DE1670667A1 - Verfahren zur Trimerisierung aromatischer Polyisocyanate - Google Patents
Verfahren zur Trimerisierung aromatischer PolyisocyanateInfo
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Description
Hb/Le
Verfahren zur Trimerisierung aromatischer Polyisocyamate
sind in großer Zahl bekannt. Als Katalysatoren für diese Trimerisierungsreaktion sind neben stark basischen
Verbindungen, wie den alkalisch wirkenden Metallsalzen organischer Säuren und tertiären Aminen, vor allem tertiäre
Phosphine der aliphatischen und gemischt aliphatischaromatischen Reihe geeignet.
bei tiefen Temperaturen (etwa 50 C), wodurch die Herstellung
nahezu farbloser Polymerisate möglich wird, zeigen jedoch
folgende Nachteiles Λ
1. Es sind reäativ hohe Mengen des technisch empfindlichen
und sorgfältig zu handhabenden Katalysators erforderlich, um den Polymerisationsvorgang in wirtschaftlichen Zeiträumen
zuendezuführen und diese hohe Katalysatormenge bleibt
zusammen mit einer entsprechenden Menge Abstopper im Reaktionsansatz.
Le A 9873
009849/1957
Vy
2. Bei Verwendung Ton 2,4-Toluylendiisocyanat oder von Gemischen,
die ale Hauptkomponente 2,4-Toluylendiisocyanat enthalten, entstehen bei Temperaturen unter 10O0C große Mengen fester
Reaktionsprodukte, die z. T. aus 3,3'-Diisocyanate)-^,4'-dimethyldiphenyluretdion, z. T. aus Additionsverbindungen
von Isocyanuratisocyanaten mit überschüssigem Toluylendiisocyanat bestehen und als dicker, kaum rührbarer Kristallbrei
die technische Handhabung der Reaktionsansätze und die Wärmeübertragung so erschweren, daß die Verwendung geeigneter
Lösungsmittel erforderlich wird. Letzteres macht wiederum den Einsäte höherer Katalysatormengen notwendig .
3. Bei Verwendung von' aromatischen Polyisocyanaten, bei denen
die Reaktionsfähigkeit der beiden Isocyanatgruppen gleich ist, war die Herstellung niedermolekularer Trimerisate, als mit nur
einen oder wenigen Isocyanuratringen mit Hilfe von Phosphinen
häufig sogar unmöglich. So verlangt beispielsweise die US-Patentschrift 2 801 244 die Verwendung von Diisocyanate^
in denen eine Isocyanatgruppe sterisch gehindert ist,und so bildet
z. B. das 4,4l-Dii8ocyanato-di-phenylmethan, welches NCO-Gruppen mit gleicher Reaktionsfähigkeit hat, bei der
Behandlung mit Phosphinkatalysatoren mit oder ohne Lösungsmittel hochmolekulare Polymerisate mit Uretdionstruktur,
die wegen ihrer schlechten Löslichkeit zur Weiterverarbeitung
als Reaktionslack- oder Klebstoffkomponente ungeeignet sind.
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- 3 ■ -
Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile der bekannten Trimeriaationsverfahren aromatischer Polyisocyanate überwinden kann, wenn Ban la mit aliphatischen, araliphatischen
und geniecht aliphatisch-aromatiachen Phosphinen katalysierten
Reaktionsansat« fcllphatieche Isocyanate in derartiger Menge
mitverwendet, dafl auf ein· aromatische HCO-Gruppe mehr als
0,5 aliphatisch· NCO-Grupptn, bevorsugt mehr als eine
aliphatische NCO-Gruppe und bis su 10 aliphatisch·
HCO-Gruppen, kommen.
Der Ausdruck "Trimerisierung" bedeutet hier durchgehend
sowohl die Bildung nur eines Isocyanuratringes als auch, infolge der Polyfunktionalität der Isocyanate, die Bildung
mehrerer Isocyanuratringe.
1. eine starke Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, die mehr als das Zehnfache der Reaktionsgeschwindigkeit erreichen kann,
welche man unter gleichen Bedingungen bei rein aromatischen
Polyisocyanaten beobachtet. Diese Co-Katalysa ist deshalb
besonders überraschend, Weil aliphatische Mono- oder Polyisocyanate allein nur sehr viel schwerer und mit hohen
Phosphin-Konzentrationen trimeriöierbar oder polymerisierbar
sind. Durch Zusatz aliphatiacher Isocyanate ist also eine Verlangsamung der Trimerisierungsreaktion zu erwarten, die
g indessen erst beobachtet wird, wenn die Konzentration der
o> aliphatischen Isocyanate im Reaktionsansatz etwa das vier- bis
cd fünffache der Konzentration der aromatischen Ieocyanatgruppen
co · überschreitet. Die quantitativen Ergebnisse sind der
^3 graphischen Darstellune am Schluß zu entnehmen;
Le A 9873 - 4 . -
2. eine Unterdrückung der Bildung von im Reaktionsansatz
unlöslichen oder hochmolekularen Zwischen- oder Nebenprodukten. 4»4I-Diisocyanatodiphenylmethan und andere
aromatische Diisocyanate mit gleichreaktiven Isocyanatgruppen werden auf diese Weise einer Trimerisierung mit Phosphinkatalysatoren
zugänglich.
Zwar beschreibt die britische Patentschrift 856 372 bereits
eine Mischtrimerisation aliphatischer und aromatischer Isocyanate unter Verwendung von Phosphinkatalysatoren.
Darin gelangen die Isocyanate jedoch stets in streng
stöchioaetrischen Mengen von 1 Mol aliphatisches auf 2 Mol
aromatisches Isocyanat zum Einsatz. Das Verhältnis von aliphatischen zu aromatischen Isocyanatgruppen wird demnach
nie höher als 0,5 bemessen.
Ee erreicht jedoch, wie gefunden wurde, sowohl der cokatalytische
Effekt des Aliphatenzusatzee als auch besonders die Möglichkeit,
dadurch die Bildung unerwünschter unlöslicher Zwischen- und Nebenprodukte zu unterdrücken, ihre volle Wirksamkeit erst bei
höherem Aliphatenanteil. Gerade die vom technischen Standpunkt
bedeutsame Trimerisation von aromatischen Polyisocyanaten,
die in der genannten Patentschrift nur in den Beispielen 6 und vertreten ist, ist ohne Niederschlagsbildung und ohne die
Verwendung geeigneter Lösungsmittel nur dann erfolgreich '
durchzuführen, wenn das Verhältnis der aliphatischen zu den aromatischen Isocyanatgruppen größer als 0,5» bevorzugt größer
als 1 ist. Die Herstellung niedermolekularer Trimerisate von aromatischen Diisocyanaten, deren Isocyanatgruppen wie beim
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4,41-Diphenylmethandiisoeyanat gleiche Reaktionsfähigkeit
besitzen, ist nach dem Verfahren der britischen Patentschrift sogar unmöglich.
Überraschenderweise bedeutet der Einsatz größerer Anteile
allphatischer Isocyanate im Reaktionsansatz nicht, daß die
Reaktionsprodukte des erfindungsgemäßen Verfahrens auch höhere Aliphatenanteile eingebaut enthalten müssen.
Die aliphatischen Isocyanatgruppen nehmen vielmehr nur in untergeordnetem Maße an der Trimerisationsreaktion teil, solange
man bei der Trimerlsation Temperaturen von 12O0C nicht überschreitet und die Trimerisationsreaktion unterbricht, bevor die
Reaktionsansätze an aromatischen Isocyanatgruppen zu stark verarmt sind. Venn man z. B. ein Reaktionsgemisch aus 67
Gewichtsprozent 1,6-Hezamethylendileocyanat und 33 Gewichtsprozent 2,4-Toluylendiisocyanat - NCÖ-Verhältnis also etwa
2 - trimerisiert, bis der NCO-Wert der Reaktionsmischung von
49,3 auf 35 ^ abgesunken ist, so enthält das Trimerisat etwa
40 i° Aliphatenanteil und der Aromatenanteil im Monomerengemisch
des Destillates oder Extrajfces ist auf 10 -12 f verarmt,
(vgl. Beispiel 1), Bei der Trimerisierung von 4,4I'-Diphenylmethandiisocyanat soll das Verhältnis von aliphatischen zu
aromatischen Isocyanatgruppen zweckmäßig sogar größer als
1,5 sein, wenn man rücketandslos lösliche Trimerisate erhalten
will. Bei einem NGO-Verhältnis von 2 wird 1:16-Hexamethylendiisocyanat nur zu etwa 28 i» eingebaut, wenn man die Reaktion
bei einem HCO-Wert von 35 Ί» unterbricht, (vgl. Beispiel 2).
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Le A 9873 - ,
ΊΟ ι '"5 C ι"* r7
D / ti bo/
Mit zunehmendem Aliphatenanteil im Trimerisat ändert dieses
naturgemäß seinen Charakter, und die daraus zu erhaltenen
Fertigprodukte zeichnen sich durch wachsende Lichtechtheit und Flexibilität aus.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren können
alle aromatischen Polyisocyanate dienen. Zu nennen sind vor allem 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat, 2,4*- und 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan
sowie auch m- und p-Phenylendiisocyanat, 1~Methoxyphenylen-2,4-diisocyanat, 4,4'-Diisocyanat©diphenyl,
4,4I-Diisocyanatodiphenyläther, 4,4'-Diisocyanatodiphenylpropan-2,2,
1,5-Diisocyänatonaphthalin,
4,4»,4«'-Triisocyanatotriphenylmethan, fris-(p-isocyanatophenyl)-thiophosphorsäurees
t.er ·
Aliphatische und araliphatisch« Isocyanate, die im Sinne des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Trimerisierung katalysieren
und im Reaktionsansatz in einer Menge enthalten sein müssen, daß das Verhältnis von aliphatischen zu aromatischen Isocyanatgruppen
(NCO-Verhältnis) den Wert von 0,5 überschreitet, sind
z. B. Diisocyanate wie 1,4-Tetramethylendiieocyanat,
1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,3- und 1,4-Xylylendiisocyanat
sowie deren kernsubstituierte Homologe. Aliphatische Monoisocyanate verhalten sich gleichartig. Geeignet sind
z, B.: Methylisocyanat, Butylisocyanat, uJ-Chlorhexylisocyanat
oder auch langkettige Vertreter wie Stearyl- und Oleylisocyanat
sowie Araliphaten, z. B. Benzylisocyanat.
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Ale latelysatoren für das erfindungsgemäße Verfahren sind nur
aliphatisch^, araliphatisch^ und gemischt aliphatischaroaatische Phosphin· geeignet, z. B. Trläthylphosphin,
Tri-n-butylphosphin, Dirnethylbenzylphoephin, Dimethylphenylphosphln, Tribeneylphosphin. Zwei Alkylgruppen können auch tu
einem Ring geschlossen sein, wie beim P-Butyl-phosphacyclopentan.
Die Umsetzungläßt sich durch Zugabe an sich bekannter
Abstopper Jederzeit unterbrechen, so daß auch Reaktionsprodukte unterschiedlicher Trimerisationsgrade erhalten
werden können. Als Abstopper kommen vorzugsweise Alkylierungemittel, wie Dimethylsulfat, MethylJodid oder Toluolsulfensäureester und Acylierungsmittei, wie Beneoylchlorid, Acetylchlorid,
N-Phenyl-N-methylcarbamidsäurechlorid oder Chlorameisensäureester infrage. Zweckmäßig unterbricht man die Trimerisierung
spätestens dann, wenn der NCO-Gehalt auf 30 - 60 f» des Ausgangswertes abgesunken ist.
Nicht umgesetzte Monomere können nach dem Abbruch der Reaktion
unter schonenden Bedingungen entfernt werden. Das läßt sich
durch Hochvakuumdestillation in geeigneten Verdampfern oder durch Extraktion mit geeigneten Lösungsmitteln erreichen, in
denen nur die Monomeren, nicht jedoch die Trimeren löslich
sind, z. B. mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffen.
Die Wirksamkeit der Katalysatoren ist schon bei Temperaturen,
die wenig über Zimmertemperatur liegen, erheblich.
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Die Reaktion läuft zwischen -20 und +1500C ab, jedoch arbeitet
man bevorzugt zwischen +40 und +1200C, um die bei höheren *,
Temperaturen in Konkurrenz tretende Carbodiimidbildung
zu vermeiden und möglichst farblose Reaktionsprodukte zu erhalten.
Die Katalysatormenge ist weitgehend von der Menge des als
Cokatalysator zugesetzten aliphatischen Isocyanates abhängig. Im allgemeinen reichen Mengen νοώ 0,001 -0,1 #. Arbeitet man
unter optimalen Bedingungen, d. h. bei einem Isocyanatvernältnis
von 1 - 2, so genügen 0,01 - 0,05 ^.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird am zweckmäßigsten unter Aus· Schluß von Lösungsmitteln durchgeführt, was durch den Zusatz
geeigneter Mengen aliphatischer Isocyanate und Wahl geeigneter Reaktionstemperaturen in jedem Falle möglich ist.
Verwendet man zur Reaktion Lösungsmittel, so ist die Katalysatormenge zu erhöhen und zwar desto stärker, je weniger
polar das Lösungsmittel ist. Will man in Estern, Ketonen oder Chlorkohlenwasserstoffen lösliche niedermolekulare
Verfahrensprodukte erhalten, so unterbricht man die Reaktion
vorteilhaft, bevor alles monomere Isocyanat umgesetzt ist und trennt dieses durch Extraktion mit den genannten Lösungsmitteln
oder durch (Dünnschicht)-Destillation ab. Die abgetrennten
Monomerengeraische lassen sich durch Bestimmung ihres Brechungsindex
bequem analysieren; diese vor allem an aromatischem Polyisocyanat verarmten Gemische lassen sich nach entsprechender
Ergänzung der Monomeren als Ausgangsmaterial für einen neuen
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Ist der Anteil alipnatischer Isocyanate im Reaktionsansatz
kleiner als dem NCO-Verhältnis von 0,5 entspricht, so sind selbstverständlich ebenfalls Nischtrimerisate zu erhalten.
Jedoch muß man dabei mit den bereits angedeuteten Nachteilen rechnen, d. h. eine höhere Katalysatormenge und die Bildung
unlöslicher Nebenprodukte sowie wesentlich geringere Ausbeuten in Kauf nehmen; denn die Trimerisierungsreaktion muß bereits
zu einem sehr frühen Zeitpunkt unterbrochen, das Trimerisat
abgetrennt und das aliphatische Isocyanat im Destillat oder Extrakt ergänzt werden. Eine solche Arbeitsweise ist unzweckmäßig und unwirtschaftlich.
Die Verfahrensprodukte haben im allgemeinen noch freie
NCO-Gruppen, können jedoch auch soweit trimerisiert sein, daß keine freien NCO-Gruppen mehr vorhanden sind. Es sind nichtflüchtige Substanzen, die bei Zimmertemperatur meist feste
Harze, in seltenen Fällen viskose Flüssigkelten bilden, die
sich auch in der Kälte gut in einer Reihe organischer Lösungsmittel lösen. Dazu können Ester, wie Essigsäureäthylester,
Essigsäurebutylester und Äthylglykolätheracetat, Ketone, wie
Aceton, Methyläthylketon oder Cyclohexanon und Chlorkohlenwasserstoffe, wie Dichlormethan oder Chlorbenzol besonders
gut verwendet werden.
Die reinen öder lösungemittelhaltigen Formen der Verfahrensprodukte können auch in ihre "Abspalterform", d, h. in die
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Form ihrer Reaktionsprodukte mit Phenolen, Aeetessigestern,
Malonestern oder Diphenylaminabkömmlingen überführt werden. Diese Abspalter verhalten sich bei hohen Temperaturen wie die
freien Isocyanate und können vorteilhaft immer dann eingesetzt werden, wenn in Reaktionsmischlingen mit hydroxyl- oder
aminogruppenhaltigen Verbindungen lange Standzeiten erwünscht sind und die eigentliche Vernetzungsreaktion bei erhöhten
Temperaturen vorgenommen werden soll. Man kann die reinen oder lösungsmitteihaltigen Formen der Reaktionsprodukte
W auch mit geeigneten Mono- oder Polyalkoholen und Aminen oder
mit Wasser und wasserabspaltenden Mitteln umsetzen, so daß
mehr oder weniger hochvernetzte Produkte mit niedrigen Isocyanatgehalten entstehen.
Die Verfahrensprodukte können als Klebstoffe, als Härter für Harze und für Polyester- und Polyätherlacke, als
Einkomponentenlacke sowie zur Herstellung von Gießharzen, Elastomeren und Schaumstoffen verwendet werden.
170 Gewichtsteile 2,4-Toluylendiisocyanat werden mit
330 Gewichtsteilen 1,6-Hexaaethylendiisocyanat auf 600C geheizt
und durch Zugabe von 0,125 Gewichtsteilen (0,025 %) Tri-n
butylphosphin trimerisiert. Zunächst muß der Ansatz leicht ge-
kühlt werden. Wenn nach etwa 4 t/2 Stunden ein NCO-Wert von
ο
36 i» erreicht ist, wird die Reaktion durch Zugabe von 0,1
^ Gewichteteilen p-Toluolsulfonsäuremethylester und 0,1 Gewichts-
-» teilen Dimethylsulfat und kurzes Anheizen auf 1000C unterto
brechen. Beim langsamen Durchgang durch einen Dünnschicht-
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verdampfer (Vakuum 0,8 Torr, Temperatur dee Heizmediums
180 - 19O0C) wird das nicht umgesetzte Monomerengemisch.
abdestilliert.
Ss werden 186 Gewichteteile eines spröden hellgelben Harzes
mit einem NCO-Wert von 19,8 i* erhalten, das sich mit
Essigeäureäthylester in eine 67 Ί» Lösung mit einer
Viskoeltat von 725 cP/200 überführen läßt. Als Destillat
werden 285 Gewichtsteile Monomerengemisch zurückerhalten,
in dem durch refraktometrieche Analyse eine Anreicherung
des 1,6-HexamethylendiieocyanateB bis auf 89 ϊ>
festgestellt wurde. Der Aliphatenanteil im Trimeren beträgt etwa 40 %,
125 g frisch destilliertes reines 4,4I-Dii8ocyanatodiphenylmethan (Pp- 39,4°) werden durch Zugabe von 168 g 1,6-Hexamethylendiisocyanat und Erhitzen auf 1000C gelöst und die
Trimerisierung durch Zugabe von 0,15 g Tri-n-butylphosphin
(0,05 i>) eingeleitet. Nachdem der NCO-Gehalt der Reaktionsmischung in 45 Hinuten auf 35,3 $>
abgefallen ist, wird durch Zugabe eines Gemisches aus 0,1 g p-Tοluo!sulfoneäuremethy1-ester und 0,1 g Dimethylsulfat die Reaktion unterbrochen und
das Reaktionsgemisch einer Dünnschichtdestillation unterworfen. Aus 240 g Reaktionsmischung werden 95 g eines spröden Harzes
und 142 g Destillat.gewonnen. Die refraktometrische Analyse
σ
° des Destillats zeigt, daß dieses bis auf einen Gehalt an
22,5 1° an 4,4WDiieocyanatodipheny!methan, verarmt ist. Das Harz
-^ enthält demnach etwa 28 ?fe 1,6-Hexamethylendiisocyanat, zeigt
to einen NCO-Wert von 18,9 # mid löst sich in Essigeäureäthyl-
CTt ■--,:.
-J ester zu einer viskosen, klaren Lösung mit einem Peststoff-
Le A 9S-T? -.12 -
gehalt von 75 ^. Das IR-Spektrum weist starke Absorptionsbanden bei 4,4-5,9-6,65 und 7,0 /U auf (schwächere Banden
liegen bei 3,4-5,7-6,25 und 7,3 /u) und beweist damit die
iBoeyanvuratstruktur des Produktes.
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16,/Ü 86 7
Zur Verdeutlichung des co-katalytischen Effektes bein Zusatz
von aliphatischen Isocyanaten bei der Phosphintrimerisierung
sollen die folgenden Versuchsreihen dienen:
Je 100 g eines Gemisches aus 2,4-Toluylendiisocyanat (I) und
1,6-Hexamethylendiisocyanat (II) im angegebenen Verhältnis
werden auf 60° erhitzt und durch Zugabe von 100 mg
Tri-n-butylphosphin (0,1 $) die Trimerisation eingeleitet.
Die Zeltdauer bis zum Erreichen eines NCO-Wertes von 40 $>
in den Ansätzen wird gemessen.
a) - g I H- 100 g II in dieser Versuchs anordnung unmeßbar lange
b) 10 g I + 90 g II Molverhältnis 9,3 5 1/4 Stunden
e) 20 g I + 80 g II » 4,2 20 Minuten
d) 30 g I + 70 g II " 2,4 8 Hinuten
e) 40 g I + 60 g II » 1,6 6 Minuten
f) 5OgI+ 50 g II wegen Bildung unlöslicher Abscheidungen in
dieser Versuchsanordnung nicht meßbar .
Bei Verwendung von Lösungsmitteln und tieferen Reaktionstemperaturen ist zwar der Katalysatorbedarf zur Erzielung
ähnlicher Reaktionsgeschwindigkeiten größer, der cokatalytische Effekt von zugesetzten aliphatischen Isocyanaten
ist jedoch genauso deutlich.
009 84 9/1957
k 9875 - 14 -
k 9875 - 14 -
Ib /Ub £7
Je 10Og eines Gemisches aus 2,4-Toluylendiisocyanat (I)
und 1,6-Hexamethylendiisocyanat (II) im angegebenen Verhältnis
werden in 100 g wasser- und alkoholfreiem Essigsäureäthylester
gelöst, auf 60° erhitzt und die Trimerisierungsreaktion durch Zugabe von 300 mg Tri-n-butylphosphin (0,3 %, bezogen
auf eingesetztes Isocyanat) eingeleitet. Die Zeitdauer bis zum Erreichen eines NCO-Wertes von 16 % wird gemessen.
a) 100 g I + - II Melrerhältnis 0 4 1/2 Stunden
b) 8OgI+ 20 g II " Of26 46 Minuten
c) 60 g I + 40 g II " Ot69 3b Minuten
d) 40 g I + 60 g II " 1.56 62 Minuten
e) 20 g I + 80 g II in dieser Versuchsanordnung nicht mehr
meßbar.
Die beiden Kurven A und B zeigen die Zeit bis zum Erreichen
des genannten NCO-Wertes bei den verschiedenen Mischungsverhältnissen in den beiden beschriebenen Systemen.
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009849/1957
Claims (3)
1. Verfahren zur Trimerisierung aromatischer Polyisocyanate
mit aliphatischen, araliphatischen und gemischt aliphatischaromatischen
Phosphinen als Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Trimerisierung aliphatische
Isocyanate in einer solchen Menge mitverwendet, daß auf eine
aromatische NCO-Gruppe mehr als 0,5 und bis zu 10 aliphatische NCO-Gruppen kommen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl man
aliphatische Isocyanate in einer solchen Menge aitverwendet,
daß auf eine aromatische NCO-Gruppe mehr als eine aliphatische
NCO-Gruppe kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 -2, dadurch gekennseichnet,
daß man die Trimerisierung spätestens dann durch Zugabe an sich bekannter Abstopper unterbricht, wenn der NCO-Gehalt
auf 50 τ 60 % des Ausgangewertee abgesunken ist, und das
Gemisch der nicht umgesetzten monomeren Isocyanate abtrennt.
Le A 9673
00 98/. 9/195 7
Leerserte
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEF0048322 | 1966-02-02 | ||
DEF0048322 | 1966-02-02 |
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DE1670667B2 DE1670667B2 (de) | 1973-06-07 |
DE1670667C3 DE1670667C3 (de) | 1976-09-30 |
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