DE3800295C2 - - Google Patents

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Urethan- und Harnstoffderivate von sterisch gehinderten Phenolen und deren Verwendung als Stabilisatoren für organische Materialien.
Organische Materialien unterliegen Oxidation durch Luftsauerstoff. Die Alterung führt zu Sauerstoffunktionalisierungen, Abbaureaktionen und Vernetzungen, sie verschlechtert die Eigenschaften der Materialien und verringert die Lebensdauer der Produkte.
Die antioxidative Wirksamkeit von phenolischen Verbindungen, die in Nachbarschaft zur Hydroxygruppe Alkylsubstituenten tragen, ist seit langem bekannt. Schon geringe Mengen dieser Substanzen reichen aus, um die Stabilität von organischen Materialien gegenüber Sauerstoff beträchtlich zu erhöhen. Die Wirkungsweise dieser Stabilisatoren ist in der einschlägigen Literatur beschrieben, beispielsweise von K. Schwarzenbach in Gächter/Müller, Kunststoff-Additive, Carl Hanser Verlag, München/Wien, 1983.
Es sind auch bereits sterisch gehinderte phenolische Verbindungen mit Urethan- und/oder Harnstoffbindungen oder ähnlichen Gruppierungen be­ kannt.
So betrifft z. B. die DE-PS 15 68 622 Semicarbazide mit einer sterisch gehinderten phenolischen Gruppe und die DE-OS 25 12 895 u. a. Urethan­ verbindungen von Mono- und Diisocyanaten. Als Ausgangskomponenten zur Herstellung werden Mono- und Diisocyanate eingesetzt.
Gemäß SU-PS 10 98 933 werden Bisurethane aus Diisocyanaten und sterisch gehinderten Phenolen hergestellt.
Die DE-OS 26 18 685 bezieht sich auf gemischte Urethan-Harnstoff-Derivate, die aus Diisocyanaten, Alkoholen und Aminen hergestellt werden.
Die vorstehend beschriebenen Verbindungen werden zur Stabilisierung von organischen Materialien eingesetzt. Sie haben jedoch den Nachteil, daß ihre stabilisierende Wirkung nur über kurze Zeit anhält.
Es war Aufgabe der Erfindung, nach Verbindungen zu suchen, welche die bekannten Verbindungen in ihrer Wirksamkeit übertreffen, die genannten Nachteile nicht zeigen und eine große Anwendungsbreite aufweisen.
Gegenstand der Erfindung sind daher phenolische Urethan- und Harn­ stoffderivate der allgemeinen Formel I
worin
R = geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₈-Alkyl oder C₃-C₈-Cycloalkyl
n = eine Zahl von 2-12 und
A = ein O-Atom oder NH
bedeuten.
Einzelne Reste R sind z. B. CH₃, C₂H₅, n-C₃H₇, i-C₄H₉, t-C₄H₉, t-Amyl, C₆H₁₁, t-C₆H₁₃, i-C₈H₁₇. Bevorzugt sind Alkylreste, die in alpha-Stellung verzweigt sind, ins­ besondere t-C₄H₉.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen können auf an sich bekannte Weise hergestellt werden, indem man einen Alkohol oder ein Amin der allgemeinen Formel 2
worin A, R und n die oben angegebene Definition besitzen, mit Isopho­ rondiisocyanat umsetzt.
Die Reaktion kann sowohl in der Schmelze als auch in organischen Lösungs­ mitteln erfolgen, die keine mit Isocyanaten reagierenden Reste enthalten.
Als Katalysatoren kommen metallorganische Verbindungen oder Carbon­ säuresalze des Sn, Pb, Zn oder Mn in Frage. Beispiele für derartige Katalysatoren sind Di-n-butylzinndilaurat, Blei-(II)-octoat, Zinn- (II)-octoat und Zinkoctoat. Außerdem können tertiäre Amine, wie beispiels­ weise 1.4-Diazabicyclo[2.2.2]-octan (DABCO), allein oder in Mischung mit den zuvor genannten Verbindungen verwendet werden.
Der Temperaturbereich für die Umsetzung liegt bei 20 bis 200°C, in Lösung vorzugsweise bei 50 bis 100°C. Die Ausgangsprodukte sind bekannt, teilweise im Handel erhältlich oder können in Analogie zu bekannten Verfahren hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen eignen sich zum Stabilisieren von organischem Material, insbesondere von Kunststoffen und natürlichen und synthetischen Ölen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung der beanspruchten Verbindungen zum Stabilisieren von organischem Mate­ rial.
Als organische Polymere, die durch die erfindungsgemäßen Verbindungen stabilisiert werden können, kommen z. B. in Betracht:
Polymere von Mono- und Diolefinen, wie Polyethylen niedriger oder hoher Dichte, lineares Polyethylen niedriger Dichte, Polypropylen, Polyisobutylen, Polybuten-1, Polymethylpenten-1, Polyisopren, Polybutadien sowie Copolymerisate von Mono- und Diolefinen oder Mischungen der genannten Polymeren;
Copolymerisate von Mono- oder Diolefinen mit anderen Vinylmonomeren, wie z. B. Ethylen-Alkylacrylat-Copolymere, Ethylen-Alkylmethacrylat- Copolymere, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere oder Ethylen-Acrylsäure- Copolymere; Polystyrol; Copolymere von Styrol oder alpha-Methylstyrol mit Dienen oder Acrylderivaten, wie Copolymere aus Styrol-Butadien, Styrol-Acrylnitril, Styrol-Ethylmethacrylat, Styrol-Butadien-Ethylacrylat und Styrol-Acrylnitril-Methylacrylat;
Halogenhaltige Polymere, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid sowie Copolymere mit den entsprechenden Monomeren; Polymere die sich von alpha-beta-ungesättigten Säuren und deren Derivaten ableiten, wie Polyacrylate und Polymethacrylate, Polyacrylamide und Polyacrylnitrile;
Polymere, die sich von ungesättigten Alkoholen und Aminen bzw. deren Acylderivaten oder Acetalen ableiten, wie Polyvinylalkohol oder Poly­ vinylacetat;
Polyurethane, Polyamide, Polyharnstoffe, Polyester, Polycarbonate und Polyethersulfone.
Ebenfalls von Interesse ist die Stabilisierung von natürlichen und synthetischen Ölen, beispielsweise Mineralölen, Fetten, Ölen und Wachsen.
Die Verbindungen der Formel 1 werden den Substraten in einer Konzentration von 0,005 bis 5 Gew.-%, berechnet auf das zu stabilisierende Material, einverleibt. Vorzugsweise werden 0,01 bis 1,0, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,5 Gew.-% der Verbindungen, berechnet auf das zu stabilisierende Ma­ terial, eingearbeitet. Die Einarbeitung kann beispielsweise durch Einmischen mindestens einer der Verbindungen der Formel 1 und ggf. weiterer Additive nach den in der Technik üblichen Methoden, vor oder während der Formgebung, oder auch durch Aufbringen der gelösten oder dispergierten Verbindungen auf das Polymere, ggf. unter nachträglichem Verdunsten des Lösungsmittels, erfolgen.
Falls es sich bei dem zu stabilisierenden Stoff um einen Kunststoff handelt, kann die betreffende Zusammensetzung noch weitere Additive enthalten, beispielsweise Costabilisatoren, Lichtstabilisierungsmittel, weitere Antioxidantien, Metalldesaktivatoren, antistatische Mittel, flammhemmende Mittel, Schmiermittel, Weichmacher, Vernetzungsmittel, Farbstoffe, Pigmente und Füllstoffe.
Als Costabilisatoren seien erwähnt:
Schwefel enthaltende Antioxidantien, wie zum Beispiel Dilaurylthio­ dipropionat, Dimyristylthiodipropionat, Distearylthiodipropionat, Pentaerythrittetrakis-(beta-laurylthio-propionat), Pentaerythrit­ tetrakis-(beta-hexylthiopropionat) etc.;
Phosphor enthaltende Verbindungen wie zum Beispiel Tris-(nonyl­ phenyl)-phosphit. Distearylpentaerythritdiphosphit, Tris-(2,4-di- tert.-butyl-phenyl)-phosphit, Tris-(2-tert.-butyl-4-methylphenyl)- phosphit, Bis-(2,4-di-tert.-butylphenyl)-pentaerythritdiphosphit, Tetrakis-(2,4-di-tert.-butylphenyl)-4,4′-bi-phenylendiphosphit etc.
Lichtstabilisatoren, die zusammen mit den erfindungsgemäßen Verbindungen verwendet werden können, sind z. B. 2-(2′-Hydroxyphenyl)-benztriazole, 2-Hydroxybenzophenone, Arylester von Hydroxybenzoesäuren, alpha-Cyanozimtsäurederivate, Nickelverbindungen oder Oxalsäuredianilide, ferner Verbindungen, die eine 2,2,6,6-Tetraalkylpiperidinylgruppe enthalten, wie z. B. Sebacinsäure-bis-2,2,6,6-tetramethyl-4- piperidinylester, Sebacinsäure-bis-1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinylester, Poly-(N,beta-hydroxyethyl-2,2,6,6-tetramethyl-4-hydroxy­ piperidin-bernsteinsäureester) oder Poly-[6-((1,1,3,3-tetramethyl­ butyl)-imino)-1,3,5-triazin-2,4-diyl], [2-(2,2,6,6-tetramethylpipe­ ridinyl)-imino]-hexamethylen-[4-(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl)- imino].
Weitere Antioxidantien, deren Zugabe ggf. vorteilhaft ist, können ebenfalls phenolischer Natur sein. In Frage kommen hier alkylierte Monophenole, Alkyliden-Bisphenole, Ester und Amide der 3-(3,5-Di- tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionsäure etc. Als Beispiele seien angeführt: 2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol, 2,2′-Methylen-bis- (6-tert.-butyl-4-methylphenol), Octadecyl-(3,5-di-tert.-butyl-4- hydroxyphenyl)-propionat, Pentaerithrityl-tetrakis [3-(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxyphenyl)]-propionat etc.
Falls es sich bei dem zu stabilisierenden organischen Stoff um ein Öl handelt, kann die betreffende Zusammensetzung noch weitere Additive enthalten, beispielsweise Antikorrosionsmittel, Mittel zur Verbesserung der Viskosität, aschebildende und aschefreie Dispergiermittel, Pourpoint-Erniedriger, Metalldesaktivatoren, Höchstdruck-Zusatzmittel, Antiverschleißmittel und weitere phenolische Verbindungen mit antioxidativer Wirkung.
Die Herstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen wird in den folgenden Beispielen näher beschrieben.
A. Herstellungsbeispiele Beispiel 1
In einer Lösung aus 33,3 g (0,15 mol) Isophorondiisocyanat, 130 g Toluol und 0,017 g Di-n-butylzinndilaurat tropft man bei Raumtemperatur innerhalb von 30 min 79,5 g (0,3 mol) 3-(3,5-Di-tert.-butyl-4- hydroxyphenyl)-propanol-1 in 300 g Toluol. Das Reaktionsgemisch wird 5 h auf 60°C und 3 h auf 80°C erwärmt. Beim Abziehen des Lösungsmittels fällt das Bisurethan in quantitativer Ausbeute als weißer Feststoff an. Schmp.: 69-71°C.
Elementaranalyse:
ber.: C 73,56%, H 9,93%, N 3,73%
gef.: C 73,47%, H 10,00%, N 3,53%
Ersetzt man in diesem Beispiel die Alkoholkomponente durch eine äquivalente Menge eines Alkohols der Tabelle I, so erhält man bei sonst gleicher Arbeitsweise die entsprechenden Urethane mit den angegebenen Schmelzpunkten.
Tabelle I
Beispiel 5
In eine Lösung aus 26,7 g (0,12 mol) Isophorondiisocyanat und 105 g Toluol tropft man innerhalb von 30 min bei Raumtemperatur 63,2 g (0,24 mol) 3-(3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)-propylamin-1 in 400 ml Toluol. Das Reaktionsgemisch wird 3 h auf 55 bis 60°C erwärmt. Beim Abziehen des Lösungsmittels verbleibt das Bisharnstoffderivat als fester Rückstand und wird zweimal aus Toluol umkristallisiert. Ausbeute: 49,8 g, Schmp.: 140°C.
B. Anwendungsbeispiele B.1. Prüfung der Langzeitstabilität von Polypropylen
0,1% Calciumstearat enthaltendes Polypropylen (z. B. VESTOLEN P® 5200-Pulver, Hüls AG) wird mit 0,1% der in der Tabelle II angegebenen Antioxidantien in einem Schnellmischer homogenisiert, mit einem Einwellen­ extruder strangextrudiert und granuliert. Aus dem Granulat werden bei 210°C Probekörper vom Format 100×10×1 mm gepreßt und bei 145°C in einem Umluftwärmeschrank bei geschlossener Frischluftzufuhr gelagert. Gemäß DIN 53 383 wird als Oxidationsstabilitätszeit die Zeit bis zum Eintreten der sogenannten lokalen Versprödung ermittelt.
Einige Beispiele sind in der Tabelle II zusammengefaßt.
Stabilisator aus Beispiel
Oxidationsstabilitätszeit [d]
1
31
2 21
3 24
4 23
ohne Stabilisator < 1
Wenn man in der oben beschriebenen Prüfung zusätzlich zu dem phenolischen Antioxidans 0,1% Distearylthiodipropionat und 0,1% Tris-(2,4- di-tert.-butylphenyl)-phosphit in das Polymere einarbeitet und den Test unter identischen Bedingungen durchführt, erhält man die in der Tabelle III angeführten Ergebnisse.
Stabilisator aus Beispiel
Oxidationsstabilitätszeit [d]
1
79
3 67
4 54
B.2. Prüfung der Verarbeitungsstabilität von Polypropylen
0,1% Calciumstearat enthaltendes Polypropylen (z. B. VESTOLEN P® 5200-Pulver, Hüls AG) wird mit 0,1% des im Beispiel 1 beschriebenen Stabilisators in einem Schnellmischer homogenisiert, mit einem Einwellenextruder bei 250°C strangextrudiert und granuliert. Das Granulat wird weiteren fünf Extrusionspassagen unterworfen. Nach jeder Extrusions­ passage wird eine Granulatprobe entnommen und deren Schmelzindex MFI-190/5 (g/10 min) nach DIN 53 735 gemessen.
Tabelle IV
B.3. Prüfung der Langzeitstabilität von Polyethylen
0,1% Calciumstearat enthaltendes Polyethylen (z. B. VESTOLEN A 6016®, Hüls AG) wird mit 0,1% des im Beispiel 1 beschriebenen Stabilisators in einem Schnellmischer homogenisiert, mit einem Einwellenextruder bei 250°C strangextrudiert und granuliert. Aus dem Granulat werden bei 180°C Probenkörper vom Format 100×10×1 mm gepreßt und bei 100°C bei geschlossener Frischluftzufuhr gelagert.
Stabilisator aus Beispiel
Oxidationsstabilitätszeit [d]
1
220
ohne Stabilisator 40
B.4 Prüfung der Langzeitstabilität von Polyamid
In unstabilisiertes Polyamid 12 (VESTAMID L 1801®, Hüls AG) wird 0,5% des im Beispiel 1 beschriebenen Stabilisators eingearbeitet. Als Kriterium für die Stabilisatorwirkung dient der Schlagzugversuch nach DIN 53 448 mit gekerbten Probekörpern, die aus 1 mm dicken Spritzgußplatten ausgestanzt werden. Experimentell bestimmt wird die Restschlagzugzähigkeit in Abhängigkeit von der Lagerdauer bei 145°C. Die Halbwertszeit (50%ige Restschlagzugzähigkeit) beträgt 230 h. Wenn man die Prüfung ohne den Stabilisator durchführt, ermittelt man eine Halbwertszeit von 5 h.
B.5. Prüfung in Mineralöl
Entsprechend dem TOST-Test nach DIN 51 587 wird eine Mischung aus 90% Mineralöl (Typ 150 SN der Fa. VEBA-OEL) und 10 Vol.-% Wasser mit 0,1% des im Beispiel 1 beschriebenen Stabilisators versetzt. In Anwesenheit eines Cu/Fe-Katalysators werden bei 95°C pro Stunde 3 l Sauerstoff in die Lösung eingeblasen. Nach 1000 h wird der Test abgebrochen, da praktisch kein Abbau des Mineralöls festzustellen ist. Experimentell wird eine Neutralisationszahl (NZ) von 0,1 bestimmt. Wenn man die Prüfung ohne Stabilisator durchführt, wird schon nach 72 h eine NZ von 4,6 erreicht.

Claims (5)

1. Phenolische Urethan- und Harnstoffderivate der allgemeinen Formel 1 worin
R = geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₈-Alkyl oder C₃-C₈-Cycloalkyl
n = eine Zahl von 2 bis 12
A = ein O-Atom oder NH
bedeuten.
2. Verbindungen gemäß Anspruch 1, in denen n = 3 ist und R eine Methyl- oder tert.-Butylgruppe bedeutet.
3. Verwendung der Verbindungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 zum Stabilisieren von Polymeren.
4. Verwendung der Verbindungen gemäß Anspruch 3 zum Stabilisieren von Polyolefinen und Polyamiden.
5. Verwendung der Verbindungen gemäß Anspruch 3 zum Stabilisieren von synthetischen und natürlichen Ölen.
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