DE3426875C2 - Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen mit überragender Hydrolysebeständigkeit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen mit überragender HydrolysebeständigkeitInfo
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- C08G18/4275—Valcrolactone and/or substituted valcrolactone
Description
Es ist gut bekannt, daß man ein Polyurethan durch Umsetzung
eines hochmolekularen Polyols, wie ein Polyesterpolyol
und ein Polyetherpolyol mit einem Polyisocyanat und
gegebenenfalls mit einer Verbindung mit aktiven Wasserstoffatomen
und niedrigem Molekulargewicht herstellen
kann. Unter den bekannten Polyurethanen besitzt ein Polyurethan,
welches unter Verwendung eines Polyesterpolyols
als Polyolkomponente hergestellt wird,
eine schlechte Hydrolysebeständigkeit, so daß
die Oberfläche des Polyurethans in kurzer Zeit klebrig
wird und Risse bildet. Die Verwendungsmöglichkeit dieses Polyurethans
ist somit begrenzt. Das Polyurethan, welches hergestellt
wird, indem man anstelle des Polyesterpolyols ein Polyetherpolyol
einsetzt, besitzt zwar eine zufriedenstellende
Hydrolysebeständigkeit, es besitzt jedoch eine geringe
Lichtbeständigkeit, und seine dynamischen Eigenschaften,
seine Friktionsbeständigkeit, Ölbeständigkeit und Lösungsmittelbeständigkeit
sind ungenügend. Das Polyurethan,
das unter Verwendung eines Polycarbonatpolyols, wie
1,6-Hexandiol-polycarbonat, als Polyolkomponente hergestellt
wird, besitzt eine gute Hydrolysebeständigkeit, und
die Nachteile, die bei Verwendung der Polyetherpolyole
auftreten, werden beseitigt. Jedoch ist das
Polycarbonatpolyol sehr teuer, und die Kältebeständigkeit
des Polyurethans ist nicht zufriedenstellend.
Es ist weiterhin ein Polyurethan mit relativ guter Hydrolysebeständigkeit
bekannt, welches unter Verwendung eines
Polycaprolactonpolyols und eines Polyesterpolyols,
erhalten durch Umsetzung von 1,6-Hexandiol und Neopentylglykol
mit Adipinsäure, hergestellt wird. Ein solches
Polyurethan besitzt keine ausreichende Hydrolysebeständigkeit.
Härtbare Polyurethane werden im allgemeinen durch Härtung
eines Prepolymeren (Hauptbestandteil) mit endständigen
Isocyanatgruppen
oder endständigen Hydroxylgruppen
mit einem Härtungsmittel, wie Polyol, Polyamin,
Wasser oder Polyisocyanat, hergestellt. Das weiche
Segment, welches den Hauptbestandteil darstellt,
kann ein Polyetherpolyol oder ein Polyesterpolyol enthalten.
Ein Polyesterpolyol ist im allgemeinen bevorzugt,
wenn das Polyurethan als Anstrichmittel und als
elastisches Material verwendet wird und Klebeeigenschaften
besitzen soll. Verglichen mit dem Polyetherpolyol
mit dem gleichen Molekulargewicht, ist das Polyesterpolyol
eine Flüssigkeit mit höherer Viskosität oder ein
Feststoff wegen seiner Kristallisationsfähigkeit und
Wasserstoffbindungen.
Wo kein Lösungsmittel oder ein hoher Feststoffgehalt erforderlich
ist, wie in Anstrichmitteln und Klebstoffen,
oder wie in Abdichtungsmassen, wird daher ein
Polyetherpolyol bevorzugt verwendet, so daß eine flüssige
Zusammensetzung erhalten wird, die eine niedrige
Viskosität besitzt, was eine bessere Verarbeitbarkeit
beinhaltet, uns zu der man leicht Füllstoffe und
Pigmente zugeben kann. Obgleich man durch eine Verringerung
des Molekulargewichts des Prepolymeren den Feststoffgehalt
des Polyesterpolyol-Prepolymeren erhöhen
kann, verschlechtern sich dadurch die Eigenschaften der
Anstriche und die Klebeeigenschaften.
Aus der US-PS 35 91 561 ist bereits ein Polyurethan-Elastomeres
bekannt, das aus einer Mischung hergestellt wird, welche
aus einem Lactonpolyesterpolyol mit einem Molekulargewicht
zwischen 1700 und 3000 und einem aliphatischen Diol
mit einem Molekulargewicht zwischen 60 und 150 und einem organischen Diisocyanat besteht.
Die US-PS 37 29 505 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines Polyurethans unter Verwendung eines polymerisierten
Polyols mit einer von γ,γ-Dimethyl-δ-valerolacton oder γ-
Methyl-δ-valerolacton abgeleiteten Struktureinheit.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines
Polyurethans zur Verfügung zu stellen, welches billig
ist und alle gewünschten Eigenschaften, wie eine sehr
gute Hydrolysebeständigkeit, Lichtbeständigkeit, dynamische
Eigenschaften, Ölbeständigkeit, Friktionsbeständigkeit
und Kältebeständigkeit, besitzt. Es wurde
gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn man
als Polyol-Komponente ein Polyol verwendet, welches
im Molekül enthält.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung
von Polyurethanen mit überragender Hydrolysebeständigkeit
durch Umsetzung eines Lactonpolyesterpolyols auf Basis
von δ-Valerolacton mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen im
Molekül und einem Polyisocyanat und gegebenenfalls einem
Kettenextender. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß man als Lactonpolyesterpolyol
- (a) einen solchen mit im Molekül verwendet, der aus β-Methyl-δ-valerolacton und einer Verbindung mit zwei oder mehreren aktiven Wasserstoffatomen durch Ringöffnungspolymerisation erhalten worden ist, oder
- (b) einen solchen mit im Molekül verwendet, in dem die nicht unter 20 Gew.-% des Polyols vorhanden sind und der durch statistische Copolymerisation oder Blockcopolymerisation von β-Methyl-δ-valerolacton und anderen Lacton erhalten worden ist, oder
- (c) ein Polyolgemisch aus dem Lactonpolyesterpolyol (a) und Polycaprolactonglykol im Molverhältnis 1 : 1 einsetzt.
Beispiele von Polyolen mit
im
Molekül sind Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-polyol, ein
Polyolgemisch, das diese Verbindung und ein Blockpolyol oder
ein copolymerisiertes Polyol statistischer Verteilung enthält,
das man durch Ringöffnungs-Copolymerisation von β-
Methyl-δ-valerolacton als einer Komponente erhält. Poly-(β-
methyl-δ-valerolacton)-polyol kann durch Ringöffnungspolymerisation
von β-Methyl-δ-valerolacton mit einem mehrwertigen
Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht, wie Ethylenglykol
und Butandiol, erhalten werden.
Das Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-polyol selbst besitzt
eine schlechte Wärmebeständigkeit, d. h. es findet eine
schnelle Depolymerisation zu β-Methyl-δ-valerolacton-
Monomerem statt, wenn man das polymerisierte Polyol bei
einer Temperatur von 120°C stehenläßt. Bei einer hohen
Temperatur findet diese Deopolymerisation ebenfalls statt,
z. B. selbst wenn Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-polyol
durch weitere Umsetzung terminaler Hydroxylgruppen in dem
Molekül von Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-polyol mit
ε-Caprolacton modifiziert wird.
Es wurde jedoch überraschenderweise gefunden, daß, wenn
derartig modifiziertes Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-
polyol bei der Herstellung eines Polyurethans verwendet
wird, der Wärmeabbau in dem gebildeten Polyurethan vermieden
werden kann. Wenn man Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)
-polyol einsetzt, das nicht, wie vorstehend beschrieben,
modifiziert wurde, tritt eine Zersetzung in der Wärme auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man ein Polyurethan
mit ausgezeichneten Eigenschaften. Dieses wird
durch Umsetzung des erfindungsgemäß eingesetzten spezifischen Polyols
und eines Polyisocyanats erhalten. Das so erhaltene
Polyurethan besitzen ausgezeichnete Eigenschaften und
kann somit für verschiedene Zwecke verwendet werden.
Die Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht, die bei
der Polymerisation des β-Methyl-δ-valerolactons verwendet
wird, umfaßt Polyole mit niedrigem Molekulargewicht, wie
Ethylenglykol, Butandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, Trimethylolpropan
und Glyerin, Polyamine mit niedrigem Molekulargewicht,
wie Ethylendiamin und Hexamethylendiamin, sowie
Alkanolamine mit niedrigem Molekulargewicht, wie Ethanolamin.
Ein Poly-(ε-caprolacton)-polyol, welches auf gleiche
Weise, wie vorstehend beschrieben, erhalten worden ist, sowie
ein Polyesterpolyol, welches durch Kondensation
eines Diols und einer Dicarbonsäure erhalten
worden ist, zeigen im allgemeinen hohe Schmelzpunkte von
30 bis 60°C und eine starke Kristallisationsneigung, und
daher kann bei Polyurethanen, die aus solchen Polyolen
erhalten worden sind, während der Härtung der weichen
Segmentkomponenten eine Kristallbildung auftreten, wodurch
die Elastizität schnell verschlechtert wird. Weiterhin
besitzen derartige Polyole hohe Schmelzviskositäten,
wodurch ihre Handhabung bei der Herstellung von
Polyurethanen erschwert wird. Andererseits ist Poly-(β-
methyl-δ-valerolacton)-polyol selbst ein amorphes Polymeres
und eine Flüssigkeit mit sehr niedriger Viskosität,
so daß die erwähnten Nachteile nicht auftreten.
Obgleich Methyl-δ-valerolactone , α-Methyl-δ-valerolacton,
β-Methyl-δ-valerolacton, γ-Methyl-δ-valerolacton
und δ-Methyl-δ-valerolacton umfassen, besitzt
nur ein Polyurethan, das als weiche Segmentkomponente
davon ein Polymeres oder Copolymeres enthält, das durch
Ringöffnungspolymerisation von β-Methyl-δ-valerolacton
erhalten worden ist, eine gute Hydrolysebeständigkeit.
Ein Polyurethan, das aus einem Polymeren besteht, welches
durch Ringöffnungspolymerisation der anderen Methyl-
δ-valerolactone (α-, γ- oder δ-Methyl-δ-valerolacton)
oder δ-Valerolactone, substituiert mit keiner Methylgruppe,
als weiche Segmentkomponente erhalten worden
ist, besitzt keine ausreichende Hydrolysebeständigkeit
wie in einem Polyesterpolyurethan mit Ausnahme des Polyurethans
gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Polyurethan,
welches aus einem Polymeren, erhalten worden ist,
das durch Ringöffnungspolymerisation von Dimethyl-δ-valerolacton
gebildet worden ist, besitzt keine gute Zugfestigkeit
und Dehnung. Poly-ε-caprolacton-polyurethan
besitzt ebenfalls keine ausreichend verbesserte Hydrolysebeständigkeit.
Unter den Poly-(methyl-δ-valerolacton)-polyurethanen
besitzt nur das Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-polyurethan
oder das Polyurethan, welches aus einem Polymeren
oder Copolymeren besteht, das durch Ringöffnungspolymerisation
von β-methyl-δ-valerolacton erhalten worden
ist, eine bemerkenswert gute Lichtbeständigkeit. Ein
derartiges Polyurethan ist hinsichtlich der Friktionsbeständigkeit,
der Ölbeständigkeit, Kältebeständigkeit
und den anderen mechanischen Eigenschaften dem bekannten
Polyesterpolyurethan nicht unterlegen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es für die Hydrolysebeständigkeit
wesentlich, daß das δ-Valerolacton, welches zur Herstellung
eines polymerisierten Polyols verwendet wird, nur
einen Methylsubstituenten in der β-Stellung aufweist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann, wenn die Menge an
Gruppen, die durch Ringöffnungspolymerisation von β-Methyl-
δ-valerolacton
erhalten
werden, nicht unter 20 Gew.-%, bevorzugt nicht unter
40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Lactonpolyesterpolyol
beträgt, ein Prepolymeres mit ausgezeichneten Eigenschaften,
wie Hydrolysebeständigkeit, und mit niedriger Viskosität
erhalten werden. Es ist besonders bevorzugt, daß
das Lactonpolyesterpolyol nur aus
mit Ausnahme der
an den beiden endständigen Gruppen in dem
Polyol und der Gruppen, die auf der Verbindung
mit niedrigem Molekulargewicht beruhen, welche als
Initiator bei der Ringöffnungspolymerisation von β-Methyl-
δ-valerolacton verwendet wurde, besteht. Wenn nämlich
β-Methyl-δ-valerolacton allein verwendet wird oder
wenn das gesamte Polyol Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-
polyol ist, erhält man die allerbeste Hydrolysebeständigkeit
und eine niedrige Viskosität des Prepolymeren.
Der Ersatz von nicht weniger als 20 Gew.-%, bevorzugt nicht
weniger als 40 Gew.-%, Polybutylenadipatpolyol oder Polyhexamethylenadipatpolyol
durch das erfindungsgemäß modifizierte
Polyol ergibt ein Polyurethan
mit verbesserter Hydrolysebeständigkeit und verringerter
Kristallinität und gleichzeitig kann ein Polyurethan mit
verbesserter Eigenschaft bei niedriger Temperatur und
verbesserter Elastizität erhalten werden.
Die beschriebenen verbesserten Eigenschaften können
erhalten werden, wenn der Gehalt an
in der Polyolkomponente nicht
unter 20 Gew.-%, bevorzugt nicht unter 40 Gew.-%, liegt,
selbst wenn das Polyurethan aus dem Copolymeren mit anderen
Lactonen besteht, z. B. dem Lactonpolyesterpolyol
mit
in statistisch verteilten oder
Blockzustand im Molekül, welches durch Ringöffnungspolymerisation
von ε-Caprolacton und β-Methyl-δ-valerolacton
gebildet wird, oder dem blockpolymerisierten Polyol, das
aus Adipatpolyesterpolyol und β-Methyl-δ-valerolacton
erhalten wird.
Das Lactonpolyesterpolyol, das bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, wird beispielsweise wie folgt
hergestellt.
Bei der ersten Stufe wird β-Methyl-δ-valerolacton der
Ringöffnungs-Additionspolymerisation mit einer niedermolekularen
Verbindng mit zwei oder mehr aktiven Wasserstoffatomen unterworfen.
Normalerweise wird die Reaktion in Gegenwart
eines Katalysators durchgeführt.
Der verwendete Katalysator kann irgendeiner
der üblicherweise bei der Ringöffnungspolymerisation von
Lactonen verwendeten Katalysatoren sein, wie eine Mineralsäure,
z. B. Schwefelsäure und Phosphorsäure, ein Alkalimetall,
z. B. Lithium, Natrium und Kalium, oder eine Metallalkylverbindung,
z. B. n-Butyllithium. Im allgemeinen
wird der Katalysator bevorzugt in einer Menge von
0,001 bis 10 Mol-%, bezogen auf das Lacton, verwendet.
Die Reaktion wird in einer Atmosphäre von Inertgas, wie
Stickstoff, Helium oder Argon, durchgeführt. Es
ist bevorzugt, den Wassergehalt von β-Methyl-δ-valerolacton
und der Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht
so weit wie möglich vor der Reaktion zu verringern.
Die Reaktion wird normalerweise bei einer Temperatur
nicht unter 0°C und bevorzugt bei einer Temperatur
nicht über 120°C wegen der ungenügenden Wärmestabilität
von Poly-(β-methyl-δ-valerolacton) durchgeführt. Die Reaktionszeit
liegt im allgemeinen im Bereich von 10 Minuten
bis 50 Stunden. Die Reaktion kann im allgemeinen in
Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Sie
kann ebenfalls in Anwesenheit eines inerten Lösungsmittels
durchgeführt werden. Nach fast vollständiger Reaktion
wird die gewünschte Menge an ε-Caprolacton in die
Mischung eingearbeitet und die Reaktion wird weitergeführt,
wobei die endständigen Gruppen von Poly-(β-methyl-
δ-valerolacton)-polyol (als PMVL bezeichnet) mit ε-
Caprolacton unter Bildung des erfindungsgemäß verwendeten
Lactonpolyesterpolyols modifiziert werden. Durch
Erhöhung der Menge an ε-Caprolacton für die Modifizierung
kann man natürlich eine noch bessere Wärmebeständigkeit
erhalten, aber die erhaltene Hydrolysebeständigkeit
erniedrigt sich. Daher ist es bei der Reaktion, bei der
das Lactonpolyesterpolyol modifiziert wird, bevorzugt,
das β-Methyl-δ-valerolacton und das ε-Caprolacton in
einem Verhältnis von 1 : 0,1 bis 1 : 5 und bevorzugt von 1 : 0,2
bis 1 : 2 Mol zu verwenden.
Die Wärmestabilität des erfindungsgemäß verwendeten
Lactonpolyesterpolyols kann durch einige
Katalysatoren, die bei der Herstellung von PMVL verwendet
werden, verschlechtert werden, oder durch die Anwesenheit
eines solchen Katalysators können bei der Bildung
des Polyurethans unerwünschte Nebenreaktionen auftreten.
Es ist daher bevorzugt, daß das entstehende
Lactonpolyesterpolyol mit Wasser zur Entfernung
des Katalysators gewaschen wird.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Lactonpolyesterpolyol
besitzt normalerweise ein Molekulargewicht
von 300 bis 10 000, bevorzugt von 600 bis 6000, besonders
bevorzugt von 700 bis 4000.
Ein Polyol, das zusammen mit dem Lactonpolyesterpolyol, das
aufweist, verwendet wird,
kann irgendein Polyol sein, das bei der üblichen Herstellung
von Polyurethanen verwendet wird.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete, organische
Polyisocyanat umfaßt aromatische Diisocyanate, wie
4,4′-Diphenylmethandiisocyanat, 2,4-Toluylendiisocyanat,
2,6-Toluylendiisocyanat, Phenylendiisocyanat,
1,5-Naphthylendiisocyanat, 3,3′-Dichlor-4,4′-diphenylmethandiisocyanat
und Xylylendiisocyanat,
sowie aliphatische oder alicyclische
Diisocynate, wie Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat,
4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat,
hydriertes Xylylendiisocyanat und hydriertes Phenylendiisocyanat.
Das Polyisocyanat kann allein
oder in Form eines Gemisches aus zwei oder mehreren Polyisocyanaten
verwendet werden. Weiterhin können die organischen
Polyisocyanate variiert werden, indem man sie
in ein polyfunktionelles Isocyanatprepolymeres überführt
durch Umsetzung eines solchen organischen Polyisocyanats
mit polyfunktionellen Alkoholen, wie Trimethylolpropan,
Glycerin und Pentaerythrit, oder durch
Überführung in das Prepolymere mit endständigen Isocyanatgruppen
unter Verwendung hochmolekularer Polyole.
Bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Polyurethans
wird eine Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht
mit zwei oder mehr aktiven Wasserstoffatomen als
Kettenextender (Härtungsmittel) verwendet. Bei der vorliegenden
Erfindung kann eine derartige Verbindung ebenfalls
eingesetzt werden.
Typische Beispiele für Verbindungen mit aktiven Wasserstoffatomen
sind Diole, wie Ethylenglykol, 1,4-Butandiol,
Propylenglykol, 1,6-Hexandiol, 1,4-Bis-(β-hydroxyethoxy)-
benzol, 1,4-Cyclohexandiol, Bis-(β-hydroxyethyl)-
terephthalat und Xylolglykol; Wasser, Hydrazin, Ethylendiamin,
Propylendiamin, Xylylendiamin, Isophorondiamin,
Piperazin, Phenylendiamin, Toluylendiamin, Dihydrazid-adipat
und Dihydrazid-isophthalat. Ein solcher
Kettenextender bzw. Streckmittel bzw. Verlängerungsmittel
(diese Ausdrücke werden synonym verwendet) können
allein oder in Form eines Gemisches verwendet werden.
Gewünschtenfalls kann man einen einwertigen
Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht oder ein Monoamin
mit niedrigem Molekulargewicht als Modifizierungsmittel einarbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
Polyurethans kann nach irgendeinem bekannten Verfahren
durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Polyurethan
hergestellt werden, indem man das Lactonpolyesterpolyol
mit einem Kettenextender
vermischt und das Gemisch
bei 40 bis 100°C erhitzt und dann ein Polyisocyanat
zu dem Gemisch zugibt und während
kurzer Zeit bei einer Temperatur von 50 bis 150°C
heftig rührt. Das Polyisocyanat wird in das
Gemisch in dem Verhältnis der Anzahl der aktiven Wasserstoffatome
in dem Gemisch zur Anzahl der NCO-Gruppen von
etwa 1 : 1 eingearbeitet. Alternativ kann die Reaktion
über das Polyurethanprepolymere durchgeführt werden.
Das Polyisocyanat wird normalerweise in geringem
Überschuß verwendet, da es gegenüber Feuchtigkeit
sehr empfindlich ist.
Die Reaktion kann in einem oder mehreren Lösungsmitteln
durchgeführt werden, die ausgewählt werden können unter
Dimethylformamid, Diethylformamid, Dimethylsulfoxid,
Dimethylacetamid, Tetrahydrofuran, Isopropanol, Benzol,
Toluol, Ethylcellosolve und Trichlorethylen.
Um ein Polyurethan mit hohem Molekulargewicht zu erhalten,
ist es bevorzugt, daß die Konzentration der
Lösung 10 bis 40 Gew.-% beträgt.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Polyurethan
besitzt eine sehr gute Hydrolysebeständigkeit
und kann daher für verschiedene Anwendungen verwendet
werden.
Beispiele für das Verfahren zur Herstellung und der Anwendung
des bei der vorliegenden Erfindung erhaltenen
Polyurethans werden im folgenden gegeben.
- (1) Man kann thermoplastische Polyurethanpellets herstellen, die Pellets erwärmen und schmelzen und dann aus dem entstehenden geschmolzenen Material durch Spritzgießen, Strangpressen, Extrudieren und Kalandrieren elastomere Produkte herstellen.
- (2) Man kann ein Lactonpolyesterpolyol, ein organisches Polyisocyanat und einen Kettenextender zusammen vermischen oder ein Prepolymeres mit Isocyanat- oder Hydroxylgruppen als endständige Gruppen durch Umsetzung eines Lactonpolyesterpolyols mit einem organischen Polyisocyanat und anschließende Zugabe eines Kettenextenders oder eines Polyisocyanats herstellen und das entstehende Gemisch für besondere Anwendungen, wie zum Gießen von Elastomeren, als Anstrichmittel und als Klebstoffe verwenden.
- (3) Man kann ein Prepolymeres mit endständigen
Isocyanatgruppen,
das aus einem hochmolekularen Lactonpolyesterpolyol
und einem Polyisocyanat erhalten worden ist, mit
einem Härtungsmittel vermischen und Anstriche bzw. Beschichtungen
und Formlinge bzw. Formkörper bei solchen Bedingungen
herstellen, bei denen eine Härtung und Verformung gleichzeitig
erfolgen. Das Polyurethan kann z. B. hergestellt werden,
indem man ein solches Prepolymeres mit einem Kettenextender
mechanisch bei Zimmertemperatur bis 130°C vermischt, gewünschtenfalls
vor der Härtung entlüftet und durch Gießen,
Beschichten und Formen verformt bzw. einen Formkörper herstellt.
Das Verhältnis vom Prepolymeren zum Kettenextender
kann in Abhängigkeit von der gewünschten besonderen Verwendung
variiert werden. Im allgemeinen ist es wegen ihrer
Eigenschaften
bevorzugt, folgendes Verhältnis zu verwenden:
Zahl der NCO-Gruppen im Prepolymeren zur Zahl der aktiven Wasserstoffatome im Kettenextender innerhalb des Bereichs von 0,8 : 1 bis 3,0 : 1. Die Herstellung des Polyurethans kann jedoch auch außerhalb des genannten Verhältnisses erfolgen. - (4) Man kann das durch Lösungspolymerisation oder Massenpolymerisation erhaltene Polyurethan in einem Lösungsmittel auflösen und die Lösung als Beschichtungsmittel, als Imprägnierungsmittel oder als Egalisierungsmittel für Syntheseleder und Kunstleder verwenden.
- (5) Man kann das Prepolymere mit endständigen Isocyanatgruppen in einem Lösungsmittel auflösen und einen Kettenextender zu der Lösung zugeben, um eine stabile Spinnflüssigkeit herzustellen, und elastische Fasern durch Naßverspinnen oder Trockenverspinnen erzeugen.
- (6) Man kann verschiedene Zusatzstoffe, wie Treibmittel zu dem Lactonpolyesterpolyol zugeben, und man kann zu dem Gemisch ein organisches Polyisocyanat oder ein Prepolymeres mit endständigen Isocyanatgruppen zugeben, oder man kann die Zusatzstoffe zu dem Gemisch des Prepolymeren und eines Kettenextenders zugeben, man kann dann mit hoher Geschwindigkeit rühren, wobei man ein Polyurethan mit Schmelzeigenschaften, einen Schaumgummi oder einen Schaum mit Mikrozellen erhält.
Beispiele für andere Verwendungen des erfindungsgemäß
hergestellten Polyurethans sind Folien bzw. Platten,
Filme, Walzen, Getriebe, Gezähne, Räder, Zahnräder,
feste Reifen, Bänder, Riemen bzw. Gurte, Schläuche, Rohre,
Isolierungen für die Vibration, Packmaterialien, Schuhsohlen
(z. B. Schaum mit Mikrozellen), Kunstleder, Mittel
für die Faserherstellung bzw. Faserverarbeitung, Polstermaterialien,
mechanische Teile, Anstrichmittel, Klebematerialien,
Abdichtungsmittel, Mittel zur Erzeugung von wasserdichten
Materialien, Fußbodenbedeckungen bzw. Teppiche,
elastische Fasern, Dichtungsmaterialien, gegossene Elastomere,
Schaumgummi, verschiedene andere Arten von
härtbaren Polyurethanen, die Pigmente , Farbstoffe und
andere Zusatzstoffe enthalten.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. In den
Beispielen werden die verschiedenen Eigenschaften der
Polyurethane nach den folgenden Verfahren bestimmt.
(A) Ein 60 μm dicker Polyurethan-Anstrich wird
dem beschleunigten Hydrolysetest in heißem Wasser bei
100°C während einer Woche unterworfen. Der Film wird dann
in Dimethylformamid gelöst. Der verbleibende Bruchteil der
logarithmischen Viskositätszahl wird bestimmt.
(B) Ein 50 μm dicker Polyurethan-Anstrich wird
einem Dschungeltest bei 70°C in einer relativen Feuchtigkeit
von 95% während 28 oder 45 Tagen unterworfen. Der
verbleibende Bruchteil der Zugfestigkeit (Zugfestigkeit
des Polyurethan-Anstrichs vor dem Test zur Zugfestigkeit
des Polyurethan-Anstrichs nach dem Test) wird bestimmt.
Ein 50 μm dicker Polyurethanfilm wird mit einem Sonnenschein-
Bewitterungsmeter (Illuminierungsmittel:
Kohlenstoff-Bogen) 50 h bei einer Atmosphäre
von 63°C geprüft. Der verbleibende Bruchteil der
Zugfestigkeit
wird bestimmt.
Ein 200 μm dicker Polyurethanfilm wird eine Nacht bei
30°C in Toluol und Ethylacetat eingetaucht und dann wird
das Quellen als Gewicht des Testfilms gemessen.
Ein 0,2 mm dickes Teststück wird hergestellt und dann
wird der Glasübergangspunkt (Tg) mit einem dynamischen
Viskoselastizitätsmeter mit direkter Ablesung (110 Hz
Vibron Modell DDV-II, hergestellt von Toyo Sokki Co.,
Ltd., Japan) bestimmt.
Eine Polyurethanlösung wird auf ein Kunstledersubstrat
aufgetragen und getrocknet, um eine Trockendicke von
20 μm zu erhalten. Die Biegebeständigkeit wird mit einer
Biegevorrichtung (Hubbreite: maximal 3 cm, minimal 1 cm)
mit einer Biegezahl von 8600 Zyklen/h bei
einer Temperatur von -20°C bestimmt. Das Symbol o bedeutet
keine Änderung, das Symbol Δ bedeutet eine geringe
Beschädigung und das Symbol x bedeutet die Anwesenheit
einer Beschädigung; die auf dem Substrat auftritt.
Ein 1 mm dicker Testfilm wird mit einem konischen Abnutzungs-
Testgerät (H-22, Last: 1000 g, 1000 Zyklen) gerieben
und dann wird das reduzierte Gewicht des Testfilms
gemessen.
10 mg einer Probe werden in Stickstoffatmosphäre bei
einer konstanten Temperatur von 210°C während 5 h aufbewahrt.
Danach wird der thermogravimetrische Reduktionsfaktor
mit einem Differential-Scanning-Calorimeter TG-DSC
(hergestellt von Rigaku Denki Co., Ltd., Japan) bestimmt.
In den Beispielen werden die Polyole, Polyisocyanate
und Kettenextender des Rohmaterials für das Polyurethan
wie folgt abgekürzt:
P-β-MVL: Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-glykol (Initiator: Ethylenglykol)
PCL: Polycaprolactonglykol (Initiator: Ethylenglykol)
PBA: Polybutylenadipatglykol
PEA: Polyethylenadipatglykol
P-β-MVL/PCL=70/30: Lactonpolyesterdiol, erhalten durch aufeinanderfolgende Addition von Poly-(β-methyl- δ-valerolacton)-glykol und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 70/30; Initiator: Ethylenglykol)
P-β-MVL/PCL=50/50: Lactonpolyesterdiol, erhalten durch aufeinanderfolgende Addition von Poly-(β-methyl- δ-valerolacton) und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 50/50; Initiator: Ethylenglykol)
PCL/p-β-MVL=50/50: copolymerisiertes Polymerdiol mit statistischer Verteilung, erhalten durch gleichzeitige Addition von β- Methyl-δ-valerolacton und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 50/50; Initiator: Ethylenglykol
P-γ-MVL: Poly-(γ-methyl-δ-valerolacton)-glykol
P-α-MVL: Poly-(α-methyl-δ-valerolacton)-glykol
P-D-MVL: Poly-(γ,γ-Dimethyl-δ-valerolacton)- glykol
TDI: Toluylendiisocyanat-Gemisch (80% 2,4-Verbindung, 20% 2,6-Verbindung)
MDI: 4,4′-Diphenylmethandiisocyanat
HDI: Hexamethylendiisocyanat
EG: Ethylenglykol
BD: 1,4-Butandiol
BHEB: 1,4-Bis-(β-hydroxyethoxy)-benzol
TMP: Trimethylolpropan
Colonate L: Addukt von 1 Mol Trimethylpropan und 3 Mol Toluylendiisocyanat
Colonate HL: Addukt von 1 Mol Trimethylolpropan und 3 Mol Hexamethylendiisocyanat
TMP(p-β-MVL)₃: trifunktionelles Prepolymeres mit endständigen OH-Gruppen, erhalten durch Ringöffnungspolymerisation von β-MVL (Initiator: Trimethylolpropan)
TMP(p-β-MVL)₃(TDI): trifunktionelles Prepolymeres mit endständigen NCO-Gruppen, erhalten durch Umsetzung von 1 Mol TMP(p-β-MVL)₃ mit 3 Mol Toluylendiisocyanat)
(P-β-MVL)x(TDI)y: Polyurethan (Molekulargewicht 50 000) mit OH-Gruppen an beiden Enden, erhalten durch Umsetzung von x Mol p-β-MVL mit y Mol Toluylendiiscyanat
P-β-MVL: Poly-(β-methyl-δ-valerolacton)-glykol (Initiator: Ethylenglykol)
PCL: Polycaprolactonglykol (Initiator: Ethylenglykol)
PBA: Polybutylenadipatglykol
PEA: Polyethylenadipatglykol
P-β-MVL/PCL=70/30: Lactonpolyesterdiol, erhalten durch aufeinanderfolgende Addition von Poly-(β-methyl- δ-valerolacton)-glykol und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 70/30; Initiator: Ethylenglykol)
P-β-MVL/PCL=50/50: Lactonpolyesterdiol, erhalten durch aufeinanderfolgende Addition von Poly-(β-methyl- δ-valerolacton) und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 50/50; Initiator: Ethylenglykol)
PCL/p-β-MVL=50/50: copolymerisiertes Polymerdiol mit statistischer Verteilung, erhalten durch gleichzeitige Addition von β- Methyl-δ-valerolacton und ε-Caprolacton (Gewichtsverhältnis von 50/50; Initiator: Ethylenglykol
P-γ-MVL: Poly-(γ-methyl-δ-valerolacton)-glykol
P-α-MVL: Poly-(α-methyl-δ-valerolacton)-glykol
P-D-MVL: Poly-(γ,γ-Dimethyl-δ-valerolacton)- glykol
TDI: Toluylendiisocyanat-Gemisch (80% 2,4-Verbindung, 20% 2,6-Verbindung)
MDI: 4,4′-Diphenylmethandiisocyanat
HDI: Hexamethylendiisocyanat
EG: Ethylenglykol
BD: 1,4-Butandiol
BHEB: 1,4-Bis-(β-hydroxyethoxy)-benzol
TMP: Trimethylolpropan
Colonate L: Addukt von 1 Mol Trimethylpropan und 3 Mol Toluylendiisocyanat
Colonate HL: Addukt von 1 Mol Trimethylolpropan und 3 Mol Hexamethylendiisocyanat
TMP(p-β-MVL)₃: trifunktionelles Prepolymeres mit endständigen OH-Gruppen, erhalten durch Ringöffnungspolymerisation von β-MVL (Initiator: Trimethylolpropan)
TMP(p-β-MVL)₃(TDI): trifunktionelles Prepolymeres mit endständigen NCO-Gruppen, erhalten durch Umsetzung von 1 Mol TMP(p-β-MVL)₃ mit 3 Mol Toluylendiisocyanat)
(P-β-MVL)x(TDI)y: Polyurethan (Molekulargewicht 50 000) mit OH-Gruppen an beiden Enden, erhalten durch Umsetzung von x Mol p-β-MVL mit y Mol Toluylendiiscyanat
Unter Verwendung der in Tabelle 1 aufgeführten Rohmaterialien
werden die Polyurethane wie folgt hergestellt.
Eine vorbestimmte Menge an Polyol und Polyisocyanat werden
in einer Stickstoffatmosphäre umgesetzt. Das entstehende
Prepolymere wird in Dimethylformamid (DMF) gelöst,
so daß man eine Lösung mit einer Konzentration von
25 Gew.-% erhält. Dann wird die gewünschte Menge an Kettenextender
in DMF gelöst und die Lösung zu der letzteren
Prepolymerlösung zugegeben, und dann wird 10 h bei 70°C
unter Rühren umgesetzt, wobei man eine Lösung von Polyurtethan
in DMF erhält.
Die Polyurethanlösung wird auf eine Konzentration
von 10 Gew.-% eingestellt und die entstehende Lösung auf
Glas gegossen und getrocknet, so daß man getrocknete
Filme mit einer Dicke von 50 und 200 μm erhält. Die so
erhaltenen, getrockneten Filme werden für die vorstehend beschriebenen,
verschiedenen Tests für die Bestimmung der
Eigenschaften verwendet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
2(A) und 2(B) aufgeführt.
β-Methyl-δ-valerolacton (β-MVL) wird der Ringöffnungspolymerisation
bei Verwendung von Trimethylolpropan als Initiator unterworfen,
wobei man TMP(p-β-MVL)₃ (Molekulargewicht
3000) mit niedriger Viskosität erhält. 1 Mol TMP (p-β-MVL)₃
wird mit 3 Mol Toluylendiisocyanat unter Bildung eines trifunktionellen
Prepolymeren mit endständigen Isocyanatgruppen
umgesetzt. Das Prepolymere ist flüssig, und es besitzt
somit nicht nur eine gute Verarbeitungsfähigkeit, sondern
es ist auch unnötig, ein Lösungsmittel zu verwenden, wenn
es als Rohmaterial für durch Feuchtigkeit härtbare Polyurethan-
Zusammensetzungen und für härtbares Polyurethan
des Zwei-Flüssigkeits-Typs verwendet wird, welche dann
mit niedermolekularen Glykolen oder aromatischen Diaminen
umgesetzt wird. Das entstehende Prepolymere wird mit
BD bzw. Wasser in Abwesenheit eines Lösungsmittels gehärtet.
Die Hydrolysebeständigkeit des entstehenden Polyurethans
ist in Tabelle 3 angegeben. Auf gleiche Weise,
wie vorstehend beschrieben, wird ε-Caprolacton (ε-CL) anstelle
von β-MVL verwendet. Die Ergebnisse sind ebenfalls in
Tabelle 3 aufgeführt.
Das Vermischen des Prepolymeren mit endständigen NCO-
Gruppen und einem Härtungsmittel erfolgt innerhalb des
Verhältnisses von Zahl der NCO-Gruppen zur Zahl der
aktiven Wasserstoffatome von 1,1 : 1.
β-MVL wird der Ringöffnungspolymerisation bei Verwendung
von Ethylenglykol als Initiator unterworfen, wobei
p-β-MVL mit einem Molekulargewicht von 2000 und TMP(p-
β-MVL)₃ mit einem Molekulargewicht von 4000 als Flüssigkeit
erhalten wird. Diese Prepolymeren werden mit
Colonate L (75 Gew.-% Feststoffe in Ethylacetatlösung),
Colonate HL (75 Gew.-% Feststoffe in Ethylacetatlösung)
oder TDI umgesetzt und gleichzeitig unter Bildung eines
Polyurethananstrichs gehärtet. Die Hydrolysebeständigkeit
der entstehenden Anstriche werden bestimmt. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Das Vermischen des Prepolymeren mit endständigen OH-
Gruppen und der Härtungsmittel erfolgt in einem Verhältnis
von OH/NCO=1/1,1.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen mit überragender
Hydrolysebeständigkeit durch Umsetzung eines Lactonpolyesterpolyols
auf Basis von δ-Valerolacton mit zwei
oder mehreren Hydroxylgruppen im Molekül und einem Polyisocyanat
und gegebenenfalls einem Kettenextender, dadurch
geklennzeichnet, daß man als Lactonpolyesterpolyol
- (a) einen solchen mit im Molekül verwendet, der aus β-Methyl-δ-valerolacton und einer Verbindung mit zwei oder mehreren aktiven Wasserstoffatomen durch Ringöffnungspolymerisation erhalten worden ist, oder
- (b) einen solchen mit im Molekül verwendet, in dem die nicht unter 20 Gew.-% des Polyols vorhanden sind und der durch statistische Copolymerisation oder Blockcopolymerisation von β-Methyl-δ-valerolacton und anderen Lactonen erhalten worden ist, oder
- (c) ein Polyolgemisch aus dem Lactonpolyesterpolyol (a) und Polycaprolactonglykol im Molverhältnis 1 : 1 einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Lactonpolyesterpolyol (b) ein
solches verwendet, welches erhalten worden ist, indem man β-
Methyl-δ-valerolacton einer Ringöffnungspolymerisation mit
einer Verbindung mit zwei oder mehreren aktiven Wasserstoffatomen
unterwirft und anschließend mit ε-Caprolacton modifiziert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Lactonpolyesterpolyol verwendet,
in dem die Menge der
nicht unter 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Lactonpolyesterpolyols,
liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Lactonpolyesterpolyol mit einem
durchschnittlichen Molekulargewicht von 300 bis 10 000 verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Polyurethan in einer Stufe herstellt.
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