DE2115197C3 - Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren Aminoplastkunstharzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren Aminoplastkunstharzen. Insbeonsdere soll ein flüssiges, warmhärtbares, alkyliertes Harnstoff-Melamin-Kondensat hergestellt werden, welches sich für Bindemittel für Faserartikel z. B. Glasfasermatten eignet.

Harnstoff-Melamin-Formaldehyd-Kunstharze sind in der Technik bekannt. Aus denselben hergestellte Bindemittelmischungen oder Leime enthalten im allgemeinen zusätzlich einen hohen Prozentsatz von Phenolkunstharzen. Es besteht ein Bedarf für ein Stickstoff enthaltendes, warmhärtbares Kunstharz, das in Wasser und in wäßrigen Bindemittel-Lösungsmittelmischungen löslich oder dispergierbar ist und das für die Verwendung in einer Bindemittelrezeptur geeignet ist, die keinen oder nur einen geringen Phenolbestandteil enthält und die als Bindemittel für Glasfasern geeignet ist. Die Bindemittelmischung soll eine relativ kurze Aushärtzeit oder Topfzeit haben, so daß sie für moderne Herstellungsverfahren geeignet ist. Sie soll nach dem Aushärten genügend stabil sein, um einem Abbau des Endproduktes bei hohen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen zu widerstehen. Die Verwendung der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Produkte ermöglicht eine Verminderung des Phenolgehaltes des erzielten Bindematerials von dem üblichen Wert 70 :30 Phenolkunstharz : Melaminkunstharz bis hinunter auf einen Wert von 55 :45 oder 30 :70 oder auch darunter.

Es liegt ein umfangreicher Stand der Technik hinsichtlich der Herstellung von Melaminkunstharzen der vorliegenden Gattung vor. So beschreibt die US-Patentschrift 33 94 093 ein Verfahren zur Herstellung von Aminoplastkunstharzen, die dann mit einem zweiten Kunstharz gemischt werden, welches einen Katalysator für die Erzeugung des endgültigen ausgehärteten Kunstharzbindermaterials nach dessen Aufbringung auf ein Faserblatt bildet. Bei diesem Verfahren wird ein polyfunktionelles Amin mit Formaldehyd und Alkohol in einer zweistufigen Reaktion zur Erzielung eines Kunstharzproduktes umgesetzt Dieses Produkt wird dann mit einer Seife gemischt, die aus einer mit einem Carbonsäurekunstharz umgesetzten, stickstoffhaltigen Base gebildet ist Die so hergestellte Mischung wird dann als Leimansatz verwendet
H) Die Verwendung eines Reaktionsproduktes zwischen einer Säure und einer Base in Form einer Seife in Materialien der in Rede stehenden Art ist also bekannt. Die bisherige Verwendung verfolgt in erster Linie das Ziel, die Dispersion der Materialien in Wasser zu i) verbessern. Bei niedrigen Konzentrationen neigen die Materialien dazu, die Einrichtungen zu verkleben, die zu ihrer Handhabung dienen. Wenn eine geeignete Seife vorliegt, dann trägt dies wesentlich dazu bei, die entsprechenden Einrichtungen sauber zu halten. Ein -'« derartiges Netzmittel oder eine Seife ist ebenfalls wesentlich, um eine gute Benetzung der Pigmente zu erzielen, welche gegebenenfalls dem Leirnansatz beigemischt werden.

Es ist jedoch unerwünscht, daß zu große Mengen von 2i nicht zur Umsetzung gekommenen Seifenresten oder Netzmittel vorhanden sind, da dies die Wasserabsorption erheblich erhöht und dementsprechend die Wasserbeständigkeit des endgültigen Faserproduktes verschlechtert. Weiterhin ist erwünscht, daß ein j(i niedriger Anteil ungesättigter Gruppen in dem System vorliegt, um so die Oxydation und eine darauf zurückzuführende Entfärbung im Anwendungsbereich zu verringern.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung eines warmhärtbaren wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Harnstoff-Melamin-Formaldehyd-Kondensats bereitzustellen, welches für eine wäßrige Dispersion zur Verwendung als Leim in fasrigen Materialien, z. B. in Glasfasermatten, geeignet ist.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß 1 Mol Harnstoff, wenigstens 1,8MoI Formaldehyd, 1,2-1,6MoI Methanol, wenigstens 0,005 Mol eines Alkanolamins und eine Spur von Wasser bei leicht alkalischem pH-Wert bei höherer Temperatur miteinander zur Erzielung eines Kunstharzkondensats als Zwischenprodukt umgesetzt werden, daß dem Zwischenprodukt 0,002-0,003MoI einer Fettsäure und 0,1 —0,3 Mol Melamin zugegeben werden, wonach man die Umsetzung bei leicht saurem pH-Wert und höherer Temperatur weiterführt, und daß anschließend das Produkt auf einen neutralen oder leicht alkalischen pH-Wert gebracht wird.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Alkanolamin ist vorzugsweise Diäthanolamin, Triäthanolamin oder Dimethyläthanolamin.

Als Fettsäure werden Laurinsäure, Kokosfettsäuren oder ein Handelsprodukt mit folgender Zusammensetzung: Palmitin- und Stearinsäure 1,5%, Ölsäure 50%, Linolsäure 45,5%, verschiedene Fettsäuren 1,2%, Harzsäuren 0,9%, unverseifbarer Anteil 0,9% oder ein destilliertes Tallöl mit einem Gehalt an Harzsäuren von 40% bevorzugt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwies es sich als zweckmäßig, wenn als Formaldehyd- und Methanolquelle eine handelsübliche Lösung von etwa 40 Gew.-% oder 55 Gew.-% Formaldehyd in Methanol zusammen mit einer Spur

Wasser verwendet wird. Es können jedoch auch andere Formen dieser Verbindungen verwendet werden.

Das Formaldehyd liegt wenigstens in einem Verhältnis 1,8 Mol, bezogen auf den Harnstoff, vor. Das Endprodukt enthält von 1,8 — 2,3 Mol Formaldehyd je Mol Harnstoff. Bevorzugt wird jedoch bei dem Produkt der Bereich von 2-2£Mol Formaldehyd je Mol Harnstoff. Bei den in den Beispielen erläuterten bevorzugten Ausführungsformen liegt das Verhältnis zwischen 2,17 und 2,19 Mol.

Das Methanol liegt in einem Verhältnis von wenigstens 1,2 Mol je Mol Harnstoff in der Reaktionscharge vor. Bevorzugt wird jedoch ein Verhältnis von 1,2 - 2,6 Mol je Mol Harnstoff.

Das Alkanolamin liegt in der Reaktion in einem Verhältnis von wenigstens 0,005 Mol je Mol Harnstoff vor. Es soll jedoch in so ausreichender Menge verwendet werden, daß der pH-Wert auf dem gewünschten Pegel gehalten wird. Die Alkanolamine liegen im Produkt im allgemeinen in einem Verhältnis von 0,005—0,007 Mol je Mol Harnstoff vor.

Das Maleinsäureanhydrid, welches in bekannter Weise für die pH-Werteinstellung geeignet ist, sollte normalerweise im Verhältnis von 0,002 bis 0,003 Mol je Mol Harnstoff verwendet werden.

Die Fettsäuren liegen in so ausreichenden Mengen vor, daß die erforderlichen Oberflächenbenetzungseigenschaften für die Reaktion und für das Endprodukt erzielt werden. Sie dienen jedoch auch der pH-Wert-Einstellung. Dies ist beim Verhältnis von 0,002-0,003 der Fall.

Melamin wird der Reaktionsmischung im Verhältnis von 0,1 —0,3 Mol je Mol Harnstoff zugegeben.

Das Alkanolamin und die Fettsäure müssen in ausreichenden Mengen vorhanden sein, so daß das erzielte Reaktionsprodukt genügend Katalysator enthält, um dem erzielten Kunstharz die erwünschten Oberflächenbenetzungs- und Emulgierungseigenschaften zu verleihen. Zur Einstellung des pH-Werts kann Maleinsäureanhydrid verwendet werden. Die Kochtemperatur kann in einem gewissen Bereich variiert werden. Im allgemeinen liegt jedoch die Temperatur im Bereich zwischen 54,4° C und 82,2° C. Wenn in der Reaktion zuviel überschüssiger Alkohol verwendet wird, kann dieser durch Vakuumdestillation oder mildes Erhitzen zusammen mit nicht zur Umsetzung gekommenem Formaldehyd entfernt werden.
Der pH-Wert sollte sehr sorgfä?tig und häufig, insbesondere während der ersten Reaktion unter leicht alkalischen Bedingungen, geprüft werden. Wenn erforderlich, dann soll weiteres Amin zugegeben werden, um den pH-Wert leicht alkalisch zu halten. Zur Feststellung des pH-Wertes eignet sich irgendeines der bekannten

ίο Geräte.

Wenn zur Erzielung des Harnstoff-Melaminkunstharzes die Kondensationsreaktion erfindungsgemäß in Gegenwart der Fettsäure und des Alkanolamins durchgeführt werden, ergeben sich in dem endgültigen Binderkunstharz erheblich verbesserte Eigenschaften. Es ist nicht genau bekannt, ob das Alkanolamin und die Fettsäure oder deren Reakfionsprodukt sich mit dem Harnstoff-Formaldehyd-Methanolkondensat durch chemische Verbindungen oder durch eine andere, losere

2(i Assoziationsform vereinigen. Es wird für möglich gehalten, daß tatsächlich wenig oder keine gegenseitige Reaktion vorliegt, sondern daß die bloße Anwesenheit des Alkanolamins oder der Fettsäure die Natur der Kondensationsreaktion so ändert, daß sich ein verbesseries Kunstharz ergibt, beispielsweise dadurch, daß die Kondensationsreaktion weiterhin in Richtung einer linearen Kondensation mit weniger Querketteübildung oder Vernetzung getrieben wird.

Das in dem Reaktionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzielte Kunstharz wird normalerweise so wie es ist aufbewahrt. Es kann jedoch auch in üblicher Weise mit einem mineralischen Öl gemischt werden, um eine öl-in-Kunststoff-Emulsion zu bilden. Diese Emulsion ist ebenfalls lagerfähig. Sie kann jedoch auch in

j 5 üblicher Weise in Wasser dispergiert werden, um das gewünschte Bindemittel herzustellen, und zwar, wenn erwünscht, auch zusammen mit anderen üblichen Materialien. Die so erzielten, unter Hitze aushärtenden Binder können in industriellen Arbeitsgängen für das

4» Leimen einer großen Anzahl von fasrigen Produkten mit besonderer Bezugnahme auf Glasfasermatten verwendet werden.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung:

Beispiel 1

Bestandteile	I	kg	4,1
40%ige Lösung von Formaldehyd in	2130		799
Methanol und einer Spur Wasser			7,7
Diäthanolamin		3,6
Harnstoff		(wenn erforderlich)
Laurinsäure		182
Maleinsäureanhydrid
Melamin (umkristallisiert		eingerührt, bis die Mischur
Ammoniak	109
	(wenn erforderlich)
Kochablauf	Diäthanolamins

Die 40%ige Lösung von Formaldehyd in Methanol und einer Spur Wasser wurde in einen Reaktor eingebracht. Anschließend wurde die Hälfte des Harnstoff zugegeben, wobei der pH-Wert auf etwa 7,7 stieg. Die Temperatur wurde auf 65,6°C gebracht. Das Materia! wurde so lange gekocht, bis sich ein freier

Formaldehydgehalt von 10-11% (nach Sulfitmethode) ergab. Dies dauerte etwa 21/2 Stunden. Die Mischung wurde dann auf 48,9° C abgekühlt Während der Abkühlperiode wurden Laurinsäure und Maleinsäureanhydrid zugegeben und während einei Zeitspanne von 30 Minuten gelöst Dann wurde das Melamin zugegeben. Der pH-Wert wurde durch Zugabe von weiterem Maleinsäureanhydrid auf etwa 6,5 eingestellt Die Mischung wurde dann bei einer Temperatur von 71,1° C so lange gekocht bis nur noch etwa 4% freies Formaldehyd vorlag. Dann wurde die Mischung auf 26,7⁰C abgekühlt Daraufhin wurde die zweite Hälfte des Diäthanolamins zugegeben. Der pH-Wert wurde auf 7,3 — 7,5 mit etwa 1101 Ammoniumhydroxyd eingestellt nachdem die Mischung abgekühlt war. Anschließend wurde größtmöglicher Unterdruck erzeugt und etwas Hitze zugeführt (bis zu etwa 48,9° C), um die Entfernung des überschüssigen Alkohols zu beschleunigen. Es zeigte sich, daß das fertige Produkt in Wasser voll dispergierbar und mit andei en Kunstharzen verträglich ist wenn es als Bestandteil in Bindemittelrezepturen verwendet wird.

Beispiel 2

Ein ähnliches Verfahren wurde mit der folgenden Rezeptur durchgeführt:

Bestandteile kg

55%ige Lösung von Formaldehyd in

Methanol und einer Spur Wasser

Diethanolamin

Harnstoff

Laurinsäure

Melamin

Maleinsäure

2203

Il

1124

10,2
256
4,8

3609,0

Volumen des Ansatzes:
Ammoniumhydroxydzusatz:

31101
1141 etwa auf pH 7,3 Formaldehydlösung lag keine wahrnehmbare Menge überschüssigen Alkohols in dem Reaktionsprodukt vor. Das so hergestellte flüssige Kunstharz zeigte sich als äußerst brauchbar in Leimrezepturen.

Beispiel 3

Bestandteile g

55%ige Lösung von Formaldehyd in

Methanol und einer Spur Wasser

Triäthanolamin

Harnstoff

Kochablauf

Die 55%ige Lösung von Formaldehyd in Methanol und einer Spur Wasser wurde in den Reaktor zusammen mit etwa der Hälfte des Diäthanolamins eingebracht. Anschließend wurde der Harnstoff zugegeben und gründlich eingemischt. Danach wurde der pH-Wert mit Diethanolamin auf etwa 7,8 eingestellt. Die Temperatur wurde auf etwa 65,6° C erhöht. Bei dieser Temperatur wurde das Material etwa 2V2 Stunden gekocht, und zwar bis auf einen freien Formaldehydgehalt von 10%. Die Mischung wurde dann gekühlt, woraufhin die Laurinsäure zugegeben und gelöst wurde. Anschließend wurde das Melamin zugegeben. Der pH-Wert wurde bis leicht auf die saure Seite mit soviel Maleinsäure wie erforderlich eingestellt Die Mischung wurde bei leicht saurem pH-Wert 2V2 Stunden bei einer Temperatur von 57,2° C gekocht. Am Ende der Kochperiode hatte die Mischung einen freien Formaldehydgehalt von etwa 3%. Anschließend wurde die Mischung gekühlt. Danach wurde der Rest des Diäthanolamins zugegeben. Der pH-Wert wurde mit Ammoniumhydroxyd auf 7,3 eingestellt, wonach das erwünschte Kunstharzprodukt entstand, welches in Form einer zähen Lösung des Kunstharzes in der kleinen, während der Kondensationsreaktion gebildeten Wassermenge erschien. Aufgrund der Verwendung der 55%igen methanolischen 1470

7,2 750

Ein Handelsprodukt folgender Zusammensetzung:

Palmitin-und Stearinsäure 1,5%

ölsäure 50%

Linolsäure 45,5%

verschiedene Fettsäuren 1,2%

Harzsäuren 0,9% 7,2

unverseifbarer Anteil 0,9%

Melamin 171

2405,4 Kochablauf

Die 55%ige Lösung von Formaldehyd in Methanol und einer Spur Wasser, der Harnstoff und die Hälfte des Triäthanolamins wurden in den Reaktor eingebracht und 5 Stunden lang bei einer mittleren Temperatur von 64,6°C gekocht. Der Ansatz wurde dann gekühlt. Er hatte einen pH-Wert von 7,8 mit einem Gehalt an freiem Formaldehyd von 9,8%. Das Fettsäurengemisch wurde dann zugegeben, wobei sich ein pH-Wert von 6,6 ergab. Anschließend wurde das Melamin zugegeben. Die Mischung wurde 2'/2 Stunden bei einer Temperatur von 57,2⁰C gekocht. Die Mischung hatte dann einen pH-Wert von 6,9. Der Gehalt an freiem Formaldehyd betrug 2,8%. Die Mischung wurde gekühlt und der Rest des Triäthanolamins zugegeben. Das so hergestellte Bindemittelkunstharz hatte die folgenden Eigenschaften:

pH-Wert 7,6

Festkörper 61,0

Oberflächenspannung 42,5 dyn/cm

Verdünnbarkeit unbegrenzt
Gelierzeit (0,25% Ammonium-

sulfat als Katalysator) 250 Sekunden

Zur Bestimmung der Gelierzeit wird eine auf 130³C erhitzte Kunstharzprobe so lange mit einem Glasstab umgerührt, bis ein auf eine Höhe von 5,08 cm daraus gezogener Faden abbricht und zurückschnellt (siehe hierzu US-PS 39 32 334).

Es zeigte sich, daß das Material in Leim- oder Klebemittelrezepturen für fasrige Produkte äußerst brauchbar ist.

Beispiel 4

Bestandteile g

55%ige Lösung von Formaldehyd in

Methanol und einer Spur Waser

Diäthanolamin

Harnstoff

Laurinsäure

Melamin

Maleinsäure

1617

825

7,5 188 3

2~644~5

Kochablauf

Die 55%ige Lösung von Formaldehyd in Methanol und einer Spur Wasser, der Harnstoff und etwa die Hälfte des Diäthanolamins wurden in den Reaktor eingebracht und bei einem pH-Wert von etwa 7,8 zwei Stunden lang bei 65,6°C gekocht. Der Ansatz wurde dann auf 48,9°C gekühlt. Es wurden die Laurinsäure, das Melamin und die Maleinsäure zugegeben. Der Ansatz wurde 3 Stunden lang bei 54,4°C und einem pH-Wert von etwa 6,4 gekocht, dann gekühlt und mit Diäthanolamin auf einen pH-Wert von 7,5 neutralisiert. Das endgültige Bindemittelkunstharz hatte die folgenden Eigenschaften:

Festkörpergehalt	62,8%
pH-Wert	7,5
Oberflächenspannung	50 dyn/cm
% freies Formaldehyd	2%
Benetzungsstrecke	4,44 cm
Gelierzeit (ohne Katalysator)	820 sek
Verdünnbarkeit	unbegrenzt

Die Gelierzeit wurde wie im Beispiel 3 beschrieben bestimmt.

Zur Bestimmung der Benetzungsstrecke wurde 1 cm³ einer Harzlösung aus einer Höhe von 1,27 cm auf eine auf 163 — !77⁰C erhitzte flache Hartglasscheibe geträu-

feit. Der Durchmesser des Harzstückstandes wird als Maß der Benetzung angegeben.

Anwendungsbeispiele 1 und 2

Die bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Kunstharzbindemittel wurden in Leimrezepturen verwendet. Sie erwiesen sich dort als sehr zufriedenstellend, insbesondere bei der Herstellung von Glasfaserartikeln. Die Rezeptur des Festkörperanteils in derartigen Bindemittelsuspensionen ist aus der nachstehenden Aufstellung ersichtlich:

Reagenz	Anwendungs-	Anwendungs
	beispie! 1	beispiel 2
Aminoplastkunstharz	45,4 kg	31,8 kg
Phenolkunstharz	-	13,6 kg
Mineralöl	2,27 kg	2,27 kg
2o Harnstoff	-	-
Silikon	0,045 kg	0,045 kg
Ammoniumsulfat	0,113 kg	0,113 kg

Das Aminoplastkunstharz wurde nach Beispiel 4 hergestellt. Als Phenolkunstharz wurde ein wasserverträgliches, hitzehärtbares Phenol-Formaldehyd-Kondensat eingesetzt, wie es in der GB-PS 11 68 859 und der US-PS 39 32 334 beschrieben wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen oder in Wasser dispereierbaren Aminoplastkunstharzen, dadurch gekennzeichnet, daß 1 Mol Harnstoff, wenigstens 1,8 Mol Formaldehyd, 1,2-2,6 Mol Methanol, wenigstens 0,005 Mol eines Alkanolamins und eine Spur von Wasser bei leicht alkalischem pH-Wert bei höherer Temperatur miteinander zur Erzielung eines Kunstharzkondensats als Zwischenprodukt umgesetzt werden, daß dem Zwischenprodukt 0,002-0,003 Mol einer Fettsäure und 0,1 —0,3 Mol Melamin zugegeben werden, wonach man die Umsetzung bei leicht saurem pH-Wert und höherer Temperatur weiterführt, und daß anschließend das Produkt auf einen neutralen oder leicht alkalischen pH-Wert gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkanolamin Diethanolamin, Triäthanolamin oder Dimethyläthanolamin und als Fettsäure Laurinsäure. Kokosfettsäure, ein Handelsprodukt mit folgender Zusammensetzung: Palmitin- und Stearinsäure 1,5%, ölsäure 50%, Linolsäure 45,5%, verschiedene Fettsäuren 1,2%, Harzsäuren 0,9% und unverseifbarer Anteil 0,9% oder ein destilliertes Tallöl mit einem Gehalt an Harzsäuren von 40% verwendet werden.