DE2359386B2 - Verfahren zur Herstellung von Isocyanurat- und Oxazolidonringe enthaltenden Duroplasten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Isocyanurat- und Oxazolidonringe enthaltenden DuroplastenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Isocyanurat- und Oxazolidonringe
enthaltenden Duroplasten durch Umsetzung polyfunktioneller Epoxide mit polyfunktionellen Isocyanaten bei
80 bis 2500C in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Katalysators.
In den letzten jähren ist aufgrund der Kapazitätsausweitung
bei der Herstellung elektrischer Geräte und Motoren sowie der Größen- und Gewichtsverringerung
das Bedürfnis nach Duroplasten mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit ständig gewachsen.
Bisher sind als Duroplaste mit sehr guter Wärmebeständigkeit
Epoxyharze und Siliconharze bekannt, jedoch lassen sich diese Harze nicht über längere
Zeitdauer bei Temperaturen von 1800C oder darüber
einsetzen. Daher bestand ein dringendes Bedürfnis nach Duroplasten mit noch besserer Wärmebeständigkeit.
Zur Erhöhung der Wärmebeständigkeit von Kunstharzen ist die Einführung von Heterocyclen mit Imidgruppen
in derartige Kunstkarze bekannt Hierzu gehören beispielsweise aromatische Polyimide, aromatische
Polyamidimide u.dgl. Diese Kunstharze lassen sich « jedoch nicht ohne Lösungsmittel anwenden und sind
nicht als Imprägnier- bzw. Isolierlacke geeignet Sie lassen sich lediglich als Flachmaterialien für Isolierzwecke
verwenden und sind außerdem teuer. Einen anderen Kunstharztyp mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit
stellen die Polyisocyanurate dar; sie sind jedoch sehr hart und spröde und haben deshalb keinen
Eingang in die Praxis gefunden.
In der US-PS 30 20 262 ist ein Verfahren zur Herstellung Oxazolidonringe enthaltender Polymerer eo
beschrieben, bei dem polyfunktionelle Epoxide wie z. B. Vinylcyclohexendioxid bei erhöhten Temperaturen von
bis zu 250° C mit polyfunktionellen Isocyanaten in Gegenwart von tertiären Aminen, Alkalimetallhalogeniden
oder quaternären Ammoniumhalogeniden als *>·>
Katalysatoren umgesetzt werden, wobei pro Äquivalent Epoxid 1,0 bis 1,7 Äquivalent Isocyanat verwendet
werden. Die Eigenschaften dieser bekannten Polymeren, insbesondere ihre Zugfestigkeit, sind jedoch nicht
zufriedenstellend.
Aus der DE-OS !9 04 575 ist ferner ein Verfahren zur
Herstellung von wärmebeständigen Schaumstoffen zur Bautenisolation bekannt, bei dem polyfunktionelle
Epoxide mit polyfunktionellen Isocyanaten, gegebenenfalls in Gegenwart von Polyolen, mit tertiären Aminen
und Treibmitteln umgesetzt werden. Das Isocyanat wird in einer Menge von 2 bis 222 Äquivalent pro Äquivalent
Epoxid eingesetzt
Eine Eignung der so herstellbaren Produkte für Elektroisolationszwecke ist nicht angegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines neuen Duroplasten
anzugeben, der eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, ohne Einsatz von Lösungsmittel verwendet
werden kann und ein elektrisches Isoliermaterial mit ausgezeichnetem elektrischen und mechanischen Verhalten
und hoher Wärmebeständigkeit darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Isocyanurat- und Oxazolidonringe enthaltenden
Duroplasten durch Umsetzung polyfunktioneller Epoxide mit polyfunktionellen Isocyanaten bei 80 bis 250° C in
Gegenwart von 0.01 bis 10 Gew.-% eines stickstoffhaltigen Katalysators, bezogen auf die Gesamtmenge von
Epoxiden und Isocyanaten, ist dadurch gekennzeichnet, daß
(a) 2 bis 6 Äquivalent mindestens eines Isocyanats pro Äquivalent Epoxid eingesetzt und
(b) als stickstoffhaltige Katalysatoren Imidazol- und/oder Morpholinderivate verwendet werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen
Duroplaste weisen als wiederkehrende Einheit zwei oder mehr Isocyanuratringe auf, die über einen
vom polyfunktionellen Isocyanat stammenden Rest R unmittelbar mit Oxazolidonringen verknüpft sind, wie
beispielsweise die nachstehende allgemeine Forme!
CH
\
\
CH2
Ο —C
Il ο
N-R-
Il
N N-R-
O = C C =
-N
CH-R'-— (1)
CH2
schematisch zeigt, in der
r eine ganze Zahl > 1 und
ρ eine ganze Zahl > 2 darstellen.
Die obige allgemeine Formel bezieht sich auf bifunktionelle Isocyanate und Epoxide, !m Fall der
Verwendung tri- oder höherfunktioneller Isocyanate liegen entsprechend Produkte vor, bei denen drei oder
mehr Isocyanuratringe und/oder Oxazolidonringe unmittelbar
mit der Gruppe R verbunden sind, während bei Verwendung tri- oder höherfunktioneller Epoxide
drei oder mehr Oxazolidonringe unmittelbar mit der Gruppe R' verknüpft sind.
Hinsichtlich der Härtung der erfindungsgemäß hergestellten Duroplaste wird folgendes angenommen:
Bei Temperaturen < etwa 1300C werden hauptsächlich Isocyanuratbindungen in der im nachstehenden Schema
(2) veranschaulichten Weise gebildet:
OCN-R —NCO
OCN-R —
C O = C
.R_N N — R — N
O = C C = O C
\ / Il
N O
C=O
N
r_NCO
Bei Temperaturen von > 1300C werden Oxazolidonbindungen ausgebildet, wobei dreidimensionale Vernetzung
auftritt, wie im nachstehenden Reaktionsschema (3) veranschaulicht ist:
R —
O N
C O = C C =
OCN
R — N N — R — N N-
I I \ /
O = C C=O C
\ / Il
N
— R R-NCO
ο ο
H3C CH-R-CH CH2
— R' —CH
\
\
CH2
Ο —C
O
O
N-
Il
C — O
N CH- R-
P R
I CH2
O N
Il / \
C O = C C = O
/ \ I I
-R-N Ν —R-N N
I \ /
O = C C = O C
\ / Il
N O
CH2
τ/\
N CH-R'-
C — 0
Il
ο
ο
Il
C — 0
R-N
CH- R— (3)
CH,
Die besonders ausgezeichneten mechanischen Eigenschäften
und die hohe thermische Stabilität der erfindungsgemäß hergestellten Duroplaste beruhen auf
dem Vorliegen von Isocyanurat- und Oxazolidonstrukturen im gehärteten Produkt, die eine ausgezeichnete
thermische Stabilität ergeben. Ein weiterer Grund für das ausgezeichnete mechanische Verhalten der gehärteten
Produkte dürfte auch sein, daß ein ausgewogenes Verhältnis. von Isocyanuratstrukturen, die zu einer
hohen Vernetzungsdichte führen und der relativ flexiblen Strukturanteile auf Epoxidbasis erzielt wird.
Erfindungsgemäß verwendbare polyfunktionelle Epoxide sind bifunktionelle Epoxide wie beispielsweise
der Diglycidyläther von Bisphenol A,
Butadiendiepoxid,
3.4-Epoxycyclohexylmethyl-(3.4-epoxy)-cyclohexancarboxylat,
Vinylcyclohexendioxid,
4.4-Di(1.2-epoxyäthyl)diphenyläther,
4.4'-Di(1.2-epoxyäthyl)diphenyl,
2.2-Bis(3.4-epoxycyclohexyl)propan,
Diglycidyläther von Resorcin,
Diglycidyläther von Phloroglucin,
nicTiyoiHvläthpr vnn Mp.thvlnhloroelucin.
50
55
t>o
Bis(2.3-epoxycyclopentyl)äther, 2-(3.4-Epoxy)cyclohexan-5.5-spiro(3.4-epoxy)-
cyclohexan-m-dioxan,
Bis(3.4-epoxy-6-methylcyclohexyl)-
Bis(3.4-epoxy-6-methylcyclohexyl)-
adipat und
N.N'-m-Phenylen-bis(4.5-epoxy-1.2 cyclo-
N.N'-m-Phenylen-bis(4.5-epoxy-1.2 cyclo-
hexandicarboximid)
sowie tri- oder höherfunktioneüe Epoxyverbindungen wie beispielsweise
Triglycidyläther von p-Aminophenol,
Polyallylglycidyläther,
1.3.5-Tris(l .2-epoxyäthyl)benzol,
2.2'.4.4'-Tetraglycidoxybenzophenon,
Tetraglycidoxytetraphenyläthan,
Polyglycidyläther von Phenol-Form aldehyd-
Novolaken,
Triglycidyläther von Glycerin und Triglycidyläther von Trimethylolpropan.
Weitere Epoxyverbindungen sind in der Monographie von H. Lee »Epoxy Resins«, American Chemical
Society, 1970, und in H. Lee, K. Neville »Handbook of Epoxy Resins«, McGraw Hill Book Co., 1967, enthalten.
Von den obenerwähnten polyfunktionellen Epoxiden zeigen der Diglycidyläther von Bisphenol A und
Polyglycidyläther des Phenol-Formaldehyd-Novolaks besonders gute Reaktivität. Diese Verbindungen sind
daher besonders geeignet Im übrigen können auch die Halogenderivate dieser Verbindungen Verwendung
finden. 5
Geeignete polyfunktionelle Isocyanate sind bifunktionelle
Isocyanate wie beispielsweise
trans-Vinylendiisocyanat,
Butan-I.4-diisocyanat,
2-Buten-l.4-diisocyanat, 15
2-Methylbutan-1.4-diisocyanat,
2.2-Dimethylpentan-1 .5-diisocyanat,
a>ju'-\ 3-Dimethylbenzoldiisocyanat,
ωχα'-1 3-Dimethylcyclohexandiisocyanat,
tiMB'-l^-Dimethylcyclohexandiisocyanat,
öJü'-l^-Dimethylbenzoldüsocyanat, 30
'-1A- Dimethy Inaphthalindiisocy anat,
)'-1 ^-Dimethylnaphthalindiisocyanat,
13- Phenylendüsocyanat,
1.4-Phenylendüsocyanat,
1 -MethylbenzolM-diisocyanat,
1 -Methylbenzol-23-diisocyanat,
l-Methylbenzol^e-diisocyanat, an
1 -Methylbenzol-SJ-diisocyanat
33'- DimethyldiphenyM^'-diisocyanat,
23- DimethoxydiphenyI-4.4'-diisocyanat
33'-Dimethoxydipheπylmethan-4.4'-iliiso- 50
cyanat,
4.4'-Dimethoxydiphenylmethan-33'-diisocyanat,
sowie tri- und höherfunktionelle Isocyanate wie 55 beispielsweise
33'.4.4'-Diphenyimethantetraisocyanat u. dgl eo
Außerdem lassen sich Verbindungen verwenden, deren Isocyanatgruppen mit Phenol und Kresol maskiert sind.
Die Dinieren und Trimeren dieser Isocyanate sind ebenfalls brauchbar. Von diesen Isocyanaten sind
4.4-Diphenylmethandiisocyanat, Z4-ToluoMüsocyanat 65
und NaphthaIin-33-diisocyanat bevorzugt und besonders
geeignet Die obenerwähnten Epoxide und Isocyanate können jeweils allein oder in Form von
Die erzielte Verbesserung der Hitzebeständigkeit nach der Härtung ist um so größer, je höher der
Mengenanteil der Isocyanatkomponente ist
Der erfindungsgemäß eingesetzte Katalysator spielt insofern eine erhebliche Rolle, als er während der
Härtung die Ausbildung von Isocyanurat- und Oxazolidonstrukturen fördert Derartige Katalysatoren sind
Imidazolderivate wie beispielsweise
2-Methylimidazol,
2-Phenylimidazol,
2-ÄthylimidazoL,
2-Undecylimidazol,
2-HeptadecylimidazoL
2-Methyl-4-äthjiimidazol,
1-Butylimidazol,
1 -Propyl-2-methyliinidazol,
1 -Benzyl-2-methylimidazol,
1 -Cyanoäthyl-2-methylimidazoI,
1 -Cyanoäthyl-2-undecylimidazol,
1 -Cyanoäthyl-2-phenylimidazol,
2.4-Diamino-6-(2'-methylimidazolyl-1 '-)-äthyl-s-triazin,
Z4-Diamino-6-(2'-äthylimidazolyl-1 '-)äthyls-triazinund
2.4-Diamino-6-(2'-undecyliniidazolyl-1 '-)-
äthyl-s-triazin
sowie Morpholinderivate wie etwa
sowie Morpholinderivate wie etwa
Mindestens einer der vorgenannten Katalysatoren zur Bildung von Heterocyclen wird in einer Menge von
0,01 bis 10 Gew.-% und vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht von polyfunktionellen Epoxiden und polyfunktionellen Isocyanaten, eingesetzt
Das Mischungsverhältnis von polyfunktionellen Epoxiden und polyfunktionellen Isocyanaten wird dem
jeweiligen Zweck angepaßt; die Umsetzung wird durch Erhitzen nach Katalysatorzusatz vorgenommen.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Duroplaste sind ohne Verwendung von Lösungsmitteln herstellbar und
werden durch Wärmeeinwirkung im Temperaturbereich von 80 bis etwa 250° C gehärtet Das ausgehärtete
Kunstharz zeigt ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, chemische Beständigkeit und Stoßfestigkeit sowie
ausgezeichnetes Selbstlöschverhalten und läßt sich demgemäß breit anwenden, beispielsweise als wärmebeständiger
Isolierlack, Gießharz, Imprägnierharz,
Formharz für elektrische Teile, Kleber, Harz für Schichtstoffe, als Harz für gedrückte Schaltungen sowie
etwa als Harz für Innenverkleidungen. Je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck können dem Kunstharz
verschiedene Zusätze, Füllstoffe und Pigmente beigemischt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, deren
Angaben jedoch nicht einschränkend sind.
100 g Diglycidyläther von Bisphenol A ( Epoxyäquivalent
174, Viskosität 5 Pas (5000 cP) bei 25''C) werden
ίο
mit 174g 4.4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI) gut
vermischt. Das Gemisch besitzt bei 400C eine Viskosität
von 1,7 · 10-5 m2/s (17 cSt). Dieses Gemisch wird in ein
luftdicht verschlossenes Gefäß eingebracht und darin 100 Tage lang bei 40° C belassen, wobei sich nur eine
geringe oder keine Änderung der Viskosität feststellen läßt Nach Zusatz von 0,27 g N-Methylmorpholin wird
das Gemisch zur Härtung 5 h lang auf 1100C, 10 h lang
auf 1500C und schließlich 15 h lang auf 225° C erhitzt
Das IR-Absorptionsspektrum dieses gehärteten Produkts
zeigt, daß die Carbonyl-Absorptionsbande der — NCO-Gruppe bei 2250 cm-1 und die Absorptionsbande
der Epoygruppe bei 910cm-' nach der Härtung
Τ·-Ι II— *
ι äucuc ι
verschwunden sind, während eine der Isocyanuratstruktur
zuzuordnende Absorptionsbande bei 1710 cm-' und
eine der Oxazolidonstruktur zuzuordnende Absorptionsbande bei 1750 cm-' neu auftreten. Die Spektraldaten
zeigen somit, daß das gehärtete Produkt ein Polymer ist, das Isocyanurat- und Oxazolidonstrukturen
aufweist Das erhaltene gehärtete Produkt ist ein leicht braunes, klares Harz und zeigt ab 3800C in Stickstoffatmosphäre
einen Gewichtsverlust.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des gehärteten Produktes sind in Tabelle 1 zusammengestellt
Aus den Daten der Tabelle ist die ausgezeichnete Wärmebeständigkeit des Produkts zu ersehen.
Biegefestigkeit (kg/cm2) Verformung (%) Young-Modul (kg/cm2) (Biegemodul) |
Beispiel 1 | Vergleichs beispiel 1 |
|
Zugfestigkeit (kg/cm2) Dehnung (%) (225°C) |
tan δ (%) Q (P · cm) |
449 6 |
185 3 |
Elastizitätseigen schaften |
Zugfestigkeit (kg/cm2) Dehnung bei 2250C (%) Gewichtsverlust (%) |
1750 6,0 4,6 - 1(H |
920 1,5 32 ■ 10« |
Elektrische Eigen schaften (2000C) |
Vergleichsbeispiel | 0,9 3 · 10·2 |
5,1 3,7 5 · 10"» |
Eigenschaften nach 20 Tagen Alterung bei 24O0C |
456 4 3,6 |
0 0 13,6 |
|
1 | |||
100 g eines Polyglycidyläther-Novolaks (Epoxyäquivalent
190, Viskosität 50 Pas (50 00OcP) bei 25° C)
werden mit 66 g Methylendomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid
und 0,8 g 2-Äthyl-4-methylimidazol gut
gemischt Das entstehende Gemisch hat bei 25° C eine Viskosität von 4 · 10~3 m2/s (4000 cSt). Dieses Gemisch
wird zur Härtung 5 h lang auf 1100C, 10 h lang auf
1500C und schließlich 15 h lang auf 225°C gehalten. Das
so erhaltene gehärtete Produkt zeigt ab 285° C in Stickstoffatmosphäre einen Gewichtsverlust; diese
Temperatur liegt etwa 1000C tiefer als bei den erfindungsgemäß erhaltenen Duroplasten.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des erhaltenen gehärteten Produkts sind in Tabelle 1
angegeben. Dieses Produkt besitzt von allen Epoxyharzen die höchste Wärmebeständigkeit Der Vergleich mit
dem erfindungsgemäß gewonnenen Duroplasten erweist dessen ausgezeichnete Eigenschaften.
In diesen Beispielen werden jeweils 100 g eines Polyglycidyläther-Novolaks (Epoxyäquivalent 175, Viskosität
14 Pas (1500 cP) mit 175 g 4.4'-Diphenylmethandiisocyanat
und einem der in Tabelle 2 aufgeführten Katalysatoren gemischt Die entstehenden Gemische
besitzen bei 400C eine Viskosität von 2,6 · 10~5 m2/s
(26 cSt). Die Gemische werden zur Härtung 5 h lang auf
110°C 10 h lang auf 1500C und schließlich 15 h lang auf
225° C gehalten.
Die IR-Absorptionsspektren der gehärteten Produkte
sind gleich wie bei Beispiel 1. Die gehärteten Produkte sind Polymere mit Isocyanurat- und Oxazolidonstrukturen.
Sie sind leicht braun gefärbte, klare Kunstharze und zeigen ab 360 bis 3900C in Stickstoffatmosphäre
einen Gewichtsverlust Die gehärteten Produkte besitzen ferner die gleichen ausgezeichneten
elektrischen Eigenschaften wie die von Beispiel 1.
Die mechanischen Eigenschaften der gehärteten Produkte sind in Tabelle 3 zusammengestellt Aus dieser
Tabelle ist die ausgezeichnete Wärmebeständigkeit zu ersehen.
Tabelle 2 | Beispiel 2 |
3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
100 175 0,28 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
100 175 |
|
Epoxid (g) Isocyanat (g) N-Methylmorpholin (g) |
|||||||||
Fortsetzung
Beispiel 2 3
10
2-Äthyl-4-methylimidazol (g) —
l-Cyanoäthyl-2-phenyl- —
imidazol (g)
2-Phenylimidazol (g) —
2-Undecylimidazol (g) —
Triazinoäthyl-2-undecyl- —
imidazol (g)
Octylmorpholin (g) —
Butylendimorpholin (g) —
ilexamethyleridimorpholin (g) —
0,28 -
1,38 0,28 -
0,28 -
0,28 -
0,28 -
0,28 -
0;28
Beispiel 2 3
10
Anfangswerte
Eigenschaften
nach 20 Tagen
Alterung bei
2400C
nach 20 Tagen
Alterung bei
2400C
409
373
Zugfestigkeit
(kg/cm*)
Dehnung
(2250C) (%)
(kg/cm*)
Dehnung
(2250C) (%)
Zugfestigkeit
(kg/cm*)
(kg/cm*)
Dehnung (%) 4 Gewichtsverlust 4,1 (gemessen bei
Raumtemperatur) (»/ο)
Raumtemperatur) (»/ο)
450
430
4 3,9
486
424
3 3,5 472
390
4
3,8
3,8
455
382
3
3,9
3,9
460
361
4
3,6
3,6
490 495 488 7 7 7
420 410 405
4
3,2
3,2
4 4
3,2 3,1
Beispiele 11 bis 17
und
Vergleichsbeispiele 2 und 3
Vergleichsbeispiele 2 und 3
40
4.4'-Diphenylmethandiisocyanat wird in gemäß der nachstehenden Tabelle 4 von 69 bis 460 g variierenden
Mengen zu 100 g Diglycidyläther von Bisphenol A (Epoxyäquivalent 174, wie in Beispiel 1) hinzugegeben,
wobei das Äquivalentverhältnis von Isocyanat zu Epoxygruppen entsprechend zwischen 1,5 und 6,0
variiert; außerdem werden diesem Gemisch 0,2 Gew.-% N-Methylmorpholin zugesetzt, worauf das Ganze innig
gemischt wird. Das erhaltene Gemisch wird zur Härtung 5 h lang auf 1100C, 10 h lang auf 1500C und
schließlich 15 h lang auf 225° C erhitzt
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Wenn das Äquivalentverhältnis zwischen lsocyanat- und Epoxygruppen den Wert 3,5 überschreitet, verbleibt
ein Überschuß an Isocyanatgruppen. Wenn das Äquivalentverhältnis wie in Vergleichsbeispiel 2 1,0
beträgt, liegen nur extrem wenig Isocyanuratstrukturen vor. Alle Harze der Beispiele 11 bis 17 sind leicht braun
und klar und besitzen im wesentlichen die gleichen ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften wie das
Harz von Beispiel 1. Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Harze sind in Tabelle 4 angegeben. Alle
produkte zeigen ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
Beispiel 11 12
13
14 15
16
17
Vergleichsbeispiel 2
Vergleichsbeispiel 3
Zusammensetzung
Epoxid (g) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
Isocyanat (g) | 148 | 174 | 208 | 243 | 277 | 347 | 431 | 69 | 104 |
Äquivalent | 2,0 | 2,4 | 2,9 | 3,4 | 33 | 4,8 | 6,0 | 1,0 | 1,5 |
verhältnis | |||||||||
Isocyanat/ | |||||||||
Epoxid |
Katalysator (g) 0,48 0,54 0,62 0,68 0,76 0,9 1,04 034
0,40
11 12 13 14 1ü
17
Vergleichsbeispiel 2
Vergleichsbeispiel 3
Eigenschaften der
gehärteten
Produkte
gehärteten
Produkte
Eigenschaften
nach
nach
20 Tagen
Alterung
bei 2400C
Alterung
bei 2400C
(225° C)
(kg/cm*)
701
65
Dehnung(%) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 4 | 3 | 23 | 22 |
Zugfestigkeit | 280 | 430 | 505 | 588 | 595 | 610 | 623 | 0 | 17 |
(225° C) | |||||||||
(kg/cm*) | |||||||||
Dehnung(%) | 4 | 4 | 3 | 3 | 3 | 4 | 2 | 0 | 15 |
gemessen | 3,8 | 3,6 | 3,6 | 4,3 | 3,5 | 3,3 | 32 | 8,5 | 45 |
25
30
35
Wie Vergleichsbeispiel 2 erkennen läßt, besitzt das bei einem Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen
zu Epoxygruppen von 1,0 erhaltene Harz eine geringe Zugfestigkeit und zeigt starke Wärmealterung. Wenn
das Harz 20 Tage lang auf 240° C gehalten wird, verringert sich die Zugfestigkeit auf den Wert Null, so
daß sich unter diesen Bedingungen kein zufriedenstellendes Produkt erhalten läßt Ab einem Äquivalentverhältnis
von Isocyanatgruppen zu Epoxygruppen von etwa 2 sind die Hochtemperaturfestigkeit und die
Wärmebeständigkeit sehr gut, wie die Beispiele 11 bis 17
erkennen lassen.
80 g des gleichen Diglycidyläthers von Bisphenol A wie in Beispiel 1, 20 g Diglycidyläther von bromiertem
Bisphenol A (Epoxyäquivalent 370, Bromgehalt 46%, Erweichungspunkt 55°C), 359 g 4.4'-Diphenylmethandiisoeyanat
und 2,3 g N-Methylmorpholin werden innig
miteinander vermischt; das erhaltene Gemisch wird wie in Beispiel 1 gehärcet Das erhaltene gehärtete Produkt
ist ein leicht braunes, klares Kunstharz.
Das IR-Spektrum zeigt, daß sowohl Isocyanurat- als
auch Oxazolidonstrukturen vorliegen.
Das so erhaltene Kunstharz wurde nach der Norm UL 492 untersucht Dabei ergab sich, daß die mittlere
Flammenlöschzeit 1 s beträgt, was einem Flammhemmungsgrad von SE-O entspricht Das Kunstharz besaß so
demnach ausgezeichnete flammhemmende Eigenschaften.
Epoxyharze haben um so bessere flammhemmende Wirkung, je höher ihr Bromgehalt ist jedoch tritt dann
eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften auf. Das erfindungsgemäß erhältliche Kunstharz ist von
sich aus feuerhemmend; es braucht daher keine so großen Mengen an Brom zu enthalten. Dementsprechend
tritt bei den erfindungsgemäß zugänglichen Harzen auch keinerlei Verschlechterung der physikalisehen
Eigenschaften aufgrund erhöhten Bromgehalts auf. Im Vergleich zu normalen Epoxyharzen läßt sich
eine gleichwertige Feuerhemmwirkung mit nur '/3 bis
1A des Bromgehalts üblicher Epoxyharze erzielen.
65
100 g des gleichen Diglycidyläthers von Bisphenol A wie in Beispiel 1,400 g 4.4'-Diphenylmethandiisocyanat
mit kresolmaskierten Isocyanatgruppen, 400 g Kresol,
400 g Lösungsbenzol und 4 g 2-PhenyIimidazol werden
miteinander vermischt Mit diesem Gemisch wird eine Platte aus Siliciumstahl überzogen, die vmt Erzeugung
eines Films anschließend 4 min auf 3500C aufgeheizt wird.
Der so erhaltene Film zeigt ab 382°C iin Stickstoffatmosphäre
einen Gewichtsverlust
Im Bleistifthärtetest zur Untersuchung der Festigkeit
wurde dieser Film von Bleistiften mit einer Härte > 9 H geritzt, aber nicht zerstört.
Der erhaltene Film zeigt einen spezifischen Widerstand von 3,6 · 1Ο'*Ω - cm, einen Reibungskoeffizienten
von 034, bei Laminierung einen praktisch
unendlichen Widerstand zwischen den Schichten, einen Gewichtsverlust von 0,3% nach 300 h Erhitzen auf
200° C und eine Wasseraufnahme von 0,001% nach 20tägiger Lagerung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit
von 70%. Das erhaltene Produkt läßt skh günstig zur Wicklungsisolierung für elektrische Einrichtungen wie
Elektromotoren und Transformatoren verwenden.
100 g eines Dresol-Novolakharzes (Epoxyäquivalent
225), 150 g Naphthalin-1.5-diisocyanat 1 g 2-Heptadecylimidazol
und 1 g Kieselerdepulver werden miteinander gemischt und bei 80 bis 100°C 10 min in einem
Kneter geknetet Danach wird die Mischung fein pulverisiert, so daß die resultierenden Teilchen durch
ein 0,25-mm-Sieb hindurchgehen.
Die erhaltene Kunstharzzusammenseizung wird bei
160°C 1 h auf einer Stahlplatte unter druck gehärtet Am gehärteten Produkt mit einer Filmdicke von etwa
350 um werden der Erichsen-Wert (1,27 cm) und die
Schlagfestigkeit (duPont 1 kg — 1,27 cm) gemessen.
Diese Messungen ergeben einen Erichsen-Wert von 3 mm bei 200C und 180° C und eine Schlagfestigkeit von
5 cm bei 200C und von 4 cm bei 180"C Damit weist
dieses gehärtete Produkt eine bessere Schlagfestigkeit bei 1800C auf als Epoxyharze.
100 g des gleichen Epoxids wie in Beispiel 1, 200 g flüssiges modifiziertes -W'-Diphenylmethandnsocyanat
(Viskosität 0,1 Pas) und 1 g l-Cyanoäthyl-2-phenyfimidazol
werden miteinander gemischt (Viskosität des
Mit dieser Zusammensetzung wird ein Glasfasermaterial
zur Wicklungsisolierung imprägniert, das anschließend
2 h lang auf 1200C und weitere 15 h airf 1500C
erhitzt wird. An den erhaltenen Proben werden die Biegefestigkeit und die chemische Beständigkeit gemessen. Die erhaltenen Meßergebnisse sind in Tabelle 5
zusammengestellt Für die Messung der chemischen
Beständigkeit wird jeweils ein Eintauchtest von 180 Tagen Dauer zugrundegelegt, bei dem das Testmaterial
in 50%ige Schwefelsäure von 1300C bzw. in eine
10%ige wäßrige Natronlaugelösung von 95°C eingetaucht
wird. Zum Vergleich sind außerdem die Biegefestigkeit und die chemische Beständigkeit von
Wkklungsisolierungen aus einem üblichen Epoxyharz gemessen worden.
Tabelle 5 | Biegefestigkeit (kg/mm2) 20°C |
160°C | Chemische Beständigkeit 1596H2SO4 |
10% NaOH |
20-22 18-19 |
15-16 3—7 |
wenig oder keine Veränderung erosive Zersetzung |
wenig oder keine Veränderung erosive Zersetzung |
|
Beispiel 21 Übliches Epoxyharz |
||||
100 g des gleichen Epoxyharz« wie in Beispiel 20, 120 g Naphthalin-U-diisocyanat, 2 g l-Triazinoäthyl-2-undecylimidazol,
2 g Stearinsäure, 2 g handelsübliches Wachs, 0,4 g Silan-Kupplungsmittel und 350 g geschmolzenes
Quarzglaspulver werden innig miteinander vermischt und in einem Kneter bei 80 bis 1000C
hinreichend verknetet Nach dem Kneten wird das χ
Gemisch pulverisiert, so daß die Teilchen durch ein 0,25-mm-Sieb hindurchgehen.
Das erhaltene Pulver wird bei 1500C unter einem
Druck von 7,03 kg/cm2 5 min lang verpreBt und dann
15 h lang bei 180°C nachgehärtet Die Eigenschaften des
Formkörpers sind in den Tabellen 6 und 7 zusammengestellt.
( χ 10-s)
Glasübergangstemperatur (0C) Biegefestigkeit (kg/an2), 1800C
Verformung (%), 180°C
e, 1 MHz ρ (Ω - cm)
>200
615
03
033
3,4 8£ - 1
und 2 kg/cm2 Dampfdruck
tan <$(%), IMHz 2,1
ε, 1 MHz 3,7
ρ (Ω - cm) 1,1 · 10'«
Das Vergleichsbeispiel dient zur Erläuterung der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem aus der
DE-OS 19 04 575 bekannten Stand der Technik.
Nach den Arbeitsweisen jedes Beispiels der DE-OS wurden Harze mit dem Unterschied hergestellt, daß das
Treibmittel und das grenzflächenaktive Silicon als Schaumstabilisator weggelassen wurden. Die so erhaltenen
Harze wurden unter den erfindungsgemäBen Erhitzungsbedingungen gehärtet, d. h, 5 h lang bei
110°Q 10 h lang bei 1500C und danach 15 h lang bei
225° C Danach wurden die Eigenschaften der gehärteten Produkte bestimmt
65 Bei den Katalysatormengen, die in den jeweilige!
Beispielen der DE-OS angegeben sind, trat einig«
Minuten nach dem Vermischen der jeweiligen Kompo nenten Gelbildung ein, so daß eine wettere Verarbei
tung unmöglich erschien. Daher wurden die Katalysato
ren in einer Menge von 0,1 Gew.-%, bezogen auf da: Gesamtgewicht der jeweiligen Materialien, eingesetzt
Auch die Herstellung der modifizierten Isocyanat«
wurde entsprechend den Beispielen der DE-Oi durchgeführt
Die erhaltenen Ergebnisse sind Tabelle 8 /1 entnehmen.
030 132/14!
Versuch
Beispiel der DE-OS 1904575
Zugfestigkeit des gehärteten Produkts
(kg/cm* bei 225°Q
(kg/cm* bei 225°Q
nach 20tägigem Erhitzen
auf 2400C
auf 2400C
1
2
3
2
3
5
6
6
10
11
12
13
14
1
2
3
4
2
3
4
9
10
11
12
13
10
11
12
13
erfindungsgemäßes Beispiel 1
45
40
30
zahlreiche Risse
beim Härten
beim Härten
45
40
40
45
35
30
35
35
35 449 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
456
0
0
0
0
0
0
0
0
456
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle 8 hervorgeht, besitzen die gehärteten Produkte nach der DE-OS eine
sehr niedrige Anfangs-Zugfestigkeit bei 225° C; diese Festigkeit geht bei 20tägigem Erhitzen aus 240° C völlig
verloren. Selbst bei der Zusammensetzung des Beispiels
4 der DE-OS (ohne Polyolkomponente) wurden zahlreiche Risse beim Härten gebildet Das gehärtete
Produkt war sehr spröde.
Nach dem Verfahren der DE-OS 19 04 575 wurde ein Schaum dadurch hergestellt, daß zur Zusammensetzung
des erfindungsgemäßen Beispiels 1 56 g Trichlormonofluormethan als Treibmittel und 2,75 g 1.4-Diazabicyclo[2^2]octan
(vgl. Beispiel 1 der DE-OS) anstelle von N-Methylmorpholin als Katalysator zugesetzt wurden.
Die Sprödigkeit des so erhaltenen Schaums wurde entsprechend ASTM C 421-61 gemessen und mit der
des Schaums von Beispiel 1 der DE-OS verglichen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 9 zusammengestellt
Schaum von
Beispiel 1 der
DE-OS 1904575
Beispiel 1 der
DE-OS 1904575
Schaum aus der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen
Beispiels 1
(Gew.-Verlust,
Gew.-%)
·) Wenn die Sprödigkeit mehr als 30% beträgt, kommt eine
praktische Anwendung nicht in Betracht
Der Schaum aus einer erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung ist demnach für eine praktische
Anwendung zu spröde.
Der Vergleichsversuch wurde entsprechend Beispiel 9 der US-PS 30 20 262 durchgeführt. In diesem Beispiel
55
ist als Epoxyverbindung das Diepoxid angegeben, das aus Epichlorhydrin und Bis(4-hydroxyphenyl)dimethylmethan
erhältlich ist, wobei kein Epoxy äquivalent angegeben ist Daher wurde als Epoxyverbindung das
Polyepoxid aus 2^-(4-Hydroxyphenyl)-propan und Epichlorhydrin verwendet das auf Seite 1924 rechts in ].
Org.Chem.23(1958), 1922bis 1924,angegeben ist
Als Katalysatoren wurden Triethylamin als Beispiel
eines tertiären Amins und Tctramethylammor.iumjodid
als Beispiel eines quaternären Ammoniumsalzes verwendet
(1) Nacharbeitung von Beispiel 9 der US-PS: Es wurde ein gelbes Harz mit einem Schmelzpunkt über
300° C erhalten.
(2) Es erwies sich als unmöglich, die mechanischen Eigenschaften des gehärteten Produkts des Beispiels 9
der US-PS in üblicher Weise zu untersuchen. Daher wurde wie folgt verfahren:
Die angegebenen Mengen des Polyepoxide des Katalysators und des 2.4-Toluoldiisocyanats wurden
jeweils gut gemischt; das Entgasen wurde bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck 3 min lang durchgeführt
Das Gemisch wurde in eine Metallform gegossen und darin weiter unter vermindertem Druck entgast
Die Metallform wurde dadurch hergestellt daß eine rostfreie Stahlplatte, die mit einem Siliconharz-Formtrennmittel
überzogen und danach 10 h auf 250° C erhitzt worden war, und eine Hülse aus Messing
aufeinandergesetzt und miteinander verschraubt wurden.
Die gefüllte Form wurde in einem Thermostaten 4 h lang auf 165± TC erhitzt. Auf diese Weise wurde eine
Harzplatte (13Ox 12Ox 2 mm) erhalten, aus der Testkörper zur Messung der Zugfestigkeit hergestellt
wurden; die Testkörper wiesen die Dimensionen gemäß der japanischen Norm JlS K 6301-1971 Nr 3auf.
Für jede Harzplatte wurde die Zugfestigkeit fünfmal bei einem Einspannabstand von 50 mm und einer
Zuggeschwindigkeit von 1 mm/min gemessen; die erhaltenen Ergebnisse sind als Mittelwert aus fünf
Messungen angegeben.
Ansätze:
(a) Äquivalentverhältnis Isocyanat/Epoxid
= 1,7 :1; Katalysator Tetramethylammoniumjodid:
Polyepoxid (Epoxyäquivalent 175) 2.4-Toluoldiisocyanat
Tetramethylammoniumjodid (1,07 Gew.%,0,03 mol)
Polyepoxid (Epoxyäquivalent 175) 2.4-Toluoldiisocyanat
Tetramethylammoniumjodid (1,07 Gew.%,0,03 mol)
300 g 261g
6g
Bei diesem Ansatz war das gehärtete Produkt schaumig und zu spröde, um zu Testkörpern verarbeitet
zu werden.
(b) Äquivalentverhältnis Isocyanat/Epoxid = 1,7 :1; KatalysatorTriäthylamin:
2.4-ToIuoldüsocyanat 261 g Triäthylamin (0269 Gew.-%,
0,015 mol) 151g
Es wurde versucht, die gleiche Molzahl des Katalysators
zuzugeben wie im Fall des Ansatzes (a); bei der Durchführung trat jedoch Gelbildung ein. Daher wurde
die Menge des zugegebenen Katalysators auf die Hälfte herabgesetzt, d. h. 0,015 moL
(c) Äquivalentverhältnis Isocyanat/Epoxid = 2 :1; Katalysator Triäthylain:
Polyepoxid 200 g 2.4-Toluoldiisocyanat 199 g Triäthylamin (0,269 Gew.-%,
0,015 mol) 1,07 g
(d) Äquivalentverhältnis Isocyanat/Epoxid = 3 :1; Katalysator Triäthylamin:
Polyepoxid 200 g 2.4-Toluoldiisocyanat 298 g Triäthylamin (0,269 Gi:w.-%,
0,015 mol) 134 g
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefaßt
Versuch Äquivalentverhältnis Katalysator Isocyanat/Epoxid
(Gew.%) Mechanische Eigenschaften bei 225° C
Zugfestigkeit
(kg/cm*)
(kg/cm*)
Dehnung
(C)
(d)
1,7:1
1,7:1
2,0:1
3,0:1
2,0:1
3,0:1
Tetramethylammonium- — jodid (1,07)
17,5 6.0 4,0
Aus Tabelle 10 ergibt sich, daß die Zugfestigkeit bei gen ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, sehr
Äquivalentverhältnissen von 2:1 und 3 :1 gegenüber 40 hohe chemische Beständigkeit und Schlagfestigkeit
dem Äquivalentverhältnis von 1,7:1 beträchtlich
verbessert wurde.'
Die erfindungsgemäß zugänglichen Duroplaste zeisowie sehr gutes Selbstlöschverhalten. Sie lassen sich somit vorteilhaft als elektrische Isolationsmaterialien verwenden.
Die erfindungsgemäß zugänglichen Duroplaste zeisowie sehr gutes Selbstlöschverhalten. Sie lassen sich somit vorteilhaft als elektrische Isolationsmaterialien verwenden.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Isocyanurate und Oxazolidonringe enthaltenden Duroplasten durch
Umsetzung polyfunktioneller Epoxide mit polyfunktionellen
Isocyanaten bei 80 bis 250° C in Gegenwart von 0,01 bis 10 Gew.-% eines stockstoffhaltigen
Katalysators, bezogen auf die Gesamtmenge von Epoxiden und Isocyanaten, dadurch gekennzeichnet,
daß
10
(a) 2 bis 6 Äquivalente mindestens eines Isocyanats pro Äquivalent Epoxid eingesetzt und
(b) als stickstoffhaltige Katalysatoren Imidazolund/oderMorphoünderivate
verwendet werden.
2. Verwendung der nach Anspruch 1 erhaltenen Duroplaste als Isolierlacke und Fonnharze für
elektrische Teile aund als Harze für gedruckte Schaltungen.
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8281 | Inventor (new situation) |
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