DE2003464A1 - Polyurethanelastomere und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Polyurethanelastomere und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Priorität; vom 28. Januar 1969
aufgrund der USA-Patentanmeldung Serial No. 794 770
in USA
Die Erfindung "betrifft Polyurethanharz e; mit besserer .
Stabilität gegen Hydrolyse, die aus ^,^'-MethylenM-s-(cyolohexylisozyanat),
Neopentyladipatpolyester und einem aromatischen Diamin hergestellt.werden.
Ea ist bekannt, daß Polyurethanmassen durch Kettenverlängerung
von Vorpolymeren mit Isozyanatendgruppen mit Hilfe eines Härtungsmittels,, das aktiven Wasseratoff
enthält, wie eines Diamine, Polyols, mit Hilfe von Wasser und dgl., hergestellt werden können. Die Vorpolymere ge-. 009831/1755
winnt man gewöhnlich durch Kondensation eines Polyesters oder Polyätherg mit einem Überschuß an aromatischem Diisozyanat.
Wenn hochwertige Elastomere erwünscht sind, sind die bevorzugten Härtungsmittel aromatische Diamine.
Die Verwendung aromatischer Diamine ergibt jedoch bei vielen Vorpolymeren VerarbeitungsProbleme. Beispielsweise
wenn ein Vorpolymer mit Isozyanatendgruppen mit einem hochreaktiven aromatischen Diamin, wie Methylendianilin,
erumgesetzt wird, /folgt die Umsetzung so schnell, daß nicht
genügend Zeit vorhanden ist, das Gemisch in eine geeignete Form zu geben, bevor es beginnt zu gelieren. In den meisten
Fällen bleibt das Gemisch des Vorpolymers und Diamin-Kettenverlängerers
in einem flüssigen, gießbaren Zustand während einer relativ kurzen Zeit, d.h. solche Hassen gelieren in
relativ kurzer Zeit, allgemein innerhalb von Sekunden. Dies macht es erforderlich, daß solche Gemische in kleinen
Ansätzen hergestellt werden, was unbequem und teuer ist, da ein solches Verfahren zeitraubend ist und nicht in
großtechnischem Maßstab angewendet werden kann. Ea wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, um das Problem zu
lösen, doch nur mit geringem Erfolg.
Das Problem der schnellen Reaktivität schreckte daher von der Verwendung vieler aromatischer Diamine ab. Eine Ausnahme
wurde in dem Fall bestimmter halogenierter aromatischer Diamine, wie Methylen-bis-(o-ohloranilin) und
3,3'-Dichlorbenzidin, gefunden. In solchen Verbindungen verlangsamt die Anwesenheit von Chloratomen in Ortho-
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stellung zu der Aminogruppe die Härtungszeit ausreichend,
um das Verfahren praktikabel zu machen.
Es gibt aber verschiedene andere Nachteile bei der Verwendung der chlorhaltigen Diamine. Oftmals verlangsamen
diese die Härtungszeit so sehr, daß die Umsetzung für einige Zwecke unannehmbar langsam wird, was die Verwendung
von Katalysatoren zur Beschleunigung der Reaktion zu einer praktischen Geschwindigkeit erfordert. Außerdem
sind solche chlorhaltigen Diamine relativ teuer im Vergleich mit anderen Diaminen, wie Methylendianilin, und
führen zu Elastomeren mit schlechter Stabilität gegen Hydrolyse.
Demnach gewinnt man nach der vorliegenden Erfindung ein Polyurethan-Harnstoffelastomer mit verbesserter Härtungszeit und Stabilität gegen Hydrolyse, und dieses Elastomer
besteht aus dem Umsetzungsprodukt von (1.) einem Vorpolymer mit Isozyanatendgruppen, das sich von 4,4'-Methylenbis-(cyclohexyli3ozyanat)
und einem Polyneopentyladipat mit einem Molekulargewicht zwischen etwa 500 und 3000, vorzugsweise
zwischen etwa 1000 und 2200 herleitet, und (2.) einem Kettenverlängerungsmittel, das ein aromatisches Diamin
der allgemeinen Formel (I) ™
ln
ist, worin X eiwArylen- oder Arylenalkylrest, der frei von
Ha!ogenauhsti Uienten ist, vorzugsweise einen Phenyl en-,
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Biphenylen- oder Diphenylenmethanreat bedeutet. Besonders
bevorzugt sind jene Diamine mit der Struktur der Formel (I), worin X einen Diphenylmethanrest bedeutet. R bedeutet
in der Formel I ein Waseeretoffatom, eine Alkylgruppe mit
1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, und η ist eine ganze Zahl von
1 bis 4.
Typische aromatische Diamine gemäß der Formel (I), die als Härtungsmittel nach der vorliegenden Erfindung verwendet
werden können, sind beispielsweiset
4,4'-Methylendianilin (nachfolgend als Methylen-
dianilin bezeichnet),
Metaphenylendiamin, 2,4-Toluoldiamin,
3,3' -Dime thyl-4, 4' -d iphenylmethandiaain,
3,3'-Dibutyl-4,4'-diphenylmethandiamin,
3,3'-Diäthyl-4,4'-biphenyldiamin,
3,3'-Dimethyl-4,4'-biphenyldiamin,
3,3'-Dimethoiy-4,4'-biphenyldiamin,
Butoxy-2,4-phenylendiamin, p-Xylylendiamin,
2,4-Diaminoanisol, Äthoxy-2,4-phenylendiamin,
Naphthylendiamine usw.
Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen und aufgrund der Überlegenheit der EigenscJiaften dge Endproduktes ist ein
- 5 besonders bevorzugtes Diamin-Härtungsmittel Methylendianilin,
Polyneopentyladipat ist ein Polyester, der durch die Umsetzung von Neopentylglycol und Adipinsäure gewonnen wird.
Neopentyladipatpolyester, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, besitzen ein Molekulargewicht
im Bereich von etwa 500 bis 3000 und eine Säurezahl unterhalb etwa 20,0 und vorzugsweise unterhalb
etwa 1,0. Insoweit, als die Polyester dazu bestimmt sind, mit einem organischen Diisozyanat umgesetzt zu werden,
ist es klar, daß sie der Klasse der Verbindungen mit Hydroxylendgruppen angehören und daß daher zu ihrer Herstellung
ein Überschuß des Glyools verwendet werden sollte. Bei einer typischen Herstellung eines geeigneten Polyneopentyladipats
werden etwa 29 Mol Neopentylglycol mit etwa 21 Mol Adipinsäure vermischt,und das Reaktionsgemiaoh
wird auf etwa 230 bis 2400C gehalten, bis die Säurezahl
des Gemisches unterhalb etwa 1,0 liegt. Der reitliohe
Überschuß an Neopentylglycol wird durch De·tillation entfernt,
um ein Polyneopentyladipat mit einer OH-Zahl von etwa 64 zu ergeben. Besonders bevorzugt für die Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung sind Polyneopentyladipate mit einem Molekulargewicht im Bereich von etwa 1000 bis
2200.
4,4'-Methylen-bis(oyclohexylieozyanat) existiert in drei
verschiedenen isomeren Formen, je naoh der Lage, d.h. ois oder trans, der Isozyanatgruppe bezüglich der Mefchylen-
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brückengruppe. Die handelsüblichen Reinheitsgrade dieses
Isozyanata sind Gemische verschiedener Anteile der drei Isomeren, d.h. des cis-cis-, des ois-trans- und des
trans-trans-Isomers. Die Isomeren können nach herkömmlichen
physikalischen Trennmethoden aufgetrennt werden. Bei der vorliegenden Erfindung sind entweder die reinen Isomeren
oder Gemische derselben geeignet. Gemische, die etwa 25 i> bis etwa 52 i» des trans-trans-Isomers enthalten,
Bind hier bevorzugt.
Die Vorpolymermassen nach der vorliegenden Erfindung werden
in herkömmlicher Weise bereitet. Bei einer bevorzugten Herstellungsmethode wird das Polyneopentyladipat mit
4,4'-Methylenbis-(cyclohexylisozyanat) in geeignten Mengen
umgesetzt, um ein Vorpolymer mit einem NCO/OH-Verhältnis größer als 1 und vorzugsweise zwischen etwa 1,5 und 3,0
zu ergeben. Dae Gemisch wird während einer Zeit von 1 bis 4 Stunden auf etwa 120 bis HO0C erhitzt. Das aromatische
Diamin-Kettenverlängerungsmittel wird vorzugsweise bei
einer Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes zugesetzt und vorzugsweise in einer Menge im Bereich von etwa 20 i»
der etöchiometrischen Menge, die erforderlich ist, um
mit allen verfügbaren NCO-Gruppen zu reagieren. Vorzugsweise wird es im Bereich von mehr als 35 $>
und weniger als 100 $> der stöchiometrischen Menge zugegeben. Das Gemisch
wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 65 und 1350C gerührt und erhitzt, da bei diesen Temperaturen
die optimale Gellerungazeit erreicht wird. Die Golierunga-
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zeit ist der Zeitraum, nach dem das Reaktionagemisch
bei Raumtemperatur nicht mehr gießfähig ist. Das Gemisch wird dann in die Form oder auf ein Substrat gebracht und
bei einer Temperatur von etwa 65 bis 135 0C gehärtete
G-ewöhlich kann nach etwa 1/2 bis 1 Stunde ein geformtes
Elastomer aus der Form entfernt werden. Das Elastomer kann dann in herkömmlicher Weise nachgehärtet werden, wie
beispielsweise, indem man es 15 bis 20 Stunden auf einer Temperatur von 100 C hält.
Pur den Fachmann ist ersichtlich, daß die Herstellungsund
Härtungsbedingungen wesentlich von den oben angegebenen abweichen können. Dies bedeutet, daß die obige Beschreibung
nur zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführung«form
des Verfahrens der Erfindung dient und nicht der Beschränkung des Erfindungsgedankena dienen soll.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Wenn nichts anderes angegeben ist, bedeuten
in den Beispielen Teil· und Prozentsätze Gewichteteile und Gewichtaprοζentsät«e, und alle Temperaturen sind in
Grad C angegeben.
BEI3PIEL 1
790 Teile eines Polyneopentyladipats (Molekulargewicht = 2200) wurden mit 4-05 Teilen 4,4-LMethylenbi3-(cyclohexyliaozyanat)
(5? "a> trans-trans-Isomer) bei etwa 120 ° 2 Stunden vermischt
und umgesetzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt,
009831/1755
um ein Vorpolymer mit Isozyanatendgruppen und einem Aminäquivalent
von 773, d.h. einem NCO-Gehalt von 6,25 #
zu ergeben. 100 Teile des Vorpolymers wurden bei 100° mit 12,7 Teilen Methylendianilin (ausreichend, um mit
99 $> der verfügbaren NCO-Grupen zu reagieren) erhitzt
und vermischt. Das erhitzte Gemisch wurde in eine Form gegossen, die auf 100° vorerhitzt worden war, nach 30
Minuten aus der Form entfernt und sodann 18 Stunden bei
100 C nachgehärtet. Nach einer 10-tägigen Alterungsperiode
wurden Probestreifen von dem gehärteten Elastomer abgeschnitten und hinsichtlich der Zerreißfestigkeit nach
dem in ASTM-D412-51T beschriebenen Testverfahren geprüft.
Die Proben wurden dann in ein Wasserbad gegeben, das auf 98° gehalten wurde. Aus dem Bad wurden periodisch Proben
entfernt, eine Stunde bei 1000C getrocknet, 5 Tage bei
Raumtemperatur konditioniert und dann wiederum hinsichtlich der Zerreißfestigkeit untersucht.
Zu Vergleichszwecken wurden weitere Elastomere in ähnlicher Weise hergestellt und untersucht, mit der Ausnahme, daß
die Zusammensetzung hinsichtlich des verwendeten Isozyanats,
Polyesters und/oder Härtungsmittels abgewandelt wurde. Die Zusammensetzungen und Zerreißfestigkeiten sind
in Tabelle I nachfolgend zusammengestellt.
00 98 31/1755
ORIGINAL WSPECTED
Elastomerzusainiiiensetzung
(Crewichtsteile): Seopentyladipat (MG-= 2200)
Äthylenpropylenadipat (MS=2000) Polycaprolactonpolyester
(MS=2000) 4,4'-Methylenbis-(phenylisozyanat)
4,4'-Metliylenbis-(eyclohexylisozyanat)
Härtungsmittel (Teile je 100 Teile Vorpolymer)
Methylenbis-(o-chloranilin)
Methylendianilin jiminäq.ui val ent
HCO-tJehalt, $
Zerreißfestigkeit (kg pro cm ) anfänglich _
nach, einem Tag (in Wasser von 98 C)
nach zwei Tagen " nach drei Tagen nach sieben Tagen
ti Il
250
790
300
18,5
1000
1000
405
18,4
405
500
202
12,7 | 719 | 728 | 13,5 | 12,3 | ro σ O GO |
773 | 5,85 | 5,77 | 728 | 796 | |
5,40 | 361 286 134 51 10 |
342 323 276 190 |
5,77 | 5,30 | |
346 348 333 335 144 |
384 385 263 290 49 |
453 405 367 340 70 |
|||
2003Λ64
- ίο - I
Die Beibehaltung der Zerreißfestigkeit der obigen Proben nach Eintauchen in Wasser von 95°C während verschiedener
Zeiträume, wie sie in Tabelle I gezeigt sind, ist nachfolgend als Prozentsatz der anfänglichen Zerreißfestigkeit
aufgeführt.
Beispiele
1 Ά 2 ± 1
anfängliche
Zerreißfestigkeit
(kg/cm^) 346 361 342 384 453
io beibehaltene
Zerreißfestigkeit
Zerreißfestigkeit
nach 1 Tag
nach 2 Tagen nach 3 Tagen nach 7 Tagen
nach 2 Tagen nach 3 Tagen nach 7 Tagen
BEISPIELE 6 bis 11
100 | 79 | 94 | 100 | 90 |
93 | 37 | 80 | 95 | 81 |
93 | H | 55 | 75 | 75 |
42 | 0 | 0 | 13 | 15 |
Das Verfahren der Beispiele 1 bis 5 wurde unter Verwendung verschiedener Polyester wiederholt, die mit Methylenbis-(4-cyclohexylisozyanat)
(52 # trans-trans-Isomer) in einem
NCO/OH-Verhältnis von 2,0 umgesetzt wurden, wobei die resultierenden
Vorpolymere durch Umsetzung mit Methylendianilin gehärtet wurden.
Die gehärteten Elastomere wurden nach dem in den Beispielen
1 bis 5 beschriebenen Verfahren hinsichtlich der Stabilität gegen Hydrolyse untersucht. Die Zusammensetzungen und Teatergebniase
sind in Tabelle II nachfolgend zueammenge·teilt.
009831/1755
ν.
Vergleichsfreispiele
Z ue ammens.e t ζ ung
(o-ewichtsteile)
(o-ewichtsteile)
4,4'*-Methylenbis-(cycloh^xylisozyanat)
Jfeopentyladipat (MG=850)
♦Polyester S-1010-110 ο
° ♦Polyester S-101-100 ♦Polyester S-102-110
C ♦polyester S-105-115
-° Polycaprolactonpolyester
:iethylendianilin( Teile
je 100 Teile Vorpolymer)
Aminäq.uival ent
FCO-Gehalt
FCO-Gehalt
Zerreißfestigkeit nach ^ tauchen in Wasser von 95 C
(kg/ca6)
anfänglich
nach 1 Tag
nach 2 Tagen
nach 3 Tagen
nach 7 Tagen
nach 1 Tag
nach 2 Tagen
nach 3 Tagen
nach 7 Tagen
524
952
292
318
194
86
86
445
964
425
307
195
86
25
524
1052
439 411
270 49
11
524
824
13,0 | 14,0 | 11,6 | 11,1 | 12,2 | 14,4 |
753 | 701 | 846 | 878 | 803 | 681 |
5,6 | 5,9 | 5,0 | 4,8 | 5,2 | 6,17 |
450 400 300 271 91
O O GO
* Eine Reihe linearer Polyester mit Hydroxylendgruppen,
vertrieben von der Ruco Division of Hooker Chemical Corporation. Die Zahlen gebendie Hydroxylzahl an und
damit indirekt das mittlere Molekulargewicht nach der
folgenden Formel: mittleres Molekulargewicht = ^ "
OH-Zahl
Die Beibehaltung der Zerreißfestigkeit der obigen Proben nach Eintauchen in Wasser von 95 C während verschiedener
Zeiträume ist nachfolgend in i» der anfänglichen Zerreißfestigkeit
ausgedrückt.
anfängliche Zerreißfestigkeit (kg/cmz) 407
i» beibehaltene Zerreißfestigkeit nach Eintauchen in
Wasser von 95 C:
292
425
439
454
11
450
nach 1 Tag | — | — | 72 | 94 | 88 | 89 |
nach 2 Tagen | 96 | 100 | 64 | 73 | 68 | 67 |
nach 3 Tagen | 96 | 66 | 20 | 61 | 60 | 60 |
nach 7 Tagen | 52 | 29 | 6 | 11 | 16 | 20 |
Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich* daß die Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung die überraschende
Eigenschaft besitzen, die Zerreißfestigkeit zu einem über-
ORIGINAL INSPECTED
2003Λ64
raschenden Grad beizubehalten, auch wenn sie längere Zeit in heißes Wasser eingetaucht werden.
Ein Yorpolymer mit Isozyanatendgruppen wurde durch Erhitzen
eines Gemisches von 1094 Teilen Neopentyladipat (MG=175O)
und 328 Teilen 4,4-'-Me thylenb is-.(cyclohexylisozyanat) bei
120° während drei Stunden gewonnen. Das Vorpolymer besaß
einen ITCO-Gehalt von 3,6 $. Anteile des Vorpolymers wurden
durch Umsetzung bei 100 mit verschiedenen Diaminen in ausreichenden Mengen, um mit 99 f° der verfügbaren NCO-Gruppen
zu reagieren, gehärtet. Die gehärteten Elastomere wurden wie in Beispiel 1 geformt und auf Stabilität gegen
Hydrolyse untersucht, jedoch mit der Ausnahme, daß die Wassertemperatur auf 70° gehalten wurde.
Die so erhaltenen Zerreißfestigkeiten, waren folgende:
Vergleiehsbeispiel
12
Härtungemittel Methylen-
dianilin
Zerreißfestigkeit (kg/cmz)
anfänglich
nach 1 Woche nach 4 Wochen nach 6 Wochen
nach 7 Wochen
323
Ii
Methylen- m-Phenylen- m-Iolylenbis-(odiamin
diamin ohloranilin)
345
309 328 176 49
77 keine
49 0
O0S831/1755
original i J
342
318
318
75
30
30
328
380
145
44
24
-H-
In den Beispielen 12 bis 15 ist die Bedeutung der Auswahl des Härtungsmittels gezeigt. Bei den Elastomeren der Beispiele
12, 14 und 15, bei denen das Härtungsmittel nach der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, wurde eine
bessere Stabilität gegen Hydrolyse gefunden. Vergleichsweise führte der Ersatz durch ein Härtungsmittel, das ein
aromatisches Diamin mit Chlorgruppen ist (Beispiel 13) zu schlechter Stabilität gegen Hydrolyse.
009831/1755 ORIGINAL INSPECTED
Claims (11)
1. Polyurethanelastomer aus einem aus Isozyanat und Polyol Vj
gewonnenen Polyurethan mit Isozyanatendgruppen und einem
aromatischen Diamin, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer das Reaktionsprodukt eines Polyurethans
au« 1,4'-Methylenbis-(cyclohexylisozyanat) und einem Pol v'^elipat von Neopentylglycol mit dem aromatischen Diamjη ist.
au« 1,4'-Methylenbis-(cyclohexylisozyanat) und einem Pol v'^elipat von Neopentylglycol mit dem aromatischen Diamjη ist.
2. Polyurethanelastomer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es das Umsetzungsprodukt eines Polyurethans
aus einem Polyadipat von Neopentylglycol mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 500 und 3000 und
eines aromatischen Diamine als Härtungsmittel der allgemeinen Formel
Rn
X NH2
ist, worin X" einen Arylen- oder Arylenalkylrest, der frei
von Halogenaubstituenten ist, bedeutet, R ein Wasserstoffatom,
eine Alkylgruppe mit 1 bis 4- Kohlenstoffatomen oder
einer Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist und
η eine ganze Zahl von 1 bis 4- bedeutet.
3. Polyurethanelaatomer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein Reaktioneprodukt des Polyurethans von
4,4'-Methylendianilin,m-Phenylendiamin oder 2,4-Toluoldiamin ist, bei dem 35 bis 100 # der Iaozyanatgruppen des
Polyurethane mit dem Diamin umgesetzt sind.
4. Pölyurethanelaetomer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es das Umsetzungsprodukt eines Polyurethans
aus einem Polyadipat von Neopentylglyool mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen etwa 1000 und 2200 ist.
5. Polyurthanelasto->mer nach Anspruch 1 bis 4, daduroh gekennzeichnet, daß es ein Reaktionsprodukt eines Polyurethane
mit «hem NCO/OH-Verhältnie zwischen etwa 1,4 und 3,0 t 1,0
ist.
6. Zu einem Elastomer härtbares Polyurethan mit Isozyanatendgruppen aus einem Isozyanat und einem Polyol, daduroh
gekennzeichnet, daß es das Eeaktionsprodukt von 4,4'-Methylenbis-(oyclohexylieozyanat) und einem Polyadipat von Neopentylglyool ist. und ein aromatisches Diamin enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanelastomers
duroh Umsetzung von überschüssigem Diiaozyanat mit einem Polyol und Härtung des resultierenden Polyurethans mit
Isozyanatendgruppen mit Hilfe eines aromatischen Diamine,
daduroh gekennzeichnet, dafl man als Diioszyanat 4i4'-Mβthyiβnbi■-(öyolohβxyliβo£yanat) und als Polyol ein Polyadipat
ron Heopentylg^col verwendet.
009831/1755
8. Verfahren naoh Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daS
man ein Polyadipat von Heopentylglycol mit einem mittleren
Molekulargewicht zwischen 500 und 3000, vorzugsweise zwischen etwa 1000 und 2200,verwendet.
9. Verfahren naoh Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
dafi man das Diisozyanat und daa Polyol in solchen Mengen
verwendet, daß das Molverhältnis der Isozyanatgruppen
in dem Diisozyanat zu den Hydroxylgruppen in dem Polyol zwischen 1,4· ι 1 und 3 ι 1 liegt.
10. Verfahren naoh Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dafi man als Härtungsmittel ein aromatisches Diamin der
allgemeinen Pormel
verwendet, worin X ein· Arylen- oder Arylenalkylgruppe,
die frei von Halogensubstituenten ist, bedeutet, R ein
Was β erst off atom, ein· Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder «in· Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedettet und η ein« ganze Zahl von 1 bis 4 ist.
11. Verfahren naoh Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daS
man als aromatische· Diamin 4t4*-Methylt;rxdianiXin,m-»
Phenylendiamin oder 2,4-Toluoldiamin verwendet♦
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