DE2244543B2 - Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanate, process for its production and its use as a flame-retardant additive for polymers - Google Patents
Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanate, process for its production and its use as a flame-retardant additive for polymersInfo
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Description
Viele Kunststoffe sind brennbar, wenn sie keine flammfestmachenden Zusätze enthalten; insbesondere gilt dies für Polyolefine, Polystyrol, Polymethacrylate, Polyvinylacetat, Polyvinylacetat, Polyamide, ungesättigte Polyesterharze und ganz besonders für Polyurethane. Einige Kunststoffe sind weniger leicht brennbar und verlöschen bei Entfernen einer äußeren Flamme, z. B. Polyvinylchlorid, Polycarbonate und Epoxidharze; nur ganz wenige Kunststoffe sind überhaupt unbrennbar, z. B. Fluorkunststoffe, wie PoIytetrafluoräthylen. Many plastics are flammable if they do not contain any flame-retardant additives; in particular this applies to polyolefins, polystyrene, polymethacrylates, polyvinyl acetate, polyvinyl acetate, polyamides, unsaturated Polyester resins and especially for polyurethanes. Some plastics are less light flammable and extinguish when an external flame is removed, e.g. B. polyvinyl chloride, polycarbonates and Epoxy resins; only very few plastics are incombustible at all, e.g. B. fluoroplastics, such as polytetrafluoroethylene.
Beim Brennen von Kunststoffen unterscheidet man im allgemeinen zwei Phasen, nämlichWhen burning plastics, a distinction is generally made between two phases, namely
1. Abspaltung flüchtiger Pyrolyseprodukte beim Erhitzen des Kunststoffes und1. Elimination of volatile pyrolysis products when the plastic is heated and
2. Entzündungen der Pyrolyseprodukte und selbständiges Weiterbrennen derselben. 2. Inflammation of the pyrolysis products and their own continued burning.
Man kennt eine Reihe von flammwidrigen Zusätzen für Kunststoffe. Die flammhemmende Wirkung der Zusätze kann entweder auf einer Beeinflussung der Pyrolyse (Phase 1) zugunsten der Bildung schwerer entflammbarer flüchtiger Produkte oder durch Ausbildung eines schützend wirkenden Kohleüberzuges beruhen, oder das Flammschutzmittel liefert selbst gasförmige Produkte, welche den Brennvorgang (Phase 2) ersticken oder inhibieren, indem radikalische Kettenreaktionen abgebrochen werden. Dieser letztere Mechanismus wird insbesondere für halogenhaltige flammwidrige Zusatzmittel angenommen.A number of flame-retardant additives for plastics are known. The flame retardant effect of the Additions can either affect the pyrolysis (phase 1) in favor of the formation more severe flammable volatile products or through the formation of a protective charcoal coating based, or the flame retardant itself supplies gaseous products, which the burning process (Phase 2) suffocate or inhibit by breaking off radical chain reactions. This the latter mechanism is assumed in particular for halogen-containing flame-retardant additives.
Die bislang bekannten flammhemmenden Zusatzstoffe für Kunststoffe gehören im wesentlichen zu einer der drei folgenden Gruppen:The previously known flame retardant additives fo r plastics belong substantially to one of the following three groups:
1. Anorganische Zusatzstoffe1. Inorganic additives
Hierbei handelt es sich in der Regel um feste, in organischen Medien unlösliche Stoffe, welche deshalb in flüssigen organischen Medien zum Absetzen neigen. Das bekannteste Mitte! dieser Art ist Antimontrioxid, dessen Wirkung in der Regel durch chlorhaltige Zusätze synergistisch erhöht wird. Weitere anorganische Zusatzstoffe sind Antimontrichlorid sowie ferner Ammoniumphosphat, Borsäure, Ammoniumsulfamat und Dicyandiamid. Neben der Unlöslichkcit ist ein weiterer Nachteil dieser Zusatzstoffe darin zu sehen, daß sie in der Regel die Transnarenz der Kunststoffe herabsetzen.These are usually solid substances that are insoluble in organic media, which is why Tend to settle in liquid organic media. The most famous middle! of this type is antimony trioxide, the effect of which is usually increased synergistically by chlorine-containing additives. Further Inorganic additives are antimony trichloride and also ammonium phosphate, boric acid and ammonium sulfamate and dicyandiamide. In addition to the insolubility, there is another disadvantage of these additives to see that they are usually the transparency of plastics degrade.
2. Organische Phosphorverbindungen2. Organic phosphorus compounds
Diese Verbindungen sind in der Kunststofftechnologie als Weichmacher seit langem bekannt, wobei sich gezeigt hat, daß sie darüber hinaus auch flammhemmende Eigenschaften aufweisen. Für viele Einsatzgebiete, z.B. für die Herstellung von Hartschaumstoffen, ist jedoch die weichmachende Wirkung nicht erwünscht. Es kommt hinzu, daß viele organische ίο Phosphate zum Ausschwitzen neigen.These compounds have long been known as plasticizers in plastics technology, whereby it has been shown that they are also flame retardant Have properties. For many areas of application, e.g. for the production of rigid foams, however, the softening effect is not desirable. In addition, there are many organic ίο Phosphates tend to exude.
3. Organische Halogenverbindungen3. Organic halogen compounds
Bei dieser Gruppe ist zwischen inerten Zusatzstoffen und reaktiven Additiven zu unterscheiden.In this group, a distinction must be made between inert additives and reactive additives.
a) Inerte Zusatzstoffea) Inert additives
Hierzu gehören Chlorparaffine und flüssige chlorierte Diphenyle sowie festes perchloriertes Diphenyl. Weiterhin ist die Verwendung von Diels-Adler-Addukten des Hexachlorcyklopentadiens bekannt. Die Verbindungen haben zum Teil eine weichmachende Wirkung; darüber hinaus sind viele in den üblichen organischen Medien unlöslich.These include chlorinated paraffins and liquid chlorinated diphenyls as well as solid perchlorinated diphenyls. Furthermore, the use of Diels-Adler adducts of hexachlorocyclopentadiene known. Some of the compounds have a plasticizing effect Effect; in addition, many are insoluble in common organic media.
b) Reaktive Zusatzstoffeb) Reactive additives
Gelegentlich ist es erwünscht, flammhemmend wirkende Monomere in das Polymere einzupolymerisieren. Hierzu finden reaktionsfähige Zusatzstoffe Verwendung, welche auf Grund reaktionsfähigerOccasionally it is desirable to be flame retardant Polymerize monomers into the polymer. Reactive additives are used for this purpose Use which due to more responsive
Doppelbindungen oder reaktiver Gruppen befähigt sind, an der Polymerisation teilzunehmen. Beispiele sind Tetrabrombisphenol A (für Epoxidharze) sowie HET-Säureanhydrid und Tetrabromphthalsäureanhydrid !für ungesättigte Polyesterharze). Die Verwend-Double bonds or reactive groups are able to take part in the polymerization. Examples are tetrabromobisphenol A (for epoxy resins) as well as HET acid anhydride and tetrabromophthalic anhydride ! for unsaturated polyester resins). The use
barkeit dieser Zusatzstoffe ist auf spezielle Polymere beschränkt.The availability of these additives is limited to special polymers.
Es besteht ein erheblicher Bedarf für neue flammhemmende Zusatzstoffe für Polymere, welche sich gegenüber den vorbekannten Mitteln dadurch auszeichnen, daß sieThere is a significant need for new flame retardant additives for polymers which are distinguished from the previously known means in that they
1. in organischen Medien löslich sind und sich dadurch vollkommen homogen verteilen lassen, ohne daß die Gefahr des Absetzens besteht,1. Are soluble in organic media and are thereby let it be distributed completely homogeneously without the risk of settling,
2. chemisch nicht reaktiv sind und somit den unterschiedlichsten Polymeren zugesetzt werden können, ohne daß die Gefahr einer nicht erwünschten Teilnahme an der Polymerisationsreaktioii besteht, und2. are chemically non-reactive and therefore very diverse Polymers can be added without the risk of undesired Participation in the polymerization reaction exists, and
3. keine weichmachenden Eigenschaften aufweisen, D" damit sie die physikalischen Eigenschaften des3. Do not have plasticizing properties, D "so that they have the physical properties of the
behandelten Polymeren nicht verändern.Do not change the treated polymers.
Es wurde überraschend gefunden, daß Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat ein Zusatz für Polymere mit hervorragender flammhemmender Wirkung ist, welcher gleichzeitig die zuvor genannten Eigenschaften aufweist, nämlich in vielen organischen Medien löslich ist, geringe chemische Reaktionsfähigkeit, insbesondere auch keine reaktiven Wasserstoffatome besitzt und welcher keine weichmachenden Eigenschaften hat.It has surprisingly been found that tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate is an additive for polymers with an excellent flame-retardant effect, which at the same time has the aforementioned properties has, namely is soluble in many organic media, low chemical reactivity, in particular also has no reactive hydrogen atoms and which has no plasticizing properties Has.
Gegenüber dem aus der DT-AS 1 182 810 bekannten Flammschutzmittel l,3,5-Tris-(l,2-dibrompropionyl)-hexahydro-s-triazin ist es leichter zugänglich. Man erhält es durch Bromierung des in großtechnischem Maßstab aus Allylchlorid und Natriumcyanat zugänglichen Triallylisocyanurats, während die Herstellung der bekannten Verbindung ein mehr-Compared to the flame retardant 1,3,5-tris- (1,2-dibromopropionyl) -hexahydro-s-triazine known from DT-AS 1 182 810 it is more accessible. It is obtained by bromination on an industrial scale Scale triallyl isocyanurate accessible from allyl chloride and sodium cyanate, while the establishment of the known connection a multiple
stufiges Verfahren erfordert, nämlich die Überführung von Acrylnitril in Acrylamid, die Kondensation des Amids mit Formaldehyd und die Broraierung des erhaltenen 1,3,5-Tris-(acryloyl)-hexahydro-s-triazins. Ferner ist es in überraschender und erwünschter Weise thermisch beständiger als das bekannte Flammschutzmittel, Es zersetzt sich erst bei etwa 21O0C, während sich die bekannte Verbindung schon bei 1600C unter Gasabspaltung braun verfärbt. requires a step process, namely the conversion of acrylonitrile into acrylamide, the condensation of the amide with formaldehyde and the brorination of the 1,3,5-tris- (acryloyl) -hexahydro-s-triazine obtained. It is also thermally stable in a surprising and desirable manner than the known flame retardants, it decomposes only at about 21O 0 C, while the known compound turns brown already at 160 0 C with evolution of gas.
Das Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat, welches die nachfolgende Strukturformel aufweistThe tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate, which has the following structural formula
CH1CHBrCR1BrCH 1 CHBrCR 1 Br
,N, N
OC CO OC CO
! ι! ι
BrH2CBrHCH2C — N N — CK1CHBrCH1BrBrH 2 CBrHCH 2 C - NN - CK 1 CHBrCH 1 Br
läßt sich durch Bromierung von Triallylisocyanurat gewinnen. In Essig, dem üblichen Lösungsmittel für Bromierungen, läßt sich die Reaktion nur schwierig durchführen, da sowohl das Reaktionsprodukt als auch teilbromierte Zwischenverbindungen unlöslich ausfallen auch höhersiedende Lösungsmittel, wie Tetrachlorkohlenstoff oder Chloroform, haben sich insofern als wen igt r geeignet erwiesen, als die Ausbeuten bei Reaktionstem-ieraturen oberhalb von 50° C stark abfallen. Erfinaungsgemäß wird die Reaktion so geführt, daß die Temperatur während der Bromierung 50° C nicht übersteigt; besonders bevorzugt findet deshalb als Lösungsmittel Methylenchlorid Verwendung.can be obtained by bromination of triallyl isocyanurate. In vinegar, the usual solvent for Brominations, the reaction can only be carried out with difficulty, since both the reaction product as Partially brominated intermediate compounds also precipitate insoluble, and higher-boiling solvents such as Carbon tetrachloride or chloroform have proven to be less suitable than the yields at reaction temperatures above 50 ° C drop sharply. According to the invention, the reaction guided so that the temperature does not exceed 50 ° C during the bromination; particularly preferred Therefore, methylene chloride is used as a solvent.
Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat kann zahlreichen Polymeren zugesetzt werden und erweist sich dabei als hervorragend wirkendes flammhemmendes Mittel. Die dabei Verwendung findenden Mengen richten sich nach der jeweiligen chemischen Zusammensetzung des Polymeren sowie nach dessen physikalischem Zustand. Normalerweise reichen Mengen von etwa 2 bis 15, insbesondere 5 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Polymere, aus, um se'bstlöschende Eigenschaften zu erzielen.Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate can be added to numerous polymers and has been found to be useful at the same time as an excellent flame retardant Middle. The amounts used depend on the respective chemical composition of the polymer as well as its physical state. Usually amounts range from about 2 to 15, especially 5 to 10 percent by weight, based on the polymer, in order to achieve self-extinguishing properties.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Flammschutzmittel für Polyurethane, insbesonders auch Hartschäume aus Polyurethanen, da es nicht weichmachend wirkt. Besonders hervorzuheben ist, daß sich die Verbindung in aromatischen Isocyanaten leicht und ohne Reaktion löst. Die Zusatzmenge für Polyurethane liegt in der Regel bei etwa 10 Gewichtsprozent, doch reichen z. B. bei geschlossenporigen Schäumen schon Mengen von 8 Gewichtsprozent zur Erzielung selbstlöschender Eigenschaften aus.The flame retardant according to the invention is particularly suitable for polyurethanes, in particular also rigid foams made of polyurethane, as it does not have a plasticizing effect. Particularly noteworthy is that the compound dissolves easily and without reaction in aromatic isocyanates. The additional amount for Polyurethanes is usually around 10 percent by weight, but are sufficient, for. B. with closed pore Foam amounts of as little as 8 percent by weight to achieve self-extinguishing properties.
Phenolharze finden in großem Umfang zur Imprägnierung von verschiedenen Substraten Verwendung. Beispielsweise werden Papiere für Luftfilter in Kraftfahrzeugen mit Phenolharzen imprägniert. Für solche Imprägnierharze ist ein nicht weichmachendes lösliches Additiv besonders wertvoll; Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat hat sich als hervorragend geeignet erwiesen. In diesem Fall ist die Zusatzmenge von der Brennbarkeit des zu imprägnierenden Substrates stark abhängig und muß deshalb im Einzelfall empirisch bestimmt werden.Phenolic resins are widely used for the impregnation of various substrates. For example, papers for air filters in motor vehicles are impregnated with phenolic resins. For For such impregnation resins, a non-plasticizing soluble additive is particularly valuable; Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate has proven to be extremely suitable. In this case, the additional amount is strongly dependent on the flammability of the substrate to be impregnated and must therefore in individual cases can be determined empirically.
Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat löst sich in niederen monomeren Acrylaten und Methacrylaten und kann deshalb vor deren Polymerisation zu Acrylharzen zugesetzt werden. Der Zusatz bleibt in den Polymeren klar und ohne weichmachende Wirkung gelöst.Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate dissolves in lower monomeric acrylates and methacrylates and can therefore form acrylic resins before they polymerize can be added. The additive remains clear in the polymers and has no plasticizing effect solved.
Bei der Herstellung von Schaumstoffen aus PoIy-In the production of foams from poly-
iQ styrol muß aus technologischen Granden der flammhemmende Ziusatz vor der Polymerisation zugefügt werden, darf Jedoch an der Polymerisation nicht teilnehmen und soll aus dem Endprodukt nicht ausschwitzen und dieses auch nicht weichmachen. Alle diese Bedingungen werden von Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat erfüllt, wobei es sich als weiterer wesentlicher Vorteil erweist, daß die Verbindung in monomeretn Styrol löslich ist.For technological reasons, iQ styrene has to be flame-retardant Additives are added before the polymerization, but must not take part in the polymerization and should not sweat out of the end product or soften it. All these conditions are met by tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate, which is another An essential advantage is that the compound is soluble in monomeric styrene.
Auch für die Verwendung ais fiammhemmenderAlso for use as a flame retardant
ao Zusatz in Epoxidharzzusammensetzungen erweist sich die Löslichkeit der erfindungsgemäßen Verbindung neben der fehlenden Weichmacherwirkung als besonders positiv. Die Verbindung kann sowohl im Epoxidharz als auch in dem Härter gelöst und in dieser Form zugesetzt werden. Lediglich mit Härtern auf Aminbasis besteht eine gewisse Unverträglichkeit. Zur Erzielung selbstlösender Eigenschaften können bereits 5 Gewichtsprozent der erfindungsgemäßen Verbindung ausreichen. In addition to being added to epoxy resin compositions, the solubility of the compound according to the invention, in addition to the lack of a plasticizer effect, is particularly positive. The compound can be dissolved both in the epoxy resin and in the hardener and added in this form. There is only a certain incompatibility with amine-based hardeners. To achieve self-releasing properties, as little as 5 percent by weight of the compound according to the invention can be sufficient.
Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat kann auch im Gemisch mit anderen flammhemmenden Additiven, vor allem Antimontrioxid, eingesetzt werden. Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen die nachfolgenden Beispiele dienen.Tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate can also be mixed with other flame-retardant additives, especially antimony trioxide are used. The following are intended to explain the invention in more detail Examples serve.
Herstellung von Tri-(2,3-Jibrompropyl)-isocyanuratPreparation of tri- (2,3-jibromopropyl) isocyanurate
249 g (1 Mol) technisches Triallylisocyanurat (Gehalt mindestens 97 Vo) wurden zusammen mit 150 ml Methylenchlorid in einen mit Tropftrichter, Rührwerk und gut wirksamem Rückflußkühler ausgerüsteten Rundkolben gegeben. Der Tropftrichter wurde mit 481 g Brom (3,009 Mol) und 150 ml Methylenchlorid beschickt. Unter stetigem mechanischem Rühren wurde die Bromlösung innerhalb von 90 Minuten zum vorgelegten Triallylisocyanurat zugesetzt. Die Reaktion sprang sofort an (Entfärbung), und das Methylenchlorid geriet nach wenigen Minuten ins Sieden. Die Reaktion war beendet, als eine leichte gelbbraune Bromfärbung mindestens 10 Minuten lang bestehenblieb.249 g (1 mol) technical triallyl isocyanurate (content at least 97 Vo) were together with 150 ml Methylene chloride into a one equipped with a dropping funnel, stirrer and highly effective reflux condenser Given a round bottom flask. The addition funnel was filled with 481 g of bromine (3.009 moles) and 150 ml of methylene chloride loaded. With constant mechanical stirring, the bromine solution became within 90 minutes added to the submitted triallyl isocyanurate. The reaction started immediately (discoloration), and that Methylene chloride boiled after a few minutes. The reaction was finished as a slight one yellow-brown bromine color persisted for at least 10 minutes.
Zur Aufarbeitung wurde das Reaktionsgemisch mit 500 ml Petroläther (Siedebereich 60 bis 90° C) versetzt und unter Rühren gekühlt. Das Reaktionsprodukt kristallisierte als weißes feines Pulver mit schwachem Gelbstich aus. Nach Kühlen über Nacht auf 8° C zur Vervollständigung der Kristallisation wurde ohne Nachwaschen scharf abgesaugt. Der Filterkuchen wurde anschließend mit 500 ml Methanol verrieben und erneut abgesaugt. Nach mehrmaligem Waschen mit destilliertem Wasser wurde bei 80° C an der Luft getrocknet. Das eingesetzte Lösungsmittel kann auf bekannte Weise durch Destillation aufgearbeitet und erneut verwendet werden. Die Ausbeute an Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat lag bei verschiedenen Ansätzen zwischen 9f) nnriFor working up, the reaction mixture was mixed with 500 ml of petroleum ether (boiling range 60 to 90 ° C.) and cooled while stirring. The reaction product co-crystallized as a white fine powder weak yellow tint. After cooling to 8 ° C. overnight to complete the crystallization was sucked off sharply without rewashing. The filter cake was then washed with 500 ml of methanol rubbed in and sucked off again. After washing several times with distilled water, the 80 ° C air-dried. The solvent used can be in a known manner by distillation reconditioned and reused. The yield of tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate was between 9f) nnri for different approaches
95% der Theorie, Die Verbindung wurde als weißes staubfeines kristallines Pulver erhalten, dessen Schmelzpunkt bei 1100C liegt. Zersetzung tritt bei 2000C unter Verfärbung und Freisetzung von HBr ein.95% of theory, The compound was obtained as a white dust fine crystalline powder whose melting point is at 110 0 C. Decomposition occurs at 200 ° C. with discoloration and the release of HBr.
Die Verbindung ist leicht löslich in Methylenchlorid, Estern, Ketonen und aromatischen Kohlenwasserstoffen, Sie ist sehr schwer löslich in aliphatischen Kohlenwasserstoffen und Alkoholen und unlöslich in Wasser.The compound is easily soluble in methylene chloride, esters, ketones and aromatic hydrocarbons, It is very sparingly soluble in aliphatic hydrocarbons and alcohols and is insoluble in water.
Ein Polyurethanhartschaum mit selbstlöschenden Eigenschaften wurde durch Reaktion von Diphenylmetban-4,4'-diisocyanat und einem verzweigten Polyester aus Adipinsäure, Phthalsäure und Triol hergestellt, wobei dem Düsocyanat 8 Gewichtsprozent (bezogen auf das fertige Polymere) Tri-(2,3-dibrompropylj-isocyanurat vor der Polyaddition zugesetzt wurden. Die Herstellung des Hartsebaumes erfolgte in an sich bekannter Weise, wobei ein Hartschaum S erhalten wurde, welcher sich im ASTM-Test als selbstlöschend erwies. Die physikalischen Eigenschaften des Hartschaumes stimmten mit denen eines unbehandelten Schaumes überein.A rigid polyurethane foam with self-extinguishing properties was made by reacting diphenylmetban-4,4'-diisocyanate and a branched polyester made from adipic acid, phthalic acid and triol, the diisocyanate being 8 percent by weight (based on the finished polymer) of tri- (2,3-dibromopropyl isocyanurate) were added before the polyaddition. The manufacture of the hard tree took place in a manner known per se, a rigid foam S was obtained, which was found in the ASTM test as proved self-extinguishing. The physical properties of the rigid foam matched those of one untreated foam.
Analog wurde ein Polyurethanweichschaum aus Toluylen-diisocyanat und einem linearen Polyäther auf Basis von Propylenoxid/Äthylenoxid in an sich bekannter Weise hergestellt, wobei 8 Gewichtsprozent (bezogen auf das fertige Polymere) Tri-(2,3-dibrompropyl)-isocyanurat zugefügt wurden. Der Schaum war selbstlöschend.A flexible polyurethane foam made from toluene diisocyanate and a linear polyether was produced analogously produced on the basis of propylene oxide / ethylene oxide in a manner known per se, with 8 percent by weight (based on the finished polymer) tri- (2,3-dibromopropyl) isocyanurate were added. The foam was self-extinguishing.
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