DE2420801A1 - Organofunktionelle silane mit stickstoffhaltiger ringstruktur - Google Patents

Organofunktionelle silane mit stickstoffhaltiger ringstruktur

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DE2420801A1
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silanes
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Heinz Dipl Chem Dr Nestler
Claus-Dietrich Dipl Che Seiler
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04Ingredients treated with organic substances
    • C08K9/06Ingredients treated with organic substances with silicon-containing compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
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    • C08K5/54Silicon-containing compounds
    • C08K5/544Silicon-containing compounds containing nitrogen
    • C08K5/5477Silicon-containing compounds containing nitrogen containing nitrogen in a heterocyclic ring

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Description

  • "Organofunktionelle Silane mit stickstoffhaltiger Ringstruktur" Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind neue organofunktionelle Silane mit stickstoffhaltiger Ringstruktur sowie die Ver-; wendung dieser Silane als Haftvermittler zwischen anorganischen oxidischen Oberflächen und Polymeren.
  • Es ist bekannt, daß aromatische Amine und Diamine mit Orthocarbonsäureestern unter Bildung von Amidinen bzw. Imidazolverbindungen reagieren. Analoge Reaktionen finden auch mit Aminophenyltrialkoxisilanen statt.
  • Es wurde nun gefunden, daß bei der Reaktion von Diaminosilanen mit Orthocarbonsäureestern Verbindunen mit der Struktur entstehen, bei der die freie Valenz des N-Atomes über eine Alkylengruppe mit einem Silylrest verknüpft ist und der Rest A für einen zweiwertigen, gesättigten, gegebenenfalls verzweigten, unsubstituierten KohlennYasserstoffrest steht. Diese Ringstruktur wird im folgenden als Imidazolin bezeichnet, wenn A für CH2-CH2- steht.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind nun organofunktionelle Silane der allgemeinen Formel in der R' Wasserstoff oder Cj 5-Alkylgruppe, A gleich ein Rest der obengenannten Bedeutung mit 2 bis 4 C-Atomen ist und B gleich A mit 1 bis 10 C-Atomen und R eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen ist, die gegebenenfalls durch ein 0- oder S-Atom unterbrochen sein kann.
  • Die Reaktion zwischen Diaminosilanen und Orthocarbonsäureestern, die zur Bildung der neuen organofunktionellen Silane führt, wird bei Temperaturen oberhalb 150°C durchgeführt. Zweckmäßigerweise wird bei der Siedetemperatur des Reaktionsgemisches gearbeitet. Prinzipiell ist es auch möglich, bei erhöhtem Druck und Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur des Reaktionsgemisches die Reaktion ablaufen zu lassen.
  • Als Lösungsmittel dient der eingesetzte Orthocarbonsäureester, Die Umsetzung erfordert 1 Mol Orthoester auf 1 Mol Silan. Ein geringer Überschuß des Orthoesters stört den Reaktionsablauf jedoch nicht. Die Reaktion läßt sich aber auch in hochsiedenden inerten Lösungsmitteln mit Siedepunkten über 1500C durchführen.
  • Die Reaktion erfolgt gemäß der allgemeinen Gleichung (n = 2 bis 4, m = 1 bis 10). Demzufolge wird vorzugsweise 1 Mol Diaminosilan mit einem Mol Orthocarbonsäureester umgesetzt; es ist prinzipiell jedoch auch möglich, einen der Reaktionspartner im Überschuß einzusetzen.
  • Das Ende der Reaktion läßt sich daran erkennen, daß kein-Alkohol mehr entsteht. In Praxis verfährt man zweckmäßigerweise so, daß der sich bildende Alkohol abdestilliert und in einer Vorlage aufgefangen wird.
  • Als Orthocarbonsäureester eignen sich als Ausgangsprodukte Orthoamei sensäuretriäthyleste r [HC(OC2H5)3] , Acetorthotriäthylester [H3C-C(OC2H5)3] oder Acetorthotri-(methoxiäthyl)-ester [H3CC(CH2CH2OCH3)3].
  • Die einzusetzenden Diaminosilane werden durch die allgemeine Formel 112N-A-NH-B-Si(OR)3 gekennzeichnet, in der A, B und R die obengenannte Bedeutung haben. Die Reste A und B sind bevorzugt gradkettige Alkylengruppen mit zwei oder drei C-Atomen und der Rest R ist bevorzugt ein Methyl- oder Äthylrest. Beispiele für solche Verbindungen sind diejenigen der folgenden Formeln H2N-CH2-CH2-NH-(CH2)3-Si(OC2H5)3, H2N-CH2-CH2-NH-(Ch2)3-Si(Och3)3, H2N-(CH2)3NH- (CH2)2-Si(OC2H5)3, H2N-(CH2)3-NH-(CH2 )2-Si( OCH3)3.
  • Der zwischen den beiden N-Atomen befindliche Rest kann jedoch auch ein gradkettiger oder verzweigter Propylen- oder Butylenrest sein wie z.B. bei folgenden Verbindungen R = Methyl- oder Äthylrest Auch der Rest A kann verzweigt sein. Beispiele für solche Ausgangsverbindungen sind z.B. Silane der folgenden Formeln Die Herstellung dieser Diaminosilane erfolgt nach an sich bekannten Methoden, wie z.B. durch Umsetzung von Chloralkyltrialkoxisilanen mit den entsprechenden Diaminen. Es ist deshalb auch möglich, die erfindungsgemäßen neuen imidazolingruppenhaltigen Silane durch Umsetzung von Chloralkyltrialkoxisilanen mit Diaminen und Orthocarbonsäureestern ohne Abtrennung des intermediär entstehenden Diaminosilanes herzustellen. Dabei sollte das Molverhältnis von Chloralkyltrialkoxisilan zu Diamin zwischen 1 : 3 und 1 : 10 liegen, damit die intermediäre Bildung von solchen Diaminosilanen zurückgedrängt wird, bei denen die N-Atome mehr als eine Silylgruppe tragen.
  • Die neuen Silane mit stickstoffhaltiger Ringstrüktur sind als Haftvermittler zwischen organischen Polymeren und anorganischen und/ oder me-tallischen Oberflächen in vielenÄnwendungsgebieten einsetzbar. Die haftvermittelnde Wirkung kann entweder durch Applikation auf die anorganische oder metallische Oberfläche oder durch Untermischen unter das zu verbindende Polymere erfolgen. Die dabei erzielte Haftvermittlerwirkung ist bei Phenolformaldehydharzen oder Epoxidharzen wesentlich besser als bei bisher übli chen Standardsil anen wie y6Amlnopropyltriäthoxisilan oder #-Glycidyloxipropyltrimethoxisilan.
  • Die mit der erfindungsgemäßen Verwendung von den neuen Silanen hergestellen Verbundkörper aus organischen Bindemitteln und anorganischen Oxiden oder Metallen zeigen wesentlich verbesserte Festigkeiten infolge Haftverbesserung, wie Messungen der Biegefestigkeit - vor und nach Feuchtlagerung - an Modellkörpern zeigen.
  • Die organischen Bindemittel umfassen Polyadditionsprodukte, z.B. Epoxidharze, Urethanharze und Polyesterharze, Polykondensationsprodukte, wie z.B. kalt- undboder warmhärtende Phenolformaldehydharze,- und Polymerisationsprodukte z.B. auf Basis Polyvinylchlorid und/oder Copolymere aus Vinylchlorid und vinylacetat, Äthylen, Methacrylsäureester etc.
  • Als Komponenten mit anorganischen Oberflächen finden Substanzen mit oxidischen Oberflächen wie beispielsweise Glas, Quarz, Diatomeen-Erde, Sand, Asbest, Glimmer, Korund Eisenoxide, Chromoxide, CalciumcarbonatX Calciumsulfat, Calciumoxid, Aluminiumoxid, Zement oder Gemische von zwei oder mehreren dieser Substanzen Verwendung.
  • Geeignete metallische Oberflächen sind Eisen, Zink, Aluminium, Zinn, Titan etc.
  • Die anorganischen Komponenten können in Form von Fasern, Vliesen, Pulvern, Matten oder Geweben etc. vorliegen, Metalle beispielsweise in Form von Blechen oder Drähten.
  • Als erfindungsgemäße Haftvermittler seien folgende Ringverbindungen genannt: In obigen Formeln kann R für eine Methyl-, Äthyl-, Propyl-oder Methoxiäthylgruppe stehen.
  • Die Vorbehandlung von anorganischen Substraten mit den erfindungsgemaßen Ringverbindungen kann so durchgeführt werden, indem man sie als Schlichte oder Finish durch beispielsweise Spritzen, Sprühen oder Bestreichen aufbringt. Nach der Vorbehandlung wird das Lösungsmittel bei Normal- oder höherer Temperatur verdampft, und die auf diese Weise vorbehandelten Produkte werden dann in organische Polymere eingebracht. Eine andere Möglichkeit besteht darin die beanspruchten Silane als haftvermittelnde Hilfsstoffe in die organischen Bindemittel einzubringen.
  • Die Erfindung wird durch folgende Beispiele demonstriert: Beispiel 1 1 Mol H2N-CH2-CH2-NH-(CH2)2-Si(OC2H5)3 wird mit 1 Mol HC(OC2H5)3 vermischt und solange unter Rückfluß gekocht, bis 3 Mol Äthanol freigesetzt worden sind. Anschließend wird das Reaktionsgemisch fraktioniert destilliert. Die Ausbeute- betrug 80 bis 90 . Der Siedepunkt der gesuchten Substanz beträgt kp = 114 bis 116°C/2 Torr0 Molekulargewicht = 2Z0,5 Summnenformel = C11H24N2O3Si.
  • Elementaranalyse C H N Si berechnet 50,69 9,22 10,75 10,75 gefunden 49,55 9,39 10,62 10,82 Durch IR- und Kernresonanzspektren konnte die angenommene Struktur eines 3-[Triäthoxisilyläthyl]-imidazolins bestätigt werden.
  • Beispiel 2 1 Mol H2N-CH2-CH2-NH(CH2)3-Si(OC2H5)3 wird mit 1,2 Mol HC(OC2H5)3 wie in Beispiel 1 umgesetzt und fraktioniert destilliert. Die Hauptfraktion destilliert bei einem kp = 130 bis 133°C (- 2 Torr) über. Die Ausbeute betrug ~ 90 %.
  • Die Struktur eines 3-[Träthoxisilylpropyl]-imidazolins wurde durch Analyse, IR- und Kernresonanzspektren bestätigt.
  • Bespiel 3 1 Mol H2N-CH2-CH2-NH~(CH2)2-Si(OC2H5)3 wird mit 1 Mol H5C-C(OC2H5)3 entsprechend Beispiel 1 umgesetzt und fraktioniert destilliert. Bei einem kp = 125 bis 130°C (~ 2 Torr) geht mit einer Ausbeute von etwa 70 % die Hauptfraktion über.
  • Die Struktur eines 2-Methyl-3-[triäthoxisilyläthyl] -imidazolins wurde durch Analyse, IR- und Kernresonanzspektren bestätigt.
  • Beispiel 4 wird mit 2 Mol HC(OC2S5)3 nach Beispiel 1 angesetzt und fraktioniert destilliert. Die flauptfraktion destilliert über bei kp = 98 bis 102°C (~ 2 Torr) mit einer Ausbeute von 80 bis 90 %, Die Struktur eines 4-Methyl-3-[triäthoxisilyläthyk] -imidazolins wurde durch IR- und Kernresonanzspektren bestätigt.
  • Beispiel 5 In einen Dreihalskolben mit Rührer, Tropftrichter und Rückflußkühler werden zu 4 Mol Äthylendiamin und 2 Mol Triäthylorthoameisensäureester bei Siedetemperatur langsam unter stetem Rühren 1 Mol #-chlorpropyltriäthoxisilan hinzugetropft.
  • Nach Beendigung der Reaktion wird eine Stunde weiter erhitzt und anschließend die Aminhydrochloridphase abgetrennt. Der Rückstand wird fraktioniert destilliert, wobei das gewünschte Produkt bei kp = 130 bis 135°C bei 2 Torr übergeht; die Ausbeute betrug ~ 20 %.
  • Die Struktur eines 3-[Triäthoxisilylpropyl]-imidazolins wurde durch ein IR-Spektrum - Vergleich'mit dem Produkt von Beispiel 2 - bestätigt.
  • Beispiel 6 Wassergeschlichtete Glasfäden werden in einer 0,25 eigen Lösung von 3-[Triäthoxisilylpropyl]-imidazolin während einer Minute getaucht, abtropfen lassen und dann 15 Minuten bei 1300C getrocknet. Anschließend werden die geschlichteten Glasfäden in Epoxidharz getaucht und zu GFK-Rundstäben verarbeitet. Zur Aushärtung werden die Prüfkörper 17 Stunden bei 1300C gehärtet. Die Biegefestigkeit wird nach DIN 53 452 bestimmt. Ferner wird die Biegefestigkeit von Proben ermittelt, die nach dem Aushärten 72 Stunden in siedendem Wasser gelagert wurden (Zahl hinter dem Schrägstrich).
  • Biegefestigkeit von GFK-Epoxidrundstäben in kp/cm2 a) Haftvermittler γ-Aminopropyltriäthoxisilan: 9600 / 7600 b) Haftvermittler 3-[Triäthoxisilylpropyl]-imidazolin: 10200 / 7900.
  • Die unter a) gemessene Biegefestigkeit dient als Vergleichsprobe mit einem bisher üblichen f-Aminopropyltriäthoxisilan als Haftvermittler.
  • Beispiel 7 15 x 8 mm große Cu-Streifen werden entfettet, gebeizt und mit einer 10 eigen alkoholischen Lösung von 4-Methyl-3-[triäthoxisilyläthyl0-imidazolin behandelt und anschließend 1 Stunde bei 1300C getrocknet. Das Aussehen und ein Kratztest zeigen, daß durch die Vorbehandlung auf der Cu-Oberfläche ein festsitzender, harter Film entstanden ist.
  • Werden diese vorbehandelten Cu-Streifen zusammen mit unbehandelten Cu-Folien längere Zeit in einem Ofen auf 1500C erhitzt, so zeigen die unbehandelten eine starke Verfärbung, während die vorbehandelten Proben ihr Aussehen behalten haben.

Claims (1)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e
    1. Organofunktionelle Silane der allgemeinen Formel in der R für einen C1-C4-Alkylrest, der gegebenenfalls durch ein 0- oder S-Atom unterbrochen sein kann, R' für H oder einen C1 4-Alkylrest, A für einen zweiwertigen, gesättigten gegebenenfalls verzweigten, unsubstituierten Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 4 C-Atomen und zu B für einen zweiwertigen, gesättigten, gegebenenfalls verzweigten, unsubstituierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 10 C-Atomen steht.
    (R = CH3 oder C2H5, m = 2 oder 3).
    (R = CH3 -oder C2H5, m = 2 oder 3).
    5. Verfahren zur Herstellung von organofunktionellen Silanen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Diaminosilan der allgemeinen Formel H2N-A-NH-B-Si(OR)3, in der A, B und R die obengenannte Bedeutung haben, mit einem Orthocarbonsäureester der allgemienen Formel R'C(OR")3, in der R' = C1-4-Alkyl oder H und R" = = CH3, C2H5 oder CH2-CH2-O-CH3 bedeuten, bei Temperaturen oberhalb 1500C miteinander reagieren läßt.
    6. Verwendung der organofunktionellen Silane gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 als Haftvermittler zwischen anorganischen, oxidischen Materialien und organischen Polymeren.
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