden sind
und welche gegebenenfalls auch Bestandteile des Polyurethans sind,
dienen im allgemeinen der Vernetzung oder der Kettenverlängerung.
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Alkohole
mit einer höheren
Wertigkeit als 2, die zur Einstellung eines gewissen Verzweigungs-
oder Vernetzungsgrades dienen können,
sind z.B. Trimethylolpropan, Glycerin oder Zucker.
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Ferner
kommen Monoalkohole in Betracht, die neben der Hydroxyl-Gruppe eine
weitere gegenüber Isocyanaten
reaktive Gruppe tragen wie Monoalkohöle mit einer oder mehreren
primären
und/oder sekundären
Aminogruppen, z.B. Monoethanolamin.
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Polyamine
mit 2 oder mehr primären
und/oder sekundären
Aminogruppen werden vor allem dann eingesetzt, wenn die Kettenverlängerung
bzw. Vernetzung in Gegenwart von Wasser stattfinden soll, da Amine
in der Regel schneller als Alkohole oder Wasser mit Isocyanaten
reagieren. Das ist häufig
dann erforderlich, wenn wässerige
Dispersionen von vernetzten Polyurethanen oder Polyurethanen mit
hohem Molgewicht gewünscht
werden.
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Hierzu
geeignete Amine sind im allgemeinen polyfunktionelle Amine des Molgewichtsbereiches
von 32 bis 500 g/mol, vorzugsweise von 60 bis 300 g/mol, welche
mindestens zwei Aminogruppen, ausgewählt aus der Gruppe der primären und
sekundären
Aminogruppen, enthalten. Beispiele hierfür sind Diamine wie Diaminoethan,
Diaminopropane, Diaminobutane, Diaminohexane, Piperazin, 2,5-Dimethylpiperazin,
Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexan
(Isophorondiamin, IPDA), 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan,
1,4-Diaminocyclohexan, Aminoethylethanolamin, Hydrazin, Hydrazinhydrat
oder Triamine wie Diethylentriamin oder 1,8-Diamino-4-aminomethyloctan.
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Die
Amine können
auch in blockierter Form, z.B. in Form der entsprechenden Ketimine
(siehe z.B. CA-A 1 129 128), Ketazine (vgl. z.B. die US-A 4 269
748) oder Aminsalze (s. US-A 4 292 226) eingesetzt werden. Auch
Oxazolidine, wie sie beispielsweise in der US-A 4 192 937 verwendet
werden, stellen verkappte Polyamine dar, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane
zur Kettenverlängerung
der Prepolymeren eingesetzt werden können.
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Monomere
(e), die gegebenenfalls mitverwendet werden, sind Monoisocyanate,
Monoalkohole und monoprimäre
und -sekundäre
Amine. Im allgemeinen beträgt
ihr Anteil maximal 10 mol-%, bezogen auf die gesamte Molmenge der
Monomere. Diese monofunktionellen Verbindungen tragen üblicherweise
weitere funktionelle Gruppen wie olefinische Gruppen oder Carbonylgruppen
und dienen zur Einführung
von funktionellen Gruppen in das Polyurethan, die die Dispergierung
bzw. die Vernetzung oder weitere polymeranaloge Umsetzung des Polyurethans
ermöglichen.
In Betracht kommen hierfür
Monomere wie Isopropenyl-a,a-dimethylbenzylisocyanat (TMI) und Ester
von Acryl- oder
Methacrylsäure
wie Hydroxyethylacrylat oder Hydroxyethylmethacrylat.
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Überzüge mit einem
besonders guten Eigenschaftsprofil erhält man vor allem dann, wenn
als Monomere (a) im wesentlichen nur aliphatische Diisocyanate,
cycloaliphatische Diisocyanate oder araliphatische Diisocyanate
eingesetzt werden.
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Bei
den Polysiloxanen kann es sich je nach Art der reaktiven Gruppen
(R5 und R6) und
nach Höhe
der Molekulargewichte um Monomere b) oder d) handeln.
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Durch
den Gehalt an Polysiloxanen wird eine verbesserte Stabilität der Miniemulsion
erreicht. Die erhaltenen Dispersionen sind sehr feinteilig.
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Für eine derartige
Stabilitätsverbesserung
ist schon ein Gehalt von vorzugsweise mindestens 0,5 Gew.-%, besonders
bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, insbesondere mindestens 2 Gew.-%
oder 5 Gew.-% bezogen auf das Polyurethan ausreichend.
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Der
Gehalt an Polysiloxanen der Formel I kann insgesamt bis zu 90 Gew.-%,
insbesondere bis zu 70 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 50 Gew.-%
betragen.
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Vorzugsweise
beträgt
der Gehalt z.B. 1 bis 70 Gew.-% bzw. 2 bis 50 Gew.-%, insbesondere
5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Polyurethan.
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Normalerweise
werden die Komponenten (a) bis (e) sowie ihre jeweiligen Molmengen
so gewählt, dass
das Verhältnis
A : B mit
- A der Molmenge an Isocyanatgruppen
und
- B der Summe aus der Molmenge der Hydroxylgruppen und der Molmenge
der funktionellen Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion
reagieren können
0,5
: 1 bis 2 : 1, bevorzugt 0,8 : 1 bis 1,5, besonders bevorzugt 0,9
: 1 bis 1,2 : 1 beträgt.
Ganz besonders bevorzugt liegt das Verhältnis A : B möglichst
nahe an 1 : 1.
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Die
eingesetzten Monomere (a) bis (e) tragen im Mittel üblicherweise
1,5 bis 5, bevorzugt 1,9 bis 2,1, besonders bevorzugt 2,0 Isocyanatgruppen
bzw. funktionelle Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion
reagieren können.
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Die
Polyaddition der Komponenten (a) bis (e) zur Herstellung des Polyurethans
erfolgt vorzugsweise bei Reaktionstemperaturen von bis zu 180°C, bevorzugt
bis zu 100°C
unter Normaldruck, unter autogenem Druck oder unter Überdruck
eines Fremdgases, z.B. Stickstoff oder Kohlendioxid.
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Die
Herstellung der Miniemulsionen ist bereits bekannt und wurde oben
beschrieben.
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An
dieser Stelle sei noch auf die folgenden besonderen Ausführungsformen
hingewiesen:
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Herstellung
der Polysiloxane
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Die
Polysiloxane der Formel I können
aus ihren Ausgangsverbindungen in der gleichen wässrigen Phase, in der die Miniemulsion
gebildet wird, hergestellt werden (in situ).
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Die
Herstellung kann vor, während
oder nach der Herstellung der Miniemulsion erfolgen.
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Insbesondere
kann eine Miniemulsion aus den Ausgangsverbindungen der Polyurethane
hergestellt werden und in dieser Miniemulsion die Umsetzung zu den
Polysiloxanen und Polyurthanen erfolgen.
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Hybridsysteme
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Die
wässrigen
Dispersionen können
neben dem Polyurethan weitere Polymere, insbesondere durch radikalische
Polymerisation erhältliche
Polymere enthalten. Vorzugsweise handelt es sich um sogenannte Hybridsysteme.
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In
diesen Hybridsystemen liegen das Polyurethan und Polymer in den
dispergierten Teilchen im Gemisch vor und sind vorzugsweise zum
Teil aneinander gebunden.
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Bei
der Herstellung der Hybridsysteme können die Ausgangsverbindungen
des Polyurethans und die Monomere des durch radikalische Polymerisation
erhältlichen
Polymeren in der gleichen Miniemulsion polymerisiert werden, wie
es z.B. in der DE- A
10241294 (PF 53898) beschrieben ist. Die Hybridsysteme werden dann
direkt durch Polymerisation in Miniemulsion erhalten.
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Im
Falle dieser Hybridsysteme beziehen sich die obigen Gewichtsanteile
des Polysiloxans nicht auf das Polyurethan allein, sondern auf das
ganze im Miniemulsion erhaltene Hybridsysteme.
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Vorzugsweise
besteht das durch radikalische Polymerisation erhältliche
Polymer zu mindestens 60 Gew.-% aus C1-C20-Alkyl(meth)acrylaten. Der Anteil des Polyurethans
in den Hybridsystemen kann z.B. 5 bis 95 Gew.-% betragen. Der Anteil
des anderen Polymeren ergänzt
sich entsprechend zu 100 % und kann ebenfalls 5 bis 95 Gew.-% betragen.
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Die
erfindungsgemäßen Dispersionen
des Polyurethans (oder auch Hybridsystems) haben eine gute Stabilität.
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Sie
neigen kaum zur Agglomerisation oder Sedimentation.
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Die
erhaltenen Dispersionsteilchen sind feinteiliger im Vergleich zu
Polyurethanen ohne diese Polysiloxane.
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Die
Dispersionen haben gute anwendungstechnische Eigenschaften, insbesondere
eine gute Haftung auf üblichen
Substanzen aus Metall, Kunststoff oder Holz.
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Die
Dispersionen eignen sich gut als Bindemittel für Klebstoffe, Dichtungsmassen
oder Beschichtungsmittel.
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Die
Dispersionen eignen sich auch gut als Bindemittel für kosmetische
Zubereitungen, z.B. Haarspray, Styling-Gel, Nagellack, Make up oder
Shampoo. Bei kosmetischen Zubereitungen beträgt der Gehalt der Polysiloxane
der Formel I vorzugsweise 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt
mindestens aber 0,5 bis 10 Gew.-%.
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Insbesondere
eignen sie sich auch als Schaumstabilisatoren, z.B. für Polyurethanschäume. Bei
der Verwendung als Schaumstabilisator ist ein Gehalt von mindestens
10 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 20 Gew.-% und von maximal
80 Gew.-%, besonders
bevorzugt maximal 60 Gew.-% Polysiloxan der Formel I im Polyurethan
vorteilhaft.
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Beispiele
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Einsatzstoffe und Abkürzungen
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- IPDI: Isophorondiisocyanat Tegomere:
- Tegomer 2111: n = 10
- Tegomer 2311: n = 30
- PU: Polyurethan
- PS: Polystyrol
- PA: Polyacrylat
- DDDBr: Didodecylmethammoniumbromid
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Beispiel 1:
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6
g einer Monomermischung aus 0.5355 IPDI und 5.4645 g Tegomer 2311
werden mit 200 mg Hexadekan gemischt und zu einer Lösung auf
200 mg Natriumdodecylsulfat und 24 g Wasser gegeben. Nach einstündigem Rühren bei
höchster
Magnetrührerstufe
werden 50 mg Dioctylzinndilaurat als Katalysator zugegeben, dann
wird die Miniemulsion durch zweiminutiges Ultraschallen (Branson
Sonifier W450 Digital) bei einer Amplitude von 90 % (Branson Sonifier
W450) unter Eiskühlung
hergestellt. Anschließend
wird die Temperatur auf 60°C
erhöht.
Die Reaktion ist nach 2 Stunden beendet.
Teilchengröße: | 194
nm |
Feststoffgehalt: | 19.00
% |
Molekulargewicht: | 51.3·103 g/mol |
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Beispiel 2:
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Wie
Beispiel 1, die Monomermischung besteht aus 1.3456 g IPDI und 4.6544
g Tegomer 2111.
Teilchengröße: | 198
nm |
Feststoffgehalt: | 19.96 |
Molekulargewicht: | 40.5·103 g/mol |
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Beispiel 3:
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Wie
Beispiel 1, mit Dibutylzinndilaurat (DBTL) als Katalysator.
Teilchengröße: | 434
nm |
Feststoffgehalt: | 20.41
% |
Molekulargewicht: | 20.2·103 g/mol |
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Beispiel 4:
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6
g einer Monomermischung aus 0.6744 IPDI, 5.166 g Tegomer 2311 und
0.152 g Dodecandiol werden mit 200 mg Hexadekan gemischt und zu
einer Lösung
aus 200 mg Natriumdodecylsulfat und 24 g Wasser gegeben. Nach einstündigem Rühren bei
höchster
Magnetrührerstufe
werden 50 mg Dioctylzinndilaurat als Katalysator zugegeben, dann
wird die Miniemulsion durch zweiminütiges Ultraschallen (Branson
Sonifier W450 Digital) bei einer Amplitude von 90 % (Branson sonifier
W450) unter Eiskühlung
hergestellt. Anschließend
wird die Temperatur auf 60°C
erhöht.
Die Reaktion ist nach 2 Stunden beendet.
Teilchengröße: | 222
nm |
Feststoffgehalt: | 19.86
% |
Molekulargewicht: | 51.3·103 g/mol |
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Beispiel 5:
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Wie
Beispiel 4 mit einer Monomermischung aus 1.8840 g IDPI, 3.2584 g
Tegomer 2111 und 0.8576 g Dodecandiol.
Teilchengröße: | 116
nm |
Feststoffgehalt: | 10.98 |
Molekulargewicht: | 51.3·103 g/mol |
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Beispiel 6 (Herstellung
eines Hybridystems):
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6
g einer Monomermischung aus 0.2678 g IPDI, 2.7323 g Tegomer 2311
und 3 g Styrol werden mit 200 mg Hexadekan gemischt und zu einer
Lösung
auf 200 mg Natriumdodecylsulfat und 24 g Wasser gegeben. Nach einstündigem Rühren bei
höchster
Magnetrührerstufe
werden 25 mg Dioctylzinndilaurat als Katalysator zugegeben, dann
wird die Miniemulsion durch zweiminütiges Ultraschallen (Branson
Sonifier W450 Digital) bei einer Amplitude von 90 % (Branson sonifier
W450) unter Eiskühlung
hergestellt. Anschließend
wird die Temperatur auf 60°C
erhöht.
Nach 3 Stunden Reaktion bei 60°C
wird die Temperatur auf 72°C
erhöht
und es werden 50 mg KPS (Kaliumpersulfat) zugesetzt. Die Reaktion
ist nach 4 Stunden beendet.
Teilchengröße: | 85
nm |
Feststoffgehalt: | 18.37
% |
Molekulargewicht
(des PU): | 55.6·103 g/mol |
Molekulargewicht
(des PS): | 513·103 g/mol |
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Beispiel 7:
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Herstellung des Polysiloxan
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0.4
g Didodecylmethyammoniumbromid und 2 g 1 N NaOH werden zu 7.217
g D4 und 2.753 g M2BOH gegeben. Durch Rühren wird eine Suspension erhalten.
Die Reaktion erfolgt bei einer Temperatur von 60°C (72 h Reaktionszeit). Das
Molekulargewicht des gebildeten PDMS beträgt 2000·103 g/mol
(mit GPC bestimmt). Nach Beendigung der Reaktion wird das Produkt
dreimal gewaschen.
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Herstellung des Hybridsystems
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Zur
Herstellung der Miniemulsion werden 2.842 g PDMS, 0.158 g IPDI und
3 g Styrol eingesetzt. Nach einstündigem Rühren bei höchster Magnetrührerstufe
werden 25 mg Dioctylzinndilaurat als Katalysator zugegeben, dann
wird die Miniemulsion durch zweiminütiges Ultraschallen (Branson
Sonifier W450 Digital) bei einer Amplitude von 90 % (Branson sonifier
W450) unter Eiskühlung
hergestellt. Anschließend
wird die Temperatur auf 60°C
erhöht.
Nach 3 Stunden Reaktion bei 60°C
wird die Temperatur auf 72°C
erhöht
und es werden 40 mg KPS zugesetzt. Die Reaktion ist nach 4 Stunden
beendet.
Teilchengröße: | 75
nm |
Molekulargewicht
(PS): | 310·103 g/mol |
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Beispiel 8:
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Wie
Beispiel 7, Monomermischung aus 2.842 g PDMS, 0.158 g IPDI und 3
g Butylacrylat.
Teilchengröße: | 97
nm |
Molekulargewicht
(PU): | 40·103 g/mol |
Molekulargewicht
(PA): | 290·103 g/mol |
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Beispiel 9:
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10,7
g Tegomer H-Si 2111, 14,96 g geschmolzenes Cyclohexandimethanol
und 15,8 g IPDI werden gemischt und mit 96,6 g VE-Wasser, das 3,7
g Texapon NSO enthält,
mit einem Magnetrührer
gerührt.
Dann wird mit einem Branson Sonifier W 450 4 min bei 100% Amplitude
und 50% Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 25 %,
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Beispiel 10:
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2,5
g Tegomer H-Si 2111, 2,19 g geschmolzenes Cyclohexandimethanol,
3,18 g Polyetherol Lupranol VP 9343 und 4,2 g IPDI werden gemischt
und mit 27,4 g VE-Wasser, das 1,6 g Steinapol NLS enthält mit einem Magnetrührer gerührt. Dann
wird mit einem Branson Sonifier W 450 90 s bei 100 % Amplitude und
50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 2 Tropfen DBTL versetzt und 4 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 29 %,
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Beispiel 11, Vergleichsbeispiel:
PolyTHF1000 statt Tegomer H-Si 2111:
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2,85
g PolyTHF1000, 2,06 g geschmolzenes Cyclohexandimethanol, 2,99 g
Polyetherol Lupranol VP 9343 und 3,96 g IPDI werden gemischt und
mit 26,9 g VE-Wasser, das 1,6 g Steinapol NLS enthält mit einem Magnetrührer gerührt. Dann
wird mit einem Branson Sonifier W 450 90 s bei 100 % Amplitude und
50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 2 Tropfen DBTL versetzt und 4 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 28,6 %,
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Beispiel 12:
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32,1
g Tegomer H-Si 2111, 7,0 g Butandiol 1,4, 1,6 g Hexadecan und 25,9
g IPDI werden gemischt und mit 108,4 g VE-Wasser und 17,4 g Steinapol
NLS bei RT mit einem Magnetrührer
gerührt.
Dann wird mit einem Branson Sonifier W 450 4 min. bei 100 % Amplitude
und 50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 31,2 %
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Vergleichsbeispiel 13:
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35,2
g pTHF1000, 6,3 g Butandiol 1,4, 1,6 g Hexadecan und 23,47 g IPDI
werden gemischt und mit 108,4 g VE-Wasser und 17,4 g Steinapol NLS
bei RT mit einem Magnetrührer
gerührt.
Dann wird mit einem Branson Sonifier W 450 4 min bei 100 % Amplitude
und 50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 31 %
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Beispiel 14:
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22,3
g Tegomer H-Si 2111, 12,7 g 3-Methyl-Pentandiol-1,5; 1,6 g Hexadecan
und 30 g IPDI werden gemischt und mit 108,4 g VE-Wasser und 17,4
g Steinapol NLS bei RT mit einem Magnetrührer gerührt. Dann wird mit einem Branson
Sonifier W 450 4 min bei 100 % Amplitude und 50 % Puls unter Eiskühlung beschallt. Die
Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf 60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 31,8 %
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Vergleichsbeispiel 15:
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25
g Polyesterdiol (OHZ 105 mg KOH/g), 11,6 g 3-Methyl-Pentandiol-1,5;
1,6 g Hexadecan und 27,5 g IPDI werden gemischt und mit 108,4 g
VE-Wasser und 17,4 g Steinapol NLS bei RT mit einem Magnetrührer gerührt. Dann
wird mit einem Branson Sonifier W 450 4 min bei 100 % Amplitude
und 50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 31 %
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Beispiel 16:
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32,9
g Tegomer H-Si 2111, 7,2g Butandiol 1,4, und 26,6 g IPDI werden
gemischt und mit 108,4 g VE-Wasser und 17,4 g Steinapol NLS bei
RT mit einem Magnetrührer
gerührt.
Dann wird mit einem Branson Sonifier W 450 4 min. bei 100 % Amplitude
und 50 % Puls unter Eiskühlung
beschallt. Die Probe wird mit 6 Tropfen DBTL versetzt und 5 h auf
60°C erwärmt. Nach
Filtration über
40 my beträgt
der Feststoffgehalt 29 %