DE2730513A1 - Verfahren zur herstellung von modifizierten polyisocyanaten - Google Patents
Verfahren zur herstellung von modifizierten polyisocyanatenInfo
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Description
5090 Leverkusen, Bayerwerk
Wr/bc Verfahren zur Herstellung von modifizierten "olyisocyanaten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren
zur Herstellung von Polyuretgruppen aufweisenden organischen Polyisocyanaten, die wichtigsten nach diesem Verfahren
zugänglichen Polyisocyanate und die Verwendung der Verfahrensprodukte
als Isocyanat-Komponente bei der Herstellung von Polyurethankunststoffen.
Biuretgruppen enthaltende Polyisocyanate sind bekannt und finden als Rohstoffe für hochwertige, lichtechte Lackierungen
praktische Verwendung. Sie können beispielsweise aus Diisccyanaten und Wasser (DT-AS 1 101 394), Schwefelwasserstoff
(DT-AS 1 165 580), Ameisensäure (DT-AS 1 174 760), tertiären Alkoholen (DT-AS 1 543 178, DT-AS 1 931 055),
Monoaminen (DT-OS 2 308 015) oder Polyaminen (DT-OS 2 261
065) hergestellt werden.
Diese Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung von Biuretpolyisocyanaten weisen eine Reihe von Nachteilen auf.
So entstehen bei den meisten der Verfahren aas einem Teil
der isocyanatgruppen zunächst Air.inogruppers, cie ir.it über-
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schüssigem Diisocyanat über die entsprechenden Diisocyanatharnstoffe zu Biuretpolyisocyanaten weiterreagieren. Die Umwandlung der Isocyanatgruppen in Aminogruppen wird stets
durch die Entstehung von gasförmigen Nebenprodukten wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlensulfoxid oder Olefine
begleitet, deren Beseitigung zu Abgasproblemen führen kann. Bei der heterogenen Reaktion von Dilsocyanaten mit Wasser
besteht zusätzlich die Gefahr der Bildung von unlöslichen Polyharnstoffen, die nur schwer abzutrennen sind. Die Reaktion von Diisocyanaten mit tertiären Alkoholen, die zur
Herstellung von Biuretpolyisocyanaten technisch genutzt wird, hat den weiteren Nachteil, daß für die Urethanspaltung zur überführung der Isocyanatgruppen in Aminogruppen
verhältnismäßig hohe Temperaturen notwendig sind. Von besonderem Nachteil ist jedoch der Umstand, daß bei diesen
Verfahren zunächst ein Teil der Isocyanatgruppen des als Ausgangsmaterial verwendeten Diisocyanats unter Aminbildung vernichtet werden muß.
Die direkte Umsetzung von Polyaminen mit Diisocyanaten führt zwar gemäß DT-OS 2 261 065 ohne Abspaltung von flüchtigen
Nebenprodukten und ohne Umwandlung von Isocyanatgruppen in Aminogruppen zu Biuretpolyisocyanaten. Bei diesem Verfahren
treten aber insbesondere bei Verwendung von technisch leicht zugänglichen Ausgangsmaterialien wie Hexamethylendiamin und
Hexamethylendiisocyanat erhebliche praktische Schwierigkeiten auf, da wegen der hohen Reaktivität der Aminogruppen
gegenüber den Isocyanatgruppen die Tendenz zur Bildung von unlöslichen Polyharnstoffen sehr groß ist und so in den
meisten Fällen zur Vervollständigung der Umsetzung unwirtschaftlich langes Nachheizen des Reaktionsgemisches bei
hoher Temperatur notwendig ist, was zu einer starken Be-
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einträchtigung der Eigenschaften der Verfahrensprodukte, insbesondere deren Eigenfarbe, führt.
Bei allen Verfahren des Standes der Technik findet unter den genannten Nachteilen der übergang von Diisocyanaten
zu Biuretpolyisocyanaten statt. Dabei wird die Weiterreaktion zu Polyuretpolyisocyanaten nicht beobachtet.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache
Weise die Herstellung von hochwertigen modifizierten Polyisocyanaten gestattet, die die Vorteile der Biuretpolyisocyanate
in sich vereinigen, ohne daß das Verfahren mit den genannten Nachteilen der Verfahren des Standes der
Technik behaftet ist.
Diese Aufgabe konnte überraschenderweise dadurch gelöst werden, daß man bestimmte, nachstehend näher beschriebene
organische Monoamine mit überschüssigen Mengen an bestimmten, nachstehend näher beschriebenen Diisocyanaten unter
bestimmten nachstehend näher beschriebenen Reaktionsbedingungen umsetzt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von modifizierten, Triuret- oder höhere
Polyuretgruppen aufweisenden organischen Polyisocyanaten, dadurch gekennzeichnet, daß man primäre oder sekundäre
Monoamine mit überschüssigen Mengen an organischen Diisocyanaten unter Ausbildung von Triuret- oder höheren Polyuretgruppen
und unter Einbau des bezüglich der Umsetzung indifferenten Restes des Amins in das Verfahrensprodukt
zur Reaktion bringt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch die bevorzugten, nach diesem Verfahren erhältlichen Verbindungen der
Formel
R OO
1^>N (· C-N i C-NH-R.-NCO
1^>N (· C-N i C-NH-R.-NCO
2 «3
NCO
in welcher
R und R- für gleiche oder verschiedene Reste stehen
und aliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 1-20 Kohlenstoffatomen oder cycloaliphatische
Kohlenwasserstoffreste mit 4-20 Kohlenstoffatomen bedeuten, oder wobei die beiden Reste
zusammen mit dem Stickstoffatom einen gegebenenfalls
weitere Heteroatome aufweisenden heterocyclischen Ring mit 5-6 Ringgliedern bilden können,
R, und R- für gleiche oder verschiedene Reste stehen
und aliphatische oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 4-20 Kohlenstoffatomen
bedeuten und
η eine Zahl von 2 bis 8 bedeutet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist schließlich auch die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugänglichen modifizierten Polyisocyanate als Isocyanat-
komponente bei der Herstellung von Polyurethankunststoffen
nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren.
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Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemäße Verfahren sind
beliebige eine primäre oder sekundäre Aminogruppen aufweisende, ansonsten jedoch unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens inerte organische Verbindungen. Hierzu gehören
1. Aromatische Monoamine mit primären oder sekundären Aminogruppen,
z.B. Anilin, N-Methylanilin, N-Xthylanilin oder
N-Butylanilin. Derartige aromatische Amine sind jedoch
im Vergleich zu den nachstehend beispielhaft genannten Aminen weniger bevorzugt.
2. Monoamine der Formel
R2
in welcher
R1 und R2 die bereits oben angegebene Bedeutung haben
und wobei R1 in Ergänzung der oben gemachten
Definition auch für Wasserstoff stehen kann.
Vorzugsweise werden solche Monoamine der genannten Formel eingesetzt, bei welchen R1 und R2 für gleiche oder verschiedene
Reste stehen und aliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 1-4 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei R1 auch
für Wasserstoff stehen kann oder bei welchen R1 und R2
zusammen mit dem Stickstoffatom einen Piperidinrest bilden.
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Ganz besonders bevorzugte Ausgangsmaterialien sind die der
obigen Definition entsprechenden sekundären Monoamine. Beliebige Gemische der genannten Amine können ebenfalls eingesetzt
werden.
Konkrete Beispiele für bevorzugt bzw. besonders bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren
geeignete Monoamine sind: Methylamin, Äthylamin, Propylamin, Isopropylamin, isomere Butylamine, Pentylamin, Hexylamin,
Cyclohexylamin, Dodecylamin, Dimethylamin, Diäthylamin,
Dipropylamin, Dibutylamin, Bis- (2-äthylhexyl)-am:.n, N-Methylcyclohexylamin, N-Äthylcyclohexylamin, N-Methyloctadecylamin, Pyrrolidin, Piperidin etc.
Cyclohexylamin, Dodecylamin, Dimethylamin, Diäthylamin,
Dipropylamin, Dibutylamin, Bis- (2-äthylhexyl)-am:.n, N-Methylcyclohexylamin, N-Äthylcyclohexylamin, N-Methyloctadecylamin, Pyrrolidin, Piperidin etc.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen
aus den beispielhaft genannten Monoaminen und den
nachstehend beispielhaft genannten Diisocyanaten Triuret-
oder höhere Polyuretgruppen aufweisende, modifizierte Polyisocyanate, in denen der bezüglich der Umsetzung indifferente Rest des Amins eingebaut ist. Diese Umsetzung verläuft über die Zwischenstufen der aus den Aminen und den Diisocyanten sich bildenden Harnstoffgruppen aufweisenden Verbindungen
bzw. sich aus den Harnstoffgruppen aufweisenden Verbindungen mit weiterem Diisocyanat bildenden Biuretgruppen aufweisenden Verbindungen. Zwischenstufen sind somit die sich durch Addition von einem Mol Amin und einem Mol Diisocyanat bildenden Monoharnstoff-Monoisocyanate oder auch aus zwei Mol Amin und einem Mol Diisocyanat entstehende Bisharnstoffe bzw. die gich aus diesen und weiterem Diisocyanat bildenden Biuretpolyisocyanate. Eine logische Konsequenz dieses Tatbestandes ist selbstverständlich, daß als Ausgangsmaterial gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch diese beispielsweise in einem separaten Arbeitsgang aus den bel-
nachstehend beispielhaft genannten Diisocyanaten Triuret-
oder höhere Polyuretgruppen aufweisende, modifizierte Polyisocyanate, in denen der bezüglich der Umsetzung indifferente Rest des Amins eingebaut ist. Diese Umsetzung verläuft über die Zwischenstufen der aus den Aminen und den Diisocyanten sich bildenden Harnstoffgruppen aufweisenden Verbindungen
bzw. sich aus den Harnstoffgruppen aufweisenden Verbindungen mit weiterem Diisocyanat bildenden Biuretgruppen aufweisenden Verbindungen. Zwischenstufen sind somit die sich durch Addition von einem Mol Amin und einem Mol Diisocyanat bildenden Monoharnstoff-Monoisocyanate oder auch aus zwei Mol Amin und einem Mol Diisocyanat entstehende Bisharnstoffe bzw. die gich aus diesen und weiterem Diisocyanat bildenden Biuretpolyisocyanate. Eine logische Konsequenz dieses Tatbestandes ist selbstverständlich, daß als Ausgangsmaterial gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch diese beispielsweise in einem separaten Arbeitsgang aus den bel-
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spielhaft genannten Monoaminen und den nachstehend beispielhaft genannten Isocyanaten hergestellte Zwischenprodukte
eingesetzt werden können. Hierbei spielt selbstverständlich die Art der Herstellung dieser Zwischenprodukte keine Rolle.
So wäre es selbstverständlich auch denkbar, als Ausgangsmaterial beim erfindungsgemäßen Verfahren das Harnstoffgruppen
aufweisende Umsetzungsprodukt aus einem Mol Hexamethylen-bis-carbamidsäurechlorid
und 2 Mol eines Monoamins einzusetzen, welches dem Harnstoffgruppen aufweisenden
Umsetzungsprodukt aus einem Mol Hexamethylendiisocyant und 2 Mol des gleichen Monoamins entspricht.
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Diisocyanate
sind alle beliebigen organischen Diisocyanate, die neben den Isocyanatgruppen keine weiteren unter den Reaktionsbedingungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens reaktive Gruppen aufweisen. Geeignet sind sowohl die klassischen aromatischen
Diisocyanate der Polyurethanchemie wie z.B. 2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, aus diesen Isomeren bestehende
Gemische oder 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan.
Bevorzugt werden jedoch Diisocyanate mit aliphatisch und/ oder cycloaliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen eingesetzt,
insbesondere solche in denen die beiden Isocyanatgruppen über aliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 4-12
Kohlenstoffatomen oder über cycloaliphatische Kohlenwasserstoffreste
mit 4-15 Kohlenstoffatomen verbunden sind, wobei
die aliphatischen oder cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffketten durch Estergruppen unterbrochen oder substituiert
sein können, wie z.B.: 1,4-Diisocyanatobutan, 1,6-Diisocyanatohexan,
2,4,4-Trimethyl-1,6-di-isocyanatohexan, 1,11-Diisocyanatoundecan, 3-Isocyanatomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat,
4,4'-Cyclohexandiisocyanat, 4,4·-
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Dicyclohexylmethan-diisocyanat, 1,2-Bis-(isocyanatomethyl)-cyclobutan oder 6-Isocyanatocapronsäure-2-isocyanatoäthylester. Bevorzugt wird Hexamethylen-diisocyanat eingesetzt.
Selbstverständlich können auch Diisocyanatgemische verwendet werden, wobei z.B. zuerst aus einem Diisocyanat mit einem monofunktionellen Amin ein Harnstoff oder ein Biuret
erzeugt werden, die dann mit einem anderen Diisocyanat PoIyurete bilden.
Während die Reaktion von Aminen mit Diisocyanaten zu den entsprechenden Harnstoffen bzw. Biureten zum vorbekannten
Stand der Technik gehört, ist bislang noch kein technisch brauchbares Verfahren bekannt geworden, welches eine Weiterführung der zwischen Amin und Isocyanat ablaufenden Additionsreaktion über die Zwischenstufe der entsprechenden
Biurete hinaus gestattet. Dies liegt an der Reaktionsträgheit der Biurete gegenüber organischen Diisocyanaten, die
nur durch Verwendung geeigneter Katalysatoren überwunden werden kann.Erfindungsgemäß wird nun auch die Weiterreaktion
von Monoaminen mit überschüssigem Diisocyanat über die Harnstoff- und Biuretstufe hinaus zu Polyureten in Gegenwart
von Katalysatoren durchgeführt.
Bei den erfindungsgemäß einzusetzenden Katalysatoren handelt es sich um protonenabspaltende starke Säuren, welche mit Isocyanaten, insbesondere mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Isocyanaten,unter Bildung eines gemischten Säureanhydrids reagieren, wobei die dem Isocyanat entsprechende
Carbamidsäure und die protonenabspaltende Säure die Säuren
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des gemischten Säureanhydrids darstellen. So reagieren derartige, für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Säuren
HX (X = Säurerest nach Abspaltung des Protons) mit Isocyanaten Y-NCO zu Addukten der Formel Y-NH-CO-X, welche
als gemischtes Anhydrid der Carbamidsäure Y-NH-COOH und
der Säure HX anzusehen sind.
als gemischtes Anhydrid der Carbamidsäure Y-NH-COOH und
der Säure HX anzusehen sind.
Beispiele geeigneter Säuren sind Halogenwasserstoffe wie z.B. Fluorwasserstoff,
Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff oder Jodwasserstoff,
Chlorsulfonsäure, Fluorsulfonsäure, Schwefelsäure,
Alkansulfonsäuren wie z.B. Methansulfonsäure oder perhalogenierte Alkansulfonsäuren wie z.B. Trifluormethansulfonsäure. Chlorwasserstoff ist die beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einzusetzende Säure. Anstelle der Säuren
können beim erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich sowohl die den Säuren entsprechenden Ammoniumsalze mit den als Ausgangsmaterial eingesetzten Aminen oder die den Säuren entsprechenden gemischten Carbamidsäureanhydride, insbesondere Carbamidsäurechloride, der als Ausgangsmaterial eingesetzten Diisocyanate oder eines beliebigen anderen Isocyanats eingesetzt werden. Im Allgemeinen werden die Katalysatoren in Mengen von 0,001-10, vorzugsweise 0,01-1,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktionspartner, eingesetzt.
Alkansulfonsäuren wie z.B. Methansulfonsäure oder perhalogenierte Alkansulfonsäuren wie z.B. Trifluormethansulfonsäure. Chlorwasserstoff ist die beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einzusetzende Säure. Anstelle der Säuren
können beim erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich sowohl die den Säuren entsprechenden Ammoniumsalze mit den als Ausgangsmaterial eingesetzten Aminen oder die den Säuren entsprechenden gemischten Carbamidsäureanhydride, insbesondere Carbamidsäurechloride, der als Ausgangsmaterial eingesetzten Diisocyanate oder eines beliebigen anderen Isocyanats eingesetzt werden. Im Allgemeinen werden die Katalysatoren in Mengen von 0,001-10, vorzugsweise 0,01-1,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktionspartner, eingesetzt.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere
unter Verwendung der beispielhaft genannten Säuren als Katalysatoren ist bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich
von ca. 0-1400C möglich, wobei die über die Stufe der
BiuretpoIyisocyanate hinausführende Reaktion zu Triuret- und
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Polyuretgruppen aufweisenden Umsetzungsprodukten im allgemeinen im Bereich zwischen 90 und 140°C abläuft. Die erfindungsgemäße
Katalyse mit den beispielhaft genannten Säuren gestattet somit unter milden Reaktionsbedingungen die Herstellung
von Polyuretgruppen aufweisenden Isocyanat-Additionsprodukten
aus organischen Diisocyanaten und organischen Monoaminen bzw. aus Monoaminen und Diisocyanaten entstehenden
Harnstoffgruppen oder Biuretgruppen aufweisenden Verbindungen. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Verwendung von Monoaminen als Ausgangsmaterialien entstehen wegen der milden Reaktionsbedingungen keine leicht
flüchtigen Nebenprodukte, insbesondere entstehen auch bei Verwendung von primären Monoaminen als Ausgangsmaterialien
keine diesen Monoaminen entsprechenden Monoisocyanate. Der bezüglich der erfindungsgemäßen Umsetzung indifferente Rest
der Monoamine bildet somit stets einen Bestandteil der erfindungsgemäßen
Verfahrensprodukte.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Verwendung von Monoaminen als Ausgangsmaterialien werden diese und die Diisocyanate im allgemeinen in Mengenverhältnissen
eingesetzt, die einem NCO/NH-Molverhältnis von 5,5:1
bis 100:1, vorzugsweise 6:1 bis 30:1, entsprechen. Bei Verwendung von Harnstoffgruppen aufweisenden Ausgangsmaterialien,
d.h. von aus Monoaminen und Diisocyanaten gebildeten Monoharnstoff-Monoisocyanaten
bzw. Bis-Harnstoffen kommen entsprechende Mengenverhältnisse zum Einsatz, wobei zu berücksichtigen
ist, daß in den genannten Harnstoffgruppen aufweisenden Ausgangsmaterialien bereits Monoamine und Diisocyanate
im Molverhältnis 1:1 bzw. 2:1 vorliegen. Diese in Form der Harnstoffgruppen aufweisenden Ausgangsmaterialien
vorliegenden Monoamine und Diisocyanate gehen mit in die
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Berechnung des Mengenverhältnisses Amin:Diisocyanat ein. Sinngemäß die gleichen Ausführungen gelten bei Verwendung
von Biuretgruppen aufweisenden Ausgangsmaterialien, wie sie durch Umsetzung der genannten Harnstoffgruppen aufweisenden
Zwischenprodukte mit weiterem Diisocyanat entstehen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren wird im allgemeinen
wie folgt verfahren:
Man legt das Diisocyanat in einem geeigneten Reaktionsgefäß vor und gibt das Amin bei Temperaturen von 0-100 C zu. Dabei
beträgt das NCO/NH-Molverhältnis im allgemeinen 6:1 bis
30:1. Feste Amine werden über einen beheizten und flüssige Amine über einen normalen Tropftrichter dosiert. Gasförmige
Amine werden eventuell zusammen mit einem Inertgasstrom in das Diisocyanat eingeleitet. Es bilden sich spontan die
entsprechenden Harnstoffe. Bei Einsatz von primären Aminen fallen diese meistens zunächst aus und gehen durch Weiterreaktion
zu Biureten bei 80-120°C in Lösung. Bei Einsatz von sekundären Aminen bleibt die Reaktion bei Abwesenheit
des Katalysators auf der Stufe der zumeist in überschüssigem Diisocyanat nicht vollständig löslichen Harnstoffe stehen. Die Katalysatorzugabe
kann zu jedem Zeitpunkt der Reaktion erfolgen. Man kann ihn z.B. mit dem Diisocyanat vorlegen, ihn als
Ammoniumsalz mit den Aminen eindosieren oder ihn erst nach Beendigung der Vorreaktion zu Harnstoff- oder Biuretisocyanaten
zugeben. Danach wird das Reaktionsgemisch auf 9O-14O°C erhitzt und der Reaktionsverlauf durch Kontrolle
der NCO-Gehaltsabnahme verfolgt. Bei Verwendung von flüchtigen
Katalysatoren, z.B. Chlorwasserstoff, kann zur Vermeidung von bei höheren Temperaturen möglichen Katalysator-
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Verlusten unter Druck gearbeitet werden.
Wenn die NCO-Abnahme dem gewünschten "Polyuretisierungsgrad11
entspricht: d.h., wenn pro Aminogruppe die gewünschte Menge an NCO-Gruppen umgesetzt ist, wird die Reaktion beendet.
Dies geschieht einfach durch Abkühlen des Reaktionsgemisches auf 2O-5O°C. Die benötigten Reaktionszeiten hängen
von der Art der Ausgangsprodukte, von der Temperatur und insbesondere von der Art und Menge des verwendeten Katalysators
ab. Sie betragen im allgemeinen 1-20, vorzugsweise 2-8, Stunden. Nach Beendigung der Reaktion erhält man klare, farblose
bis schwach gelblichi gefärbte Reaktionslösungen.
Die Reaktionen werden meistens zu einem Zeitpunkt beendet, zu dem im Mittel pro Aminogruppe ca. 3 NCO-Gruppen verbraucht
sind. Die Produkte haben dann unter Berücksichtigung der Polymerhomologen eine durchschnittliche Funktionalität
von 3,5. Es ist jedoch möglich, einen höheren "Polyuretisierungsgrad" zu erreichen, d.h. pro Aminogruppe 4 und mehr
NCO-Gruppen umzusetzen. Allerdings nehmen die Viskositäten der Produkte dann schnell zu.
Der Katalysator wird im allgemeinen durch Andestillieren des Reaktionsgemisches im Vakuum entfernt. Bei Verwendung
von Halogenwasserstoffen als Katalysatoren kann die Beseitigung, insbesondere bei kleineren Katalysatormengen
auch durch Zugabe äquimolarer Mengen Propylenoxid erfolgen. Ferner ist es möglich, den Katalysator durch z.B. Dünnschichtverdampfung
zu entfernern, falls das Rohisocyanat von überschüssigem Diisocyanat befreit wird. Das Destillat
der Dünnschichtdestillation, das dann neben dem Diisocyanat
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den Katalysator enthält, kann als Ausgangsmaterial wiederverwendet
werden.
Ist die Entfernung von überschüssigem Diisocyanat vorgesehen, so erfolgt sie meistens durch Dünnschichtverdampfung; sie
kann jedoch auch durch Extraktion des Reaktionsgemisches mit geeigneten Lösungsmitteln, wie z.B. Hexan, Heptan etc.
erreicht werden.
Die Rohisocyanate können als olche verwendet werden. In den
meisten Fällen werden sie jedoch vorzugsweise durch Dünnschichtverdampfung oder Extraktion von monomeren Isocyanatanteilen
befreit. Die monomerenfreien Produkte sind hellgelbe öle oder auch feste Harze; der NCO-Gehalt beträgt 10-22 %.
Das Verfahren eignet sich vorzüglich für eine kontinuierliche Durchführung. In diesen Fällen werden mehrere Reaktionsgefäße
in Form einer Kaskade hinereinandergeschaltet. Im ersten Reaktionsgefäß werden die Ausgangsprodukte Diisocyanat
und Amin bei ca. 6O0C vermischt. Im zweiten Reaktionsgefäß wird bei ca. 8O0C der Katalysator zugegeben. Im dritten
und gegebenenfalls weiteren Reaktionsgefäßen findet bei ca. 90-140 C die Weiterreaktion zum Polyisocyanat statt,
wobei durch Steuerung der Temperatur und der Verweilzeit der angestrebte "Polyuretisierungsgrad" eingestellt wird.
überschüssiges Diisocyanat und der Katalysator werden z.B.
über einen Schlangenrohrverdampfer kombiniert mit nachgeschaltetem
Dünnschichtverdampfer entfernt. Die aus Diisocyanat und Katalysator bestehenden Destillate werden vereinigt
und wieder in den Prozeß zurückgeführt. Das Polyisocyanat wird als Rückstand der Dünnschichtdestillation
gewonnen.
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Wie bereits ausgeführt findet bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Abspaltung von Monoisocyanaten nicht statt. Sie kann jedoch teilweise stattfinden,
wenn das erfindungsgemäße Verfahrensprodukt nach Beendigung der Reaktion von überschüssigem Diisocyanat bei erhöhter
Temperatur (ca. 17O°C) durch Dünnschichtverdampfung befreit wird. Aus diesem Grunde empfiehlt sich bei Verwendung von
primären Monoaminen als Ausgangsmaterialien die Entfernung des überschüssigen, nicht umgesetzten Diisocyanats durch Extraktion
mit geeigneten Lösungsmitteln wie z.B. n-Hexan. Bei Verwendung von sekundären Monoaminen als Ausgangsmaterialien
ist eine derartige Extraktion nicht erforderlich, da in diesem Falle eine Abspaltung von Monoisocyanat aufgrund
des andersartigen Aufbaus der Reaktionsprodukte ausgeschlossen ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können
die Eigenschaften der erhaltenen modifizierten Polyisocyanate,
insbesondere deren NCO-Punktionalität, NCO-Gehalt, sowie
die Viskosität nicht nur durch Wahl der geeigneten Ausgangsmaterialien sondern besonders einfach durch Einstellung des
"Polyuretisierungsgrades", d.h. der Zahl der pro Aminogruppe umgesetzten NCO-Gruppen gesteuert werden.
Bei der bevorzugten Verwendung von sekundären Monoaminen insbesondere mit aliphatisch bzw. cycloaliphatisch gebundenen
Aminogruppen und aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Diisocyanaten entstehen die bevorzugten erfindungsgemäßen
Verfahrensprodukte der eingangs angegebenen Formel. Bei der besonders bevorzugten Verwendung von Dialkylaminen mit C1-C^-Alkylresten
bzw. von Piperidin, sowie von Hexamethylen-
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diisocyanat als Ausgangsmaterialien bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen die besonders bevorzugten
erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte der genannten allgemeinen Formel, in welcher die Reste R1 -R^ der genannten
Definition der besonders bevorzugten Ausgangsmaterialien entsprechen und in welcher η für eine Zahl von 2 bis 8 steht.
Die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte können insbesondere
als Isocyanatkomponente bei der Herstellung von Polyurethankunststoffen nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren eingesetzt
werden. Sie eignen sich sowohl zur Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen, als auch zur Herstellung von
Elastomeren, Beschichtungen oder Verklebungen. Insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte für
das erstgenannte Einsatzgebiet erübrigt sich oft ein Abdestillieren des überschüssigen Diisocyanats nach Beendigung
der erfindungsgemäßen Umsetzung. Die monomerenfreien erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte stellen hervorragende
Rohstoffe zur Herstellung hochwertiger, wetterfester und lichtechter Lackierungen dar. Dies gilt insbesondere für
die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte,die unter ausschließlicher
Verwendung von aliphatischen bzw. cycloaliphatischen Ausgangsmaterialien hergestellt worden sind.
Bezüglich der Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte als "Lackisocyanate" ist insbesondere ihre ausgezeichnete
Verträglichkeit mit handelsüblichen Polyhydroxy-Polyacrylaten hervorzuheben. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Verfahrensprodukte gegenüber bekannten Biuretpolyisocyanaten ist darin zu sehen, daß insbesondere
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die aus sekundären Aminen hergestellten Produkte gegen Monomerenrückspaltung stabil sind, d.h. daß auch während
der Lagerung bei erhöhter Temperatur (5O°C) der Monomerengehalt der erfindungsgemäßen Polyisocyanate nicht ansteigt.
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HO "
In einem 4 1-Vierhalskolben mit Rührer, Rückflußkühler und
Kontaktthermometer wurden in 3024 g (18 Mol) 1,6-Diisocyanatohexan
unter Stickstoffüberlagerung 135 g (3 Mol) Dimethylamin eingeleitet, wobei die Temperatur im Reaktionsgefäß
auf ca. 60°C anstieg. Es bildete sich der entsprechende Harnstoff, der bis auf geringe Restmengen nach Beendigung
der Aminzugabe gelöst war. Nun wurden 7 g (0,19 Mol) Chlorwasserstoff
in 100 g 1,6-Diisocyanatohexan dem Reaktionsgemisch zugefügt und die Temperatur auf 1OO°C erhöht. Der
NCO-Gehalt der nun klaren Reaktionslösung betrug 44 %
(entsprechend einem Verbrauch von 1 NCO-Gruppe pro Aminogruppe). Nach 2 Stunden war der NCO-Gehalt auf 40 % (entsprechend
einem Verbrauch von 2 NCO-Gruppen pro Aminogruppe) und nach 4 Stunden auf 35 % (entsprechend einem Verbrauch
von 3,3 NCO-Gruppen pro Aminogruppe, entsprechend η = 2,3) gesunken. Die Reaktionslösung wurde auf 50 C abgekühlt und
zur Bindung des hydrolysierbaren Chlors mit 11g (0,19 Mol) Propylenoxid versetzt. Die nachfolgende Dünnschichtdestillation
ergab 16OO g 1,6-Diisocyanatohexan als Destillat und 1540 g Polyuretpolyisocyanat als Rückstand (NCO-Gehalt =
19,5 %; Viskosität bei 25°C = 50OO mPa-s; Restgehalt an
monomerem 1,6-Diisocyanatohexan = 0,60 %).
Anhand der Kontrolle des Monomerengehalts von Produktproben, die über längere Zeit bei 50°C gelagert wurden, zeigte sich,
daß das Polyisocyanat gegen Monomerenrückspaltung stabil
ist.
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Lagerung 1,6-Diisocyanatohexan
(in Wochen) (%)
0,60
1 0,72
4 0,68
6 0,67
Analog Beispiel 1 wurden 3024 g (18 Mol) 1,6-Diisocyanatohexan
unter Zusatz von 7 g (0,19 Mol) Chlorwasserstoff mit
225 g (5 Mol) Dimethylamin umgesetzt. Nach 7 Stunden betrug der NCO-Gehalt des Reaktionsgemisches 27,4 % (entsprechend
einem Verbrauch von 3 NCO-Gruppen pro Aminogruppe (n = 2)). Nach der Dünnschichtverdampfung erhielt man neben 1000 g
1,6-Diisocyanatohexan 2150 g Polyisocyanat (NCO-Gehalt =
16,2 %; Viskosität bei 25°C = 30 0OO mPa-s; Restmonomerengehalt
= 0,3 %).
Analog Beispiel 1 wurden 1008 g (6 Mol) 1,6-Diisocyanatohexan
unter Zusatz von 3g (0,08 Mol) Chlorwasserstoff mit 45 g (1 Mol) Dimethylamin umgesetzt. Nach 6 Stunden war der
NCO-Gehalt des Reaktionsgemisches auf 28 % gesunken (entsprechend einem Umsetzungsgrad von 5 NCO-Gruppen pro Aminogruppe
(n = 4)). Die Viskosität des Rohisocyanats betrug 2OO mPa-s/25°C.
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Analog Beispiel Ί wurden die In der Tabelle zusammengestellten Utasetzungen durchgeführt;
OO N) 00
CD CD iO OO CO
Isocyanat g (Mol) |
Am in g (Mol) |
Isocyanat/ Am in- MoI' rh;i ltnis |
Katalysator |
3024 (l8) HDI* |
387 (3) Dibutylamin |
6:1 | 4 g HCl |
3024 (18) HDI |
81 (2,6) Methylamin |
7: 1 | 4 g HCl |
3024 (l8) HDI |
117 (2,6) Athylamin |
7: 1 | 4 g HCl |
1008 (6) HDI |
85 (l) Piperidin |
6:1 | 3 g HCl |
3024 (l8) HDI |
135 (3) Dimethylamin |
6:1 | 19 g Methan- sulfonsäure |
1008 (6) HDI |
45 (l) Dimethylamin |
6:1 | 7 g Dimethyl- aminhydro- chlorid |
2260 (10) • · X |
75 (1,67) Dimethylamin |
6:1 | 4 g HCl |
1776 (8) IPDI··· 672 (4) HDI |
90 (2) Diinethy lamiii |
6:1 | 3 g HCl |
fc:
K)
CO
cn co
σ u> oo oo
Ausbeute <«> ?olyisocyanat |
NCO (%) |
* 25° C (mPa-s) |
Mono mere η- gehalt (?;) |
η |
167Ο | 17 | l400 | 0,68 | 2,3 |
1340 | 19,5 | 95ΟΟ | 0,50 | 2,3 |
139Ο | 19,3 | 65ΟΟ | ο,4θ | 2,2 |
43Ο | 17,4 | 65ΟΟ | 0,45 | 2,1 |
143Ο | 17,4 | 11000 | 0,31 | 2,5 |
500 | 18,4 | 7OOO | 0,53 | 2,2 |
lOlO | 14,3 | 4000 | 0,70 | 2,0 |
1200 | 17 | • · · · 16ΟΟ |
0, 62 | 2,1 |
ro
CD
cn co
* HDI entspricht 1,6-Diisocyanatohexan
** X entspricht 6-Isocyanatocapronsäure-2-isocyanatoäthylester
*** IPDI entspricht 3-Isocyanatomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat
in Äthylglycolacetat/Xylol (1:1)
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Beispiel 5 (Verwendungsbeispiel)
154 g einer 65%-igen Lösung eines stark verzweigten Polyesters
auf Basis Phthalsäureanhydrid und Trimethylolpropan
(Hydroxylgehalt 8 %) in Äthylglycolacetat/Xylol (1:1) wurden
nach Zugabe von 1 g eines tertiären Amins als Katalysator und 0,4 g Cellulosebutyrat-propionat als Verlaufmittel mit
220 g eines Lösungsmittelgemisches aus Methyläthylketon,
Butylacetat, Äthylglycolacetat und Toluol (4:1:4:1) verdünnt. Hierzu wurden 135 g einer 75 %igen Lösung des Pol/isocyanats
aus Beispiel 1 in Äthylglycolacetat/Xylol (1:1) gegeben (NCO/OH-Molverhältnis = 1:1). Die fertige Lacklösung wurde
dann auf Stahlbleche aufgetragen, wo die Lackfilme bei Raumtemperatur aushärteten. Die durchgehärteten Klarlackfilme
waren kratzfest, elastisch und gegen Lösungsmittel wie Toluol, Äthylglycolacetat, Äthylacetat oder Aceton beständig.
Sie hatten ferner folgende Eigenschaften:
Schichtdicke Erichsentiefung (DIN 53156) nach 2 Tagen nach 5 Tagen
nach 14Tagen
Pendelhärte (DIN 53157) nach 2 Tagen nach 5 Tagen nach 14Tagen
ca.
50 | /U |
8 | , 8 mm |
8 | ,5 mm |
8 | , 4 mm |
215 | Sekunden |
225 | Sekunden |
223 | Sekunden |
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Beispiel 6 (Verwendungsbeispiel)
Es wurden 154 g der im Beispiel 5 beschriebenen Polyesterlösung mit 100 g Titandioxid (Rutiltyp) zu einer Paste verarbeitet.
Dieser Paste wurden neben Katalysator und Verlaufmittel 120 g des schon beschriebenen Lösungsmittelgemisches
zugefügt. Die so erhaltene Mischung wurde mit 135 g einer 75 %igen Lösung des Polyisocyanats aus Beispiel 1 in Xthylglycolacetat/Xylol
(1:1) versetzt und in dünner Schicht auf Stahlbleche aufgetragen. Die pigmenthaltigen Lackfilme
härteten bei Raumtemperatur durch. Sie zeichneten sich durch Kratzfestigkeit und Lösungsmittelresistenz aus und hatten
verglichen mit den Klarlackfilmen folgende Eigenschaften:
Schichtdicke
Erichsentiefung (DIN 53156)
Erichsentiefung (DIN 53156)
ca.
nach | 2 Tagen | 2 Tagen | 9 | , 1 mm |
nach | 6 Tagen | 5 Tagen | 8 | , 5 mm |
nach | 14 Tagen | 14 Tagen | 8 | , 9 mm |
Pendelhärte (DIN 53157) | ||||
nach | 175 | Sekunden | ||
nach | 180 | Sekunden | ||
nach | 179 | Sekunden |
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Claims (8)
1) Verfahren zur Herstellung von modifizierten, Trluret-
oder höhere Polyuretgruppen aufweisenden organischen Polyisocyanaten, dadurch gekennzeichnet, daß man primäre
oder sekundäre Monoamine mit überschüssigen Mengen an organischen Diisocyanaten unter Ausbildung von Triuret-
oder höheren Polyuretgruppen und unter Einbau des bezüglich der Umsetzung indifferenten Restes des Amins
in das Verfahrensprodukt zur Reaktion bringt.
2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Monoamine aliphatische oder cycloaliphatische
Monoamine bzw. deren Gemische verwendet.
3) Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als organische Diisocyanate aliphatische und/
oder cycloaliphatische Diisocyanate verwendet.
4) Abänderung der Verfahren gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß man anstelle der Amine deren Harnstoff-
und/oder Biuretgruppen, sowie den bezüglich der Umsetzung indifferenten Rest der Amine aufweisende Umsetzungsprodukte
mit organischen Diisocyanaten verwendet.
5) Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von starken, mit Isocyanaten
ein gemischtes Carbamidsäureanhydrid bildenden
Säuren durchführt.
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ORIGINAL INSPECTED
6) Verbindungen der Formel R oo
1^N (■ C-N -)
C-NH-R.-NCO
R ^ ι n 4
2 R
2 R3
NCO
in welcher
R1 und R- für gleiche oder verschiedene Reste stehen
und aliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 1-20 Kohlenstoffatomen oder cycloaliphatische
Kohlenwasserstoffreste mit 4-20 Kohlenstoffatomen bedeuten, oder wobei die beiden Reste
zusammen mit dem Stickstoffatom einen gegebenenfalls weitere Heteroatome aufweisenden
heterocyclischen Ring mit 5-6 Ringgliedern bilden können,
R3 und R4 für gleiche oder verschiedene Reste stehen
und aliphatische oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffreste
mit 4-20 Kohlenstoffatomen bedeuten und
η eine Zahl von 2 bis 8 bedeutet.
7) Verbindungen der Formel gemäß Anspruch 6, wobei
R1 und R2 für gleiche oder verschiedene Reste stehen
und einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1-4 Kohlenstoffatomen oder zusammen mit
dem Stickstoffatom einen Piperldinrest bedeuten,
R, und R. jeweils für Hexamethylenreste stehen und
η für eine Zahl von 2 bis 8 steht.
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8) Verwendung der gemäß Anspruch 1 zugänglichen, modifizierten Polyisocyanate als Isocyanatkomponente bei der Herstellung
von Polyurethankunststoffen nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8130 | Withdrawal |