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Verfahren zur Herstellung von Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisaten
Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymeri sate sind in ietzter Zeit aufgrund
ihrer Sigenschaften in grösserem Ausmap gewerblich verwendet worden. Der Hauptverwendungszweck
ist der Einsatz dieser Verbindungen als Schaumstabilisatoren bei der-Herstellung
von Polyurethanschaumstoffen auf Polyätherbasis. Sie verdanken dabei ihre Verwendungsmöglichkeit
in erster Linie ihrer Oberflächenaktivität. Diese Oberflächenaktivität ist zwar
notwendige, jedoch nicht hiijreichende Bedingung. Ganz offensichtlich müssen noch
eine Reihe weiterer zum Teil sehwer erfaßbarer Bedingungen erfüllt sein, damit Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymérisate
zur Stabilisierng der Polyätherurethanschäume geeignet sind, da eine große Anzahl
oberflächenaktiver Blookmischpolynerisate die Bildung eines stabilen Schaumes nicht
fördern oder einen entsprechenden Schaum zum Zusammenfallen bringen.
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Es sind bereits eine Reize von Verfahre@ @ur stellung von Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisaten
bekannt. Derartige Verfahren sind z.B. in e@ deutschen Patentschriften 1 012 602
und 40@0 1 251 @ Bei in der USA-Patentschrift 3 115 512 beschrieben. die- werden
sen Verfahre- Gemische er polymeren von enthalten Verbindungen erhalten. Diese Gemische
nehr weni- oder effektiv ger grope Anteile an wirksamen Substanzen. Insbesondere
bei Verfahrensrodukten, wie sie ent@prechend den Verfahren der vorgenannten deutschen
Patentschriften entstehen, ist es schwierig, die besonders wirksamen Anteile in
reproduzierbarer und optimaler @eise zu er-Alten.
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Bessere Ergebnisse werden nach den in der vorgenannten USA-Patentschrift
angegebenen Verfahren erhalten, d diese Verfahrensprodukte äquilibrisrt sind, d.h.
sicr zumindest angenähert hinsichtlich ihrer Molekülgröße in einer durch statistische
Gesetze geregelten Verteilung befinden.
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Wählt nan die Reaktionspartner und Reaktionsbedingungen so, daß das
Maximum der Verteilungskurve die optimal wi@@samen Verbindungen umfaßt, hat man
eine gute Gewähr dafür, einen
besonders hohen Gewalt an wirksamen
Verbindungen im Block@ @ischpolymerisat vorzufinden.
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Verständlicherweise ist es für die Anwendung diese : Verbindungen
erwünscht, daß sie in ihren Eigenschaften reproduzierbare und in ihrer Wirkungsweise
optimale Eigenschaften aufweisen. Dies läßt sich nur dadurch erreichen, dap der
Gehalt an hochwirksamen Verbindungen optimal und reproduzierbar ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, durch Wahl geeigneter
Ausgangsverbindungen und Reaktionsweisen Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisate
herzustellen, die diesen Anforderungen entsprechen.
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Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, da man äquilibrierte oder zumindest
angenähert polymereinheitliche Verbindungen der allgemeinen Formel
R R1 R |
a) HO-Si-O- Si--- O -- Si-O- H mit Silanen (R3)2Si(X1)2 |
R1 a O'HSIlO)aH b a oder (R4)2Six2x3 |
R nl l R. |
1 |
b) H- Si-O- 0 - Si-O Si-H nit Silanen (R3>2Six1M |
Xd' |
-(oi-o oder L- |
.&. a-1 1R |
Rl |
c) X Si-O- ; Si O |Si O i ll mit Silanen (R3)2SiX1H |
a P Si-Gl]b 8 s-1R R1 -l odar 2SiX/II |
R ~1R |
in an sich bekannter leise umsetzt und die erhaltenen Reaktionsprodukte
in an sich bekannter Weise mit Verbindungen der Fromel ZOH oder Gemischen ZIOH und
Zl(OH)p umsetzt. Die nach diesen Verfahren erhaltenen Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisate
lassen sich durch die durchschnittliche Polymerenformel
beschreiben.
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Die in den vorstehenden Formeln verwendeten Syrlbole und Indizes
haben dabei fol@ende Bedeutung:
R symbolisiert gleiche oder verschiedene
Kohlenwasserstoffreste, welche substituiert sein können. Diese Reste sollen frei
von aktivem Wasserstoff sein, wobei als aktiver Wasserstoff ein solcher anzuse@en
i i-t, der bei der Reaktion nach Zerewitinoff reagieren würde. Beispiel@ derartiger
Reste R sind z.B. Alkylreste, wie etwa der Methyl-, Aethyl-, Butyl- oder Stearylrest.
Ferner Alkenylreste, wie etwa der Vinyl- jder allylrest. Die Reste R können die
3e-Bedeutung eines Arylrestes haben uA z.B. den Phenyl-, Toluyl-oder Xylylrest darstellen.
Beispiel@ substituierter Kohlenwasserstoffreste sind der γ-Chlorpropyl-, ß-Cyanäthyl-,
Chlorphenyl-, γ-Acetoxypyl- oder 3,3,3-Trifluorpropylrest. Ein kleiner Teil
der Reste R kann auch ein Aequivalent eines mehrwertigen Kohlenwasserstoffrestes
darstellen. Die freien Valenzen derartiger Reste R sättigen. sich gegenseitig ab.
Vorzugsweise sind mehr als 80 % der Reste R Methylre te. Besonders bevorzugt sind
jedoch Verbindungen, bei denen alle Reste R Methylrestè sind.
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R1 kann dieselbe Bedeutung wie der Rest R haben. Vorzugsweise sind
die Reste R1 jedoch @ethyl-, Aethyl-, Vinyl-und/oder Phenylreste.
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R2 kann die Bedeutung des Restes K oder die Bedeutung des testes
OZ haben. Bevorzugte Reste R2 sind die Methyl-, Aetliyl-, Vinyl- und/oder Pllenylreste.
Innerhalb des Polymerenmoleküls kann ein Teil der Reste R2 die Bedeutung des Restes
X, ein anderer Teil die Bedeutung des Restes OZ haben. Besonders bevorzugt sirid
dabei Verfahrensprodukte, bei @enen an den endständigen Si-Atomen ein R2 = OZ ist
und ein in = Methyl, Aetliyl, Vinyl oder Phenyl bedeutet. Weiterhin bevorzugt sind
solche Reste, welche eine grobe Raumerfüllung aufweisen und daher eine sterische
Hinderung verursachen. Besonders bevorzugte Reste R2 mit einem solchen Raumerfüllungseffekt
sind isopropyl- oder tert. Butylreste.
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Z i-st der von einer Verbindung der Formel ZOH abgeleitete Rest.
Die Verbindungen ZOH sind Anlagerungsprodukte. von Alkylenoxiden an Alkohole oder
Phenole. Bevorzugte Alkylenoxide sind Aethylenoxid und Propylenoxid, wobei jedoch
Gemische der beiden innerhalb des Anlagerungsproduktes der Vorzug gegeben wird.
Dabei können die beiden Alkylenoxide in statistischer Folge oder in einer Folge
von Blöcken vorliegen. Das zuletzt angelagert Alkylenoxid
soll jedoch
vorzugsweise Propylenoxid sein, damit die freie Hydroxylgruppe eine sekundäre Hydroxylgruppe
ist. Verwendet man als zuletzt anzulagerndes Alkylenoxid Isobutylenoxid oder andere
Alkylenoxide, die zur Bildung einer tertiären Hydroxylgruppe führen, erhält man
Verbindungen, deren Hydrolysenstabilität beträchtlich erhöht ist.
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Besonders bevorzugte Verbindungen der Formel ZOH lassen sich durch
die allgemeine Formel R5O [C2H4O]n1 [C5H6O]m1 H darstellen, wobei R5 ein Kohlenwasserstoffrest,
vorzugsweise ein Alkyl- oder Arylrest, insbesondere ein niederer Alkylrest. ist
und n1 und m1 ganze Zahlen sind und n1 vorzugsweise einen Wert von 0 bis 20, m1
einem solchen von 10 bis 25 hat. Besonders bevorzugte Verbindungen der Formel ZOH
sind dabei solche eines Molekulargewichts von 1300 bis 2300.
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Ein Teil der Verbindungen ZOH kann durch äquivalente Teile einer
mehrwertigen bevorzugt zweiwertigen Hydroxylverbindung Z1 (OH) ersetzt sein. p bedeutet
dabei die Anp zahl der Hydroxylgruppen des Alkoholes und ist deshalb eine lanze
Zahl im Bereich von 2 bis 6, vorzugsweise 2.
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Der mehrwertige Älkohol Zl(OH)p ist wiederum ein Anlagerungsprodukt
von Alkylenoxiden an mehrwertige Hydroxylverbindungen, z.B. Vasser, Glykol, Glycerin,
Trimethylolpropan oder Sorbit. Hinsichtlich Art und Verteilun; der-Alkylenoxide
im Anlagerungsprodukt treffen auch hier die bezüglich der Verbindungen ZOH gemachten
Angaben zu. Der Bereich des Molekulargewichtes kann jedoch weiter gewählt sein,
da bereits Dipropylenglykol als Verbindung Zl(OH)p verwendet werden'kann Bevorzugte
Verbindungen der Formel Zl(OH)p entsprechen der allgemeinen Formel HO [C2H4O]n2
[C3H6O]m2 H BAD ORIGI@
wobei n2 und m2 ganze Zahlen sind, n2 jedoch
auch den Wert O waben zahn. Das @ Rolekular@ewicht dieser Verbindungen liegt vorzugsweise
in einen Bereich zwischen 1@@0 und 3000.
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Die Verbindungen Zl(CH)@ sollen vorzugsweise @inde@tens 40 Gewichts
% Oxypropyleneinhei t 1 enthalten.
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Wird ein Teil der Verbindungen ZOH durch Verbindungen Zl(OH)p ersetzt,
so sollen in de@ Genisch vorzugsweise nicht mehr als p/6 Anteile Zl(OH)p ent@@lten
sein. symbolisiert Reste der @edeutung R und/oder X1.
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Enstpricht R3 einem R-Rest, so ist er vorzu@@@ eise ein Kethyl-, Aethyl-,
Viiiyl- oder Phenylrest. X1 ist ein Halogen-und/oder Acyloxyrest. Es ist selbstverständlich,
daß in der Formel (R3)2 Si X1 M1 und (R3)2 Si X1 H X1 nur ein Halogen- oder ein
Acyloxyrest sein kann. Ist X1 ein Halo@enrest, so ist der Chlorrest bevorzugt. Ist
X1 ein Acyloxyrest, so i@t der Acetoxyr@ rt bevorzugt.
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R4 symbolisiert Reste der. edeutung R und/oder X3.
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Entspricht R4 einer R-Rest, so ist er vorzugsweise ein
Methyl-,
Aethyl-, Vinyl- oder Phenylrest. X3 ist ein niederer Alkoxyrest, vorzugsweise der
Aethoxyrest.
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X2 ist ein Halogenrest, vorzugsweise Chlor.
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M bedeutet ein Sauerstoffatom oder einen zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest.
Ist @ ein zweiwertiger Kohlenwasserstoffrest, so sind Alkylenreste der Formel -(CH2)d
bevorzugt, wobei d = 2, 3 oder 4 ist.
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M1 ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoffrest, welcher formal bei
der Aufnahme eines Wasserstoffatoms die Bedeutung des Restes M erhält. Dies kann
durch die scherilatische Darstellun erläutert werden:
Der Index a hat einen Wert von 3 bis 40, vorzugsweise 7,5 bis 30, insbesondere 0
bis 25.
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Der Index b hat einen Wert von 0 bis 10, vorzugsweise O bis 3, insbesondere
0.
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Der Index c hat einen Wert von 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 3¢ insbesondere
1 bis 2.
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Innerhalb der nach den erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Produkte
sind insbesondere diejenigen bevorzugt, bei denen das durchschnittliche Polymerenmolekül
3 bis 10, insbesondere 4 bis 6 endständige 0Z-Reste aufweist. Der Siliciumgehalt
des Polymerengemisches soll 3 bis 15 Gew. % betragen.
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Da die als Ausgangssubetanzen dienenden Siloxane bei den Verfahren
a , b und c äquilibriert oder ammindest angenähert polymereinheitlich sein sollen,
überträgt sich dieser Zustand aucn auf die Anteile
des Endproduktes.
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Da polymereinheitliche Verbindungen schwierig zu erhalten und aus
wirtschaftlichen Gründen deshalb kaum zu verwerten sind, sind auch solche Siloxane
bevorzugt, welche zwar nicht polymereinheitlich sind, doch eine relativ enge Molakulargewichtsverteilung
aufweisen.
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Besonders gute Eigenschaften zeigen die Verfahrensprodukte besonders
dann, wenn im Polymerengemisch die Moleküle in Bezug auf den Index c möglichst einheitlich
sind, d.h., der Wert von c der Einzelmoleküle soll möglichst wenig von dem Durchschnittswert
es Gemisches abweichen.
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Die Polysiloxanole, von denen .1an bei der erfindungsgemäßen Reaktion
a ausbeht, lassen sich auf yerschiedene Weise herstellen. Ein bequemes Herstellungsverfahren,
welches die Polysiloxane in äquilibriertein Zustand herzustellen gestattet, ist
in der deutschen Patentschrift (Patentanmeldung G 38 311 IVd/39c) beschrieben. Bei
diesem
Verfahren werden Chlorpolysiloxanylsulfate mit Ammoniak,
primären oder se@andären Aminen u@ umgesetzt und die Reaktionsprodukte hydrolysiert.
Da die Chlorpolysiloxahylsulfate leicht zu äquilibrieren sind, fallen auch die Polysiloxanole
in äquilibriertem Zustand an. Ist die Herstellung polyhereinheitlicher Polysiloxanole
beaboichtigt, so kann dieses Gemisch durch physikalische Tren@operation, die z.B.
@olekulerdestillation, In zumindest ein enänert polymereinheitliche Fraktionen aufgespalten
werden.
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Die Polysiloxane, welche bei der erfindungsgemäßen Reaktion b als
Ausgangsverbindunge@ fungieren, enthalten endständig an Siliciunatene gebundenen
Wasserstoff. Die Herstellun auch Solcher Polysiloxane ist bekannt und z.B. in der
deutschen Auslegeschrift 1 181 907 beschrieben. Man kann beispielsweise diese Verbi@dungen
durch Kondensationsreaktionen oder Umsetzungen der entsprechenden #,# #-Bischlorverbindungen
:iit t Metallhydriden oder metallorganischen Verbindungen bzw. durch Cohydrolyse
und Aequilibrierung hrstellen.
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Die Herstellun der bei den erfindungsgemäßen Verfahren c als Ausgangssubstanzen
dienenden Polysiloxane mit endständig ungesättigten Gruppen ist. Z.B. in der deutschen
Auslegeschriftll65 869 beschrieben.
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Die Umsetzung des Polysiloxanols in erfindungsgemäßen Verfahren a
mit Silanen der Formel (R3)2 Si (xl) 2 erfolgt gegebenenfalls in einem Lösungsmittel
bevorzugt in Gegenwart eines Säureakzeptors. Besonders geeignet sind hierbei als
Säureakzeptoren Amine wie Triäthylamin, Diäthylamin, Dimethylanilin und Pyridin.
Man legt dabei zweckmäßig das Silan vor, dem cian den Säureakzeptor, insbesondere,
wenn er ein tertiäres Amin ist, zufügen kann und tropft das Polysiloxanol zu. Man
kann sowohl das silan wie das Polysiloxanol mit Lösungsmitteln verdünnen. Das hierbei
entstehende Reaktionsprodukt enthält das bei der Umsetzung gebildete Salz. Dieses
braucht für die weitere Umsetzung mit dem Alkohol der Pormel ZOH bzw. dem Gemisch
ZOH und Zl(OH)p nicht abgetrennt werden, da es die Umsetzung nicht stört.
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Die Umsetzung der Polysiloxanole mit Silanen der Formel (R4)2 Si
X2 X3 erfolgt in analoger Weise. Es ist jedoch zweckmäßig. das aufallende Salz vor
der Weiterverarbeitung abzuffltrieren.
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Die Umsetzun, der Polysiloxane, welche endständig am Siliciumatom
Wasserstoff gebunden aufweisen (Verfahren h) @it Silaiien der Formel (R3)2 Si X1
M1 oder (R4)2 Si X3 M1 bzw die Umsetzung der Polysiloxane, welche endst@@dig ungssättigte
Gruppen am Silicium gebunden enthalten, mit Silanen, der Formel (R3)2 Si X1 H oder
(R4)2 Si X3 H wird unter Bedingungen durchgeführt, wie sie bei dr edition von SiH-Ruppen
an ungesättigte Gruppen üblich sind. Die Umsetzungen
werden bei
erhöhter Temperatur, etwa 20 - 200°C unter Verwendung von Katalysatoren durchgeführt.
Als Katalysatoren können z.B. auf Kohle oder Aluminiumoxid niedergeschlagenes Platin,
Platinchlorwasserstoffsäure oder komplexe Platinverbindungen, wie z.B. Pyridin-(Aethylen)-PtCl2
verwendet werden.
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Die nach einer der erfindungsgemäße@ Reaktionen a, b und c erhaltenen
Reaktionsprodukte werden in an sich bekannter Weise mit Verbindungen der Formel
ZOH oder Gemischen ZOH und Zl(OH) p umgesetzt. Je nach der Art des flir die Umsetzung
verwendeten Silans muß man sich dabei zweier verschiedener Verfahren bedienen. Erfolgte
die Umsetzung mit Silanen, welche den Substituenten X1 enthielten, so entsprechen
die Reaktionsbedingungen bei der-nun folgenden Umsetzung mit dpn Alkoholen den Bedingungen,
wie sie z B. in der USA-Patentschrift 3 115 512 angegeben sind. Zwackmapig werden
die Verbindungen ZOH bzw.
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Gemische aus ZOH und Zl(OH) azeotrop getrocknet und in einem Lösungsmittel
gelöst, welches vorzugsweise Benzol oder Toluol sein soll. Dieser Lösung wird das
Umsetsungsprodukt aus Polysiloxan und X1-Gruppen enthaltenden Silanen zugsgeben.
Man gibt nun als Säurefänger Ammoniak oder Amine zu und läßt die
Reaktion
bei Temperaturen bis zu 100°C ablaufen. Anschliessend wird das ausgefallene Salz
abfiltriert und das Lösungsittel abdestilliert. wurden äquilibrier-te oder zumindest
angenähert polynereinheitliche Polysiloxane entsprechend der anderen Alternative
der erfindungsgemäßen Verfahren a, b und c mit Silanen ungesetzt, welche die Gruppe
X3 enthalten, wählt man eine Verfahrensweise, wie sie z.Ü. in der USA-Patentschrift
2 476 309 oder den deutschen Patentschriften 1 012 602 bzvl. 1 040 251 beschrieben
ist. Es han@elt sich dabei um einfache Umesterungsreaktionen, bei denen der in Freiheit
gesetzte, vom Rest K3 herrührende niedere Alkohol fortlaufend aus den Reaktionsgemisch
entfernt wird. @an bedient sich dabei zweckmäßig eines Katalysators, insbesondere
der Trifluoressigsäure zu beschleunigten Einstellung des Gleiciigev'ichts bei der
Umesterung.
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Dabei kann es von Vorteil sein, die Reaktion in einem Lösungsmittel,
ic z.B. Toluol oder Xylol, ablaufen zu lassen.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisate
sind bereit
bei erheblich niedrigerer Konzentration wirksam als
dies bisher dem Stand der Technik nach möglich war. Die mit dieson Stabilisatoren
@ergestellten Schäume haben dabei eine gleichmäßigere Struktur. Das hat zur Fol,
e, daß z.B. die Porosität des flexiblen Schaums über dem gesamten Block vom Boden
@is zur Kuppe etwa gleich ist. Mit@els der erfindungsgomäß @e@@estellten Bloc@mischpolyherisate
können Schäume mit besonders hoher Porpsität, also geringe@ Widerstand ge-@enüber
Luftdurchtritt, hergestellt eroe: Inabesondere sind die Verfahrens@ @odukte hervorragend
geeignet, bei denen mindestens einer der jet.Teils an einem endständigen Siliciumatom
geb@ndenen R2-Reste einen 03-Rest bedeutet, da diese Verbindungen eine gleichmäßigere
Verteilung von mehr als zweiwertigen Si-Atomen aufweisen, als es bei Blockpolymeren
des Standes der Technik der Fall ist Unter mehr als zweiwertigen Siliciumatomen
sind dabei solche zu verstehen, die an mehr als zwei Sauerstoffatome gebunden sind.
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Blockpolymere nit einem niedri£eren Siliciumgehalt besitzen zwar
nicht eine wesentlich höhere Wirksamkeit als Produkte des Standes der Technik, sind
aber in wirtschaftlicher
Form herzustellen und vor allem in ihrer
Wirkungsweise erheblich gleichmcipiger. Sind alle R2-Reste oder doch jeweils einer
der an einem Siliciumatom gebundenen R-Reste Kohlenwasserstoffreste mit hoher Raumerfüllung,
die zu einer sterischen Hinderung cier Reaktionen an der Si-O-C-Verbindung der Polymeren
führt, so erhält man Substanzen, die eine gute Hydrolysenbeständigkeit aufweisen.
Solche Substanzen sind wertvoll als Milfsmittel zur Herstellung von Polyurethanhartschäumen.
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Eine Erhöhung der Hydrolysenstabilität der Blockmischpolymerisate
ist auch dann zu erzielen, brenn man als Verbindung ZOH eine solche verwendet, die
durch Anlagerung eines Alkylenoxides an Alkohole oder Phenole entsteht, welches
zur Ausbildung einer tertiären Hydroxylgruppe führt. Beispiel eines solchen Alkylenoxide
ist Isobutylenoxid.
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Die erfindungsgemäp hergestellten Blockmischpolymerisate können auch
als Gleitmittel Verwendung finden, die wasserlöslichen Produkte können für kosmetische
Präparationen, insbesondere
zur Herstellung von Produkten der
Haarkosmetik verwend et werden. Auch andere Anwendungsmöglichkeiten, die bisher
Polyalkylenoxid-Polysiloxan-Blockmischpolymerisaten, deren Polyätherantheranteil
mit dem Siloxan über Si-C-Bindung verknüpft ist, vorbehalten waren, sind mit diesen
Substanzen durchführbar.
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Das. erfindungsgemäße Verfahren sei anhand der-folgenden Beispiele
noch näher erläutert. # #