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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf reaktive Schmelzkleber mit
hoher Grünfestigkeit,
die im ersten Schritt der Reaktion aus einem Hydroxy-terminierten
Polyester-Prepolymer mit hohem Molekulargewicht hergestellt werden,
welches bei einer anwendbaren Temperatur kristallisieren wird und
zähe, schnell
härtende Eigenschaften
im ungehärteten
Kleber erzeugen wird.
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Reaktive
Schmelzkleber sind 100% feste, lösungsmittelfreie
Urethan-Prepolymere. Anders als herkömmliche Schmelzen, die wiederholt
aus ihrem festen Zustand erhitzt und zu einer flüssigen Form verlaufen lassen
werden können,
verhält
sich die reaktive heiße
Schmelze bzw. der reaktive Schmelzkleber wie ein Thermoplast und
macht eine irreversible chemische Reaktion durch, sobald sie/er
in Gegenwart von Umgebungsfeuchtigkeit verteilt wird.
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Die
reaktiven Schmelzkleber bzw. heißen Schmelzen (reactive hot
melts) sind Isocyanat-terminierte Prepolymere,
die mit Oberflächen-
oder Umgebungsfeuchtigkeit unter Kettenverlängerung reagieren, indem ein
neues Polyurethan-Polymer gebildet wird, das eine Leistungsfähigkeit
liefert, die der überlegen
ist, die mit herkömmlichen
Schmelzklebern erhalten wird.
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Diese
reaktiven Schmelzkleber werden an eine Vielzahl von Substraten,
einschließlich
Kunststoffe, Holz, Gewebe und einige Metalle, binden, was sie zu
idealen Kandidaten zum Verbinden von unterschiedlichen Substraten
macht. Darüber
hinaus sind sie von Natur aus flexibel und dauerhaft, so dass sie
in extremen Temperaturbereichen von –30 bis +150°C verwendet
werden können,
während
sie gleichzeitig ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit
und Beständigkeit
gegen Chemikalien bereitstellen.
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US 5 472 785 offenbart eine
durch Feuchtigkeit härtbare
Schmelzkleberzusammensetzung, umfassend (a) ein erstes Isocyanat-terminiertes
Polyurethan-Prepolymer, das das Reaktionsprodukt eines kristallinen
Polyesterpolyols und eines Polyisocyanats ist; (b) ein kristallines,
reaktives Wachs und (c) gegebenenfalls ein zweites Isocyanat-terminiertes
Polyurethan-Prepolymer, das das Reaktionsprodukt eines Polyisocyanats und
eines Hydroxyl-funktionellen Polymers ist, das ein anderes als das
kristalline Polyesterpolyol ist.
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EP-A-0419928
offenbart Polyurethan-Kleber auf der Basis von Hydroxyl-funktionellen
Polyestern und Polyisocyanaten. Diese Kleber besitzen ausgezeichnete
Lagerungsstabilität
und können
als Ein-Komponenten-Kleber verwendet werden.
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EP-A-0484761
offenbart Schmelzkleber mit kristallinen Isocyanatgruppen auf der
Basis von (i) 70–95 Gew.-%
eines Prepolymers A auf der Basis von Polyesterdiolen mit einem
Molekulargewicht von 1500 bis 10000 und Schmelzpunkten von 50 bis
90°C und
Diisocyanaten mit einem Verhältnis
der Isocyanatgruppen der Diisocyanate zu Hydroxylgruppen der Polyesterdiole
von 3:1 bis 1,2:1 und (ii) 5–30
Gew.-% einer Komponente B mit einem Molekulargewicht von 1000 bis
10000 auf der Basis von Polyestern mit Schmelzpunkten von 60 bis
150°C, wobei
die Komponente B bis zu 0,5 Zerewitinow-aktive Gruppen enthält.
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Polymere
mit hohem Molekulargewicht, typischerweise Polycaprolacton, HO[(CH2)5OCO]nH
oder Copolymere, die Polycaprolacton enthalten, können als
vorgeformte Polymere in einem körnigen
Zustand bzw. granulären
Zustand zu Polyestern mit niedrigem Molekulargewicht, Polyethern
oder einem Gemisch aus Polyestern und Polyethern vor einer Reaktion
mit einem Diisocyanat zur Bildung eines Polyurethan-Schmelzklebers
gegeben werden. Der Vorteil der Zugabe eines hochmolekulargewichtigen
Polymers mit Kristallisationseigenschaften ist die Erzeugung einer
hohen ungehärteten
Grünfestigkeit.
Wenn ein kristallines Polymer enthalten ist, wird die Kristallisation üblicherweise
durch reduzierte Polymermobilität
in der Matrix unterdrückt.
Aus diesen Gründen
ist Polycaprolacton, ein Polymer, das seine kristallinen Eigenschaften
beibehält,
die beste Wahl. Allerdings resultiert das hohe Molekulargewicht,
das zur Erzielung nützlicher
Eigenschaften benötigt wird,
in einem Polymer sehr hoher Viskosität, das praktisch nur in granulärer Form
verwendet werden kann.
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1 ist
eine exotherme Kühlungskurve,
die die Kühlung
eines Polyurethan-Prepolymers gemäß der vorliegenden Erfindung
und CAPA 640, ein Caprolacton von Solvay, vergleicht.
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2 ist
eine "CARIMED"-Rheometer-Kühlungskurve
von 80°C
auf 20°C
für mit
Feuchtigkeit härtende
reaktive Polyurethan-Schmelzkleber.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Polyurethan-Prepolymer, das durch erste Umsetzung eines
Hexandioladipat-Polyesters, der ein Molekulargewicht von größer als
7000 hat, mit einem Polyisocyanat oder Diisocyanat in einem NCO:OH-Verhältnis von
0,7:1 bis 1:0,7 und dann Umsetzen eines Polyols mit niedrigem Molekulargewicht,
das ein Molekulargewicht von 50 bis 15000 hat, hergestellt wird,
und ein Isocyanat-terminierter, reaktiver Schmelzkleber, der das
Prepolymer von oben und zusätzliche
Di- oder Polyisocyanate umfasst, wobei das Prepolymer und zusätzliche
Di- oder Polyisocyanate in einem NCO:OH-Verhältnis von 1,2:1 bis 3:1 sind,
bereitgestellt.
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Gemäß der Erfindung
wurde festgestellt, dass ausgehend von einem Polyester mit niedrigem
Molekulargewicht, der im Reaktor zu dem gewünschten höheren Molekulargewicht polymerisiert
werden kann, die Notwendigkeit, Körner bzw. Granulat zu verwenden,
und die mit einer Granulierung verbundenen Kosten eliminiert werden
können.
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf reaktive Schmelzkleber mit
hoher Grünfestigkeit,
die aus einem Prepolymer auf der Basis eines Polyesters mit hohem
Molekulargewicht hergestellt werden.
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Das
Prepolymer ist ein Hydroxy-terminiertes Prepolymer, das aus einem
Polyester mit hohem Molekulargewicht und einem Poly- oder Diisocyanat
hergestellt wird.
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Der
Polyester mit hohem Molekulargewicht ist vorzugsweise Hexandioladipat,
das ein Hydroxy-terminierter Polyester ist, der durch die Reaktion
eines Hexandiols und Adipinsäure
hergestellt wird. Vorzugsweise hat der Hexandioladipat-Polyester
ein Molekulargewicht von über
7000 oder 10000. Beispiele für
im Handel verfügbare
Hexandioladipate umfassen DYNACOLL 7360 mit einem Molekulargewicht
von 3600 oder DYNACOLL 7361 mit einem Molekulargewicht von 7000,
die alle von Hüls
erhältlich
sind. Polyester mit höherem Schmelzpunkt
können
verwendet werden, die auf Hexandioldodecan-Disäure basieren, z.B. DYNACOLL 7380,
oder 7381, das auf Hexandiol-Azelainsäure basiert.
Das Molekulargewicht der DYNACOLL werden aus den Hydroxylzahlen
errechnet. Bevorzugt ist DYNACOLL 7361, das, wenn es polymerisiert
wird, schnell bei 40 bis 50°C
unter Erhalt eines zähen
Elastomers kristallisiert.
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In
den meisten Anwendungen gibt es die Notwendigkeit für eine schnelle
Festigkeitsentwicklung über einen
Bereich von Umgebungstemperaturen bis zu 40°C. Der Hexandiol/Adipinsäure-Polyester
beginnt in der Region von 40°C
zu kristallisieren. Das 7200-Molekulargewichts-Polymer ist der im
Handel am besten verfügbare
Polyester. Eine Alternative wäre
ein reiner Polyester auf Hexandiol/Adipinsäure-Basis mit einem geeigneten
hohen Molekulargewicht (30000 bis 60000), um Grünfestigkeit zu erzeugen, allerdings
würde dieser
Polyester in einem getrennten Reaktor hergestellt und als Granulat
bzw. Körner
hergestellt.
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Der
Polyester wird mit einem Poly- oder Diisocyanat unter Produktion
eines Hydroxy-terminierten
Prepolymers umgesetzt. Dieser Schritt wird die erste Stufe genannt.
Wenn das Molekulargewicht des Polyesters zu hoch ist, kann ein Mischen
schwierig sein und die Effizienz des Mischens in der Diisocyanat-Zugabephase wird
kritisch. Es wurde festgestellt, dass, wenn der Polyester und das
Diisocyanat in einem NCO:OH-Verhältnis von
0,7:1,0 bis 1:0,7 umgesetzt werden, ein Prepolymer mit hohem Molekulargewicht
vor der Zugabe von Polyolen in der zweiten Stufe der Reaktion gebildet
werden kann, das oberhalb 120°C
rührbar
ist und ausreichend stabil ist. Wenn im Gegensatz dazu ein Hydroxyl-terminierter
Polyester mit niedrigerem Molekulargewicht verwendet wird, d.h.
einer mit einem Molekulargewicht von 3600, z.B. DYNACOLL 7360, und
zwar in einem ähnlichen
NCO:OH-Verhältnis, so
ist die Viskosität
des resultierenden Prepolymers für
ein effizientes Vermischen zu hoch, und zwar wegen der höheren Konzentration
an Urethangruppen.
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Es
ist bevorzugt, das Hydroxyl-terminierte Prepolymer unter Verwendung
eines Überschusses
an Poly- oder Diisocyanat herzustellen. Dann können Nachzugabe-Polyole zugesetzt
werden, und Wasser kann durch Vakuumstripping ohne die Komplikation
der Nachzugabe-Polyole, die mit dem Isocyanat-terminierten Prepolymer
reagieren, oder Wasser in den Nachadditions-Polyolen, die mit dem
Isocyanat regieren, kann entfernt werden.
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Geeignete
Di- oder Polyisocyanate zur Verwendung bei der Herstellung des Prepolymers
werden aus der Gruppe ausgewählt,
die aus Ethylendiisocyanat; Ethylidendiisocyanat; Propylendiisocyanat;
1-(1-Isocyanato-1-methylethyl)-3-(1-ethenyl)benzol ("m-TMI"); Methylen-bis-(4-cyclohexylisocyanat)
("HMDI"); 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
("4,4'MDI") und Isomeren davon;
Isophorondiisocyanat ("IPDI"), 3-Isocyanatmethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat;
3-Isocyanatmethyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanatcyanurat; Butylendiisocyanat;
Hexamethylendiisocyanat; Toluendiisocyanat ("TDI");
Cyclopentylen-1,3-diisocyanat; Cyclohexylen-1,4-diisocyanat; Cyclohexylen-1,2-diisocyanat; 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat;
2,2-Diphenylpropan-4,4'-diisocyanat;
p-Phenylendiisocyanat;
m-Phenylendiisocyanat; Xylodiisocyanat; 1,4-Naphthylendiisocyanat;
1,5-Naphthylendiisocyanat; Diphenyl-4,4'-diisocyanat; Azobenzol-4,4'-diisocyanat; Diphenylsulphon-4,4'-diisocyanat; Dichlorhexamethylendiisocyanat;
Furfurylidendiisocyanat; 1-Chlorbenzol-2,4-diisocyanat; 4,4',4''-triisocyanattriphenylmethan; 1,3,5-Triisocyanatbenzol;
2,4,6-Tri-isocyanattoluol; ISONATE M143, ein modifiziertes MDI von
Dow, und 4,4'-Dimethyldiphenylmethan-2,2',5,5-tretraisocanat
besteht.
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Zur
Verwendung hierin sind HMDI, 4,4'MDI,
TDI und IPDI bevorzugt.
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Die
Prepolymere werden hergestellt, indem das Polyhexandioladipat in
einer Trommel vorgeschmolzen wird und die Schmelze in einen Reaktor
transferiert wird. Wasser kann entfernt werden, indem es bei 100°C oder höher unter
Vakuum bei Rühren
erwärmt
wird. Das Diisocyanat wird in die Schmelze gerührt und wird 30 Minuten bei
140°C reagieren
gelassen, um das Prepolymer zu bilden.
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Zusätzliche
optionale Polyole mit niedrigem Molekulargewicht können dann
in Abhängigkeit
von den erforderlichen Endeigenschaften mit dem Prepolymer vermischt
werden. Die Molekulargewichte dieser Polyole sind im Bereich von
50 bis 15000. Falls erforderlich kann erneut Wasser durch Erhitzen
bei mehr als 100°C unter
Vakuum bei Rühren
entfernt werden. Diese Mischung aus Prepolymer mit hohem Molekulargewicht
und Polyolen mit relativ niedrigem Molekulargewicht wird dann mit
einem Überschuss
an Diisocyanat umgesetzt, um einen Isocyanat-terminierten Schmelzkleber
zu bilden. In diesem Schritt, die zweite Stufe, ist das NCO:OH-Verhältnis 1,2:1
bis 3:1, vorzugsweise 2:1. Ein reaktiver Schmelzkleber mit ausgezeichneter
Grünfestigkeit,
hoher Klebrigkeit und sehr guter thermischer Stabilität wird produziert.
Der Gehalt an Prepolymer ist am nützlichsten im Bereich von 30
bis 60% und vorzugsweise 50 bis 60%.
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Außerdem kann
in der zweiten Stufe gegebenenfalls ein Nachzugabe an zusätzlichen
Di- oder Polyisocyanaten,
z.B. HMDI, 4,4'MDI,
TDI, IPDI, rohes MDI oder IPDI-Trimer, erfolgen, um den Isocyanatspiegel des
multifunktionellen Isocyanats zu erhöhen.
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Beispiele
für geeignete
optionale Polyole für
die zweite Stufe umfassen solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind,
die aus Polyester, Polyetherpolyolen, Polyalkylenpolyetherpolyolen,
Polyacetalpolyolen, Polyamidpolyolen, Polyesteramidpolyolen und
Polythioetherpolyolen besteht. Bevorzugt sind Polypropylenglycoldiole,
z.B. VORNANOL P1010 mit einem Molekulargewicht von 1000 von Dow
Chemical Company. Es können auch
geringe Mengen an Triol vorliegen, z.B. Castoröl oder VORANOL CP255. Die bevorzugten
Polyester können
amorph oder kristallin sein, z.B. DYNACOLL 7360, 7361, 7250. Die
optionalen Hydroxyverbindungen der zweiten Stufe werden in Mengen
von 5 bis 70% vorliegen.
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Je
höher der
Gehalt des Prepolymers der ersten Stufe ist, desto höher sind
die thermische Schmelzstabilität
und die Grünfestigkeit
des resultierenden reaktiven Schmelzklebers. Allerdings verursacht
eine Zunahme beim Gehalt des Prepolymers in der ersten Stufe eine
Zunahme der Viskosität.
Dies kann durch Verwendung von Polyolen in der zweiten Stufe mit
niedrigem Molekulargewicht; Polyolen mit Molekulargewichten im Bereich
von 50 bis 15000, kompensiert werden. Außerdem können geringe Mengen an Triol
eingesetzt werden, um den Modul zu erhöhen und die gehärtete Beständigkeit
gegen hohe Temperatur zu verbessern. Dies wird möglicherweise durch den Verdünnungseffekt
des Prepolymers mit hohem Molekulargewicht ermöglicht, was gute thermische
Stabilität
ergibt.
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Die
resultierenden reaktiven Schmelzkleber können auch optionale Nachzugabeingredientien
enthalten, z.B. einen Katalysator, der die Härtungsgeschwindigkeit des Klebers
verbessert. Beispiele für
solche Katalysatoren umfassen 2,2'-Dimorpholinethylether
und Di(2,6-dimethylmorpholinethyl)ether-Katalysatoren.
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Der
Kleber kann auch andere zusätzliche
Ingredientien, z.B. Adhäsionspromotoren,
Verdünnungsmittel,
Weichmacher und Füllstoffe,
umfassen. Weitere optionale Ingredientien umfassen Kettenverlängerungsmittel,
thermoplastische Harze, Antioxidantien, Pigmente und UV-Absorptionsmittel.
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BEISPIELE
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Zugeigenschaften,
Elastizitätsmodul,
Streckspannung und Bruchdehnung wurden gemessen, indem geschmolzener,
ungehärteter,
reaktiver Schmelzkleber mit einem Beschichtungsblock auf Trennpapier
aufgetragen wurde. Die Abmessungen der Streifen wurden gemessen
und die Filme wurden an einem Instron-Tensometer, Modell 4302, gedehnt.
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DSC
wurde mit einem Mettler Toledo DSC 820 gemessen.
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Die
Viskosität
wurde an einem Brookfield Thermoset bei 140°C mit 1 Upm gemessen.
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Beispiel 1
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Die
Eigenschaften eines Prepolymers, das durch Umsetzung eines Hydroxy-terminierten
Hexandioladipats mit einem Molekulargewicht von 7200 (DYNACOLL 7361)
mit 4,4'MDI in einem
NCO:OH-Verhältnis
von 0,9:1 hergestellt worden war, wurden mit einem Polycaprolacton
mit einem Molekulargewicht von 37000 (CAPA 640 von Solvay) verglichen.
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Das
Prepolymer wurde mit CAPA 640 durch Messung der Exotherme nach Abkühlen auf
40°C verglichen.
Das Prepolymer benötigt
etwa 1,5 Minuten, um vollständig
zu kristallisieren, wohingegen CAPA 640 4,5 Minuten benötigt. Siehe 1.
Diese erhöhte
Geschwindigkeit bietet einen Vorteil, wenn schnelle Härtung erforderlich
ist.
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Streifen
des Prepolymers wurden hergestellt, indem das geschmolzene Prepolymer
auf Trennpapierstreifen aufgetragen wurde. Streifen des Polycaprolacton
wurden hergestellt, indem vorgeschmolzene Körner auf Trennpapier aufgetragen
wurden. Die Eigenschaften der resultierenden Kleber wurden gemessen
und mit CAPA 640 verglichen. Die Resultate sind unten angegeben: TABELLE
1A
TABELLE
1B DSC
Viskosität
CAPA
640 | 164000
mPas |
Probe
1 | 98000
mPas |
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Die
Zugeigenschaften des Polymers sind in der gleichen Größenordnung
wie von CAPA 640. Die Kristallisationsgeschwindigkeit ist höher.
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Beispiel 2
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Ein
Prepolymer wurde entsprechend Beispiel 1 hergestellt, wobei 55 Teile
DYNACOLL 7361 und 2,0 Teile 4,4'MDI
verwendet wurden. Das Prepolymer hat bei 120°C eine Viskosität von 50000
mPas, wenn mit einem Brookfield Thermoset bei 140°C mit 1 Upm
gemessen wird.
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Dem
Prepolymer wurden die folgenden Polyole zugesetzt und es wurde unter
Vakuum zu einem Wassergehalt von < 0,05%
erwärmt:
23,8
Teile DYNACOLL 7360
10,0 Teile VORANOL P1010
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Die
gemischten Polyole wurden dann mit einem Überschuss an Diisocyanat-9,2
Teile 4,4'MDI umgesetzt
und für
30 Minuten bei 140°C
umgesetzt.
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Der
resultierende Kleber hatte eine Viskosität von 50000 mPas bei 120°C; die thermische
Stabilität
bei 120°C
zeigte eine 14%ige Zunahme in 4 Stunden.
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Eine
CARIMED-Rheologie-Analyse einer ungehärteten Probe, die von 80°C auf 20°C abgekühlt wurde,
wurde mit einem Konkurrenzkleber, der Polycaprolacton enthielt,
verglichen. Die Entwicklung von G' und G'' ist
bei der Abkühlung
fast identisch. Siehe 2. Die rechte Abszisse tan-Delta
ist das Verhältnis
von Verlustmodul zu Speichermodul. Je höher der Wert ist, desto flüssiger ist
die Probe. Wenn der Wert unter 1 ist, ist die Probe mehr fest als
flüssig.
Die Abszisse auf der linken Seite zeigt die Werte für G', den Speichermodul, und
G'', den Verlustmodul.
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Wie
in 2 zu sehen ist, sind die Werte für G' und G'' unter 36°C sehr ähnlich, allerdings erfolgt
das Einsetzen einer Kristallisation für den Polycaprolacton-Kleber
bei einer höheren
Temperatur. Der Grund für
diesen Unterschied ist das Vorliegen von DYNACOLL 7380, welches
ein Polyester mit höherem
Schmelzpunkt ist als DYNACOLL 7360 und bei einer höheren Temperatur
kristallisiert. Die Hauptbeobachtung ist, dass die Moduli und das
Verhältnis
der Moduli ähnlich
sind, was zeigt, dass die Probe mit dem Prepolymer ebenso zäh ist wie
eine Probe, die Polycaprolacton enthält.
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Dieser
Kleber ist für
ein Profileinwickeln geeignet, bei dem die gewickelte Folie unter
Spannung steht. Der Effekt des zähen
Polymers besteht darin, eine schnelle Festigkeitsentwicklung nach
Laminierung zu ergeben.
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Beispiel 3
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Ein
Prepolymer der ersten Stufe wurde mit 40 Teilen DYNACOLL 7361 und
1,0 Teilen 4,4'MDI
hergestellt, die im Reaktionsgefäß kombiniert
wurden und für
eine Stunde bei 130°C
bis 150°C
umgesetzt wurden. Das NCO/OH-Verhältnis war 0,7/1. Das Prepolymer
hat eine Viskosität,
gemessen mit einem Brookfield-Thermoset bei 140°C mit 1 Upm, von 18000 mPas
bei 120°C.
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Die
folgenden Polyole wurden dem Prepolymer zugesetzt und unter Vakuum
zu einem Wassergehalt von < 0,05%
erhitzt.
DYNACOL
7360 | 5,0 |
DYNACOLL
7380 | 10,0 |
PPG
1000 | 22,0 |
ISONATE
M143 | 16,7 |
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Der
resultierende Kleber hatte eine Viskosität bei 120°C von 18000 mPas.
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Die
oben genannten Eigenschaften geben an, dass diese Probe für ein Profileinwickeln
mit einer dünneren
Folie mit weniger Restspannung geeignet ist.