DE2906136C2 - Verfahren zur Herstellung von niedrigschmelzenden Polyurethanen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von niedrigschmelzenden Polyurethanen

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Description

Die Herstellung von Polyurethanen durch Umsetzung von lsocyanatgruppen enthaltenden Prepolymeren mit Kettenverlängerungsmitleln ist an sich bekannt. Dabei erhält man in der Regel hochmolekulare Produkte mit entsprechend hohem Schmelzpunkt.
E* sind jedoch auch bereits niedrigschmelzende Polyurethane bekannt, die dann jedoch Mangel hinsichtlich ihrer Festigteitseigenscnaften aufweisen. Gut verarbeitbare thermoplastische Polyurethane werden beispielsweise nach dar DE-OS 28 17457 dadurch hergestellt, daß Polyesteröle und/oder Polyätherdiole mit Molekulargewichten bis 10(000 und Diisocyanate oder Diisocyanatgcmische und wenigstens drei niedermolekulare Diole, von denen 85 bis 99 Gewichtsprozent Butandio!-1,4 und 1 bis 15 Gewichtsprozent andere Diole sind, als Kettenverlängerungsmittel, gegebenenfalls unter Zusatz von unter 5 % einer monofunküonellen aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindung der den niedermolekularen Diolen äquivalenten Mcngen,ohne Lösungsmitte'lzusatzin einer oder mehreren Stufen unter Einhaltung eines NCO-Index von mehr als 90 umgesetzt werden. Diese Polyurethane lassen sich auf Extrudern und/oder Schmelzwalzenkalandern verarbeiten und z.B. zur Herstellung von Folien verwenden. Hierbei kommt es insbesondere darauf an, daß der Erweichungsbereich nicht zu niedrig liegt und nach derri Erstarren kein unerwünschter Schrumpf eintritt.
1 Aus der US-PS 3845019 sind ferner bereits Polyurethane bekannt, die unter Verwendung eines NCO-Überschusses über die OH-Gruppen der dort verwendeten Polyester oder Polyalkylenätherglykole und der niedermolekularen Diole hergestellt worden sind, wobei höher schmelzende Produkte erhalten werden. Zu dem erfindungsgeniäß vorgesehenen Zweck lassen sich diese Polyurethane, welche mit NCO-lndices zwischen 100 und 1 K) hergestellt worden sind, nicht verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Polyurethane herzustellen, welche einen niedrigen Schmelzpunkt und dabei gleichzeitig eine hohe Festigkeit aufweisen.
Dies ist notwendig im Hinblick auf die vorgesehene Verw.endung.als Haftmasse fur Einbügelsloile und als Beschichtung Jiei der KunstlederhersteHung oder als schützender Überzug für sonstige Gegenstände.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch wiedergegebene Verfahren gelöst
Das Verfahren verwendet an sich, z. B. aus der DE-OS .2817457,-bekannte Ausgangsstoffe mit der Maßgabe, dab diese in .dem beanspruchten Äquivalent-%-Verhältnis der Diole .a.j und b.) eingesetzt werden und daß der NCO-Index izwingend zwischen 97 und 99 liegt Überraschenderweise erhält man so Polyurethane, welche die erfindungsgemäß^estellte Aufgabeexakt lösen. Dieses Ergebnis warnichlzu erwarten, denn die DE-OS 28 17457 enthält die Lehre,daß bei Verwendung von Buüindiol-1,4 als Hauptkettenverlängerungsmittelfirst bei einem Cokettenverlängeramgsmittelanteil von mehr als 10% der Erweichungspunkt der Produkte sinkt Gleichzeitig wird aber ein starkes Schrumpfen festgestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwar bei einem Coketlenverlängerungsmittelanteil von mehr als 10% gearbeitet, wobei nach dem Erstarren jedoch kein unerwünschter Schrumpf eintritt und gleiduseäjg hohe Festigkeitscigcnschaften erzielt werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyurethane haben besonders gute Zugfestigkeitswette. Die Zugfestigkeit,gemessen nach DIN 53371, belrägt über 10 N/mm\ Bei den bevorzugten Polyurethanen mit den angegebenen NCO-lndices liegt die Zugfestigkeit im Bereich über 15 N/mur\
Eine derartige Zugfestigkeit gestattet die Anwendung der Polyurethane als H aft massen zwischen zwei textlien Gebilden, z. B. zwischen Faservliesen und Geweben, wobei unter Festigkeit auch die Haftfestigkeit zu verstehen ist
Die bekannten niedrigschmelzenden Polyurethane zeigen derartige Zugfestigkeitswerte nicht. Werden nach dem Stand der Technik niedrigschmelzende Polyurethane, z. B. durch Mitverwendung größerer Anteile von monofunktionellen, aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindungen, wie Alkoholen oder Aminen im Reaktionsgemisch der bifunktioncllen Ausgangskomponenten hergestellt, so ergibt dies verhältnismäßig kurzkettige Polyurethanmoleküle, die verständlicherweise auch ein schlechtes Eigenschaftsbild aufweisen.
Es ist zwar möglich, mit bestimmten niedermolekularen Diolen im Reaktionsgemisch, z. B. mit Neopentylglykol oder Diäthylenglykol, niedrigschmelzende Polyurethane herzustellen. Derartige Polyurethane sind z. B. als Haftmassen oder als Beschichtung ungeeignet. Auch wenn man zur Ergänzung Diole hinzufügt, die erfindungsgemäß zu hochwertigen Polyurethanen führen, z.B. 1,4-Butandiol oder 1,6-Hexandiol, so werden nicht ohne weiteres befriedigende Ergebnisse erzielt, z. B. wenn man wie üblich Kennzahlen über 100 verwendet. Insbesondere tritt bei Anwendung eines lösungsmittelfreien Einstufenverfahrens eine Schmelzpunkterhöhung ein. Die Polyurethane besitzen Schmelzpunkte über 1500C, meist auch über 200° C. Als Grund für die hohen Schmelzpunkte werden die bei hoher Temperatur ablaufenden unerwünschten Nebenreaklionen angesehen, wie Allophanat-und Isocyanuratbildung, die eine Verzweigung und Vernetzung der Polyurethanmoleküle bewirken.
Unter diesen Bedingungen können auch größere Anteile der genannten schmelzpunktsenkenden Diole keine Produkte mit den angestrebten niedrigen Schmelzpunkten in dem erfindungsgemäßen Bereich ergeben.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß man niedrigschmelzende Polyurethane mit verbesserten Festig-
kettsdgensdaaften erhält, wenn im Keaklionsgemisch der Ausgangskomponeaten, bestehend; aus Pölyesterdiolen und/oder Polyätberdjolen mit einem Molekulargewicht über 500 undbtszu5Q0ö:,aus einemoderiuehreren Diisocyanaten und eitern DEotgeinischvdas.aus drei niedermolekularen Diolen einer bestimmten Graupe zusammengesetzt ist, neben in erster Linie schmefepunklsenkenden niedermofckularen Diolen zwei weitere Diolkomponenten verwendet, die die FestigkeüseigeHsdrdftera günstig beeinflussen.
Es wurde gefunden, daß eia durch die; Losui^smittelersparnis kostengünstiges. Einstufenverfahien gut reproduzierbar durchgeführt werden kann, wenn man einen NCOIndex von 97 bis 99 einhält. Hierdurch wnrd gleichzeitig eine erhebliche Schmelzpunktsenkung bewirkt, ohne daß die Fesügkettseigenschaften negativ beeinflußt werden. Der Einsatz monofunktioneUer Verbindungen, wie Alkohole, Amide oder Amine, ist in einer Menge unter 5 % der an niedermolekularen Diolen äquivalenten Menge zur Senkung des Polyurethanschmelzpunktes ohne Schädigung des Eigenschaftsbades möglich.
Unter NCO-Index wird das Äquivalentverhältnis von NCO/OH-Gruppen x 100 verstanden. Es hat sich gezeigt, daß bei überschüssigem OH-G ehalt, also bei dem angewendeten NCO-Index zwischen 97 und 99, selbst wenn bei der stark exothermen Polyurethanbildung Temperaturen bis zu 250° C auftreten, außer der Polyurethanreaktion keine zu höheren Schmelzpunkten führende Nebenreaktionen ablaufen. Dies führt zu einer guten Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyurethane selbst bei Großansätzen. Die bisher übliche intensive Wärmeableitung entfällt.
Ein NCO-Index von 96 fuhrt bereits zu einer Verschlechterung der Fcstigkeitseigenschafte.n.
Nach diesem Verfahren können Polyurethane mit niedrigem bis zu sehr hohem Gehalt an Urethangruppen, d. h. sehr weiche bis sehr harte Polyurethane, gefestigt werden. Dementsprechend wird die Starttemperatur für die Reaktion, d. h. die Temperatur, auf welche das Reaktionsgemisch zunächst erwärmt wird, variiert. Z. B. werden die Gemische der Polyurethanausgangskomponenten, die 80 oder mehr Teile eines Diisocyanats auf 100 Gewichtsteile Polyester eines Molekulargewichts von 2000 enthalten, nurauf 50 bis 60°C erwärmt. Die Staittemperatur wird bei abnehmendem Diisocyanatgehait bis zu etwa 100° C erhöht, z. B. bei Gemischen mit etwa 30 Teilen Diisocyanat auf 100 Teile eines Polyesters eines Molekulargewichtes von 2000.
Erfindungsgemäß werden als niedermolekulare Diole, die zur Herabsetzung des Schmelzpunktes beitragen und auch in Kombination eingesetzt werden können, solche verwendet, die Seitenketten oder Äthergruppen besitzen, wie 2,2'-Diäthylpropandio!-l,3, Neopentylglykol und Diäthylenglykol. Niedermolekulare Diole, die zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften beitragen, sind unverzweigt, wie Äthylenglykol, 1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol.
Es wurde gefunden, daß eine Kombination von zwei schmelzpunktsenkenden, niedermolekularen Diolen synergistisch die Senkung des Schmelzpunktes der daraus erhaltenen Polyurethane verstärken. So wäre im allgemeinen unter den vorstehend angeführten Bedingungen der hohen Reaktionstemperaturen eine Senkung des Schmelzpunktes unter 150° C bei Verwendung nur eines einzigen schmelzpunktsenkenden Glykols nicht leicht möglich; hingegen wird unter Mitverwendung der zweiten Diolkomponente dieses Ziel leicht erreicht. Ein weiterer synergistischer Effekt ergibt sich im Falle der Anwendung solcher Polyurethane als Haftmassen, da die Haftfestigkeiti z. B. zu_Fasergebilden, bei Verwendung einer Kombination, bestehend aus einem verzweigten Diol, wie. Neopentylglykol, und einem Äthergruppen aufweisenden DioliWie Diäthylenglykol, deutlich verbessert wird:
Diebei den erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanen als festigkeitserhöhend bezeichneten Diole können ebenfalls alleirr oder. in. Kombination eingesetzt werden. Auch hier kann die-Kombination zu einer weiteren Senkung. des-Schmelzpunktes führen.
Das Verhältnis der Äquivalent-% von sehmelzpunktsenkenden zirfestigkeiiserhöhenden Diolen kann dem.beabsichtiglerr. ÄrrwendungsfalL variabel angepaßt werden.. Es variiert von.2D: 80)bis 75:25. Insbesondere bei härteren Polyurethanen;, d: h·. Polyurethanen, die. mit verhältnismäßig, hohem Dfisocyanalantejl gefertigt: wurden, trägt benei&der dadurch: bedingtthohe Urethangnippengehalt beüächtlicJr zur Festigkeit hei, so daß Hierrdei Anteilder festigkeitserhähenden Diofe geringer seirokarm. Dagegen:
2β werden wachere Polyurethane mit niedrigem Schmelzpunkt undguter Festigkeit erhalten, wemTihrDiolgemisch der Anteil: der §est%teäs«höhenden Diolfc überwiegti
Wenn, auch die Festlegung; einer Grenze zwischen „weich" und „hart"· praktisch nicht möglich- ist, so sollihier
zs emeTrencBtB^derbeiifenHartebereichedlefihiertwerden durch einen mittleren Härtebereich mit einem Gewicfttsverhättrris von 50 bis 70 Teilen Diisotyamat auf 100 Teile hochmolekularem Potydiol, insbesondere eines aliphatischen Diisocyanats, vrie 1 ,e-HexarDettaylendiisocyanat, zu einem Polyesterdiol eines Molekulargewichtes vom Γ000 bis 2000.
Gegebenenfalls können Mengen unter 5 % einer monofunktionellen, aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindung, wie Alkohole, Amine oder Amide, z. Bv Dftnitylamin, Neopentylalkohol oder r-Caprolactam, in dier den niedermolekularen Diolen äquivalenten Mengen zugesetzt werden. Vorzugsweise liegt der Anteil unter 3 %. Hierfür kann der Anteil eines der schmelzpunktsenkenden Diole entsprechend vermindert werden; gegebenenfalls kann auch auf die Verwendung ehier zweiten schmelzpunktsenkenden Diolkomponente verzichtet werden.
Die für die Herstellung der Polyurethane vecwendeten Polyesterdiole und/oder Polyätherdiole haben ein MoIekuiargewicht über 500 bis 5000, vorzugweise von 1000 bis 2000. Zu den Polyestern zählen insbesondere solche auf Basis von Adipinsäure. Als Diolkomponente der Polyadipate kommen Diole oder Diolgemische, wie Äthylenglykol, Propandiol, 1,4-Butylenglykol, Neopentylglykol und
so 1,6-Hexandiol in Frage. Femer seien die Polycaprolactone genannt. Unter den Polyätherdiolen seien insbesondere solche auf Basis des Tetrahydrofurans erwähnt.
Unter den für die Herstellung der Polyurethane vorgesehenen Diisocyanaten seien aromatische, wie 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat bzw. dessen Derivate, wie carbodiimidmodifiziertes 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, und Ditoluyldiisocyanat, cycloaliphatische, wie Isophorondiisocyanat, oder insbesondere aliphatische, wie !,ö-Hexandiisocyanatode^^-Trimethylhexandiisocyanat-1,6, genannt. Auch die Diisocyanate können für sich allein oder als Gemisch eingesetzt werden.
Die Polyurethane können in einfacher Weise im Einstufenverfahren gefertigt werden. Da die hohen Temperaturen am Ende der Reaktion sich nich nachteilig auf die Qua-
b5 lität der Produkte und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens auswirken, ergeben sich daraus die Vorteile, daU in kurzer Zeit eine praktisch vollständige Umwandlung der Ausgangskomponenten in die fertig ausreagierten Poly-
urethane stattfindet und andererseits wegen der bei ilen Endiemperaturea von 200 -bis 2400C verhittnismäBig niedrigen Viskosität der Reaktionsprodukte eine lcScäate Weiterverarbeitung durch Ausgießen aus dem Reaktionsgefäß in flache Behälter oder auf Transj-ortbänder möglich wird. Schließlich erübrigt sich trater diesen Reaktionsbedingungen das sonst häufig Ttotvnend^e Nachlempern, um einen ftesüsocyanatgehalt vollständig in Urethan umzusetzen. 33ic Reaktionsdauer beträgt nach Erreichen der Starttempfiralur, wenn man z.B., wie erwähnt, bei Mischfiigsansätien mit GÄWichtsmeagen an Diisocyanai von 100 Teilen und mehr pro IOD Tsile Polyester soviel "Wärme zuführt, bis eine Temperatur von etwa 500C er-Teichl ist, 15 bis 20 Minuten. Statt des Emstufenverfah-■rens, bei dem die einzelnen Komponenten - flüssig oder fest - in bsfielir^er Reihenfolge in das Reaklionsgefäß gegeben werden, kann die Reaktion auch in an sich bekannter Weise im Zweistufenverfahren durchgeführt werden.
Ebenso ist die Herstellung der Polyurethane nicht notweodigerweise an ein diskontinuierliches Verfahren gebunden. Vielmehr ist eine Fertigung auch kontinuierlich, z.B. in einem Reaktionsextruder, möglich.
20,00 kg Butytenglykol/Athylengtykol/AdipinsaurepoJyester mit der OH-ZaW 56 (Molekulargewicht 2000),
16,80 kg 1 ,6-Hexamelhylendfisocyanat, 4,37 kg Neopentylglykol und
4,50 kg 1,4-Bulandiol
Die Mischung hat einen NCO-lndex von 98. Die Herstellung erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben.
30
35
Beispiel 1
Folgende Ausgangsstoffe wurden verwendet:
34,60 kg Butylengrykol/Äihylenglykol/Adipinsäurepoly ester mit der OH-Zahl 56 (Molekulargewicht 2000),
27,70 kg 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 6JO kg Neopentylglykol,
4,0 kg Diäthylengrykol und
5,0 *g 1,4-Butandiol.
Die Mischung hat einen NCO-lndex von 98. Das Verhältnis der Äquivalenl-% der Diole a.) zu Diol b.) beträgt 63,2:36,8.
Herstellungsverfahren
Die Herstellung erfolgt im Einstufenverfahren. Glykole, Polyester und Diisocyanat werden in ein Reaktionsgefaß gegeben und unter Rühren auf 6O0C erhitzt. Durch exotherme Reaktion steigt die Temperatur in ca. 20 Minuten auf 200°C. Bei dieser Temperatur wird das Polyurethan in flache Behälter ausgegossen. _
Eigenschaften
Schmelzbereich: 115 bis 125°C
(gemessen auf der Kofier-Heizbank) Schmelzindex: 40 g/10 min
(2,16 kp bei 1400C)
Festigkeitseigenschaften
einer 0,3 mm dicken Preßfolie
Zugfestigkeit (N/iW): IU
(nach DlN 53371)
Bruchdehnung (%): 560
(nach DIN 53371)
Weiterreißfestigkeit (N/mm): 43,4
(nach DIN 53356)
Vergleichsversuch A
Folgende Ausgangss'oife wurden verwendet:
50
55
60
65 Eigenschaften
Schmelzbereich: 120 bis 1300C
(Koner-Heizbank)
Schmelzindex: 28,0 g/10 min
(2,16 kp bei 1400C)
Haftfestigkeit
Vergleich von Beispiel 1 mit Vergleichsversuch A
Auf ein Viskose/kservlies (Gewicht 30 g/m2) wurden 30 g/m' eines Pulvers (Teilchengröße 200 bis 400μνη), das durch Mahlen von Granulat des Polyurethans von Beispiel 1 und Vergleichsversuch A erhallen worden ist, gleichmäßig aufgebracht Die Pulver wurden 3 Minuten bei 1700C angesintert. Danach wurden die Muster: A) mit Polyester-Baumwollgewebe; B) mit Baumwoll-Popeüngewebe unter den Bedingungen: 12 Sekunden bei 1500C und einem Druck von 350 g/cm3 verpreßt. Die erhaltenen Proben wurden wie folgt untersucht:
1) Primärhaftung mit Polyester-Baumwollgewebe
2) Haftung nach Reinigung mit Perchloräthylen
3) Primärhaftung mit Baumwoll-Popeüngewebe
4) Haftung nach Wäsche bei 60° C Haftfestigkeit: N/5 cm - Streifenbreite
40
Beispiel 1 14,0
Vergleichsversuch A 5,8
15,0 26,0 21,0 4,1 11,7 8,2
Wie man sieht, führt das nach Beispiel 1 gefertigte Polyurethan, das außer Neopentylglykol auch Diäthylenglykol als Ausgangskomponenten enthält, in allen Fällen zu höheren Haflfestigkeitswerten als bei dem Polyurethan, bei welchem nur Neopentylglykol und 1,4-Butandiol als Ausgangskomponenten verwendet worden sind.
Beispiel 2
Folgende Ausgangsstoffe wurden eingesetzt:
20,00 kg Butylenglykol/Äthylengrykol/Adipinsäurepolyester mit der OH-Zahl 56 (Molekulargewicht 2000),
12,00 kg 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 2,08 kg Neopentylglykol,
2,69 kg 1,6-Hexandiol und
1,80 kg 1,4-Butandiol.
Die Mischung hat einen NCO-lndex von 98. Das Verhältnis der Äquivalent-% des Diols a.) zu den Diolen b.) beträgt 31,8:68,2.
Die Herstellung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.
E i g c η s c h a Γι c n
Schmclzbcrcich: (Koiler-I lei/bank) Schnielzindcx: (2,16 kp bei 14()°C)
Festigkeitscigeiisehaften einer 0,3 mm dicken Prelifolie:
Zugfestigkeit (N/mnr): (nach DlN 53371) Bruchdehnung (%): (nach DlN 53371) Weiterreißlestigkeit (N/mm) (nach DIN 53356)
120 bis 13O0C 44,0 g/10 min
16,8 650 48.5
Beispiel 3 Folgende Ausgangsstoffe wurden verwendet:
20,00 kg Butylcnglykol/ÄthylcnglykolMdipinsäurcpolyester mit der Oll-Zahl 56 (Molekulargewicht 2000),
12,00 kg !,ö-llcxamethylendiisocyanat. 1,66 kg Neopentylglykol, 2,69 kg 1,6-1 lexandiol und 2.16 kg I.4-Bulandiol.
Die Mischung hat einen NCO-lndex von 98. Das Verhältnis der Äquivalent-% des Diols a.) zu den Diolen b.) betragt 25,4:74,6.
Die Herstellung erfolgt wie im Beispie! I beschrieben.
l:.igenschaftcn
Schmelzbercich: 120 bis 130° C
(Koller-Ileizbank)
Schmelzindex: 53,0 g/10 min
ίο (2,16 kp bei 1400C)
Fesligkcilseigenschaften
einer 0,3 mm dicken PrelJlblic:
Zugfestigkeit (N/mnv): 17,2
(nach D!N 5337!)
Bruchdehnung (%): 580
(nach DlN 53371)
WeiterreiMfestigkeit (N/mm): 57,0
(nach DiN 53356)
Die nach den Beispielen 2 und 3 hergestellten Polyurethane, die im Gegensatz zum Polyurethan des Beispiels 1 im Gemisch der niedermolekularen Glykole einen wesentlich geringeren schmelzpunktsenkenden Neopentylglykolanteil enthalten, weisen deutlich bessere Festigkeitswerte auf. Der Schmelzpunkt ist hingegen nur geringlügig erhöht, da auch hier ein Gemkih vnn 3 Glyknlen verwendet wurde.

Claims (1)

  1. 29 .Ό6
    Patentanspruch:
    Verfahren zur He.stellung -von niedrigschmelzenden Polyurethanen durch Umsetzung von Polyester- s diolen und/oder Polyätherdiolen mit einem Molekulargewicht von über 500 und biszuSOOO-undDüsacyanaten oder Diisocyanatgemischenoind von wenigstens drei niedermolekularen Diolen aus der .Gruppe a.) Neopentylglykol, 2,2yDiäthy|prqpandiol-:l,3 oder Di- id äthylenglykol und aus der Gruppe b.) Äthylenglykol, 1,4-Butandiol oder 1,6-HexandioI.als Ketlenverlänge-. rungsmiltel, wobei wenigstens -eines dieser Diele aus der Gruppe a.) und wenigstens -.ein weiteres Diol aus der Gruppe b.) ausgewählt ist,.gegebenenfalls unter rs .Zusatz von unterf % einer monofunktionßllen aktiven \WasserstoiT enthaltenden'VfifbJnilung der den niedermolekularen Diolen äquivalenten Mengen, .Ohne IS-•sungsmittelzusatzin>einer odermehrerenStufen unler Einhaltung eines :NCO-lndex von mehr als 90, dadurchgeken aze i chnel, 'daß man die niedermolekularen Diole ia einem Verhältnis der Ä<pSvaletü-% der Diole a.) zu den Diolen b.) zwischen 20:80 und 75:25 einsetzt und .der NCQ-faidex zwischen 91 and 99 liegt-
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