DE19824490A1 - Verfahren zur Herstellung Imidooxadiazindiongruppen enthaltender Polyisocyanate, die so hergestellte Verfahrensprodukte und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung Iminooxadiazindiongruppen enthaltender Polyisocyanate, die so hergestellten Verfahrensprodukte und deren Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung Iminooxadiazindiongruppen enthal­ tender Polyisocyanate, die so hergestellten Verfahrensprodukte und deren Verwen­ dung.

Iminooxadiazindiongruppen enthaltende Polyisocyanate (asymmetrische Trimere) sind hochwertige Rohstoffe u. a. für die Herstellung von Polyurethan-Lacken und Be­ schichtungen (DE-A 196 11 849). Sie sind, allerdings nur als Nebenkomponente, ein ständiger Begleiter der lange bekannten Isocyanurate (symmetrischen Trimeren).

Isocyanat-Oligomere mit signifikant erhöhtem Iminooxadiazindiongehalt sind Gegen­ stand der älteren Anmeldung (DE-A 196 11 849) in der auch ihre vorteilhaften Eigen­ schaften, z. B. als Rohstoff zur Herstellung von Polyurethan-Lacken und Beschichtun­ gen, ausführlich beschrieben werden. So sind Iminooxadiazindiongruppen enthaltende Polyisocyanate die am niedrigsten viskosen, mindestens NCO-trifunktionellen (Di)isocyanat-Oligomeren.

In der DE-A 196 11 849 werden ganz allgemein Hydrogen(poly)fluoride der allge­ meinen Formel {7M[nF⁻.(HF)_m]}, wobei ^m/_n < 0 ist und M ein n-fach geladenes Kation bzw. einen n-wertigen Rest darstellt, als Katalysator zur Isocyanattrimerisierung unter bevorzugter Iminooxadiazindiongruppenbildung vorgeschlagen.

Diese Verfahrensweise ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß zur Herstellung der Katalysatoren, sie erfolgt in der Regel aus den entsprechenden Fluoriden {7M[nF⁻]}, wobei M ein n-fach geladenes Kation darstellt, HF gehandhabt werden muß. Letzterer Umstand limitiert die technische Durchführbarkeit des gesamten Verfahrens, da zur Handhabung von, gegebenenfalls wasserfreier, Fluorwasserstoffsäure einerseits beson­ dere Schutzmaßnahmen erforderlich sind, die die Herstellung des Katalysators sehr aufwendig machen und andererseits, aufgrund der Korrosivität des Materials, be­ stimmte Anforderungen an die Auswahl der Reaktoren resultieren, in denen der Katalysator hergestellt und eingesetzt werden kann.

Diese Umstände stehen einer breiten, gefahrlosen Durchführung des Verfahrens der Isocyanattrimerisierung unter anteiliger Iminooxadiazindiongruppenbildung entgegen.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das zum einen dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Herstellung der Katalysatoren keine Fluorwasserstoffsäure gehandhabt werden muß aber andererseits trotzdem Produkte mit einem hohen Gehalt an Iminooxadiazindiongruppen im Trimerengemisch resultieren (der Terminus "Trimerengemisch" bezieht sich in der vorliegenden Schrift immer auf die Summe aus Isocyanurat und Iminooxadiazindion). Ein hoher Iminooxadiazindiongruppengehalt im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet Produkte mit mindestens 30% an Iminooxadiazindiongruppen im Trimerengemisch.

Diese Aufgabe konnte durch das nachfolgend näher beschriebene Verfahren, der Ka­ talyse der Isocyanat-Trimerisierung durch quaternäre Ammonium- bzw. Phospho­ niumfluoride, gelöst werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten die mindestens 30 mol-% an Iminooxadiazindiongruppen (asymmetrische Trimere) im Trimerengemisch enthalten durch katalytisch induzierte Trimerisierung organischer Di- oder Polyisocyanate mit einem (mittleren) Molekulargewicht von 140-600 g/mol mit unabhängig voneinander aliphatisch, cycloaliphatisch und/oder araliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen, dadurch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungskata­ lysator quaternäre Ammonium- sowie Phosphoniumfluoride der Formel

R₄E⁺F⁻ (I),

wobei
E für N oder P steht und
R für gleiche oder verschiedene, gegebenenfalls verzweigte, aliphatische, aro­ matische und/oder araliphatische C₁-C₂₀ Reste steht und gegebenenfalls zwei oder mehrere Substituenten R untereinander und mit dem Stickstoff- bzw. Phosphoratom auch gesättigte oder ungesättigte Cyclen bilden können,
rein oder in Abmischung mit Solvatisierungsmitteln S für das Fluoridanion eingesetzt werden, wobei S eine reine Verbindung oder ein Gemisch verschiedener Stoffe aus der Gruppe der protischen Verbindungen mit einem pK_s-Wert größer als 2 (bestimmt in H₂O bei 25°C) sowie Oxalsäure, jedoch kein höherfunktioneller Alkohol (Di- bzw. Polyol) sowie HF, sein kann, unter der Voraussetzung, daß das molare Verhältnis von S zu Fluoridion, F⁻, den Wert 20 nicht überschreitet.

Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren als zu trimerisierende Iso­ cyanatkomponente aliphatische Diisocyanate eines Molekulargewichts(bereichs) von 140-300 g/mol als reine Verbindungen oder in beliebiger Abmischung untereinander eingesetzt.

Die Verfahrensprodukte weisen vorzugsweise einen Gehalt von mindestens 35%, besonders bevorzugt von mindestens 40 mol-% an Iminooxadiazindiongruppen (asymmetrische Trimere) im Trimerengemisch auf.

Besonders bevorzugt werden als Trimerisierungskatalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit monofunktionellen Alkohol(gemische)en eines (mittleren) Molekulargewichtsbereiches von 32-250 g/mol eingesetzt, wobei die Konzentration des quaternären Ammonium- bzw. Phosphoniumfluorides 20 Masse-%, besonders bevorzugt 30 Masse-%, in der Mischung nicht unterschreitet.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin das vorstehend beschriebene Verfahren, da­ durch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungskatalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit organischen Säuren eines pK_s-Wertes größer als 2 (bestimmt in H₂O bei 25°C) sowie Oxalsäure, wobei das molare Verhältnis von organischer Säure zu Fluoridion, F⁻, den Wert 10, bevorzugt 5, besonders bevorzugt 2 nicht überschreitet.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin das vorstehend beschriebene Verfahren, da­ durch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungskatalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit Wasser eingesetzt werden, wobei das molare Verhältnis von Wasser zu Fluoridion (F⁻) den Wert 10, bevorzugt 5, nicht überschreitet.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch die Verwendung der nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkte.

Art und Ausmaß der Solvatisierung der Fluoridanionen sind von erfindungswesent­ licher Bedeutung zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens.

Ein erfindungswesentliches Merkmal des vorgestellten Verfahrens ist es, den Tetra­ alkylphosphonium- bzw. -ammoniumfluorid-Katalysator so konzentriert wie möglich bis hin zur Dosierung von praktisch reinem Wirkstoff bei der Trimerisierung einzu­ setzen. Dem sind in der Praxis Grenzen gesetzt, die aus den Erfordernissen an die technische Handhabung des Katalysators resultieren. So ist die Löslichkeit bzw. schnelle homogene Verteilung beispielsweise fester Katalysatoren bzw. hochkon­ zentrierter und mitunter höherviskoser Katalysatorlösungen im zu trimerisierenden (Poly)isocyanat(gemisch) mitunter zu gering, um eine spontane Gelpartikelbildung in­ folge lokaler Übervernetzungen vermeiden zu können.

In diesem Zusammenhang sei deshalb auf eine wesentliche Eigenschaft von S hinge­ wiesen: die Komplexierungseigenschaften von S für das Fluoridion müssen so geartet sein, daß, zumindest bis zur homogenen Verteilung im zu trimerisierenden (Poly)iso­ cyanat(gemisch), eine langsame Entfaltung der katalytischen Aktivität des Fluorid­ anions einsetzt ("slow release" Mechanismus). Anderenfalls kann es zur Ausbildung spontaner Übervernetzungen die in der Bildung trüber, unbrauchbarer Produkte resul­ tiert, kommen. Dem kann zwar durch eine stärkere Verdünnung des Katalysators be­ gegnet werden, wie überraschenderweise gefunden wurde, wird dadurch der Imino­ oxadiazindionanteil im Trimerengemisch jedoch immer weiter abgesenkt (vgl. Beispiel 4).

So ist die Verwendung flüssiger Tetraalkylammonium- bzw. -phosphoniumfluoride als Trimerisierungskatalysator besonders bevorzugt. Es können aber auch als Reinsub­ stanz feste aber bereits bei Zugabe sehr geringer Mengen an S flüssige Verbindungen wie z. B. Tetrabutylammonium- bzw. Tetrabutylphosphoniumfluorid eingesetzt wer­ den.

Mit prinzipiell gleichem Erfolg kann man reine Verbindungen bzw. beliebige Mi­ schungen von Verbindungen der Summenformel R₄E⁺ F⁻ einsetzen, wobei E für N oder P und R für gleiche oder verschiedene, gegebenenfalls verzweigte, gegebenen­ falls substituierte, aliphatische, aromatische und/oder araliphatische C₁-C₂₀ Reste steht. Kommerziell erhältlich, zumindest in Form ihrer Salze mit anderen Gegenionen als dem Fluoridion, die sich aber leicht in die Fluoridform überführen lassen, z. B. Chloride, Bromide, Iodide, (Hydrogen)sulfate; vgl. u. a. J. Org. Chem. 1989, 54, S. 4827-4829, sowie Synthesis 1988, 12 S. 953-5 und Bsp. 1, sind beispielsweise Tetrakis(hydroxymethyl)phosphoniumchlorid und -sulfat, Tetraethyl-, Tetrabutyl-, Tetraoctyl-, Tetrakis(hexadecyl)-, Tributyl(tetradecyl)-, Tributyl(hexadecyl)- und Trioctyl(methyl)ammonium- bzw. -phosphoniumchlorid bzw. -bromid und/oder -iodid. Auch die Verwendung von Phenyl(alkyl)derivaten ist prinzipiell möglich, wenngleich sie aufgrund ihrer im Vergleich zu den rein aliphatisch substituierten Vertretern schlechteren Löslichkeit in den für den Einsatz in der Isocyanatoligomerisierung ge­ eigneten Solvatisierungs- bzw. Lösungsmitteln, insbesondere monofunktionelle Alko­ hole, weniger bevorzugt sind.

Ganz allgemein ist die besondere Rolle, die Art und Menge des/der während der Katalyse anwesenden Solvatisierungsmittel(s) S zur bevorzugten Bildung von Imino­ oxadiazindiongruppen zukommt, für den Fachmann aus dem Stand der Technik nicht ersichtlich.

Das molare Verhältnis F⁻ : S ist jedoch von entscheidender Bedeutung für die Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens um zu einem hohen Gehalt an Iminooxa­ diazindiongruppen, d. h. mindestens 30 mol-% im Trimerengemisch, zu gelangen.

Durch die überraschende Beobachtung, daß die Selektivität der Katalyse signifikant von der Konzentration des Katalysators abhängt, hebt sich die vorliegende Erfindung von älteren Veröffentlichungen die den Einsatz von Fluoriden zur Isocyanat- Trimerisierung unter Isocyanuratbildung, (mit)beschreiben in entscheidender Weise ab.

So wird in der DE-A 38 27 596 auf die Möglichkeit hingewiesen, mit quaternären Ammonium- sowie Phosphoniumfluoriden Isocyanuratgruppen aufweisende Polyiso­ cyanate herzustellen. In der genannten Patentschrift wird auf S. 3, Zeilen 30-35 explizit darauf verwiesen, daß die Fluoridkonzentration der zur homogenen Katalyse einzusetzenden Lösung 0,5 mMol F⁻ je g Lösung nicht überschreiten sollte, wobei als Lösungsmittel z. B. 2-Ethyl-1,3-hexandiol, Acetonitril oder N,N-Dimethylformamid (DMF) einzusetzen sind.

Eigene Versuche, nach der in der DE-A 38 27 596 vorgeschlagene Verfahrensweise durchgeführt, zeigen allerdings, daß der Einsatz dieser Fluoride, gelöst in den genannten Lösungsmitteln, in der in den vorstehend genannten Anmeldungen angeführten bevorzugten Fluoridionenkonzentration (0,01-0,1 mMol F⁻ je g Lösung, d. h. ca. 0,02-0,2% F⁻ in der Katalysatorlösung), nur zur Bildung extrem trüber Produkte führt, die als hochwertige Isocyanatkomponenten z. B. für die Herstellung von Polyurethanlacken und -beschichtungsmitteln völlig unbrauchbar sind. Der Imino­ oxadiazindionanteil im Trimerengemisch so hergestellter Produkte ist zudem gering und wird bei stärkerer Verdünnung der Katalysatorlösung mit den o.g. Lösungsmitteln weiter verringert (Beispiel 2, Tabelle 1).

Aprotische Katalysatorlösungsmittel wie Acetonitril oder DMF sind für das bean­ spruchte Verfahren generell wenig geeignet, da sie bei der, in der Regel im Anschluß an die (anteilige) Trimerisierung der Isocyanatgruppen, beispielsweise von Diisocya­ naten wie HDI, erfolgende Rückgewinnung des nicht umgesetzten Monomers, z. B. durch Destillation, mit diesem aus dem Prozeß entfernt und anschließend, wiederum mit diesem gemeinsam, erneut eingesetzt werden wobei sie sich bei fortlaufender Wiederholung dieses Procederes immer weiter anreichern würden was früher oder später ihre aufwendige Abtrennung vom "im Kreis gefahrenen" Monomer erforderlich machen würde. Ein solches Verfahren wäre natürlich u. a. unter ökonomischen Ge­ sichtspunkten mit gravierenden Mängeln behaftet.

Weiterhin kann DMF mit Isocyanaten bei erhöhter Temperatur unter Bildung uner­ wünschter Nebenprodukte reagieren (vgl. Angew. Makromol. Chem., 1992, 197, 131-139, CO₂-Entwicklung und Formamidinbildung) und in Kombination mit basischen Stoffen (z. B. Verunreinigungen) bei niedriger Temperatur die unerwünschte Linearpolymerisation der (Poly)isocyanate unter Bildung äußerst schwerlöslicher 1-Nylonverbindungen katalysieren (z. B. "Organic Chemistry, A Series of Monographs", Bd. 13 B/ 2, Acad. Press New York u. London 1972, S. 332 ff und darin zit. Literatur).

Hinzu kommt, daß bei Einsatz aprotischer Katalysatorlösungsmittel wie Acetonitril und DMF auch bei Verwendung relativ stark verdünnter Katalysatorlösungen extrem trübe, sehr grobe, gelartige Feststoffpartikel enthaltende Trimerisat-Rohlösungen resultieren, die erst nach aufwendigen Filtrationsschritten weiter aufgearbeitet werden können und selbst dann keine völlig trübungsfreien Harze nach Aufarbeitung durch Dünnschichtdestillation liefern (vgl. Beispiele 2b und 2c). Der Iminooxadiazindion­ anteil in so hergestellten Trimerisatharzen ist zudem sehr gering (Tabelle 1).

Ferner findet sich in den Ausführungsbeispielen der DE-A 38 27 596 lediglich ein Hinweis auf die Herstellung eines Phosphoniumfluorid-Katalysators, der zusätzlich auf einem festen Trägermaterial (Kieselgel) aufgezogen worden ist (Seite 6, Tab. 1, Bsp. 4). Sein Einsatz zur Isocyanat-Modifizierung wird in der genannten Patentschrift nicht erwähnt.

Ähnliche Katalysatorsysteme, hier in Verbindung mit CO₂, und deren Einsatz zur Her­ stellung von modifizierten, Isocyanuratgruppen aufweisenden Polyisocyanaten werden in der DE-A 39 02 078 beschrieben, wenngleich Phosphoniumsalze an mehreren Stellen dieser Patentschrift ausdrücklich gegenüber Ammoniumspezies als "weniger bevorzugt" herausgestellt werden (Seite 3, Zeilen 32/33, Zeilen 60/61, Seite 4, Zeile 12). Die Aussagen zu bevorzugten Katalysatorkonzentrationen bei der Homogen­ katalyse sind analog zu den schon in der DE-A 38 27 596 getroffenen. In den Aus­ führungsbeispielen der genannten Patentschrift finden sich weiterhin keinerlei Hin­ weise auf die Herstellung oder Verwendung von Phosphoniumfluoriden als Kataly­ sator für die Isocyanatmodifizierung. Auch wird in der genannten Patentschrift aus­ drücklich darauf verwiesen, daß in den resultierenden Produkten "der Iminooxadiazin­ dionanteil von untergeordneter Größe" bleibt (S. 4, Zeilen 51-52). Die Ausführungs­ beispiele 6 bis 9 der DE-A 39 02 078, in denen über die anteilige Bildung von Imino­ oxadiazindionen neben Isocyanurat und Oxadiazintrion, als den beiden Hauptproduk­ ten der Reaktion, berichtet wird, legen zudem eher den Schluß nahe, daß es einerseits zur Iminooxadiazindionbildung der Gegenwart von CO₂ bei der Trimerisierungs­ reaktion bedarf und daß es sich andererseits bei den Iminooxadiazindionen eher um unerwünschte Nebenprodukte handelt.

Generell ist weder der DE-A 38 27 596 noch der DE-A 39 02 078 ein Hinweis auf die besondere Rolle zu entnehmen, die das Katalysatorlösungsmittel nicht nur schlechthin zur Verdünnung des Katalysators spielt, sondern sowohl zur Gewährleistung eines problemlosen Reaktionsverlaufes, d. h. zur Vermeidung von Trübungs- bzw. Feststoff­ bildung, als auch als selektivitätssteuerndes Agenz (Solvatisierungsmittel) zur bevor­ zugten Bildung von Iminooxadiazindiongruppen bei der Isocyanattrimerisierung hat.

Weiterhin finden sich in der (Patent)literatur Hinweise auf die Möglichkeit einer Ver­ wendung von Phosphoniumfluoriden, gegebenenfalls "in situ" aus einem Alkali- oder Erdalkalimetallfluorid und einem anderen quaternären Phosphoniumsalz (Chlorid, Bromid etc., vgl. weiter oben) generiert, für die Isocyanatmodifizierung (Phasentrans­ ferkatalyse, z. B. Isr. J. Chem., 1985, 26, 222-224, der Einsatz von Phosphonium­ fluoriden wird dort allerdings nicht beschrieben).

Diesem Gedanken folgend werden in der EP-A 0 315 692 Kaliumfluorid-katalysierte Prozesse zur Herstellung von Substanzen mit Isocyanurat-Ringstrukturen beschrie­ ben, wobei u. a. die simultane Anwesenheit von Onium-Verbindungen zur "Steigerung der Effizienz der Reaktion" vorgeschlagen wird. In den Ausführungsbeispielen dieser Patentschrift finden sich allerdings keinerlei Hinweise auf den Einsatz von Phospho­ niumsalzen. Außerdem wird hauptsächlich auf die Trimerisierung aromatischer Iso­ cyanate (TDI, MDI) eingegangen und nur anhand der Reaktion von n-Butylisocyanat mit KF an zwei Beispielen die katalytische Wirkung des Kaliumfluorides an sich (Bsp. 1 der EP-A 0 315 692) bzw. in Gegenwart von quaternärem Ammoniumsalz (Benzyl­ trimethylammoniumchlorid, Bsp. 5 der EP-A 0 315 692) zur Trimerisierung von Iso­ cyanaten mit aliphatisch gebundenen NCO-Gruppen unter Isocyanuratbildung demon­ striert. Die hohe Reaktionstemperatur (120°C) sowie die vergleichsweise langen Re­ aktionszeiten (8 h im Bsp. 1, 4 h im Bsp. 5 der EP-A 0 315 692) bei hoher Kataly­ satorkonzentration, die technisch unvorteilhafte Abtrennung der festen Kaliumsalz­ komponenten nach der Reaktion durch Filtration (Bsp. 1 der EP-A 0 315 692) bzw. Auswaschen mit Wasser (Bsp. 5 der EP-A 0 315 692), letzteres wäre ohnehin prohi­ bitiv für die Herstellung von Isocyanatgruppen enthaltenden Produkten, sowie der Umstand, daß durch die (mit)beanspruchte Verwendung von Oniumsalz neben Kaliumfluorid eine ständige "Extraktion" von Fluoridionen aus der unlöslichen anor­ ganischen Phase, die als eigentlicher Katalysator bezeichnet wird, in die organische, Isocyanat enthaltende Phase erfolgt, lassen die Methode generell als wenig vorteilhaft und technisch kaum realisierbar erscheinen.

Bei der aus der EP-A 235 388 bekannten Umsetzung von Isocyanaten mit Carbonsäure(anhydride)n unter Fluoridkatalyse werden die entsprechenden Poly­ amide/-imide erhalten, aber keine Produkte einer NCO/NCO-Reaktion.

In keiner der letztgenannten Schriften findet sich ein Hinweis auf die (Mit)entstehung von Iminooxadiazindionstrukturen neben den beschriebenen Isocyanuraten.

Es war deshalb für den Fachmann auf der Basis des vorbeschriebenen Standes der Technik nicht ersichtlich, daß im organischen Medium (in der Regel das zu modi­ fizierende Isocyanat(gemisch)) vollständig lösliche, quaternäre Ammonium- bzw. -phosphoniumfluoride oder spezielle Kombinationen dieser Phosphoniumfluoride mit bestimmten Solvatisierungsmitteln für das Fluoridanion der in der vorliegenden Erfin­ dung näher beschriebenen Art besonders vorteilhaft zur Herstellung trübungsfreier Isocyanattrimerisatharze mit hohem Iminooxadiazindiongruppenanteil im Trimerenge­ misch geeignet sein könnten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können als protische Solvatisierungsmittel S Wasser, Alkohole und/oder aliphatische sowie aromatische Carbonsäuren, wie weiter unten ausführlich diskutiert wird, eingesetzt werden. Allerdings ist die Menge an jeweils zuzusetzendem S zur Erzielung eines möglichst hohen Gehaltes an Imino­ oxadiazindionen nach oben hin begrenzt, d. h. bei sukzessiver Absenkung der Konzentration an quaternärem Ammonium- bzw. -phosphoniumfluorid in der Kataly­ satormischung verliert dieses zunehmend seine Selektivität für die bevorzugte Imino­ oxadiazindionbildung und es entstehen, neben den Folgeprodukten die aus der Anwesenheit von S resultieren, im wesentlichen nur die lange bekannten Isocyanurate.

Geeignete Monoalkohole sind geradkettige und verzweigte, primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole mit ein bis zwanzig C-Atomen, bevorzugt ein bis acht C-Atomen, z. B. Methanol, Ethanol, n- sowie iso-Propanol, 1- und 2-Butanol, iso-Butanol und 2-Ethylhexanol.

Geeignete organische Säuren sind allgemein Oxalsäure sowie schwächere Säuren, die einen pK_S-Wert oberhalb 2,0 aufweisen, wie z. B. Ameisensäure, Essigsäure, (gege­ benenfalls durch Hydroxigruppen substituierte) Pivalinsäure(n), (gegebenenfalls an der/den CH₂-Gruppe(n) substituierte) Malon-, Bernstein- sowie Propan-1,3-dicar­ bonsäure(n), ferner Phthalsäure, Salicylsäure etc. Als Tabellierungsbedingung für den pK_S-Wert wird im allgemeinen Wasser bei 25°C angegeben (vgl. auch Beispiel 5).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Temperaturbereich von ca. 20°C (Zimmertemperatur) bis ca. 200°C, bevorzugt zwischen 30°C und 120°C, besonders bevorzugt zwischen 40°C und 100°C unter anteiliger Umsetzung der beteiligten Iso­ cyanatgruppen des/der Ausgangs(poly)isocyanat(es)/mischung erfolgen, wobei der Umsetzungsgrad U_NCO, berechnet als Quotient aus der Differenz des NCO-Gehaltes des/der Ausgangs(poly)isocyanat(es)/mischung vor der Trimerisierung und des NCO- Gehaltes der Reaktionsmischung nach Abbruch der Reaktion und dem NCO-Gehalt des/der Ausgangs(poly)isocyanat(es)/mischung vor der Trimerisierung, zwischen 5% und 60%, bevorzugt zwischen 10% und 40% liegt.

Dabei nicht umgesetztes Monomer kann nach Desaktivierung des Katalysatorsystems, z. B. durch (Dünnschicht)destillation oder Extraktion, abgetrennt und anschließend wiederverwendet werden.

Zur Desaktivierung des Katalysatorsystems nach Erreichen des gewünschten U_NCO eignen sich prinzipiell alle vorbeschriebenen Methoden des Standes der Technik, wie sie beim Abstoppen der Trimerisierungsreaktion unter Isocyanuratbildung angewandt werden. Das sind z. B. die Zugabe unter- oder auch überstöchiometrischer Mengen an starken Säuren oder Säurederivaten (z. B. Benzoylchlorid, saure Ester der phosphori­ gen Säure und der Phosphorsäure, diese Säuren selbst etc., nicht jedoch HF und an­ dere schwache Säuren eines pK_s-Wertes oberhalb 2,0), adsorptive Bindung des Kata­ lysators und anschließende Abtrennung durch Filtration, thermische Desaktivierung u.s.w.

Die Entfernung von überschüssigem/n Ausgangsisocyanat/en, sofern es sich bei die­ sem/n um (ein) niedermolekulare(s), "monomere(s)" (Di)isocyanat(e) handelt, erfolgt vorzugsweise, wenn die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte für Anwendungen auf dem Polyurethanlack- und -beschichtungsmittelsektor bestimmt sind. Hierbei pro­ fitiert man von der exzellenten Farbzahl und -stabilität der Verfahrensprodukte sowie ihrer hohen Rückspaltstabilität in das/die zugrundeliegende(n) monomere(n) (Di)isocyanat(e).

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Trimeren(mischungen) genügen Katalysator­ konzentrationen, bezogen auf eingesetzte(s) (Poly)isocyanat(mischung) und das Flu­ oridion (rel. Molmasse 19), zwischen 1 ppm und 1%, bevorzugt zwischen 1 ppm und 0,1%, besonders bevorzugt zwischen 1 ppm und 0,05%.

Nach einer besonderen, kontinuierlich arbeitenden Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird die Oligomerisierung in einem Rohrreaktor vorgenommen.

Hierbei profitiert man von der geringeren Neigung insbesondere der Phosphonium­ fluoridkatalysatoren, trotz Applikation in hochkonzentrierter Lösung bzw. als reiner Wirkstoff, spontan Gelteilchen im Produkt zu bilden. Zudem können wiederum höher­ konzentrierte Katalysatorlösungen verwendet werden als bei diskontinuierlichen ("batch"-) Trimerisierungen, da die Vermischungsgeschwindigkeiten in Rohrreaktoren mit turbulenter Pfropfenströmung gegenüber der Vermischung der Reaktanden in Rührkesseln erheblich beschleunigt ist, der o.g. "slow release"-Mechanismus mithin deutlich weniger lange anhalten muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl lösungsmittelfrei als auch unter Ver­ dünnung des Ausgangs(poly)isocyanates bzw. der Ausgangs(poly)isocyanat(mi­ schung)e(n) durchgeführt werden. Zur Verdünnung eignen sich hierbei alle, gegenüber NCO-Gruppen inerte organische Verbindungen wie Toluol, Xylol(e), höhere Aroma­ ten, Ester, Ether, Ketone, C₁₂-C₂₀-Alkylsulfonsäureester sowie Gemische derartiger Lösungsmittel.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle Di- oder Polyiso­ cyanate mit einem (mittleren) Molekulargewicht von 140-600 g/mol mit unabhängig voneinander aliphatisch, cycloaliphatisch und/oder araliphatisch gebundenen Isocya­ natgruppen in reiner Form oder als beliebige Mischungen untereinander verwendet werden. Beispielhaft seien genannt:

Hexamethylendiisocyanat (HDI), 2-Methylpentan-1,5-diisocyanat (MPDI), 1,3-Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan (1,3-H₆-XDI), 3(4)-Isocyanatomethyl-1-methyl­ cyclohexylisocyanat (IMCI); Isophorondiisocyanat (IPDI), Bis(isocyanatomethyl)- norbornan (NBDI), 4-Isocyanatomethyl-1,8-octandiisocyanat (Triisocyanatononan, TIN), 1,3-Bis(isocyanatomethyl)benzol, 1,3-Bis(2-isocyanatopropyl-2)benzol und Bis(4(2)-Isocyanatocyclohexyl)methan (H₁₂MDI, Desmodur® W, Produkt der Bayer AG). Hierbei ist es belanglos, nach welchen Verfahren die vorstehend genann­ ten (Poly)isocyanate hergestellt werden, d. h. mit oder ohne Verwendung von Phos­ gen.

Bevorzugt werden HDI, MPDI, 1,3-H₆XDI, NBDI sowie Mischungen aus HDI und PDI eingesetzt.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, Gemische bestimmter (Poly)isocyanate im erfin­ dungsgemäßen Verfahren einzusetzen, beispielsweise um dem Anforderungsprofil des jeweiligen Produktes bzw. Produktgemisches optimal zu entsprechen. So werden in vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Automobil(erst)lackierung, Polyisocya­ natgemische auf Basis, gegebenenfalls verzweigter, linearaliphatischer, z. B. HDI, einerseits und cycloaliphatischer Diisocyanate, z. B. IPDI oder H₁₂MDI (Desmodur® W-Handelsprodukt der Bayer AG), andererseits eingesetzt. Diese Gemische werden in der Regel durch nachträgliches Abmischen von Polyisocyanaten auf Basis von Di­ isocyanaten des einen mit denen des anderen Typs hergestellt. Es kann aber auch von Vorteil sein, sie durch simultane Mischtrimerisation aus dem entsprechenden Gemisch der monomeren Komponenten herzustellen (EP-A 00 47 452). Viele Polyisocyanate auf Basis cycloaliphatischer Diisocyanate des Standes der Technik sind fest. Sie wei­ sen zuweilen eine derart hohe Schmelzviskosität auf, daß mitunter schon die Mono­ merenabtrennung durch (Dünnschicht)destillation erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Deshalb bedarf es zu ihrer Verarbeitung bzw. mitunter auch bereits bei der Dünn­ schichtdestillation der Verwendung von Lösungsmitteln bzw. von Fließhilfsmitteln. Will man keine allzu großen Einbußen in Umsetzungsgrad (Harzausbeute) und NCO- Funktionalität bei der Herstellung dieser Polyisocyanate hinnehmen, sind Lösungs­ konzentrationen um 70% (Fest)harz, z. B. bei Isocyanurat-Polyisocyanaten auf Basis cycloaliphatischer Diisocyanate, bei gut verarbeitbaren dynamischen Viskositäten zwi­ schen ein und zehn Pa.s (gemessen bei 23°C) marktüblicher Stand der Technik.

Trimerisiert man hingegen Gemische linearaliphatischer, z. B. HDI, und cycloalipha­ tischer Diisocyanate, z. B. IPDI, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unter (teilweiser) Iminooxadiazindionbildung, erhält man auch bei Zimmertemperatur fließ­ fähige Produkte (Viskosität bei 23°C unter 100 Pa.s) die zudem bei sukzessiver Lö­ sungsmittelzugabe eine drastisch schnellere Viskositätsabnahme aufweisen, als Pro­ dukte entsprechender Zusammensetzung (NCO-Funktionalität, Diisocyanatbasis, mittleres Molekulargewicht) des Standes der Technik (Beispiel 6).

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Produkte bzw. Produktge­ mische stellen mithin vielseitig verwendbare Ausgangsmaterialien zur Herstellung von, gegebenenfalls geschäumte(n), Kunststoffe(n) sowie Lacken, Beschichtungsmitteln, Klebstoffen und Zuschlagstoffen dar.

Vor ihrer Verwendung als Isocyanat-Komponente in Polyurethansystemen können die Verfahrensprodukte gegebenenfalls an den Isocyanatgruppen weiter modifiziert wer­ den, beispielsweise durch Einführung von Urethan-, Harnstoff-, Biuret- und/oder Allophanatgruppen oder durch eine teilweise oder vollständige Umsetzung der NCO- Gruppen mit speziellen, wieder abspaltbaren Verbindungen ("Blockierung"). Hierfür eignen sich beispielsweise Phenole, Lactame wie z. B. ε-Caprolactam, Oxime, Di- und Triazole, bestimmte Amine wie z. B. Diiso-Propylamin, CH-acide Verbindungen wie z. B. Malonsäuredialkylester, Acetessigester etc.

Insbesondere zur Herstellung von, gegebenenfalls wasserdipergierbaren Ein- und Zweikomponenten-Polyurethanlacken eignen sie sich, gegebenenfalls in NCO-blockierter Form, aufgrund ihrer im Vergleich zu (überwiegend) Isocyanurat-Poly­ isocyanat basierenden Produkten verringerten Lösungs- sowie Schmelzviskosität bei ansonsten gleich hohem bzw. verbessertem Eigenschaftsprofil. So sind die erfindungs­ gemäßen Verfahrensprodukte auf HDI-Basis auch in hoher Verdünnung in Lacklö­ sungsmitteln stabiler gegen das Auftreten von Ausflockungen bzw. Trübungen, als entsprechende, im wesentlichen Isocyanuratgruppen enthaltende Produkte des Stan­ des der Technik. Ihre Resistenz gegenüber der Einwirkung von Luftfeuchtigkeit (z. B. Hautbildung im offenen Gebinde, mattes Erscheinungsbild von Flächen, die bei hoher Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur lackiert wurden, sog. "downglossing") ist ebenfalls gegenüber den (fast) ausschließlich Isocyanuratgruppen enthaltenden Pro­ dukten verbessert.

Beispiele

Alle Prozentangaben sind, soweit nicht anders vermerkt, als Gewichtsprozent zu ver­ stehen.

Mol-% Angaben werden NMR-spektroskopisch ermittelt und beziehen sich immer, so nicht anders ausgewiesen, auf die Summe der durch die Modifizierungsreaktion ("Trimerisierung") entstehenden NCO-Folgeprodukte. Die Messungen erfolgen auf dem Gerät DPX 400 der Fa. Bruker an ca. 5%igen (¹H-NMR) bzw. ca. 50%igen (¹³C-NMR) Proben in trockenem CDCl₃ bei einer Frequenz von 400 MHz (¹H-NMR) bzw. 100 MHz (¹³C-NMR). Als Referenz für die ppm-Skale werden geringe Mengen von Tetramethylsilan im Lösungsmittel mit einer ¹H-chem. Verschiebung von 0 ppm (¹H-NMR) bzw. das Lösungsmittel selbst (CDCl₃) mit einer Verschiebung von 77,0 ppm (¹³C-NMR) gewählt. Daten für die chemische Verschiebung der in Frage kommenden Verbindungen sind der Literatur entnommen (vgl. Die Angewandte Makromolekulare Chemie 141, 1986, 173-183 und darin zit. Lit) bzw. durch Vermessung von Modellsubstanzen gewonnen worden. Das in Anlehnung an das in Ber. d. dtsch. Chem. Ges. 1927, 60, 295 beschriebene Verfahren aus Methylisocyanat unter Katalyse mit ca. 3% Tri-n-butylphosphin in ca. 70%iger Ausbeute zugängliche 3,5-Dimethyl-2-methylimino-4,6-diketo-1,3,5-oxadiazin weist folgende NMR-chem. Verschiebungen auf (in ppm): 3,09, 3,08 und 2,84 (¹H-NMR, CH ₃) bzw. 148,3, 144,6 und 137,3 (¹³C-NMR, C=O/C=N). Die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte mit Iminooxadiazindionstruktur haben sehr ähnliche ¹³C-NMR chem. Verschiebungen der C=O/C=N Atome und sind zweifelsfrei als solche von anderen Isocyanat- Folgeprodukten zu unterscheiden.

Die dynamischen Viskositäten werden bei 23°C mit dem Viskosimeter VT 550 der Fa. Haake bestimmt. Durch Messungen bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten ist sichergestellt worden, daß das Fließverhalten der beschriebenen erfindungsgemäßen Polyisocyanatmischungen wie auch das der Vergleichsprodukte dem idealer Newton­ scher Flüssigkeiten entspricht. Die Angabe der Schergeschwindigkeit kann deshalb entfallen.

Die Bestimmung der Restmonomergehalte erfolgt gaschromatographisch.

Die Trübung der Trimerisatharze wird mit einem Gerät der Fa. Hach ermittelt. Hierzu werden Streulichtmessungen in 90° zur Richtung eines durch die Harzprobe geleiteten Lichtstrahles der Wellenlänge 400-800 nm durchgeführt und in Einheiten bezogen auf Formazin-Standardlösungen, TE(F), angegeben.

Der überwiegende Teil der Reaktionen wird beispielhaft mit HDI als zu trimerisie­ rendem Isocyanat und Katalysatoren auf Basis Tetrabutylphosphoniumfluorid unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Das geschieht nur zur Verdeutlichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und soll keine Einschränkung der vorlie­ genden Erfindung auf die beschriebenen Systeme bzw. Reaktionsbedingungen bedeu­ ten.

Beispiel 1 Herstellung von quaternären Phosphoniumfluoriden (Stammlösungen)

in Anlehnung an J. Org. Chem. 1989, 54, S. 4827-4829. (Vorschriften für R₄

N⁺Cl⁻ wurden analog auf R₄

P⁺Cl⁻ umgearbeitet)

a) Bu₄P⁺ F⁻ in Methanol/iso-Propanol (Stammlösung 1a)

953,8 g einer 71,4%igen Bu₄P⁺ Cl⁻-Lösung in iso-Propanol (Cyphos® 443P, Produkt der Fa. Cytec), entsprechend 2,3 mol Bu₄P⁺ Cl⁻ werden in 1 kg techn. Methanol (ca. 0,2% H₂O) gelöst, mit 150 g (2,58 mol) pulverisiertem Kalium­ fluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertemperatur) gerührt. Anschlie­ ßend wird filtriert, der Filterrückstand mit 2 mal 100 g techn. Methanol gewaschen und die vereinigten Filtrate erneut mit 150 g (2,58 mol) pulve­ risiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertemperatur) gerührt. Nach anschließender Filtration und erneutem Waschen mit 2 mal 100 g techn. Methanol wird bei maximal 30°C und einem Druck von ca. 1 mbar am Rotationsverdampfer von überschüssigem Methanol und iso-Pro­ panol weitgehend befreit und erneut filtriert. Die so erhaltene, nahezu farblose Lösung weist folgende Daten auf:
Fluorid (mit ionensensitiver Elektrode bei pH 5,5): 5,0%
Chlor (gesamt, nach Aufschluß, gravimetrisch): 0,4%
MeOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 16,3%
i-PrOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 7,3%

b) Bu₃(C₁₄H₂₉)P⁺ F⁻ in Methanol/iso-Propanol (Stammlösung 1b)

500 g einer 74,2%igen Bu₃(C₁₄H₂₉)P⁺ Cl⁻-Lösung in iso-Propanol (Cyphos® 3453P, Produkt der Fa. Cytec), entsprechend 0,85 mol Bu₃(C₁₄H₂₉)P⁺ Cl⁻ werden in 0,5 kg techn. Methanol (ca. 0,2% H₂O) gelöst, mit 50 g (0,86 mol) pulverisiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertempe­ ratur) gerührt. Anschließend wird filtriert, der Filterrückstand mit 2 mal 50 g techn. Methanol gewaschen, die vereinigten Filtrate erneut mit 50 g (0,86 mol) pulverisiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertem­ peratur) gerührt. Nach anschließender Filtration und erneutem Waschen mit 2 mal 50 g techn. Methanol wird bei maximal 30°C und einem Druck von ca. 1 mbar am Rotationsverdampfer von überschüssigem Methanol und iso- Propanol weitgehend befreit und erneut filtriert. Die so erhaltene Lösung weist folgende Daten auf:
Fluorid (mit ionensensitiver Elektrode bei pH 5,5): 3,65%
Chlor (gesamt, nach Aufschluß, gravimetrisch): 0,145%
MeOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 9,1%
i-PrOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 3,8%

c) Ph₃(Bu)P⁺ F⁻ in Methanol (Stammlösung 1c)

20 g (56,3 mmol) Ph₃(Bu)P⁺ Cl⁻ (Fa. Chemconserve) werden in 40 g techn. Methanol (ca. 0,2% H₂O) gelöst, mit 3,3 g (56,8 mmol) pulverisiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertemperatur) gerührt. An­ schließend wird filtriert, der Filterrückstand mit 2 mal 5 g techn. Methanol gewaschen und die vereinigten Filtrate erneut mit 3,3 g (56,8 mmol) pulve­ risiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20-25°C (Zimmertemperatur) gerührt. Nach anschließender Filtration und erneutem Waschen mit 2 mal 5 g techn. Methanol wird bei maximal 30°C und einem Druck von ca. 1 mbar am Rotationsverdampfer bis zur beginnenden Kristallisation von überschüssigem Methanol befreit und erneut filtriert. Dabei ist darauf zu achten, daß nur von Kaliumsalzen, die infolge weiterer Aufkonzentrierung der Lösung ausfallen, abgetrennt wird und kein Phosphoniumsalz im Filterrückstand verbleibt (Lös­ lichkeitsprobe). Die so erhaltene Lösung weist folgende Daten auf:
Fluorid (mit ionensensitiver Elektrode bei pH 5,5): 3,15%
Chlor (gesamt, nach Aufschluß, gravimetrisch): < 0,2%
MeOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 42,8%

d) R₃(Me)N⁺F⁻ in Methanol/iso-Propanol (Stammlösung 1d)

151,3 g einer ca. 90%igen R₃(Me)N⁺Cl⁻-Lösung in iso-Propanol (Adogen® 464, Produkt der Fa. Aldrich, R steht für C₈-C₁₀-Reste wobei C₈ überwiegt, Chlorgehalt: 7,1%) werden in 170 g techn. Methanol (ca. 0,2% H₂O) gelöst, mit 17,6 g pulverisiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20 bis 25°C (Zimmertemperatur) gerührt. Anschließend wird filtriert, der Filterrückstand mit 2 mal 100 g techn. Methanol gewaschen und die vereinigten Filtrate erneut mit 17,6 g pulverisiertem Kaliumfluorid versetzt und 24 h bei 20 bis 25°C (Zimmertemperatur) gerührt. Nach anschließender Filtration und erneutem Waschen mit 2 mal 100 g techn. Methanol wird bei maximal 25°C und einem Druck von ca. 1 mbar am Rotationsverdampfer von überschüssigem Methanol und iso-Propanol bis zur Gewichtskonstanz befreit und erneut filtriert. Die so erhaltene, schwach gelb gefärbte Lösung weist folgende Daten auf:
Fluorid (mit ionensensitiver Elektrode bei pH 5,5): 3,4%
Chlor (gesamt, nach Aufschluß, gravimetrisch): 0,2%
MeOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 13,9%
i-PrOH (gaschromatografisch, nach Normierung): 2,5%

Beispiel 2 Vergleichsbeispiele (nicht erfindungsgemäß)

• a) HDI-Trimerisierung mit einer ca. 1,5%igen Tetrabutylphosphoniumfluorid­ lösung in 2-Ethyl-1,3-hexandiol (ca. 0,1%ig an F⁻, Vorzugsbereich der Kataly­ satorkonzentration gemäß DE-A 38 27 596 bzw. DE-A 39 02 078).
  200 g (1,19 mol) HDI werden in einer Dreihalskolben-Rührapparatur bei 60°C zunächst durch ca. einstündiges Rühren im Vakuum (0,1 mbar) von gelösten Gasen befreit, mit Stickstoff belüftet und anschließend wird im Verlauf von 4 h durch tropfenweise Zugabe einer mit 2-Ethyl-1,3-hexandiol auf ca. 0,1% F⁻ verdünnten Lösung der Bu₄P⁺ F⁻-Stammlösung 1a die Trimerisierungsreaktion bis zu einem NCO-Gehalt der Rohlösung von 42,1% geführt (Katalysator­ bedarf: 46 ppm F⁻, Abstoppen mit 103 mg Dibutylphosphat). Im Verlauf der Katalysatorzugabe bilden sich zunehmend Feststoffpartikel, die sich insbe­ sondere an der Kolbenwandung über der Flüssigkeit ablagern. Das nach Fil­ tration der Rohlösung über ein Faltenfilter und anschließende Dünnschichtdes­ tillation in einem Labor-Dünnschichtverdampfer, Typ Kurzwegverdampfer, bei 140°C/0,2 mbar gewonnene Harz weist die in Tabelle 1 aufgeführten Daten auf.

Wird anstelle des 2-Ethyl-1,3-hexandiols beispielsweise Glykol als Katalysatorlö­ sungsmittel verwendet, resultieren prinzipiell analoge Effekte: zu hohe Trübung der Trimerisat-Rohlösungen und -harze bei tendenziell immer niedrigerer Iminooxadiazin­ dion-Bildungsrate wenn der Katalysator verdünnt wird.

• b) HDI-Trimerisierung mit einer ca. 1,5%igen Tetrabutylphosphoniumfluorid­ löung in Acetonitril (ca. 0,1%ig an F⁻, Vorzugsbereich der Katalysatorkon­ zentration gemäß DE-A 38 27 596 bzw. DE-A 39 02 078)
• c) HDI-Trimerisierung mit einer ca. 1,5%igen Tetrabutylphosphonium­ fluoridlöung in DMF (ca. 0,1%ig an F⁻, Vorzugsbereich der Katalysator­ konzentration gemäß DE-A 38 27 596 bzw. DE-A 39 02 078).

Es wird in völliger Analogie zur Verfahrensweise in Beispiel 2a verfahren. Dabei resultieren trübe und ca. 3% aprotisches Lösungsmittel enthaltende Rohlösungen, die nach aufwendiger Filtration (gelartige Feststoffpartikel!) und Dünnschichtdestillation stärker getrübte Harze liefern (Tabelle 1). Das Verfahren wäre aufgrund der komplizierten Abtrennung des Katalysatorlösungsmittels ohnehin sehr aufwendig und deshalb kaum realisierbar.

Vgl. auch die unter Beispiel 4 getroffenen Aussagen zur Katalysatordosierung mittels anderer Dosierungstechniken ("Eindüsen").

Tabelle 1

Vergleichsbeispiele zur Katalyse mit quaternären Phosphoniumfluoriden (nicht erfindungsgemäß)

Beispiel 3 Verwendung von Wasser als Solvatisierungsmittel S

Stammlösung 1a, b, c bzw. d wird jeweils mit einem Äquivalent Wasser, bezogen auf den Fluoridgehalt, versetzt und für HDI-Trimerisierungen in der unter 2a be­ schriebenen Weise verwendet. Dabei wird fortlaufend das im jeweils vorangegangenen Versuch zurückgewonnene Monomer, um die im vorangegangenen Versuch als Harz entnommene HDI-Menge ergänzt, erneut trimerisiert (Versuche 3-1 bis 3-3, jeweils a-d). Es sind bei keinem dieser Versuche Ausflockungen oder Feststoffbildungen während der Reaktion zu beobachten, die isolierten Harze weisen ein sehr niedriges Trübungsniveau und einen hohen Iminooxadiazindiongehalt auf (vgl. Tabelle 2). Der U_NCO liegt jeweils bei ca. 20%. Das Abstoppen der Weiterreaktion erfolgt durch Zu­ gabe der dem F⁻-Verbrauch entsprechenden molaren Menge Dibutylphosphat. Der F⁻- Bedarf der Reaktion liegt zwischen 10 und 30 ppm, bezogen auf die Masse an einge­ setztem HDI und die relative Masse des Fluoridions, 19 g/mol.

Wird die H₂O-Menge im verwendeten Katalysator auf 5 bzw. 10 Äquivalente je Äqui­ valent F⁻ in der Stammlösung 1a erhöht (Versuche 3-4 und 3-5), wird der Iminooxa­ diazindionanteil in der Trimerenmischung sukzessive abgesenkt. Auch lassen sich bei Versuch 3-5 bereits die aus der NCO-H₂O-Reaktion resultierenden, höherviskosen HDI-Folgeprodukte NMR-spektroskopisch im Harz gut nachweisen (hauptsächlich Biuret und Oxadiazintrion, letzteres entsteht durch sofortigen, fluoridkatalysierten Einbau des bei der NCO-H₂O-Reaktion freiwerdenden Kohlendioxides, vgl. auch DE-A 39 02 078).

Tabelle 2

Ergebnisse der Phosphonium- bzw. Ammoniumfluorid-katalysierten HDI-Trimeri­ sierung bei Verwendung von Wasser als Solvatisierungsmittel S für das Fluoridion

Beispiel 4 Verwendung von Alkoholen als Solvatisierungsmittel S

Alle Beispiele, die sich auf die Herstellung von Produkten beziehen, die weniger als 30 mol-% Iminooxadiazindion im Trimerengemisch enthalten und/oder einen Trü­ bungswert von 1,5 TE(F) überschreiten, sind Vergleichsbeispiele.

Stammlösung 1a wird als solche (Versuch 4-0), bzw. jeweils mit den in Tabelle 3 auf­ geführten Alkoholen weiter auf die jeweils in Tabelle 3 aufgeführte Konzentration verdünnt, für HDI-Trimerisierungen in der unter 2a beschriebenen Weise verwendet (U_NCO jeweils ca. 20%, Abstoppen durch Zugabe der dem F⁻-Verbrauch entsprechen­ den molaren Menge Dibutylphosphat, F⁻-Bedarf der Reaktion 20-50 ppm F⁻, bezo­ gen auf die Masse an eingesetztem HDI und die relative Masse des Fluoridions, 19 g/mol). Nur wenn der Katalysator in sehr hoher Konzentration eingesetzt wird (Versuch 4-0), sind gelegentlich geringe Feststoffbildungen in der Reaktionslösung zu beobachten. In diesen Fällen kann die Rohware vor der dünnschichtdestillativen Auf­ arbeitung entweder filtriert werden, was erheblich problemloser als bei den unter 2b und 2c aufgeführten Fällen gelingt, oder der Katalysator wird zur schnelleren ho­ mogenen Vermischung in das HDI eingedüst. Verfährt man so mit den unter 2b und 2c verwendeten Katalysatorlösungen, setzen sich die Düsen sofort mit Feststoff zu. Der Iminooxadiazindiongehalt hingegen liegt dann auf dem erfindungsgemäß hohen Niveau, wenn die Alkoholmenge (molar) ca. ein 20faches der Fluoridionenkonzen­ tration nicht wesentlich überschreitet, d. h., die Katalysatorkonzentration sollte ca. 20 bis 30% nicht unterschreiten (vgl. Tabelle 3).

Tabelle 3

Ergebnisse der Phosphoniumfluorid-katalysierten HDI-Trimerisierung bei Verwen­ dung monofunktioneller Alkohole als Solvatisierungsmittel S für das Fluoridion

Beispiel 5 Verwendung von organischen Säuren als Solvatisierungsmittel S

In Stammlösung 1a wird jeweils äquimolar, bezogen auf die relative Masse des Flu­ oridions, 19 g/mol, die in Tabelle 4 aufgeführte organische Säure gelöst und die resul­ tierenden Mischungen für HDI-Trimerisierungen in der unter 2a beschriebenen Weise verwendet (U_NCO jeweils ca. 20%, Abstoppen durch Zugabe der dem F⁻-Verbrauch entsprechenden molaren Menge Dibutylphosphat, F⁻-Bedarf der Reaktion 20-50 ppm F⁻, bezogen auf die Masse an eingesetztem HDI und die relative Masse des Fluoridions, 19 g/mol). Es sind, unabhängig von der Art der Katalysatorzugabe, keine Feststoffbildungen während der Reaktion zu beobachten. Die Iminooxadiazin­ diongehalte sind Tabelle 4 zu entnehmen.

Tabelle 4

Ergebnisse der Phosphoniumfluorid-katalysierten HDI-Trimerisierung bei Verwen­ dung organischer Säuren als Solvatisierungsmittel S für das Fluoridion

Beispiel 6 HDI/IPDI-Mischtrimerisierung

Eine Mischung aus 100 g (0,59 mol) HDI und 100 g (0,45 mol) Isophorondiisocyanat (IPDI) wird in einem 250 ml Vierhalskolben mit Innenthermometer, Rührer, Rück­ flußkuhler, Gaseinleitungsrohr sowie Dosiereinrichtung für die Katalysatorlösung zu­ nächst bei Zimmertemperatur und einem Druck von ca. 0,1 mbar im Verlauf einer Stunde von im Diisocyanatgemisch gelösten Gasen befreit und anschließend unter Durchleiten eines schwachen Stickstoffstromes auf 60°C Innentemperatur erhitzt. Anschließend werden bei dieser Temperatur im Verlaufe von ca. 20 Minuten por­ tionsweise insgesamt 0,3 g (75 ppm F⁻) der Stammlösung 1a zugetropft und bei 60-70°C bis zu einem NCO-Gehalt der Mischung von 34,0% trimerisiert, durch Zugabe von 0,2 g Di-n-butylphosphat abgestoppt, eine weitere Stunde bei 60°C nachgerührt und anschließend von nicht umgesetzten monomeren Diisocyanaten durch Dünn­ schichtdestillation in einem Kurzwegverdampfer bei 0,1 mbar und einer Temperatur des Heizmediums von 170°C abgetrennt. Das so erhaltene klare (Trübung = 1,1 TE(F)) und nahezu farblose Harz (65,6 g entsprechend 32,8% Ausbeute) weist in reiner Form eine Viskosität von 23 000 mPa.s, einen NCO-Gehalt von 20,3% und Restmonomergehalte von 0,07% an HDI und 0,18% an IPDI auf. Der Imino­ oxadiazindiongehalt in der Trimerenmischung beträgt 41,5%.

Beispiel 7

100 g (0,51 mol) 1,3-Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan (Fa. Aldrich) werden zunächst wie in Beispiel 6 beschrieben vorbehandelt und anschließend durch portionsweise Zu­ gabe der Polyfluorid-Stammlösung 1a, summarischer Katalysatorbedarf: 42 ppm F⁻ bei 58-60°C, innerhalb von 3 Stunden auf einen NCO-Gehalt von 36,6% trimerisiert. Anschließend wird durch Zugabe von 100 mg Di-n-octylphosphat abgestoppt, eine weitere Stunde bei 60°C nachgerührt und von nicht umgesetztem 1,3- Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan durch Dünnschichtdestillation in einem Kurzweg­ verdampfer bei 0,2 mbar und einer Temperatur des Heizmediums von 140°C abge­ trennt. Das so erhaltene, klare und nahezu farblose Harz (33,5 g entsprechend 33,5% Ausbeute) weist einen NCO-Gehalt von 19,9% auf und ist in reiner Form bei Zimmertemperatur (20-25°C) gerade noch fließfähig. Die Viskosität der 80%igen Lösung in n-Butylacetat beträgt 1530 mPa.s bei einem NCO-Gehalt von 15,9%. Der Restmonomergehalt beläuft sich auf 0,07% an 1,3-Bis(isocyanatomethyl)cyclohexan. Der Iminooxadiazindionanteil im Trimerengemisch beläuft sich auf 45,2%.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten mit mindestens 30 mol-% an Iminooxadiazindiongruppen (asymmetrische Trimere), bezogen auf die Ge­ samtmenge an Isocyanurat- und Iminooxadiazindiongruppen, durch katalytisch induzierte Trimerisierung organischer Di- oder Polyisocyanate mit einem (mittleren) Molekulargewicht von 140-600 g/mol mit unabhängig voneinan­ der aliphatisch, cycloaliphatisch und/oder araliphatisch gebundenen Isocyanat­ gruppen, dadurch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungskatalysator quater­ näre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel
R₄E⁺ F⁻ (I),
wobei
E für N oder P steht und
R für gleiche oder verschiedene, gegebenenfalls verzweigte, aliphatische, aromatische und/oder araliphatische C₁-C₂₀ Reste steht, wobei zwei oder mehrere Substituenten R untereinander und mit dem Stickstoff- bzw. Phosphoratom auch gesättigte oder ungesättigte Cyclen bilden können,
rein oder in Abmischung mit Solvatisierungsmitteln S für das Fluoridanion eingesetzt werden, wobei S eine reine Verbindung oder ein Gemisch verschie­ dener Stoffe aus der Gruppe der protischen Verbindungen mit einem pK_s-Wert größer als 2 (bestimmt in H₂O bei 25°C) sowie Oxalsäure, jedoch kein höher­ funktioneller Alkohol (Di- bzw. Polyol) sowie HF, sein kann, unter der Voraussetzung, daß das molare Verhältnis von S zu Fluoridion (F⁻) den Wert 20 nicht überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu trimerisie­ rende Isocyanatkomponente aliphatische Diisocyanate eines Molekularge­ wicht(sbereich)es von 140-300 g/mol als reine Verbindungen oder in beliebi­ ger Abmischung untereinander eingesetzt werden und daß die Verfahrenspro­ dukte mindestens 35 mol-% an Iminooxadiazindiongruppen (asymmetrische Trimere), bezogen auf die Gesamtmenge an Isocyanurat- und Iminooxadiazin­ diongruppen, enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungs­ katalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit monofunktionellen Alkohol(gemische)en eines (mittleren) Molekulargewichtsbereiches von 32-250 g/mol eingesetzt werden, wobei die Konzentration des quaternären Ammonium- bzw. Phosphoniumfluorides 20 Masse-% in der Mischung nicht unterschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungs­ katalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit organischen Säuren eines pK_s-Wertes größer als 2 (in H₂O bei 25°C) sowie Oxalsäure eingesetzt werden, wobei das molare Verhältnis von organischer Säure zu Fluoridion, F⁻, den Wert 10 nicht überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trimerisierungs­ katalysator quaternäre Ammonium- bzw. Phosphoniumfluoride der Formel (I) in Abmischung mit Wasser eingesetzt werden, wobei das molare Verhältnis von Wasser zu Fluoridion, F⁻, den Wert 10 nicht überschreitet.

6. Polyisocyanate, gegebenenfalls in monomerenarmer Form (≦ 0,5 Gew.-% Restmonomer), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens 40 mol-% an Iminooxadiazindiongruppen (asymmetrische Trimere), bezogen auf die Gesamtmenge an Isocyanurat- und Iminooxadiazindiongruppen enthalten.

7. Verwendung der Isocyanate, hergestellt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Herstellung von Bindemitteln.