DE2646198A1 - Waermeaktivierbare polyurethanpulver und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Waermeaktivierbare polyurethanpulver und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
VON KREISLER SCHÖNWALU MEYER EiSHOLD
FUES VONKREISLER KELLER SELf>8£6198
PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler f 1973
Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden
Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. AIeIc von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln
Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln
AvK/Ax 5 KÖLN 1 * °*
DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF
E.I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware 19898 (U.S.A.).
Wärmeaktivierbare Polyurethanpulver und.
Verfahren zu ihrer Herstellung
Es ist bekannt, thermoplastische Polyurethane unmittelbar in Form von Pulvern durch Umsetzung von Polyäther- oder
Polyesterglykolen und niedrigmolekularen Diolen mit Diisocyanaten in einem inerten Lösungsmittel, in dem einer der
Reaktionsteilnehmer nicht mischbar ist und mit einem oberflächenaktiven
Mittel emulgiert wird, herzustellen. Diese Pulver sind vorteilhaft beispielsweise als pulverförmige
Anstrich- und Überzugsmassen und Klebstoffe für· textile Flächengebilde. Mit ihnen werden die mit Lösungsmitteln
verbundenen Probleme vermieden, jedoch haben sie den Nachteil, daß ihre Verarbeitunstemperaturen dicht bei der
Temperatur liegen, bei der Polyurethane abgebaut werden. Da diese thermoplastischen Polyurethane bereits ihr endgültiges
Molekulargewicht erreicht haben, das verhältnismäßig hoch sein muß, damit sie gute physikalische Eigenschaften
aufweisen, haben sie bei der maximalen Temperatur, bei der sie verarbeitet werden können, hohe Schmelzviskositäten.
In vielen Fällen verhindert diese hohe Schmelzviskosität gutes Fließen während des Verschmelzens
des Pulvers. Es besteht somit ein Bedürfnis für ein pulver-
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ORIGINAL INSPECTED
förmiges Polyurethan, das niedrigere Schmelzviskositäten
bei Temperaturen aufweist, die genügend weit unter dem Punkt liegen, bei dem das Polymerisat abgebaut wird, um
eine weniger kritische Regelung der Zeit/Temperatur-Zyklen während des Schmelzens zu ermöglichen und dennoch
gute physikalische Eigenschaften zu erzielen.
Die Erfindung ist auf Polyurethanpulver gerichtet, die durch Hitze aktivierbar sind, 0,2 bis 1,1 endständige
Aminogruppen pro endständige Epoxygruppe enthalten und das Reaktionsprodukt von
a) 1 Mol eines polymeren Glykols mit einem Zahlenmittelmolekulargewicht
von etwa 400 bis 4000,
b) X Mol eines Diols mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 250, wobei X einen wert von 0 bis 20 hat,
c) Y Mol eines organischen Diisocyanats, wobei Y = 1,03 (1 + X) bis 1,60 (1 + X)
d) Z Mol eines Monohydroxyepoxyds, worin
Z = 0,0286 (1 + X) bis 1000 (1 + X) und
e) 0,7 (2Y - 2X - Z - 2) bis 1,0 (2Y - 2X - Z - 2) Mol
eines kurzkettigen Diamins sind.
Dieses Reaktionsprodukt ist ferner dadurch gekennzeichnet,
daß es unmittelbar als Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 200 u oder weniger aus einem inerten
organischen Lösungsmittel erhalten wird, in dem wenigstens einer der Reaktionsteilnehmer aus der Gruppe (a)
und (b) nicht mischbar und im Lösungsmittel mit einer oberflächenaktiven Verbindung emulgiert ist. Die Mengen
der Reaktionsteilnehmer (d) und (e) werden so gewählt, daß das Polyurethanpulver Epoxygruppen und Aminogruppen
in solchen Mengen enthält,, daß ein wesentlicher Anstieg
des Molekulargewichts während der Wärmeaktivierung stattfindet.
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Die durch Wärme aktivierbaren Polyurethanpulver gemäß der Erfindung haben die gleichen guten physikalischen Eigenschaften
wie thermoplastische Polyurethane, sind jedoch diesen in ihren Schmelzflußeigenschaften während der Anwendung
überlegen.
Physikalisch sind die Produkte gemäß der Erfindung feinteilige Pulver, deren Teilchen perlförmig sind. Chemisch
sind sie Polyurethane mit begrenztem Molekulargewicht, die endständige Epoxygruppen und Aminogruppen in solchen
Mengen enthalten, daß während des Erhitzens ein wesentlicher Anstieg des Molekulargewichts stattfindet. Die
Mengen der Reaktionsteilnehmer sind so vorgeschrieben, daß dies geschieht. Wenn das Pulver über den Schmelzpunkt
hinaus erhitzt wird, reagieren die endständigen Epoxygruppen mit den verfügbaren aktiven Wasserstoffatomen,
von denen wenigstens einige in den endständigen Aminogruppen vorhanden sind. Dies hat die Bildung eines hochmolekularen
Polyurethans zur Folge, das ohne Gefahr eines Abbaues nicht leicht erneut geschmolzen werden kann. Die
bei der Schmelztemperatur Einstellung der Schmelzviskosität/wird gemäß der Erfindung
durch Einstellen des Molekulargewichts der durch Wärme aktivierbaren Zwischenprodukte erreicht; dies läßt sich
wiederum durch die Mengenverhältnisse der verwendeten Reaktionsteilnehmer einstellen.
In den Polyurethanpulvern gemäß der Erfindung kann die Verteilung der entständigen Epoxygruppen und/oder Aminogruppen
innerhalb einzelner Pulverteilchen in weiten Grenzen variiert werden, so lange die Pulvermassen als
ganzes eine solche Zahl von reaktionsfähigen Endgruppen
enthalten, daß eine wesentliche Erhöhung des Molekulargewichts beim Schmelzen eintritt. Diese Unterschiede in
der Verteilung der reaktionsfähigen Gruppen ergeben sich durch die Reihenfolge, in der die Reaktionsteilnehmer
zusammengeführt werden. Hierauf wird nachstehend ausführlicher eingegangen. Bei einer Ausführungsform besteht
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das Pulver aus zwei Arten von Teilchen, wobei eine Art nur endständige Epoxygruppen und die andere Art nur endständige
Aminogruppen enthält. Bei einer anderen Ausführungsform besteht das Pulver nur aus einem Teilchentyp,
wobei jedes Teilchen geeignete Mengen der beiden genannten endständigen Gruppen enthält.
Die für die Zwecke der Erfindung verwendeten polymeren Glykole haben Zahlenmittelmolekulargewicht von etwa 400
bis 4000. Bevorzugt werden Glykole mit Molekulargewichten von etwa 600 bis 2000. Beispiele geeigneter polymerer
Glykole sind die C0-C0-PoIy(alkylenoxyd)glykole,z.B.
c. O
Poly(äthylenoxyd)glykol, PoIy(I,2- und 1,3-propylenoxyd)-glykol,
Poly(tetramethylenoxyd)glykol, Poly(pentamethylenoxyd)glykol,
Poly(hexamethylenoxyd)glykol, Poly(heptamethylenoxyd)glykol,
Polvoctamethylenoxyd)glykol und Poly(1,2-butylenoxyd)glykol, sowie regellose Copolymerisate
oder Blockmischpolymerisate von Äthylenoxyd und 1,2-Propylenoxyd und Polyformale, die durch Umsetzung von
Formaldehyd mit Diolen, z.B. 1,4-Butandiol, oder Gemischen
von Diolen, z.B. mit einem Gemisch von Äthylenglykol und 1,4-Butandiol, hergestellt worden sind.
An Stelle von Poly(alkylenoxyd)glykolen können Polythioätherglykole
verwendet werden, die als Derivate von Poly(alkylenoxyd)glykolen, in denen einige oder alle
Äthersauerstoffatome durch Schwefelatome ersetzt sind,
angesehen werden können. Geeignet sind ferner Poly(alkylen-arylenoxyd)glykole, in denen einige der Alkylenoxyd- .
einheiten der Poly(alkylenoxyd)glykole durch Arylenoxydeinheiten
ersetzt sind.
Besonders vorteilhaft als polymere Glykole sind Polyeste glykole, die durch Veresterung von einer oder mehreren
Dicarbonsäuren, z.B. Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Phthalsäure und Terephthalsäure, mit einem oder
mehreren Diolen wie Äthylenglykol, 1,2- und 1,3-Propylenglykol,
1,4-Butandiol, Neopentylglykol, 1,6-Hexandiol und
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Diäthylenglykol hergestellt worden sind. Gebräuchliche Vertreter
dieser Polyesterglykole sind Poly(äthylenadipat), Poly(äthylen/l,2-propylenadipat) und Poly(1,4-butylenadipat).
Polyesterglykole, die aus Lactonen und Hydroxysäuren hergestellt worden sind, eignen sich ebenfalls als
polymere Glykole. Besonders vorteilhafte Glykole dieser Klasse sind die Poly(5-caprolacton)glykole. Langkettige
Kohlenwasserstoffglykole, z.B. Polybutadien- oder PoIyisoprenglykole,
ihre Copolymerisate und gesättigte Glykole sind ebenfalls geeignet.
Bevorzugt als polymere Glykole v/erden 1) die Polyialkylenoxyd)glykole,
von denen Poly(tetramethylenoxyd)glykol besonders bevorzugt wird, und 2) Polyesterglykole, von
denen Poly(butylenadipat)glykol und Poly(£-caprolacton)-glykol
besonders bevorzugt werden.
Zu den niedrigmolekularen (weniger als etwa 250) Diolen,
die für die Herstellung der Produkte gemäß der Erfindung verwendet werden können, gehören acyclische und alicyclische
Dihydroxyverbindungen. Als Beispiele hierfür sind Diole mit 2 bis 15 C-Atomen, z.B. Äthylen-, Propylen-,
Isobutylen-, Tetramethylen-, Pentamethylen-, 2,2-Dimethyltrimethylen-,
Hexamethylen- und Decamethylenglykol, Diäthylenglykol, Dihydroxycyclohexan und Cyclohexandimethanol
zu nennen. Bevorzugt werden aliphatische Diole j mit 2 bis 8 C-Atomen, wobei 1,4-Butandiol, Athylenglykol,
Neopentylglykol, 1,6-Hexandiol und Diäthylenglykol besonders
bevorzugt werden.
Zur Herstellung der Produkte gemäß der Erfindung können aromatische, aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate,
insbesondere die Cg-C25_Aromaten, C2-C18-AIiphaten
und ^-^,.-Cycloaliphaten verwendet werden.
Beispiele geeigneter aromatischer Diisocyanate sind 2,4-Toluylendiisocyanat, 2,6-Tolylendiisocyanat, 4,4·-
Methylenbis(phenylisocyanat), 1,3-Phenylendiisocyanat,
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1,5-Naphthalindiisocyanat und Gemische dieser Diisocyanate.
Repräsentative aliphatische Diisocyanate sind Hexamethylendiisocyanat, Xylylendiisocyanat, 1,12-Dodecandiisocyanat
und Lysinäthylesterdiisocyanat. Als Beispiele geeigneter cycloaliphatischer Diisocyanate
sind 4,4'-Methylenbis(cyclohexylisocyanat) , 1,4-Cyclohexylendiisocyanat,
l-Methyl-2,-4-cyclohexylendiisocyanat \
und Isophorondiisocyanat zu nennen. Bevorzugt als Diiso- | cyanate werden 2,4-Toluylendiisocyanat, das bis zu etwa
50% 2,6-Toluylendiisocyanat enthält, 4,4'-Methylen-bis-(phenylisocyanat)
und 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat). Aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate
werden bevorzugt, wenn Mischungen, die sich nicht verfärben, erforderlich sind.
Als Diamine, die verwendet werden, um restliche -NCO-Gruppen zu blockieren, werden vorzugsweise kurzkettige
Diamine verwendet, die die Aufgabe haben, endständige Aminogruppen in die durch Wärme aktivierbaren Polyurethane
einzuführen. Für die Zwecke der Erfindung können primäre und sekundäre aliphatische, cycloaliphatische und
aromatische Diamine verwendet werden. Geeignet sind Verbindungen wie Äthylendiamin, Hexamethylendiamin, Piperazin,
1,3- oder 1,4-Diaminocyclohexan, 4,4'-Methylenbis(cyclohexylamin),
l-Methyl-2,4-diaminocyclohexan, 2,4- und 2,6-Toluylendiamin,
1,3- und 1,4-Phenylendiamin, Methylendianilin, 1,5-Naphthalindiamin, Ν,Ν'-Dimethyläthylendiamin
und 4,4l-Methylen-bis(N-methylanilin). Aliphatische
und cycloaliphatische Amine werden verwendet, wenn Produkte, die sich nicht verfärben, erforderlich sind. Bevorzugt
als Diamine werden Äthylendiamin, Hexamethylendiamin, 4,4'-Methylenbis(cyclohexylamin) und 1,3-Phenylendiamin.
Die Verwendung von Hydroxyepoxyden zur Blockierung von freien -NCO-Gruppen unter Bildung endständiger Epoxydgruppen
in Polyurethanen ist in der Urethanchemie bekannt.
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Die Hydroxyepoxyde, die für die Zwecke der Erfindung verwendet
werden können, enthalten vorzugsweise eine Hydroxylgruppe und eine Epoxygruppe im Molekül. Glycidol
ist die beste von den bekannten Verbindungen dieser Art und wird besonders bevorzugt. Weitere geeignete Verbindungen
sind 2,3-Epoxybutanol-l, 3-Phenyl-2,3-epoxypropanol-1,
4-Oxyäthylstyroloxyd, 4(ß-Hydroxyäthoxy)phenylglycidyläther
und ß-Hydroxyäthylglycidyläther. Außer
Glycidol gehört Hydroxy-la,1b,5,5a,6,6a-hexahydro-2,5-methan-2H-oxiren/^ä_7inden,
das im Handel unter der Bezeichnung "Bakelite" Polycyclol 1222 (Hersteller Union
Carbide) erhältlich ist, zu den bevorzugten Hydroxyepoxydverbindungen.
Das Verhältnis des polymeren Glykols zum niedrigmolekularen Diol (falls dies verwendet wird) für eine gegebene
Rezeptur beeinflußt die Härte und verwandte physikalische Eigenschaften des Endprodukts nach der Wärmeaktivierung.
Je höher das Molverhältnis von niedrigmolekularem Diol zu polymerem Glykol, um so härter ist das
erhaltene Produkt. Bis zu 20 Mol niedrigmolekulares Diol können pro Mol des polymeren Glykols verwendet werden.
Das Molverhältnis von Diisocyanat zur Summe der Mole des polymeren Glykols und niedrigmolekularen Diols beeinflußt
ebenfalls die physikalischen Eigenschaften und, was wichtiger ist, stellt das Molekulargewicht der als Zwischenprodukte
gebildeten wärmeaktivierbaren Polymerisate ein. Wenn der Diisocyanatüberschuss zu niedrig ist, ist
das Molekulargewicht der als Zwischenprodukte gebildeten Polymerisate zu hoch, um richtiges Fließen der Schmelze
während der Verschmelzung zu erreichen. Diese Produkte haben im wesentlichen die gleichen Nachteile wie die bekannten
Polyurethanpulver, die vor dem Schmelzen ihr maximales Molekulargewicht erreicht haben. Wenn andererseits
der Diisocyanatüberschuß zu hoch ist, werden sehr niedrigmolekulare Produkte erhalten. Diese sind nach dem
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Verfahren gemäß der Erfindung häufig schwierig in Pulver-.
form herzustellen. Außerdem sind sie weniger lagerbeständig und können bei der Wärmeaktivierung sogar zunächst
zu dünnflüssig sein.
Es wurde gefunden, daß wenigstens 1,03 und nicht mehr als 1,6 Mol Diisocyanat pro Mol der Gesamtmole von polymeren»
Glykol und niedrigmolekularem Diol verwendet werden sollten.
Dies gilt für Zwischenprodukt-Polymerisate, die mit Aminen und/oder Epoxyden endblockiert sind. Bevorzugt
wird ein Bereich von 1,07 bis 1,40 Mol Diisocyanat pro Mol der Dihydroxyverbindungen insgesamt« Dieser Bereich
ermöglicht die leichte Herstellung von Produkten in feinteiliger Form, die außerdem gute Fließeigenschaften während
der Verarbeitung haben.
Das Verhältnis von Aminogruppen zu Epoxygruppen in den Produkten gemäß der Erfindung sollte zwischen 1,1;1 und
0,2:1 liegen. Mit anderen Worten, die geeigneten Produkte reichen von solchen, die einen 10%igen Überschuß
an Aminogruppen enthalten»bis zu solchen, in denen fünf Epoxygruppen pro Aminogruppe vorhanden sind. Wenn die
Aminogruppen in einem Überschuß von mehr alslO% vorhanden
sind, hat das endgültige Polymerisat, das durch Wärmeaktivierung gebildet werden kann, kein genügendes Molekulargewicht,
um gute physikalische Eigenschaften aufzuweisen.
Wenn weniger als etwa eine Aminogruppe auf fünf Epoxygruppen vorhanden ist, ist die Härtungsgeschwindigkeit
für die meisten Anwendungen als Überzugsmasse zu niedrig. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von
Aminogruppen zu Epoxygruppen zwischen 0,9 zu 1,0 und 0,25. zu 1,0.
Im allgemeinen wird bis zu etwa 1,0 Mol Diamin pro Äquivalent
des überschüssigen Isocyanats, das nach der Umsetzung mit den Hydroxylgruppen enthaltenden Reaktionsteilnehmern verbleibt, verwendet. Wenn weniger als 1,0 Mol
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Diamin verwendet wird, wird ein Teil des Diamins durch Kettenverlängerung
sowie durch Blockierung der Endgruppen verbraucht. Wenn mehr als 1,0 Mol Diamin verwendet wird,
kann das Produkt etwas freies Diamin enthalten. Da es unmöglich ist, eine gewisse KettenverlMngerung während
der Endblockierung zu vermeiden, werden vorzugsweise 0,70 bis 0,95 Mol Diamin pro Äquivalent der überschüssigen
Isocyanatgruppen verwendet. Durch Begrenzung der verwendeten Diaminmenge wird die Anwesenheit von freiem
Diamin in den Produktteilchen minimal gehalten.
Eine höhere Funktionalität kann eingeführt werden, indem ein Teil bis zu 10 Mol»-% des Diisocyanate, des polymeren
Glykols, des niedrigmolekularen Diols und des Diamins durch eine chemisch äquivalente Menge von Reaktionsteilnehmern
mit einer Funktionalität von mehr als 2 ersetzt wird. Ebenso kann das Monohydroxyepoxyd teilweise
durch Verbindungen, die mehr als eine Hydroxylgruppe und/oder Epoxygruppe enthalten, ersetzt werden. Die
durch diese Modifikationen erhaltenen Produkte sind stärker vernetzt als die Produkte, die aus den normalerweise
bevorzugten Materialien erhalten werden.
Die ersten Arbeitsstufen, die angewendet werden, um die
durch Wärme aktivierbaren Polyurethanpulver gemäß der Erfindung herzustellen, umfassen das Emulgieren eines
oder mehrerer der Reaktionsteilnehmer (gewöhnlich eines Gemisches des Glykols und Diols) mit Hilfe einer oberflächenaktiven
Verbindung in einem inerten Lösungsmittel, in dem wenigstens einer dieser Reaktionsteilnehmer nicht
mischbar ist, und Zugabe eines zweiten Reaktionsteilnehmers (gewöhnlich des Diisocyanate), der mit dem inerten
Lösungsmittel mischbar oder relativ löslich darin ist. Abschließend werden ein Hydroxyepoxyd und/oder ein
Diamin mit dem noch vorhandenen überschüssigen Isocyanat unter milden Bedingungen umgesetzt» Das in dieser Weise
hergestellte Produkt fällt unmittelbar als feines Pulver
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an, dessen Teilchengröße weitgehend durch die Größe der in der Anfangsemulsion vorhandenen Tröpfchen bestimmt
ist.
Als organische Flüssigkeiten für die Verwendung als geschlossene Phase der Emulsion eignen sich alle Flüssig«
keiten, die mit den Reaktionsteilnehmern, z.Be mit -NCO,
mit den Epoxyden oder Aminen, nicht reaktiv sind und in denen wenigstens einer der Reaktionsteilnehmer und das
Reaktionsprodukt nicht mischbar und unlöslich sind.
Im allgemeinen ist es erwünscht, daß diese Flüssigkeiten so flüchtig sind, daß sie vom Produkt durch Abdampfen
bei Temperaturen, die das Produkt nicht schädigen, entfernt werden können und daß der Siedepunkt über der gewünschten
Reaktionstemperatur liegt. Flüssigkeiten mit niedrigeren Siedepunkten können verwendet werden, jedoch
kann hierbei die Verwendung von Druckbehältern notwendig sein, um bei der gewünschten Temperatur arbeiten zu
können. Flüssigkeiten, die hochsiedend oder in anderer Weise schwierig vom Reaktionsprodukt abtrennbar sind',
können durch Waschen oder Lösungsmittelextraktion mit Flüssigkeiten, die das Reaktionsprodukt nicht schädigen
und leichter entfernbar sind, entfernt werden. Geeignet sind organische Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt oder
Siedebereich vorzugsweise zwischen etwa 65° und 200°C, 3.B. Kohlenwasserstoffe und halogenierte Kohlenwasserstoffe.
Flüssige Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise flüssige aliphatische Kohlenwasserstoffe, z.B. Erdölfraktionen,
erwiesen sich auf Grund ihrer niedrigen Kosten, ihrer Indifferenz gegenüber den Reaktionsteilnehmern und der
Leichtigkeit und Vollständigkeit der Entfernung vom Reaktionsprodukt
als zweckmäßig. Bevorzugt als Lösungsmittel für die Zwecke der Erfindung werden gesättigte aliphatische
Cg-C.^-Kohlenwasserstoffe oder ihre Gemische.
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Als oberflächenaktive Verbindungen werden für das Verfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise nichtionogene
Zahlenmittelpolymere
Materialien verwendet, die ein Molekulargewicht über 1000 haben und dadurch gekennzeichnet sind, daß sie !
nichtpolare Komponenten, z.B. Kohlenwasserstoffreste, und hochpolare Komponenten, z.B. Amid-, Ester- oder Carbonylgruppen,
enthalten. Eine bevorzugte Klasse solcher oberflächenaktiver Verbindungen bilden die Produkte der
gleichzeitigen Polymerisation und Alkylierung von heterocyclischen N-Vinylmonomeren mit a-01efinen. Diese Pro- ;
dukte können hergestellt werden durch Behandeln von a)
1 Mol eines solchen Monomeren aliein oder 1 Mol eines
Gemisches von zwei solcher Monomerer oder 1 Mol eines Gemisches, das das Monomere und ein nicht-heterocyclisches,
polymerisierbares, monoäthylenisch ungesättigtes Monomeres enthält, mit b) 0,05 bis 12 Mol eines a-01efins
in einer Lösung in einem für das Monomere oder die Monomeren und das a-01efin gemeinsamen organischen Lösungsmittel
bei einer Temperatur von 80 bis 200°C für 3 bis 60 Stunden. Die erhaltene Lösung des alkylierten
Polymerisats kann als solche verwendet werden, oder das ;
organische Lösungsmittel wird, falls gewünscht, durch !
Vakuumdestillation entfernt.
Besonders bevorzugt als oberflächenaktive Verbindungen,
die sich als besonders wirksam erwiesen, werden die Produkte der Copolymerisation von N-Vinyl-2-pyrrolidon mit
einem a-01efin mit 4 bis 20 C-Atomen, wobei Copolymerisate
erhalten werden, die Alkylseitenketten mit 2 bis 18 C-Atomen enthalten, und in denen der Anteil des alkylierten
Olefins im Bereich von etwa 10 bis 80 Gew.-% bei einem Molekulargewicht von wenigstens 1000, vorzugsweise
oberhalb 4000 liegt. Die verwendete Menge der oberflächenaktiven Verbindung hängt von verschiedenen Faktoren
einschließlich der physikalischen Eigenschaften der :
Reaktionsteilnehmer und des inerten flüssigen Mediums,
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■}
von der für die Reaktion erforderlichen Zeit, der Wirksamkeit der Emulgiervorrichtung, der gewünschten Teilchengröße
des Reaktionsprodukts usw. ab. Im allgemeinen werden etwa 0,5 bis 10% oberflächenaktive Verbindung,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktionsteilnehmer, verwendet. !
Die brauchbaren oberflächenaktiven Verbindungen sind i
keinesfalls auf die vorstehend genannten Verbindungen beschränkt. Eine Emulsion feiner Tröpfchen eines unlöslichen
flüssigen Reaktionsteilnehmers für die Herstellung von feinteiligem Polyurethan kann unter Verwendung eines
polymeren oberflächenaktiven Mittels hergestellt werden, von dem ein Teil durch ein inertes flüssiges Reaktionsmedium solvatisiert wird, während der andere Teil mit
den Tröpfchen des Reaktionsteilnehmers assoziiert ist.
Um beispielsweise 1,4-Butandiol in Heptan zu emulgieren, könnte man als oberflächenaktive Verbindung ein Copolymerisat
verwenden, das aus zwei Typen von Monomeren hergestellt ist, nämlich aus a) einem Monomeren wie Vinylpyrrolidon,
Ν,Ν-Dimethylacrylamid usw., das, wenn es homopolymerisiert wird, mit 1,4-Butandiol sehr gut verträglich
sein würde, und b) einem Monomeren wie Vinylstearat, Laurylmethacrylat, einem langkettigen a-01efin
usw., das, wenn es homopolymerisiert würde, mit Heptan sehr gut verträglich sein würde. Ferner würden das Molekulargewicht
des Copolymerisats und das Molverhältnis seiner monomeren Bestandteile so gewählt werden, daß es
durch das Heptan etwas stärker als durch das 1,4-Butandiol solvatisiert würde, so daß das Heptan die äußere
Phase bilden würde.
Die verwendete Menge der oberflächenaktiven Verbindung
kann im Bereich von etwa 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf ■ das Gesamtgewicht der verwendeten Reaktionsteilnehmer,
liegeno Im allgemeinen wird die oberflächenaktive Verbindung
in Mengen von 3 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamt-
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gewicht der Reaktionsteilnehmer, verwendet.
Nicht nur das Molverhältnis von polaren zu nichtpolaren Monomeren, sondern auch die Verteilung der Monomeren im
Copolymerisat, d.h. ob das Copolymerisat eine lineare Struktur, Pfropfstruktur oder Blockstruktur hat, ist
wichtig für die oberflächenaktiven Verbindungen. Wenn das polare Monomere eine Gruppe wie Nitril, ι
tertiäres Amin, Lactam usw. enthält, die starke Dipolwechselwirkungen
mit polaren Gruppen in den Reaktions-
teilnehmern oder im Reaktionsprodukt ausbilden kann, ist '
häufig eine lineare Copolymerstruktur geeignet. wenn jedoch das polare Monomere Gruppen wie Ester enthält,
bei denen die Wechselwirkungen mit Ester- oder Äthergruppen in den Reaktionsteilnehmern nur schwach sind,
ist gewöhnlich eine Pfropf- oder Blockstruktur notwendig, so daß durch eine Vielzahl solcher schwachen Bindungen
eine angemessene Assoziation zwischen der oberflächenaktiven Verbindung und der inneren Phase des Reaktions—
gemisches hervorgebracht werden kann. Homopolymere, die aus Monomeren bestehen, die sowohl polare als auch nichtpolare
Komponenten aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. Beispiele solcher Monomerer sind N-Vinyl-3-octa- [
decylpyrrolidon, N-Vinyl-S-dodecyl-S-morpholinonjl-Hexadecylacrylonitril
und NjN-Dioctylaminoathylmetbacrylat.
Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung auf wärmeaktivierbare pulverförmige Polyurethanmassen gerichtet, die von
solchen, in denen jedes Teilchen sowohl Epoxygruppen als auch Aminogruppen in geeigneten Mengen enthält, um das
Produkt härtbar zu machen, bis zu solchen reichen, in denen zwei Typen von Teilchen (wobei der eine Epoxygruppen
und der andere Typ Aminogruppen enthält) in geeigneten Mengenverhältnissen vorhanden sind. Systeme, die
zwischen diesen Extremen liegen, sind natürlich möglich, bieten jedoch im allgemeinen keinen Vorteil. Die beiden
Extreme, der Einfachheit hafi? einteiliges und zweiteiliges
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System genannt, ergeben bei der Wärmeaktivierung im allgemeinen gleichwertige Produkte. Sowohl das einteilige
System als auch das zweiteilige System ist für lange Zeiträume bei Raumtemperatur lagerbeständig.
Die Polyurethanpulver, die für das einteilige System repräsentativ sind, werden vorzugsweise wie folgt hergestellt:
Das polymere Glykol, das gegebenenfalls verwendete niedrigmolekulare Diol und das Hydroxyepoxyd werden
mit Hilfe einer oberflächenaktiven Verbindung in der inerten organischen Flüssigkeit emulgiert. Um eine Emulsion
zu bilden, muß das Gemisch von Glykol, Diol und Epoxyd unter den angewendeten Bedingungen flüssig sein.
Der erforderliche Überschuß des Diisocyanats wird zugesetzt, worauf man die Reaktion im wesentlichen bis zur
Vollendung stattfinden läßt. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch Einstellen der Temperatur und/oder durch Verwendung
von urethanbildenden Katalysatoren geregelt werden. Wahlweise kann das Epoxyd getrennt nach der Umsetzung
des Diisocyanats mit dem Glykol und Diol zugesetzt werden. Abschließend wird das Reaktionsgemisch dem Diamin oder,
was weniger bevorzugt wird, das Diamin dem Reaktions- , gemisch zugesetzt, worauf man die Reaktion stattfinden ■
läßt. Das pulverförmige Produkt wird von der erhaltenen
Dispersion in üblicher Weise,z.B. durch Dekantieren, Filtration oder Zentrifugieren, isoliert. Es wird normalerweise
mit dem gleichen Lösungsmittel, das während der Reaktionen verwendet wird, gewaschen, um, falls vorhanden,
restliche oberflächenaktive Verbindung und restlichen Katalysator zu entfernen. Das Produkt wird dann bei Temperaturen
getrocknet, die weit unter den für die Wärme- ; aktivierung erforderlichen Temperaturen liegen. In den ;
meisten Fällen bedeutet dies Trocknen bei Temperaturen von weniger als 120°C, vorzugsweise unter 8O0C.
Zur Herstellung des zweiteiligen Systems wird die Reaktion
zwischen polymerem Glykol (wahlweise in Verbindung mit
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Diolen) und Diisocyanat in der für das einteilige System beschriebenen Weise durchgeführt. Das erhaltene Reaktionsprodukt, das freie -NCO-Gruppen enthält, wird mit einer
äquivalenten Menge des Hydroxyepoxyds oder zwei Äquivalenten des Polyamins umgesetzt, wobei Pulver, die eine
der Gruppen enthalten, erhalten werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Komponente, die die
endständigen Epoxygruppen enthält, durch Zugabe des Diisocyanats zu einer Emulsion, die das Epoxyd sowie das
Glykol und Diol enthält, hergestellt. Ein zweiteiliges System wird erhalten, wenn geeignete Mengen der beiden
Pulvertypen gleichmäßig gemischt werden. Natürlich kann das ursprüngliche Urethan, das endständige -NCO-Gruppen
enthält und zur Herstellung des einen Teils verwendet wird, von dem ursprünglichen Urethan mit endständigen
-NCO-Gruppen, das für die Herstellung des zweiten Teils verwendet wird, gegebenenfalls verschieden sein.
Bei gewissen Produkten erwies es sich als vorteilhaft, ein feinteiliges festes Material, z.B. Talkum, Dampfphasenkieselsäure
oder ein Pigment, einzuarbeiten, um die Fließeigenschaften des pulverförmigen Produkts zu verbessern.
Diese Zusatzstoffe verbessern im allgemeinen die Filtration während der Isolierung des Produkts und
werden daher vorzugsweise in irgendeiner Stufe^vor der
Filtration einschließlich der Zugabe zusammen mit den Ausgangsmaterialien zugegeben. Sie können natürlich auch
dem trockenen Pulver zugesetzt werden. Weitere Zusatzstoffe, z.B. Antioxydantien, UV-Absorptionsmittel und
andere Stabilisatoren und Mittel zur Verbesserung der Fließeigenschaften usw., können in gleicher Weise zugemischt
werden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren ermöglichen die Herstellung von perlförmigen Teilchen mit durchschnittlichen
Größen von etwa 200 u bis hinab zu etwa 1Ou. Die Teilchengröße wird weitgehend durch die Art und Menge des
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oberflächenaktiven Mittels, die Intensität des Rührens I
und die während der Reaktion angewandte Temperatur geregelt und eingestellt. Bei einem gegebenen System und
einer gegebenen apparativen Ausrüstung wird .die Teilchengröße kleiner, wenn die Menge der oberflächenaktiven
Verbindung erhöht wird und umgekehrt. Teilchen in diesem Größenbereich eignen sich gut für die verschiedensten
Anstrich- und Beschichtungsverfahren, z.B. für das Wirbel-fsintern,
für das elektrostatische Spritzverfahren, für die Beschichtung nach dem Pulverfließverfahren (powder
flow coating) und für das Hitze-Aufschmelzverfahren zur
Bildung von Überzügen auf flexiblen Werkstücken. Die Pulver eignen sich ferner als Heißschmelzkleber. Hierbei
wird das Pulver im allgemeinen auf die gewünschte Oberfläche in pigmentierter Form aufgebracht und auf seine
Aktivierungstemperatur erhitzt, wodurch die endständigen Epoxygruppen des Polyurethans mit den endständigen
Aminogruppen eines benachbarten Moleküls unter Bildung eines hochmolekularen Polymerisats reagieren.
Die erfindungsgemäßen pulverförmigen Produkte können bei
Temperaturen von 110 bis 23O°C aktiviert werden. Die \
. beyorzugte Temperatur für ein gegebenes System bei einer
gegebenen Anwendung hängt weitgehend vom Schmelzpunkt des Pulvers, von der Sturktur der Epoxygruppen^ der
Reaktionsfähigkeit der Aminogruppen und der Art des Substrats ab. Bei den meisten technischen Anwendungen
sind Temperaturen von 140 bis 210°C geeignet. Die bevorzugten
Produkte gemäß der Erfindung vulkanisieren bzw. härten schnell bei 170 bis 200°C ohne wesentliche Zersetzung.
Unter den genannten Temperaturen ist die tatsächliche Temperatur der Schmelze zu verstehen. Viel
höhere Temperaturen können an der Luft oder in anderen Medien, die mit dem Polymerisat in Berührung sind, erforderlich
sein, um seine Temperatur schnell zu erhöhen.
Die Schmelzbedingungen hängen weitgehend von den Schmelz-
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flußeigenschaften des jeweiligen Pulvers ab. Wie bereits
erwähnt, haben die bekannten Polyurethanpulver hohe Schmelzviskositäten selbst bei Temperaturen, die ihren
Zersetzungspunkten nahe kommen. Im Gegensatz hierzu weisen die Pulver gemäß der Erfindung eine niedrige
Schmelzviskosität bei sicherer Verarbeitungstemperatur und auf Grund ihrer hohen Molekulargewichte nach der
Vulkanisation oder Härtung sehr gute physikalische Eigenschaften auf. Die Pulver gemäß der Erfindung haben
im allgemeinen zu Beginn eine 5- bis 10-fach niedrigere Schmelzviskosität als die bekannten Polyurethane mit
gleichen endgültigen physikalischen Eigenschaften. Es
ist offensichtlich, daß die niedrigere Schmelzviskosität
zu überlegener Filmbildung und zu verbesserter Durchdringung von porösen Substraten führt.
Die Eigenschaften der Polymerisate, die bei den in den
Beispielen beschriebenen Versuchen hergestellt wurden, wurden nach den nachstehend genannten ASTM-Methoden bestimmt.
Die vulkanisierten bzw. gehärteten Polyurethanmassen werden vor der Prüfung eine Woche bei Raumtemperatur
und 50% relativer Feuchtigkeit gehalten.
Modul bei 100% Dehnung, M100 D412.·
Modul bei 200% Dehnung, M200 D412·
Modul bei 300% Dehnung, M300 D412·
Zugfestigkeit D412·
Bruchdehnung D412·
•Geschwindigkeit der ziehenden Klemme 5,08 cm/Minute
••"Modifiziert durch Verwendung einer Probe von 3,81 χ
7,62 cm mit einem Einschnitt von 3,81 cm Länge an der langen Achse der Probe. Durch diese Form wird das
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"Einschnüren" an der Reißstelle verhindert. Geschwindigkeit
der ziehenden Klemme 127 cm/Minute.
•••Belastung 2160 g.
Die Teilchengröße der gemäß den Beispielen hergestellten Pulver wurde mit einem Coulter-Zähler ermittelt.
Die angegebenen Schmelzpunkte wurden in Kapillaren unter Verwendung einer elektrisch beheizten Schmelzpunktsapparatur
bestimmt.
Die oberflächenaktive Verbindung A war ein Copolymerisat
von 20 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 80 Gew.-Teilen a-Eicosen mit einem mittleren Molekulargewicht von
etwa 8600.
Die oberflächenaktive Verbindung B war ein Copolymerisat
von 20 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 80 Gew.-Teileiji
a-Hexadecen mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 7300.
Die oberflächenaktive Verbindung C.war ein Copolymerisat
von 50 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 50 Gew.-Teilen a-Hexadecen mit einem mittleren Molekulargewicht j
von 9500. i
Die in den Beispielen genannten Meßeinheiten sind die Einheiten des internationalen Einheitensystems. In diesem
sind 1000 psi (70,3 kg/cm ) = 6,894 MPa und 100 pli (17,86 kg/cm) = 17,513 kN/m.
Beispiel 1
Herstellung eines zweiteiligen wärmeaktivierbaren Pulvers
Produkt A (Polyurethan mit endständigen Epoxygruppen)
ι Zu einer Lösung von 19,0 g der oberflächenaktiven Ver- :
bindung A in 1100 ml n-Heptan werden 196 g Polytetra- ! methylenätherglykol (Zahlenmittel des Molekulargewichts
980; 0,2 Mol), 54 g 1,4-Butandiol (0,6 Mol) und 30 g
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frisch destilliertes Glycidol (0,405 Mol) gegeben und durch kräftiges Rühren bei 70°C emulgiert. Nach Zugabe
von 10 ml einer 5%igen Lösung von Dibutylzinndilaurat in Heptan werden 262 g 4,4'-Methylenbis(cyclohexylisocyanat),
das etwa 20% trans,trans-Isomeres (1,0 Mol) enthält, dem Reaktionsgemisch innerhalb von etwa 12 Minuten
zugesetzt. Während der Zugabe des Isocyanats wird von außen gekühlt, um die Reaktionstemepratur bei 80°C
zu halten. Nach 2-stündigem Erhitzen auf 80°C ist die Reaktion beendet, worauf man die feinen Teilchen absitzen
läßt, indem man die Aufschlämmung 10 Minuten bei Raumtemperatur stehen läßt. Das Reaktionsprodukt wird
abfiltriert, mit 1000 ml n-Heptan gewaschen und abschließend bei 60°C getrocknet.
Das Polyurethanpulver wird durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 149 η gegeben und wie folgt charakterisiert:
Mittlere Teilchengröße 32 u
Schmelzindex bei 190°C etwa 8000 g/10 Min.
Schmelzbereich 153 - 158°C
Epoxygehalt 2,5%
Produkt B (Polyurethanpulver mit endständigen aliphatischen
Aminogruppen) ·
Die Herstellung erfolgt im wesentlichen nach dem für die Herstellung des Produkts A beschriebenen Verfahren mit
dem Unterschied, daß die folgenden Ausgangsmaterialien verwendet werden:
1100 ml n-Heptan
27 g oberflächenaktive Verbindung A
196 g Polytetramethylenätherglykol (0,2 Mol)
63 g 1,4-Butandiol (0,7 Mol)
262 g 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat)
(20% trans,trans-Isomeres, 1,0 Mol)
10 ml 5%ige Katalysatorlösung (wie oben)
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Nach Zugabe des Diisocyanats wird die erhaltene Aufschlämmung von feinteiligen Feststoffen eine Stunde bei
8O0C gehalten. Nach Abkühlung auf 50°C werden die freien ■
Isocyanatgruppen des Polyurethans mit 1,6-Hexamethylendiamin
blockiert, indem die Aufschlämmung in eine Dispersion
von 23,5 g 1,6-Hexamethylendiamin (0,206 Mol) in 300 ml Heptan in Gegenwart von 1,5 g der oberflächenaktiven
Verbindung A unter kräftigem Rühren bei 50°C gegossen wird. Das Reaktionsgemisch wird 30 Minuten gerührt
und dann in der gleichen Weise, wie oben für die Mischung A beschrieben, aufgearbeitet.
Das feine Pulver wurde dann durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 105 u (59 Maschen/linearer cm) gegeben.
Es hatte die folgenden Kennzahlen:
Mittlere Teilchengröße 35 η
Schmelzindex bei 190°C 86,3 g/10 Min.
Schmelzbereich 148-1520C
Aminostickstoffgehalt 0,36%
Wärmeaktivierbare Polyurethanmischungen werden hergestellt, indem das Produkt A mit dem Produkt B in den
in Tabelle I genannten Mengenverhältnissen trocken gemischt wird. Um die niedrigeren Schmelzviskositäten der
Pulvergemische gemäß der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Produkten zu veranschaulichen, werden die
Fließeigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt.
Zum Vergleich wird ein bekanntes Polyurethanpulver, das Polytetramethylenatherglykol, Butandiol-1,4 und 4,4·-
Methylen-bis(cyclohexylisocyanat) im Molverhältnis von : 1,0:5,0:6,0 enthält, in diese Untersuchung einbezogen.
In jedem Fall werden 7 g Pulver schnell in den auf 190°C vorerhitzten Schmelzindexmesser gegeben. Nach einer Ver- !
weilzeit von 2 Minuten wird der Schmelzindex in Abständen von 1 Minute bestimmt. Obwohl die Schmelztemperatur
während der Schmelzindexbestimmung nach einer Verweilzeit von nur 2 und 3 Minuten noch nicht 190°C erreicht hat,
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entsprechen diese Bedingungen sehr weitgehend der Situation während des Schmelzens des Polyurethanpulvers. Da
der Schmelzindex umgekehrt proportional der Schmelzviskosität ist, ergibt sich eindeutig, daß die Pulvergemische
gemäß der Erfindung in den Fließeigenschaften !
den bekannten Pulvergemischen stark überlegen sind und außerdem die sehr guten physikalischen Eigenschaften,
die bei thermoplastischen Polyurethanen festzustellen
sind, bewahren.
Fließeigenschaften und physikalische Eigenschaften von
Polyurethan-Pulverqemisehen
Nr.1 Nr.2 Nr.3
Zum Nr.4 Vergleich
NHp/Epoxy-Verhältnis
0.75/1 0.5/1 0.375/1 0.25/1 Bekanntes
thermoplasti-
Teile Produkt B/ sches
100 Teile Produkt A 170 113 85 57 Polyure-
thanpulver Fließeigenschaften
bei 1900C
Schmelzindex 19O0C | 33 | 65 | Platten, | 37.6 | 118 | 198 | , 6.1 |
2 Minuten | 3.1 | 6.9 | gepreßt. | 300 | -20 | - | 10.0 |
3 Minuten | 0.26 | 0.9 | 15.6 | 7, | 53 | 13.7 | |
4 Minuten | 0.1 | 0.15 | 47.3 | 23.8 | 3. | 54 | 13.9 |
5 Minuten | Physikalische Eigenschaften | 310 | 37.6 | ||||
von 0,76 mm dicken | I6.I | 84.1 | |||||
5 Minuten bei 1900C | 26.5 | ||||||
Zugfestig | 43.8 | ||||||
keit, MPa | 74.4 | 22. | 23.6 | 46.9 | |||
Bruchdehnung, % | 22c | 280 | 310 · | ||||
M.nn, MPa | 15. | 14.0 | . 17.7 | ||||
M100 MPa | 21. | 18.3 | 28.6 | ||||
C-KJKJ M300, MPa |
- | - | 44,1 | ||||
Weiterreißwider— | 84, | 94.6 | 101.6 | ||||
stand, kN/m | |||||||
.5 | |||||||
.5- | |||||||
.0 | |||||||
,9 | |||||||
) | |||||||
,0 | |||||||
.7 | |||||||
1 | |||||||
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Ähnliche Eigenschaften wurden für eine 0,13 mm dicke
Folie ermittelt, die durch elektrostatisches Spritzen des Pulvers auf Trennpapier und Verschmelzen für 3 Minuten
in einem bei 2000C gehaltenen Ofen hergestellt wurde.
Eine einteilige wärmeaktivierbare Pulvermasse, der das
gleiche Prinzip wie das in Beispiel 1 beschriebene zweiteilige
Polyurethansystem zu Grunde liegt, wird hergestellt. Das in Beispiel 1 beschriebene allgemeine Verfahren
zur Herstellung der Polyurethanpulvermassen wird im wesentlichen wiederholt, jedoch unter Verwendung der
folgenden Ausgangsmaterialien:
550 ml n-Heptan
20,5 g oberflächenaktive Verbindung A
97,5 g Polytetramethylenätherglykol (0,1 Mol) 22,5 g 1,4-Butandiol (0,25 Mol)
4,95g Glycidol (0,066 Mol)
104,7 g 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat) (20% ferans,trans-Isomeres, 0,4 Mol)
104,7 g 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat) (20% ferans,trans-Isomeres, 0,4 Mol)
10 ml 5%ige Katalysatorlösung (wie in Beispiel 1 beschrieben)
Das Diisocyanat wird der Dispersion der vorstehend genannten Ausgangsmaterialien zuletzt bei 80 bis *85°C
innerhalb von 5 Minuten unter kräftigem Rühren zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wird eine Stunde bei 85°C gehalten,
worauf die Reaktionstemperatur auf 500C gesenkt und die
Aufschlämmung in eine Dispersion von 3,85 g 1,6-Hexamethylendiamin
(0,033 Mol) in einem Gemisch von 150 ml n-Heptan und 1,0 g der oberflächenaktiven Verbindung A unter
kräftigem Rühren bei 50°C gegossen wird. Das Reaktionsgemisch wird eine Stunde gerührt^ während man die Tempe- :
ratur auf Raumtemperatur sinken läßt, und dann auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise aufgearbeitet. Das getrocknete Pulver wird durch ein Sieb mit einer Maschen- ;
weite von 149 u gegeben. Es hat die folgenden Kennzahlen: ,
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Mittlere Teilchengröße 30 u
Schmelzbereich 222-23O°C
Eine 0,64 mm dicke Folie, die durch Pressen für 1,5 Minuten bei 235°C hergestellt wurde, hatte die folgenden
Eigenschaften:
13,8 MPa · 17,9 MPa
23,4 MPa
Zugfestigkeit 25,9 MPa
Bruchdehnung 340%
Weiterreißwiderstand 73,6 kN/m
Die einteilige Polyurethanpulvermasse ist mehrere Monate bei Raumtemperatur lagerbeständig.
Der in Beispiel 2 beschriebene Versuch wird im wesentlichen wiederholt mit dem Unterschied, daß die folgenden
Ausgangsmaterialien verwendet werden:
n-Heptan
oberflächenaktive Verbindung A Glycidol (0,066 Mol)
Poly(butylenadipat)glykol mit einem Zählen— mittelmolekulargewicht von 1145 (0,1 Mol)
1,4-Butandiol (0,25 Mol) 4,4'-Methylen-bis(phenylisocyanat) (0,4 Mol)
5%ige Katalysatorlösung wie in Beispiel 1
Die Reaktion zur Einführung stabiler Endgruppen wird mit m-Phenylendiamin durchgeführt, indem das aus den vorstehend
genannten Ausgangsmaterialien erhaltene Reaktionsgemisch in Gegenwart von 1,0 g der oberflächenaktiven
Verbindung A bei 65°C in eine Dispersion von 3,6 g m-Phenylendiamin (0,033 Mol) in 100 ml n-Heptan gegossen
wird.
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550 | 5 | ml | g | ml |
2O, | 95 | g | g | |
4, | ,5 | g | ||
114 | ,5 | g | ||
22 | ||||
100 | ||||
5 | ||||
Das getrocknete Polyurethanpulver schmilzt bei etwa 235°C. Eine durch Pressen für 3 Minuten bei 24O-245°C
hergestellte Folie von 0,64 mm Dicke hat die folgenden physikalischen Eigenschaften:
12,8 MPa 15,7 MPa 21,0 MPa
Zugfestigkeit 23,0 MPa
Bruchdehnung 340%
Weiterreißwiderstand 104,2 kN/m
Nach Lagerung des Polyurethanpulvers für 7 Monate bei Raumtemperatur wird eine 0,64 mm dicke Folie durch
Pressen in der oben beschriebenen Weise hergestellt. Diese Folie hat die folgenden physikalischen Eigenschaften:
12,8 MPa . 15,5 MPa
20,3 MPa
Zugfestigkeit 26,9 MPa
Bruchdehnung 390%
Weiterreißwiderstand 66,5 kN/m
Die Pulvermasse läßt sich unter diesen Bedingungen leicht
verarbeiten, ein Zeichen, daß die Lagerung ihre Brauchbarkeit nicht nachteilig beeinflußt.
Der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wird im wesentlichen wiederholt mit dem Unterschied, daß die folgenden
Ausgangsmaterialien verwendet werden: 600 ml n-Heptan
4,2 g oberflächenaktive Verbindung B
9,8 g oberflächenaktive Verbindung C 114,5 g Poly(butylenadipat)glykol (0,1 Mol)
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27,0 g 1,4-Butandiol (O,3 Mol)
14,8 g Glycidol (O,2 MoI)
114,5 g 4,4f—Methylen—bis(cyclohexylIsocyanat)
14,8 g Glycidol (O,2 MoI)
114,5 g 4,4f—Methylen—bis(cyclohexylIsocyanat)
(2O% trans,trans—Isomeres, 0,4 Mol)
10 ml 5%ige Katalysatorlösung wie in Beispiel 1
Produkt B: Die gleichen Ausgangsmaterialien wie für das
Produkt A werden verwendet, außer daß 31,5 g 1,4—Butan—
diol (O,35 Mol) an Stelle von 27,O g 1,4-Butandiol und
11,6 g 1,6—Hexamethylendiamin ίΟ,Ι Mol) an Stelle von
14,8 g Glycidol verwendet werden. Die erhaltenen Pulvernassen A und B werden durch ein Sieb mit einer Maschenweite
von 105 μ (15Ο mesh) gegeben. Sie haben die folgenden
Eigenschaften:
Schmelzindex bei 1900C, g/lO Min.
Mittlere Teilchengröße, η Schmelzbereich, 0C
Epoxygehalt, %
Anäinostickstoffgehalt, % - 0,36
Eine wärmeaktivierbare Polyurethanmasse wird hergestellt,
indem 1OO Teile des Produkts A und 108,5 Teile des Produkts B trocken gemischt werden. Eine O,64 nun dicke
Folie, die aus dem Gemisch durch Pressen für 10 Minuten bei 1600C hergestellt worden ist, hat die folgenden
Eigenschaften:
Schmelzindex bei 19O°C , g/1o Min. kein Fließen
16,5 MPa 27,2 MPa 46,2 MPa
Zugfestigkeit 46,9 MPa
Bruchdehnung 305%
Weiterreißwiderstand 138,4 kN/m
A | B |
25OO | 96,5 |
36 | 42 |
144-149 | 146-155 |
2,4 | — |
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Beispiel 5 .
Der in Beispiel 1 für die Herstellung des Produkts A beschriebene Versuch wird im wesentlichen wiederholt,
wobei jedoch 67,4 g Hydroxy-lajlbjSjSajojea-hexahydro-2,5-methan-2H-oxiren/~|_7inden
("Bakelite Polycyclol 1222") anstelle von 3O g Glycidol verwendet werden. Das erhaltene
Pulver hat die folgenden Eigenschaften:
Schmelzindex bei 1900C 2500 g/10 Min.
Schmelzbereich 128 - 138°C
E poxygehaIt 2,3%
100 Teile des Produkts A werden mit 117 Teilen des gemäß Beispiel 1 hergestellten Produkts B trocken gemischt. Das
Gemisch wird zur Herstellung einer 0,76 mm dicken Folie verwendet, indem es 5 Minuten bei 1900C gepreßt wird. Das
erhaltene Polymerisat hat die folgenden Eigenschaften:
M100 | 18,1 | MPa |
M200 | 22,1 | MPa |
Zugfestigkeit | 25,2 | MPa |
Bruchdehnung | 28O% | |
Wei terreißwiders tand | 73,6 | kN/m |
Shore-D-Härte | 66 | |
Beispiel 6 |
A) Der in Beispiel 1 für die Herstellung des Produkts B beschriebene Versuch wird im wesentlichen wiederholt mit
dem Unterschied, daß 21,6 g m-Phenylendiamin (0,2 Mol) anstelle von 23,5 g 1,6-Hexamethylendiamin verwendet
werden und die Reaktionstemperatur aur Einführung stabiler Endgruppen auf 60 bis 65°C erhöht wird.
B) Das gleiche Verfahren wird im wesentlichen wiederholt, wobei jedoch 27,2 g Xylylendiamin (0,2 Mol) anstelle von
21,6 g m—Phenylendiamin verwendet werden.
Die erhaltenenPolyurethanpulver mit endständigen Aminogruppen
haben die folgenden Eigenschaften:
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Produkt A
Schmelzindex bei 1900C, g/10 Min. 51 Schmelzbereidi 14O-148°C
Aminostickstoff 0,48%
Produkt B
235 137-148°C
O ,48%
Je 71 Teile der Polyurethanpulver mit endständigen Aminogruppen
werden mit 1OO Teilen des Produkts A von Beispiel 1 trocken gemischt- Aus dem Gemisch werden durch
Pressen bei 1900C O,76 nun dicke Folien hergestellt, die
die folgenden physikalischen Eigenschaften haben:
Gemisch IA + 6A |
Gemisch IA + 6B |
|
P reßbed i ngungen | 190°C/15 Min. | 190°C/5 Min. |
Schmelzindex bei 1900C nach dem Pressen, g/10 Min. |
11,5 | kein Fließen |
M100, MPa | 14,9 | 19 ,O |
M200, MPa | 22,4 | 33,8 |
Zugfestigkeit, MPa | 32,4 | 57,2 |
Bruchdehnung, % | 290 | 280 |
Weiterreißwiderstand, kN/m | 91,9 | 57,8 |
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Claims (21)
- PatentansprücheVerfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbaren Polyurethanpulvern, die durch eine niedrige Schmelz- j Viskosität bei beginnendem Schmelzen gekennzeichnet sind und in denen die Teilchen allgemein perlförmig j sind, dadurch gekennzeichnet, daß manA) die folgenden Verbindungen umsetzt:a) 1 Mol eines polymeren Glykols mit einem Zahlenmittelmolekulargewicht von etwa 400 bis 4000,b) X Mol eines Diols mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 250, wobei X einen Wert von O bis 20 hat,c) Y Mol eines organischen Diisocyanats, wobei Y = 1,03 (1 + X) bis 1,60 (1 + X),d) Z Mol eines Monohydroxyepoxyds, worinZ = 0,0286 (1 + X) bis 1000 (1 + X), unde) 0,7 (2Y-2X-Z-2) bis 1,0 (2Y-2X-Z-2) Mol eines kurzkettigen Diamins undB)die Reaktionsteilnehmer (d) und (e) in solchen Mengen verwendet, daß das gebildete Pol-yurethanpulver 0,2 bis 1,0 Aminogruppen pro Epoxygruppe enthält und *C)die Größe und Form der perlförmigen Teilchen einstellt, indem man die Reaktionsteilnehmer (a) und (b) in einem inerten organischen Lösungsmittel mit Hilfe einer oberflächenaktiven Verbindung emulgiert und anschließend die Emulsion in eine Dispersion von feinen Polyurethanperlen umwandelt und die letzteren isoliert.
- 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als polymeres Glykol ein Poly(alkylenoxyd)-glykol und/oder ein Polyesterglykol verwendet.709816/10.66
- 3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als polymeres Glykol Poly(tetramethylenoxyd)glykol verwendet.
- 4) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als polymeres Glykol Poly(£-caprolacton)-glykol verwendet.
- 5) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Diol ein acyclisches oder alicyclisches Diol verwendet.
- 6) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein aliphatisches Diol aus der aus 1,4-Butandiol, Äthylenglykol, Neopentylglykol, 1,6-Hexandiol und Diäthylenglykol bestehenden Gruppe verwendet.
- 7) Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein aromatisches, aliphatisches oder cycloaliphatisches Diisocyanat verwendet.
- 8) Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Diisocyanat 2,4-Toluylendiisocyanat, das gegebenenfalls bis etwa 50% 2,6-Toluylendiiso— cyanat enthält, 4,4'-Methylen-bis(phenylisocyanat) und/ oder 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat) verwendet.
- 9) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Monohydroxyepoxyd Glycidol verwendet. '<
- 10) Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Diamin Äthylendiamin, Hexamethylendiamin, 4,4f-Methylen-bis(cyclohexylamin) und/oder 1,3-Phenylendiamin verwendet.
- 11) Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als inerte organische Flüssigkeit einen gesättigten aliphatischen C^-C^-Kohlenwasser-b Iu709818/1066stoff verwendet. '.
- 12) Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als oberflächenaktive Verbindung ein nichtionogenes Polymerisat verwendet, das ein Molekulargewicht von mehr als 1000 hat und sowohl nicht polare als auch stark polare Komponenten enthält.
- 13) Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als oberflächenaktive Verbindung ein Copolymerisat von Vinylpyrrolidon mit einem a-Olefin mit 4 bis 20 C-Atomen verwendet.
- 14) Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbarem Polyurethanpulver, dadurch.gekennzeichnet, daß mana) ein polymeres Glykol oder dessen Gemisch mit einem niedrigmolekularen Diol in einer inerten organischen Flüssigkeit mit Hilfe einer oberflächenaktiven Verbindung emulgiert,b) die erhaltene Emulsion mit einem organischen Diiso-cyanat zusammenführt,I c") das Diisocyanat mit dem polymeren Glykol oder dessen Gemisch mit einem niedrigmolekularen Diol in der . Emulsion umsetzt und hierdurch ein in der inerten Flüssigkeit dispergiertes Polyurethan mit endständigen -NCO-Gruppen bildet, fd) die erhaltene Emulsion mit einem Hydroxyepoxyd zusammenführt,e) das Hydroxyepoxyd mit etwa 48 bis 83% der freien j -NCO-Gruppen des dispergierten Polyurethans umsetzt und hierdurch ein Polyurethan bildet, dessen Moleküle teilweise endständige Epoxygruppen enthalten,f) die erhaltene Dispersion mit 0,7 bis 1,0 Mol eines709816/1066Diamins pro Äquivalent der nach der Stufe (e) zurückbleibenden -NCO-Gruppen zusammenführt und hierdurch freie Aminogruppen in das Polyurethan einführt undg) das dispergierte Polyurethan als feinteiliges Pulver isoliert, dessen Teilchen -NCO-Gruppen mit endständigem Epoxyd und endständige Aminogruppen in solchen Mengen enthalten, daß die Epoxygruppen beim Erhitzen des Pulvers mit den Aminogruppen reagieren und hierdurch ein wesentlicher Anstieg des Molekulargewichts des Polyurethans eintritt.
- 15) Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbarem Polyurethanpulver, dadurch gekennzeichnet, daß mana) ein polymeres Glykol oder dessen Gemisch mit einem niedrigmolekularen Diol und ein Hydroxyepoxyd in einer inerten organischen Flüssigkeit mit Hilfe einer oberflächenaktiven Verbindung emulgiert,b) die erhaltene Emulsion mit einem organischen Diisocyanat zusammenführt,c) das Diisocyanat mit dem polymeren Glykol oder dessen Gemisch mit dem Diol und mit dem Epoxyd unter Bildung einer Dispersion eines Polyurethans umsetzt, in dem noch einige der -NCO_Gruppen vorhanden sind,d) die erhaltene Dispersion mit 0,7 bis 1,0 Mol eines Diamins pro Äquivalent der nach der Stufe (c) zurückbleibenden -NCO-Gruppen zusammenführt und hierdurch freie Aminogruppen in das Polyurethan einführt unde) das dispergierte Polyurethan als feinteiliges Pulver isoliert, dessen Teilchen mit Epoxygruppen blockierte -NCO-Gruppen und Aminogruppen in solchen Mengen709816/106Senthalten, daß beim Erhitzen des Pulvers die Epoxygruppen mit den freien Aminogruppen unter wesentlicher Erhöhung des Molekulargewichts des Polyurethans reagieren.
- 16) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man als inerte organische Flüssigkeit n-Heptan, als polymeres Glykol Poly(tetramethylenäther)glykol, als niedrigmolekulares Diol 1,4-Butandiol, als Diisocyanat 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat), das im stöchiometrischen Überschuss über die zur Umsetzung mit den reaktiven Komponenten der Emulsion erforderliche Menge vorhanden ist, und als Diamin 1,6-Hexamethylendiamin verwendet.
- 17) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man als oberflächenaktive Verbindung ein Copolymerisat von N-Vinyl-2-pyrrolidon und einem a-01efin mit einem Molekulargewicht von mehr als etwa 4000 und als inerte organische Flüssigkeit einen gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoff verwendet.
- 18) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man als inerte organische Flüssigkeit einen gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoff und eine der folgenden oberflächenaktiven Verbindungen verwendet:a) ein Copolymerisat von 20 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 80 Gew.-Teilen a-Eicosen mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 8600,b) ein Copolymerisat von 20 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 80 Gew.-Teilen a-Hexadecen mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 7300,c) ein Copolymerisat von 50 Gew.-Teilen N-Vinyl-2-pyrrolidon und 50 Gew.-Teilen a-Hexadecen mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 7300 und .709816/1066(sd) ein Copolymerisat von 50 Gew.-Teilen Ν—Vinyl-2-pyrrolidon und 50 Gew.-Teilen a-Hexadecen mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 9500.
- 19) Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbaren Polyurethanpulvern, das aus einem Gemisch von zwei gesonderten Typen von Teilchen besteht, wobei ein Typ mit Epoxygruppen endblockierte —NCO-Gruppen und der andere Typ endständige Aminogruppen enthält und geeignete Mengen jedes Typs im Gemisch vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß mana) ein polymeres Glykol oder dessen Gemisch mit einem niedrigmolekularen Diol in einer inerten organischen Flüssigkeit mit Hilfe einer oberflächenaktiven Verbindung emulgiert,b) die Emulsion mit einem organischen Diisocyanat zusammenführt,c) das Diisocyanat mit dem polymeren Glykol oder dessen Gemisch mit dem niedrigmolekularen Diol in der Emulsion reagieren läßt und hierdurch ein in der : inerten organischen Flüssigkeit dispergiertes, endständige -NCO-Gruppen enthaltendes Polyurethan bildet,d) im Falle des ersten Typs von Teilchen die erhaltene Dispersion mit einem Hydroxyepoxyd zusammenführt ι und das Hydroxyepoxyd mit im wesentlichen allen freien -NCO-Gruppen des dispergierten Polyurethans reagieren läßt und hierdurch ein Polyurethan mit endständigen Epoxygruppen bildet, im Falle des zweiten Typs von Teilchen die erhaltene Dispersion j mit einem überschuss eines Polyamins zusammenführt , und das Polyamin mit den verfügbaren -NCO-Gruppen des dispergierten Polyurethans reagieren läßt und hierdurch endständige Aminogruppen einführt und709816/1066e) das dispergierte Polyurethan in Form eines feinteiligen Pulvers isoliert.
- 20) Verfahren zur Herstellung von wärmeaktivierbarem Polyurethanpulver, das aus einem Gemisch von zwei gesonderten Typen von Teilchen besteht, wobei ein Typ mit Epoxygruppen endblockierte -NCO-Gruppen und der zweite Typ endständige Aminogruppen enthält und geeignete Mengen jedes Typs im Gemisch vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten Typ von Teilchen bildet, indem mana) ein polymeres Polyol oder dessen Gemisch mit einem niedrigmöTekularen Diol und ein Hydroxyepoxyd in einer inerten organischen Flüssigkeit mischt, in der das polymere Glykol oder dessen Gemisch mit dem niedrigmolekularen Diol unlöslich ist, und mit Hilfe der oberflächenaktiven Verbindung eine Emulsion bildet,b) die erhaltene Emulsion mit einem organischen Diisocyanat zusammenführt,c) das Diisocyanat mit dem Polyol oder dessen Gemisch mit dem niedrigmolekularen Diol und mit dem Epoxyd reagieren läßt und hierdurch eine ,Dispersion des Polyurethans bildet, das mit Epoxygruppen endblockierte -NCO-Gruppen enthält, und :d) das gebildete Produkt als feinteiliges Pulver isoliert.
- 21) Wärmeaktivierbare Polyurethanpulver, hergestellt nach Ansprüchen 1 bis 2o.709816/1066
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