DE2034479A1 - Polyurethan Kunststoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Polyurethan Kunststoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

FARBENFABRIKEN BAYER AG
LEVERKUSEN-B»yerwerk Patent-Abteilung
■10. Juli
Polyurethan-Kunststoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Polyurethan-Kunststoffe mit verbesserten Eigenschaften und ein Verfahren zu ihrer Herstellung aus wäßrigen emulgatorfreien Polyurethan-Latices durch Formgebung.
Zur Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen aus wäßrigen emulgatorfreien Polyurethan-Latices sind bereits verschiedene Verfahren bekannt geworden. Die französische Patentschrift 1 416 563 beschreibt z.B. die Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen aus Polyurethan-Latices, die durch Umsetzung von höhermolekularen Polyhydroxy!verbindungen und Polyisocyanaten mit anionischen Polyurethan-Aufbaukomponenten wie Taurin, 2,4-Diaminobenzolsulfonsäure, ß-Hydroxyäthansulfonsäure, Weinsäure und Dispergierung der erhaltenen Polyurethanmassen in Wasser hergestellt werden. Diese Polyurethan-Kunststoffe sind durch einen Gehalt von 0,02 - 1 Gewichtsprozent an Carboxylatgruppen in der Polyurethanmasse gekennzeichnet.
Die Verwendung von aliphatischen Diaminocarbonsäuren als Aufbaukomponenten für die Herstellung von wäßrigen emulgatorfreien Polyurethan-Latices und Polyurethan-Kunststoffen ist Gegenstand der belgischen Patentschrift 673 432, wonach Polyurethan-Latices und Polyurethan-Kunststoffe mit einem Carboxylatgruppen-Gehalt von mehr als 1 Gewichtsprozent und bis zu 8, vorzugsweise 7 Gewichtsprozent COp" in der Polyurethanmasse erhalten werden. Diese nach dem in der belgischen Patent
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schrift 673 432 niedergelegten Verfahren herstellbaren Polyurethan-Latices können zu thermoplastischen bzw. hochelastischen Kunststoff-Folien mit an sich ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften verarbeitet werden. Ein Nachteil, der diesen Folien und Filmen anhaftet, ist jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Nässe, die durch den hohen Carboxylatgruppen-Gehalt verursacht wird. Die Empfindlichkeit gegenüber Wasser bedingt eine hohe Wasserquellbarkeit bei der Lagerung der Filme und Folien in Wasser und beeinträchtigt in vielen Fällen die Anwendungsmöglichkeiten und Gebrauchseigenschaften dieser Kunststoffe.
Es wurde gefunden, daß bei Verwendung von äquimolaren Additionsprodükten aus den Alkalisalzen von C^-olefinischen Carbonsäuren an aliphatische diprimäre Diamine als anionische Aufbaukomponenten in einer Menge, die zur Herstellung von Polyurethanmassen mit einem Gehalt von mehr als 0,2 Gewichtsprozent und weniger als 1 Gewichtsprozent CO ~ in der Polyurethantrockensubstanz erforderlich ist, Polyurethan-Kunststoffe hergestellt werden können, die zu Kunststoff-Filmen und -Folien von niedriger Wasserquellbarkeit und guter Wasserfestigkeit auftrocknen. Dadurch werden Polyurethan-Kunststoffe zugänglich, die für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten geeignet sind.
In Verbindung mit Polyisocyanaten mit aliphatisch gebundenen Isοcyanatgruppen werden Polyurethan-Kunststoffe mit sehr guter Alterungsbeständigkeit gegenüber künstlichem und natürlichem Licht und ausgezeichneten Bewitterungseigenschaften erhalten. Dagegen werden bei Verwendung von aromatischen Diamino-säuren wie 2,4—Diaminobenzolsulfonsäure oder Diaminobenzoesäure Polyurethan-Kunststoffe erhalten, die nicht zu lichtechten Filmen und Folien verarbeitet werden können.
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Im Gegensatz zu anderen anionischen Aufbaukomponenten wie Taurin und ß-Hydroxyäthansulfonsäure werden bei Verwendung der äquimolaren Additionsprodukte aus den ot-olef inischen Carbonsäuren an aliphatische diprimäre Diamine unter Kettenverlängerung hochmolekulare, lineare oder höchstens schwach verzweigte Polyurethande erhalten.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen durch Formgebung aus wäßrigen emulgatorfreien Latices, die aus Polyurethanmassen aus Polyhydroxy!verbindungen mit einem Molekulargewicht von 350 - 10 000, Polyisocyanaten, äquimolaren Additionsproduk- * ten der Alkalisalze von oC-olefinischen Carbonsäuren an aliphatische diprimäre Diamine und gegebenenfalls Kettenverlängerungsmitteln mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen durch Dispergierung in wäßrige organischen Lösungsmitteln und Entfernung der organischen Lösungsmittelanteile hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Additionsprodukte in einer solchen Menge verwendet werden, daß die Polyurethan-Kunststoffe mehr als 0,2 Gewichtsprozent und weniger als 1 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,4 - 0,9 Gewichtsprozent COp~ -Gruppen in der Polyurethantrockensubstanz enthalten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ferner nach diesem Verfahren erhältliche Polyurethankunststoffe. ä
Als Polyhydroxyverbindungen mit einem Molekulargewicht von 350 bis 10 000 sind vorzugsweise solche mit einem Molekulargewicht von 750 bis 3000 geeignet. Derartige Verbindungen sind beispielsweise Polyester, Polyäther, Polylactone, Polyacetale, Polycarbonate und Polyesteramide. Die Hydroxylzahl dieser Verbindungen beträgt 11 bis 320, insbesondere 40 bis 150. . ·
Als Polyisocyanate sind alle aliphatischen und aromatischen
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Diisocyanate wie 1,4-Butandiisocyanat, 1,6-Hexandiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat, Cyclohexandiisocyanat, 1,5-Bis-isocyanato-1,3,3-trimethylcyclohexan, 1,3-Bis(isοcyanatome thyl)-benzol, Methylcyclohexandiisocyanat, 4,4r-Diphenylmethan-diisocyanat, 1,5-Naphthylendiisocyanat, 2,4- bzw. 2,6-Toluylen-diisocyanat und die Isomerengemische geeignet. Triisocyanate können anteilmäßig mitverwendet werden. Zur Variation der Härte der Polyurethan-Kunststoffe können niedermolekulare Kettenverlängerungsmittel wie die üblichen Glykole, Diamine, Aminoalkohole, Hydrazin, Carbodihydrazid und Wasser mitverwendet werden. Zur Herstellung von für die Schwefelvulkanisation geeigneten Polyurethanen werden Kettenverlängerungsmittel, die olefinisch ungesättigte Doppelbindungen enthalten, wie beispielsweise Allylglycerinäther, verwendet.
Zur Herstellung der Additionsprodukte werden beispielsweise die Alkalisalze dero£-olefinisehen Carbonsäuren wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure und Maleinsäure und aliphatische diprimäre Diamine wie Athylendiamin, 1,4-Tetramethylendiamin, 1,6-Hexamethylendiamin verwendet. Zur Herstellung der Alkalisalze werden die Hydroxide, Carbonate oder Hydrogencarbonate von Natrium, Kalium und Lithium verwendet.
Die Umsetzung der ei. -olefinischen Carbonsäuren mit den Diaminen erfolgt in einem wäßrigen oder nicht wäßrigen Lösungsmittel oder auch in Abwesenheit von Lösungsmitteln» gegebenenfalls unter Druck bei Temperaturen zwischen 0 - 300, vorzugsweise 20 - 200°. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Diamin vorgelegt und das Alkalisalz eingerührt. Die Reaktion wird dann vorzugsweise im Autoklaven zu Ende geführt. Wird ein Überschuß an Diamin verwendet, kann es nach Beendigung der Reaktion abdestilliert werden.
Bei der Herstellung von emulgatorfreien Polyurethan-Laticee
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wird im allgemeinen so vorgegangen, daß zunächst vorzugsweise in-der Schmelze oder in Gegenwart eines niedrigsiedenden Lösungsmittels aus der höhermolekularen Polyhydroxylverbindung mit einem Molekulargewicht von 350 bis 10 000 und den Diisocyanaten und den gegebenenfalls mitzuverwendenden Kettenverlängerungsmitteln gegebenenfalls unter Druck ein Isocyanatgruppen aufweisendes Voraddukt hergestellt wird. Das Voraddukt wird dann mit einem niedrigsiedenden, mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel aufgenommen und unter Molekülvergrößerung mit dem Alkalisalz des Additionsproduktes aus tstrolefinischer Carbonsäure und Diamin umgesetzt und in Wasser dispergiert. Die Menge an Alkalisalz wird dabei so bemessen, daß das dispergierte Polyurethan einen Gehalt an C02"~-Gruppen von mehr als 0,2 und weniger als 1, vorzugsweise 0,4 - 0,9 Gewichtsprozent aufweist. Die niedrigsiedenden Lösungsmittel werden anschließend entfernt, z.B. durch Abdestillation.
Der Festkörpergehalt der Latices kann wunschgemäß eingestellt werden. Im allgemeinen sind lösungsmittelfreie Latices mit einem Festkörpergehalt von über 40 % bevorzugt.
Als niedrigsiedende Lösungsmittel kommen polare Lösungsmittel mit einem Siedepunkt unter 100°, die mit Wasser mischbar oder mit Wasser verdünnbar sind, wie Aceton, Tetrahydrofuran, Methyläthylketon, tertiäres Butanol in Frage. ä
Die emulgatorfreien Laticea können z.B. nach der folgenden allgemeinen Vorschrift hergestellt werden: Die verwendete Polyhydroxy lverbindung wird zunächst bei 1200C im Wasserstrahlvakuum 30 Minuten entwässert und anschließend mit dem Polyisocyanat gegebenenfalls in Gegenwart von Kettenverlängerungsmitteln, bei 80 - 1300C umgesetzt. Nach Abkühlen auf 500C wird die Schmelze mit Aceton aufgenommen, so daß ungefähr eine 35- bis 50-gewichtsprozentige acetonische Lösung resultiert.
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Die Prepolymerlösung wird nun mit einer Lösung des Additionsproduktes aus dem Alkalisalz der <^ -olefinischen Garbonsäure und Diamin in Wasser oder organischen lösungsmitteln oder Mischungen aus diesen versetzt. Nach Beendigung der Reaktion wird die entsprechend dem Pestkörpergehalt des herzustellenden Latex berechnete Wassermenge zugefügt und das Aceton im Wasserstrahlvakuum bei 50 - 55°C abdestilliert.
Als Lösungsmittel für das Additionsprodukt sind Wasser oder Lösungsmittelgemische aus niederen Alkoholen wie Methanol und Wasser geeignet.
Im Falle der Mitverwendung von Vernetzungsmitteln können diese während der Herstellung des Latex dem Aceton oder Wasser oder nach der Herstellung dem fertigen Latex zugesetzt werden.
Als Vernetzungsmittel sind beispielsweise Formaldehyd, Formaldehyd abspaltende oder wie Formaldehyd reagierende Verbindungen wie die gegebenenfalls verätherten Umsetzungsprodukte von Melamin, Harnstoff und anderen Carbaminverbindungen mit Formaldehyd geeignet.
Die Polyurethan-Kunststoffe werden aus den Latices durch Formgebung und Entfernen des Wassers durch Verdampfung oder Verdunstung gegebenenfalls bei höherer Temperatur oder im Vakuum erhalten. Nach üblichen Verfahren werden aus den Latices Filme, Folien, Überzüge, Beschichtungen, Lackierungen Imprägnierungen und Zwischenschichten der verschiedensten Substrate hergestellt.
Durch einfaches Nachheizen der Polyurethan-Kunststoffe auf 100 bis 1600O, vorzugsweise 120 bis HO0C, gegebenenfalls in Gegenwart von Säuren oder Säure abspaltenden Verbindungen
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können die Polyurethan-Kunststoffe vulkanisiert werden. Durch die nachträgliche Vulkanisation ist es möglich, Härte, Elastizität, Zugfestigkeit, bleibende Dehnung und das Quellverhalten der Polyurethan-Kunststoffe einzustellen.
Die Umsetzung der Polyhydroxylvertdndung mit dem Polyisocyanat kann auch in Gegenwart eines niedrigsiedenden Lösungsmittels gegebenenfalls in einem Autoklaven unter Druck vorgenommen werden. Werden niedermolekulare Kettenverlängerungsmittel wie Glykole mitverwendet, wird die Umsetzung mit dem Polyisocyanat in Gegenwart eines niedrigsiedenden Lösungsmittels gegebenenfalls unter Druck bevorzugt. ä
Die Polyurethan-Latices und die aus ihnen hergestellten rolyurethan-Kunststoffe können in bekannter Weise modifiziert und mit Polymerisat- und Copolymerisat-Latices, Füllstoffen, Stabilisatoren, Weichmachern, Farbstoffe, Pigmenten und sonstigen Zusatzstoffen und Verschnittmitteln abgemischt werden. Die Latices werden vor allem für Beschichtungen, Lackierungen und Zwischenschichten für die verschiedenartigsten Substrate wie Leder, Holz, Metalle,gewebte und ungewebte Textilien, Papier, Karton und Pappe und zur Herstellung von Filmen, Folien und Überzügen verwendet.
Die Verfahrensprodukte zeichnen sich durch sehr gute Alte- i rungsechtheiten bei Belichtungen mit natürlichem und künstlichem Licht, gegenüber Sauerstoff und der Einwirkung von Feuchtigkeit, Nässe und Wasser und niedrige Quellwerte in Wasser aus.
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Beispiel 1
250 g Adipinsäure-Äthylenglykol-Polyester (OH-Zahl 56) werden bei 120 G 30 Minuten im Wasserstrahlvakuum entwässert und bei 100° mit 40 g 1,6-Hexandiisocyanat versetzt« In einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 110° wird das Prepolymer abgekühlt und mit 700 ml Aceton aufgenommen» In die 50° warme acetonische Prepolymerlösung gibt man 12895 g einer wäßrigen Lösung^ die 0„05 Mol des äquimolaren Additionsproduktes aus Äthylendiamin und Kaliumacrylat (Kalium-N-ß-aminoäthyl-ß-alaninat) enthält» Nach Vervollständigung der Reaktion werden unter schnellem Rühren 400 ml Wasser eingerührt» Anschließend wird das Aceton bei 50° im Wasserstrahlvakuum abdestilliert. Der erhaltene 40,5 i° gewichtsprozentige Latex hat einen Restacetongehalt von 0,5 Gewichtsprozent»
Zur Herstellung eines Filmes wird der Latex auf eine siliconisierte Glasplatte aufgestrichen und getrocknet. Der Polyurethan-Film mit einem Carboxylatgruppen-Gehalt von 0,74 Gewichtsprozent COp" in der Polyurethantrockensubstanz wird abgezogen und bei Raumtemperatur in destilliertem Wasser gelagert. Nach 24 Stunden wird die prozentuale Wasseraufnahme bestimmt.
Vergleichsweise durchgeführte Bestimmungen der Wasseraufnahme an einem Film, der aus denselben Komponenten in entsprechender Weise nach dem Verfahren der belgischen Patentschrift 673 432 hergestellt wurde und 1,50 Gewichtsprozent CO2"" in der Polyurethantrockensubstanz enthält, ergeben eine wesentlich höhere prozentuale Wasseraufnahme.
Beispiel 2
212 g Adipinsäure-1,6-Hexandiol-Neopentylglykol-Polyester (OH-Zahl 66) werden bei 120° 30 Minuten entwässert und bei
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100° mit 38 g 1,6-Hexandiisocyanat 2 Stunden -umgesetzt. Das zähe Prepolymer wird in 700 ml Aceton gelöst und mit einer Lösung aus 120 ml Wasser und 6,4 g Kalium-N(ß-aminoäthyl)-ß-alaninat versetzt» Nach 10 Minuten werden unter schnellem Rühren 280 ml Wasser eingetragen und das Aceton im Vakuum bei 600G abgezogen. Der erhaltene 39,3 gewichtsprozentige opake Polyurethan-Latex wird auf Glasträger gegossen und zu einem Latexfilm ausgezogen. Der Film wird 20 Minuten bei 120° getrocknet und abgekühlt. Der Glasträger wird auf eine schwarze Unterlage gelegt und der Polyurethan-Film, der 0,64 Gewichtsprozent COp'Gruppen in der Polyurethantrockensubstanz enthält, mit einem Wassertropfen befeuchtet. Nach einer Stun- * de wird noch keine Trübung beobachtet»
Dagegen zeigt der Polyurethan-Film, der 1,5 Gewichtsprozent Carboxylatgruppen enthält und aus denselben Komponenten nach der belgischen Patentschrift 674 432 hergestellt worden ist, schon nach wenigen Minuten eine schwache Trübung.
Beispiel 3
212 g Adipinsäure-Phthalsäure-Ä'thylenglykol-Polyester (OH-Zahl 66) werden bei 120° 30 Minuten entwässert und bei 80° mit 34 g 2,4-2,6-Toluylendiisocyanat-Isomerengemisch, (Isomerenverhältnis 65:35) versetzt. Nach einer Reaktionszeit von ä 2 Stunden bei 80° wird das Prepolymer auf 60° abgekühlt und mit 700 ml Aceton aufgenommen. In die warme acetonische Prepolymerlösung gibt man 10,3 g (0,046 Mol) des äquimolaren Additionsproduktes aus Hexamethylendiamin und Natrium-methacrylat in 120 ml Wasser.
Nach 5 Minuten werden unter schnellem Rühren 300 ml Wasser eingetragen und das Aceton im Vakuum bei 60° abgezogen. Der erhaltene 42,5 gewichtsprozentige Polyurethan-Latex wird auf
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Glasträger gegossen und zu einem Latexfilm ausgezogen. Der Film wird 20 Minuten bei 120° getrocknet und abgekühlt. Der Polyurethan-Film, der 0,79 Gewichtsprozent CO2" -Gruppen enthält, wird mit einem Wassertropfen befeuchtet und die Schnelligkeit des Eintritts der Trübung im Vergleich zu dem Polyurethan-Film, der 1,5 Gewichtsprozent Carboxylatgruppen enthält und aus denselben Komponenten nach der belgischen Patentschrift 674 432 hergestellt worden ist, beobachtet. Während der Film mit 0,79 Gewichtsprozent CO2" sich erst nach 15 Minuten zu trüben beginnt, zeigt der Film mit 1,5 CO2"" schon nach wenigen Minuten schwache Trübung.
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Claims (1)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen durch Formgebung aus wäßrigen emulgatorfreien latices, die aus Polyurethanmassen aus Polyhydroxy!verbindungen mit einem Molekulargewicht von 350 - 10 000, Polyisocyanaten, äquimolaren-Additionsprodukten aus den Alkalisalzen von d< -olefinischen Carbonsäuren an aliphatische diprimäre Diamine und gegebenenfalls Kettenverlängerungsmitteln durch Dispergierung in wäßrig organischen Lösungsmitteln und Entfernung der organischen Lösungsmittelanteile hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Additionsprodukt in einer solchen Menge verwendet wird, daß die Polyurethan-Kunststoffe mehr als 0,2 Gewichtsprozent und weniger als 1 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,4 bis 0,9 Gewichtsprozent CO2~ -Gruppen in der Polyurethantrockensubstanz enthalten.
2, Nach dem !/"'erfahren gemäß Anspruch 1 erhältliche Polyurethan-Kunststoffe.
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109883/1556 ]/*.
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