WO2008064936A1 - Isocyanatprepolymer mit unterschiedlich reaktiven nco-gruppen - Google Patents

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WO2008064936A1
WO2008064936A1 PCT/EP2007/059825 EP2007059825W WO2008064936A1 WO 2008064936 A1 WO2008064936 A1 WO 2008064936A1 EP 2007059825 W EP2007059825 W EP 2007059825W WO 2008064936 A1 WO2008064936 A1 WO 2008064936A1
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polyol
diisocyanate
nco
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PCT/EP2007/059825
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Michael Krebs
Christoph Lohr
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Henkel Ag & Co. Kgaa
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    • C08G2170/00—Compositions for adhesives
    • C08G2170/20—Compositions for hot melt adhesives

Definitions

  • the invention relates to an isocyanate prepolymer containing at least two NCO groups per molecule, wherein the NCO groups have different reactivity. Furthermore, these isocyanate prepolymers should predominantly have molecules with a preferably ideal structure, i. H. it should be present only small proportions of polymeric or oligomeric by-products. Furthermore, the invention relates to a process for preparing such Isocyanatprepolymere with different reactive NCO groups.
  • polymers and oligomers containing reactive NCO groups have long been known.
  • isocyanates are known which have different reactivities of the NCO groups.
  • H-acidic components for example polyols or amines
  • di- or polyisocyanates By reacting H-acidic components, for example polyols or amines with di- or polyisocyanates, it is possible to synthesize low molecular weight or high molecular weight products which have reactive NCO groups.
  • prepolymers can either be further reacted in the synthesis or they are used directly in various applications, e.g. As adhesives or as a coating agent used.
  • EP 0511566 describes moisture-curing NCO-reactive polyurethane hot-melt adhesives prepared from a polyether or polyester polyol mixture and from a mixture of isocyanates which have two different reactive NCO groups.
  • mixtures of polyols and polyisocyanates are reacted in each case. Accordingly, a plurality of polymers not further defined in their composition and structure will be obtained as the reaction product.
  • EP 0827995 describes a method for bonding two substrates, wherein a urethane-based hot melt adhesive is used.
  • This contains a polyisocyanate prepolymer prepared as the reaction product of an H-active component and an at least difunctional polyisocyanate, wherein the polyisocyanate prepolymer is to contain less than 2% unreacted polyisocyanate monomer. No further statements are made about the reactivity of the isocyanate groups or the polyol component.
  • WO 01/40342 is known.
  • the polyurethane prepolymer is prepared by reacting in a first stage of a diol with an excess of a monomeric diisocyanate, wherein the resulting high molecular weight diisocyanate is precipitated and freed from unreacted monomeric diisocyanate and in a second step, the high molecular weight intermediate a polyol is reacted so that a reactive prepolymer with isocyanate end groups is formed.
  • the reaction of the first stage is performed with an excess of isocyanate, that there is a little branched polymer. No further measures are described to avoid uncontrolled polymerisation of the reaction products.
  • WO 99/24486 is known.
  • a two-step process for the preparation of a polyurethane binder which has a low Has content of volatile isocyanate group-carrying monomers.
  • a polyol is reacted with a diisocyanate having different reactive NCO groups.
  • this resulting NCO and OH group-containing product is reacted with an at least difunctional diisocyanate.
  • isocyanate only a slight excess of isocyanate is used in the second stage, so that polymeric and oligomeric products are formed by the known NCO side reactions.
  • a distillation step is not required in this invention.
  • the object is to produce an isocyanate-containing polyurethane prepolymer that should contain only small amounts of by-products. Furthermore, this prepolymer should have two isocyanate groups of different reactivity. In addition, the resulting prepolymer should contain only a low content of monomeric di- or theseocyanates.
  • the invention is solved by a method according to claim 1.
  • a polyol component having at least two OH groups is reacted in a first stage with a diisocyanate A, which has two differently reactive NCO groups.
  • the OH groups present in the reaction product are reacted in a second stage with another more reactive di- or triisocyanate B, the isocyanate being present in large excess.
  • the unreacted excess di- or triisocyanates B are distilled off.
  • a substantially ideal polymer having terminal NCO groups wherein at least one NCO group of low reactivity and at least one NCO group of higher reactivity of the polymer molecule are present.
  • a preferred embodiment of the invention employs polyols having two, three or four OH groups. Of these OH groups, at least one OH group should have reacted with a diisocyanate A, so that a free NCO group of lower reactivity is present. At least one OH group of the polyol should be with a Isocyanate B have reacted so that thereafter a free isocyanate group is present with higher reactivity. The optionally present further OH groups may be reacted either with isocyanates of higher reactivity or lower reactivity. In particular, isocyanate prepolymers of the formulas I - V are to be contained.
  • the isocyanate prepolymers of the invention having isocyanate groups of different reactivity can be prepared by per se known individual processes by reacting polyols with di- and / or theseocyanates. It is necessary that the reaction is carried out in two reaction steps, ie, it is first an isocyanate group of lower reactivity to the polyol is reacted and in a second reaction step, an isocyanate group of higher reactivity.
  • Isocyanates control the reaction and the formation of undesirable high molecular weight or branched by-products can be reduced.
  • polyfunctional alcohols can be used. These should have 2 to 10, in particular from 2 to 4, OH groups, per molecule. These may be low molecular weight compounds or polymers. However, it is necessary that these compounds have no further NCO-reactive functional groups.
  • the compounds having a plurality of OH groups may be those which carry terminal OH groups or it may be compounds which have pendant OH groups over the chain.
  • the OH groups are those which can react with isocyanates. It may be primary, secondary or tertiary OH groups, but preferred are primary or secondary OH groups. Examples of suitable compounds are polyols based on polyethers, polyesters or polyalkylenes.
  • Suitable examples are aliphatic or araliphatic alcohols 2-10, in particular 2-4 OH groups per molecule. It may be preferred to use primary and secondary alcohols. Trifunctional alcohols, such as glycerol, trimethylolethane and / or trimethylolpropane, or higher functional alcohols, such as, for example, pentaerythritol or sugar alcohols, can be used. It is also possible to use hydroxyalkyl-substituted phenols or cycloaliphatic diols or polyols. In particular, however, linear alcohols having 2 to 30 carbon atoms are used, which have two to four OH groups.
  • Suitable aliphatic alcohols include, for example, ethylene glycol, propylene glycol, butanediol-1, 4, pentanediol-1, 5, hexanediol-1, 6, heptanediol-1, 7, octanediol-1, 8 1, 10-decanediol, 1, 12- Dodecanediol, dimer fatty alcohol and their higher homologues or isomers, such as those skilled in the art from a gradual extension of the hydrocarbon chain by one CH2 group or by introducing branches into the carbon chain result. Also suitable are higher-functional alcohols such as glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol or their homologs. Suitable aliphatic alcohols have a molecular weight of 60 to 600, especially up to about 400.
  • polystyrene resin also suitable as the polyol component are reaction products of low molecular weight polyfunctional alcohols with alkylene oxides, so-called polyethers.
  • the alkylene oxides preferably have 2 to 4 carbon atoms.
  • Suitable examples are the reaction products of ethylene glycol, propylene glycol, the isomeric butanediols, hexanediols or 4,4'-dihydroxydiphenylpropane with ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide or mixtures of two or more thereof.
  • polyether polyols are also suitable.
  • polyfunctional alcohols such as glycerol, trimethylolethane or trimethylolpropane, pentaerythritol or sugar alcohols with said alkylene oxides to form polyether polyols.
  • addition products of only a few moles of ethylene oxide and / or propylene oxide per mole or of more than one hundred moles of ethylene oxide and / or propylene oxide to low molecular weight polyfunctional alcohols can be used.
  • Other polyether polyols are obtained by condensation of e.g. Glycerol or pentaerythritol produced with dehydration.
  • Further polyols which are suitable for the purposes of the invention are formed by polymerization of tetrahydrofuran (polyTHF).
  • polyether polyols are prepared in a manner known to those skilled in the art and are commercially available.
  • polyether polyols having a molecular weight of 100-10,000 g / mol, preferably 400-5,000 g / mol (number-average molecular weight, measured by GPC) and in particular polypropylene glycol or polyethylene glycol having 2 to 4 OH groups. It can be used random and / or block copolymers.
  • polyester polyols are suitable.
  • Such polyester polyols preferably comprise the reaction products of polyfunctional, preferably difunctional alcohols, optionally together with small amounts of trifunctional alcohols, and polyfunctional, preferably difunctional and / or trifunctional carboxylic acids.
  • free polycarboxylic acids it is also possible to use the corresponding polycarboxylic anhydrides or corresponding polycarboxylic acid esters with alcohols having preferably 1 to 3 C atoms.
  • the polycarboxylic acids may be aliphatic, cycloaliphatic, aromatic or heterocyclic or both. They may optionally be substituted, for example by alkyl groups, alkenyl groups, ether groups or halogens.
  • suitable polycarboxylic acids are succinic acid, adipic acid, suberic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, trimellitic acid, phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, glutaric anhydride, maleic acid, maleic anhydride, fumaric acid, dimer fatty acid or trimer fatty acid, or mixtures of two or more thereof.
  • Citric acid or trimellitic acid are preferably suitable as tricarboxylic acids.
  • the acids mentioned can be used individually or as mixtures of two or more thereof. Those skilled in the art are aware of such OH-functional polyesters and they are commercially available. Particularly suitable are two or three terminal OH-containing polyester polyols.
  • polyester polyols of oleochemical origin can be obtained, for example, by complete ring opening of epoxidized triglycerides of an at least partially olefinically unsaturated saturated fatty acid-containing fat mixtures are prepared with one or more alcohols having 1 to 12 carbon atoms and subsequent partial transesterification of the triglyceride derivatives to alkyl ester polyols having 1 to 12 carbon atoms in the alkyl radical.
  • Polyester polyols preferably have a molecular weight of about 200 to 5,000 g / mol, in particular less than 3000 g / mol.
  • polyurethane polyols are reaction products of polyisocyanates, preferably diisocyanates, with polyols, especially diols.
  • the polyols can be selected from the above-mentioned group of polyols. The amounts are chosen so that terminally OH-terminated products are obtained.
  • the functionality of the PU polyols should preferably be between 2 and 4.
  • the molecular weight should be between 400 to 5000 g / mol.
  • Such OH-terminated PU polyols are known to the person skilled in the art.
  • polystyrene resin polystyrene resin
  • polyol component polyacetals.
  • Polyacetals are understood as meaning compounds obtainable from glycols, for example diethylene glycol or hexanediol, or mixtures thereof with formaldehyde. Polyacetals which can be used in the context of the invention can likewise be obtained by the polymerization of cyclic acetals.
  • polyols are polycarbonates.
  • Polycarbonates can be obtained, for example, by the reaction of diols, such as propylene glycol, butanediol-1,4 or hexanediol-1,6, diethylene glycol, triethylene glycol or tetraethylene glycol or mixtures of two or more thereof with diaryl carbonates, for example diphenyl carbonate, or phosgene.
  • diols such as propylene glycol, butanediol-1,4 or hexanediol-1,6, diethylene glycol, triethylene glycol or tetraethylene glycol or mixtures of two or more thereof with diaryl carbonates, for example diphenyl carbonate, or phosgene.
  • Another group of polyols to be used according to the invention are the polyesters based on ⁇ -caprolactone.
  • Such polyols should have at least 2 OH groups in the molecule, possibly even more.
  • the polyols must have at least 2 OH groups per molecule
  • diols or triols which have a higher reactive OH group and one or two less reactive OH groups.
  • primary, secondary or tertiary OH groups show a different reactivity. This can also be supported by adjacent substituents, such as electrophilic groups or other sterically shielding sub-substituents.
  • alcohols having a primary OH group and secondary OH group are selected.
  • the ratio of the reactivity should preferably be at least 1: 3, in particular at least 1: 5, in particular at least 1:10.
  • the reactivity can be determined, for example, as relative size in aprotic solvents. Such studies are described, for example, in Saunders, Frisch, Polyurethanes Chemistry and Technology, p.129-162.
  • Suitable monomeric isocyanates for the present invention are understood as meaning those having two or three NCO groups in the molecule. It may also be low molecular weight reaction products of diisocyanates with low molecular weight aliphatic diols having a molecular weight of about 30 to 300 g / mol. These are preferably the known aliphatic, cycloaliphatic or aromatic monomeric isocyanates.
  • Suitable isocyanates are selected from the group 1, 5-Naphthylendiiso- cyanat, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI), hydrogenated or teihydhertes MDI (H12MDI, H6MDI), xylylene diisocyanate (XDI), tetramethylxylylene diisocyanate (TMXDI), 4,4'- Diphenyldimethylmethane diisocyanate, di- and
  • diisocyanates are thmethylhexamethylene diisocyanate, 1,4-diisocyanatobutane, 1,12-diisocyanatododecane and dimer fatty acid diisocyanate, lysine ester diisocyanate, 4,4-dicyclohexylmethane diisocyanate, 1,3-cyclohexane- or 1,4-cyclohexane diisocyanate.
  • Suitable trifunctional isocyanates are those isocyanates which are formed by trimerization or oligomehization of diisocyanates or by reaction of diisocyanates with trifunctional hydroxyl-containing compounds. Examples thereof are trimehisation products of the isocyanates HDI, MDI or IPDI or adducts of diisocyanates and low molecular weight triols, such as trimethylolpropane or glycerol.
  • Suitable diisocyanates having two NCO groups of different reactivity are selected from the group of aromatic, aliphatic or cycloaliphatic diisocyanates.
  • aromatic diisocyanates having different reactive NCO groups are the isomers of tolylene diisocyanate (TDI), naphthalene-1, 5-diisocyanate (NDI), naphthalene-1, 4-diisocyanate, 1, 3-phenylene diisocyanate or 2.4 MDI
  • Examples of aliphatic diisocyanates having differently reactive NCO groups are 1, 6-diisocyanato-2,2,4-thmethylhexane, 1, 6-diisocyanato-2,4,4-thmethylhexane and lysine diisocyanate.
  • Suitable cycloaliphatic diisocyanates having differently reactive NCO groups are, for example, 1-isocyanatomethyl-3-isocyanato-1, 5,5-trimethylcyclohexane (isophorone diisocyanate, IPDI), 1-methyl-2,4-diisocyanato-cyclohexane or 1, 4 diisocyanato-2,2,6-trimethylcyclohexane (TMCDI).
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • TCDI 1, 4 diisocyanato-2,2,6-trimethylcyclohexane
  • monomeric diisocyanates A are reacted with an OH group of a diol.
  • the temperature should be between 20 ° C to 180 ° C, preferably between 25 ° C to 130 ° C, in particular between 40 ° C to 80 ° C. In this case, the reaction can be carried out without catalyst, if necessary, it is possible to add small amounts of catalysts of the mixture.
  • diisocyanates A which have NCO groups with different reactivity, wherein the difference in reactivity is at least 1: 2, preferably 1: 3.
  • the relative reactivity of the isocyanate groups can be determined by experiment, in particular such methods are summarized in Saunders, Frisch, Polyurethanes Chemistry and Technology, J. Wiley 1962, pp. 129-162.
  • reaction of the first stage is carried out without solvent.
  • the resulting intermediate has OH groups and free isocyanate groups.
  • the amount of monomeric, unreacted diisocyanates is low, it should generally be below 1 wt .-%.
  • the number of NCO groups on the polyol component is at least one, but several NCO groups may also be present on the polyol. According to the invention, however, it is necessary that at least one OH group per molecule does not react in the first stage. Reaction products based on diols, triols or tetra alcohols in which one or two or three OH groups have reacted with the reactive group of a diisocyanate A with differently reactive NCO groups are preferably obtained. In this case, up to 3 additional OH groups may still be present in the molecule, in particular at least one OH group per molecule.
  • the amount of diisocyanate A is chosen so that on average at least one diisocyanate reacts with a polyol molecule. In addition, in the case of polyols with more than two OH groups, the amount of diisocyanate A can be chosen so that additional OH groups are additionally reacted. It is known that, if necessary, a slight excess of diisocyanate can be used to obtain an ideal intermediate as possible.
  • the amount of diisocyanates is preferably chosen so that all OH groups of the more reactive type are reacted.
  • di- or triisocyanates B are selected which have at least one NCO group which has a higher reactivity than the NCO groups already present on the intermediate product. It may be, for example, the above-mentioned isocyanates, especially those with different reactive NCO groups. Preference is given to using aromatic diisocyanates, in particular TDI or MDI and its derivatives.
  • the NCO / OH ratio of the intermediate and di- / triisocyanate B is chosen such that a molar excess of isocyanate with respect to the number of OH groups of greater than 3: 1 is present, in particular at least 7: 1 , more preferably at least 10: 1. It then form substantially prepolymers with low polymeric impurities, which arise for example by a chain extension.
  • the impurities should be less than 10 wt .-%, in particular less than 5%, preferably less than 3%.
  • the reaction is carried out under the temperature conditions given above. It may possibly be supported by increased temperature. It is intended to form a substantially ideal polymer, the terminal only has isocyanate groups and no more OH groups.
  • the number of reactive NCO groups per molecule may preferably be 1. However, two or three reactive NCO groups per molecule are also possible. Furthermore, it is according to the invention that a less reactive NCO group present in the molecule is. However, it is also possible that two or three less reactive NCO groups are present.
  • the reaction product is present as a prepolymer with terminal NCO groups, but still contains portions of excess monomeric isocyanates of the second reaction stage. Possibly. may also contain solvents.
  • the present mixture is then generally freed by distillation in a high vacuum, preferably in a thin-film evaporator, for example at a temperature of 100 to 200 0 C, preferably from 120 to 180 0 C of volatile components, such as excess monomeric isocyanates and optionally present solvents , All volatile constituents are distilled off, and any remaining radicals of the monomeric diisocyanates of the first reaction stage are also distilled off. Since the constituents have different boiling points in a preferred embodiment, for example aliphatic and aromatic isocyanates and, if appropriate, solvents, it is possible, by selecting the distillation conditions, to obtain the constituents distilled off as pure as possible.
  • the resulting reactive PU prepolymer contains not more than 3% by weight, preferably not more than 0.3% by weight and in particular not more than 0.03% by weight of monomeric diisocyanate A and B, based on the reactive prepolymer.
  • the proportion by weight of the monomeric diisocyanate can be determined by gas chromatography or by high performance liquid chromatography (HPLC).
  • the prepolymers according to the invention are largely homogeneous and show a uniform reactivity within the two different NCO groups. Side reactions by low molecular weight isocyanates are avoided. The prepolymers have a predominantly ideal structure, polymeric by-products are reduced.
  • the viscosity of the reactive polyurethane prepolymers according to the invention measured according to Brookfield (ISO 2555), at 100 ° C. is 20 mPas to 10,000 mPas, preferably 10 mPas to 5000 mPas and particularly preferably 200 mPas to 3000 mPas.
  • the prepolymers according to the invention can be used directly in end products, if appropriate in mixtures with other auxiliaries, additives or polymers. But they are also used in chemical synthesis as a building block for other higher molecular weight products. Due to the two differently reactive isocyanate groups, it is possible to control further synthesis steps and to build up defined polymers.
  • the isocyanate prepolymers according to the invention have excellent properties in practice. They show only a narrow molecular weight distribution. Furthermore, the viscosity properties are particularly suitable for immediate use or for further reactions. The viscosity is lower compared to more oligomeric products. As a result of the reduced proportion of monomeric isocyanates, such prepolymers can also be introduced into or chemically converted into products which, for food law reasons, may only have a small proportion of monomeric isocyanates. Examples of the use of the polyisocyanates according to the invention are hot melt adhesives or laminating adhesives. They can continue to be used in coatings or structural adhesives, or they can be used in the do-it-yourself area.
  • a GPC After breaking off the NCO groups in a sample, a GPC displays a main
  • Thin-film evaporator at 0.001 mbar and about 190 0 C freed of unreacted monomeric MDI.
  • the product has an NCO content of 9% and a viscosity of 3300 mPas at 80 0 C.
  • a GPC shows after the NCO groups have reacted a main peak of approx.

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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, wobei ein Polyol mit 2 bis 10 OH-Gruppen umgesetzt wird mit einem Diisocyanat mit unterschiedlich reaktiven NCO- Gruppen, wobei das Verhältnis val OH : mol Diisocyanat ganzzahlig ist und kleiner 1, ein Zwischenprodukt mit NCO- und OH-Gruppen erhalten wird, dieses mit einem Überschuss eines Isocyanats mit höher reaktiven Gruppen in einer Menge von mindestens 4:1 umgesetzt wird, und abdestillieren der monomeren, nicht umgesetzte Isocyanate. Weiterhin wird ein Prepolymer beschrieben, das eine überwiegend ideale Struktur hat und mindestens zwei NCO-Gruppen unterschiedlicher Reaktivität aufweist.

Description

„Isocyanatprepolymer mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen"
Die Erfindung betrifft ein Isocyanatprepolymer, das mindestens zwei NCO-Gruppen pro Molekül enthält, wobei die NCO-Gruppen unterschiedliche Reaktivität aufweisen. Weiterhin sollen diese Isocyanatprepolymere überwiegend Moleküle mit einer vorzugsweise idealen Struktur aufweisen, d. h. es sollen nur geringe Anteile an polymeren oder oligomeren Nebenprodukten vorhanden sein. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen solcher Isocyanatprepolymere mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen.
Polymere und Oligomere, die reaktive NCO-Gruppen enthalten, sind seit langem bekannt. Ebenso sind Isocyanate bekannt, die unterschiedliche Reaktivitäten der NCO-Gruppen aufweisen. Durch Umsetzung von H-aciden Komponenten, beispielsweise Polyolen oder Aminen mit Di- oder Polyisocyanaten, können niedermolekulare oder hochmolekulare Produkte synthetisiert werden, die reaktive NCO-Gruppen aufweisen. Solche Prepolymere können entweder in der Synthese weiter umgesetzt werden oder sie werden direkt in verschiedenen Anwendungen, z. B. als Klebstoffe oder als Beschichtungsmittel, eingesetzt. Bei der Umsetzung der Isocyanate ist es jedoch schwer zu vermeiden, dass entweder Polymerisationen an Isocyanat-Gruppen untereinander stattfinden, so dass hochfunktionelle NCO-Oligomere entstehen, oder dass durch Umsetzung von Polyisocyanaten mit Diolen oder höherwertigen Alkoholen verzweigte Polymere entstehen. Solche Polymer- und Oligomermischungen haben den Nachteil, dass sie im allgemeinen eine hohe Viskosität aufweisen. Weiterhin ist die Molekulargewichtsverteilung der entsprechenden Oligomere sehr breit. Durch weitere Umsetzung entstehen immer höher verzweigte Produkte, die dann für die geplanten Anwendungszwecke weniger geeignet sind. Außerdem sind die häufig enthaltenen monomere Isocyanate gesundheitlich bedenklich und sollten vermieden werden. In der EP 0511566 werden durch Feuchtigkeit härtende NCO-reaktive Polyurethanschmelzklebstoffe beschrieben, die aus einem Polyether- oder Polyesterpolyolgemisch hergestellt werden, sowie aus einem Gemisch von Isocyanaten, die zwei unterschiedliche reaktive NCO-Gruppen aufweisen. Bei dieser Erfindung werden jeweils Gemische aus Polyolen und Polyisocyanaten umgesetzt. Als Reaktionsprodukt werden entsprechend mehrere in ihrer Zusammensetzung und Struktur nicht weiter definierte Polymere erhalten werden.
Die EP 0827995 beschreibt ein Verfahren zum Verkleben von zwei Substraten, wobei ein Schmelzklebstoff auf Urethan-Basis eingesetzt wird. Dieser enthält ein Polyisocyanatprepolymer, hergestellt als Reaktionsprodukt einer H-aktiven Komponente und eines mindestens difunktionellen Polyisocyanats, wobei das Polyisocyanatprepolymer weniger als 2 % unreagiertes Polyisocyanatmonomer enthalten soll. Über die Reaktivität der Isocyanatgruppen oder der Polyolkomponente werden keine weiteren Aussagen getroffen.
Weiterhin ist die WO 01/40342 bekannt. Es wird dort eine Polyurethanzusammensetzung beschrieben, wobei das Polyurethanprepolymer hergestellt wird durch Umsetzung in einer ersten Stufe eines Diols mit einem Überschuss eines monomeren Diisocyanats, wobei das entstehende hochmolekulare Diisocyanat ausgefällt und von nicht umgesetztem monomerem Diisocyanat befreit wird und in einem zweiten Schritt das hochmolekulare Zwischenprodukt mit einem Polyol umgesetzt wird, so dass ein reaktives Prepolymer mit Isocyanatendgruppen entsteht. Die Reaktionsführung der ersten Stufe wird mit einem Überschuss an Isocyanat geführt, dass dort ein wenig verzweigtes Polymer entsteht. Es werden keine weiteren Maßnahmen beschrieben, um unkontrollierte Polymehsierung der Reaktionsprodukte zu vermeiden.
Weiterhin ist die WO 99/24486 bekannt. Es wird dort ein Zweistufenprozess zur Herstellung eines Polyurethan-Bindemittels beschrieben, das einen niedrigen Gehalt an leichtflüchtigen Isocyanatgruppen tragenden Monomeren aufweist. Dabei wird in einer ersten Stufe ein Polyol mit einem Diisocyanat umgesetzt, das unterschiedlich reaktive NCO-Gruppen aufweist. Weiterhin wird in einer zweiten Stufe dieses entstehende NCO- und OH-Gruppen aufweisende Produkt mit einem mindestens difunktionellen Diisocyanat umgesetzt. Es wird aber nur ein geringer Überschuss an Isocyanat in der zweiten Stufe eingesetzt, so dass durch die bekannten NCO-Nebenreaktionen polymere und oligomere Produkte entstehen. Ein Destillationsschritt wird bei dieser Erfindung nicht gefordert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Isocyanat- haltiges Polyurethanprepolymer herzustellen, dass nur geringe Anteile von Nebenprodukten enthalten soll. Weiterhin soll dieses Prepolymer zwei Isocyanatgruppen unterschiedlicher Reaktivität aufweisen. Außerdem soll das entstehende Prepolymer nur einen geringen Gehalt an monomeren Di- oder Thisocyanaten enthalten.
Die Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei wird eine Polyolkomponente mit mindestens zwei OH-Gruppen in einer ersten Stufe mit einem Diisocyanat A umgesetzt, das zwei unterschiedlich reaktive NCO-Gruppen aufweist. Die in dem Reaktionsprodukt vorhandenen OH-Gruppen werden in einer zweiten Stufe mit einem weiteren reaktiveren Di- oder Triisocyanat B umgesetzt, wobei das Isocyanat in großem Überschuss vorliegt. Nach Ende der Umsetzung werden die nicht abreagierten überschüssigen Di- oder Triisocyanate B abdestilliert. Es wird ein im wesentlichen ideales Polymer erhalten, das endständig NCO-Gruppen aufweist, wobei mindestens eine NCO-Gruppe niedriger Reaktivität und mindestens eine NCO-Gruppe höherer Reaktivität am Polymermolekül vorhanden sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung setzt Polyole ein, die zwei, drei oder vier OH-Gruppen aufweisen. Von diesen OH-Gruppen soll mindestens eine OH- Gruppe mit einem Diisocyanat A reagiert haben, so dass eine freie NCO-Gruppe niederer Reaktivität vorliegt. Mindestens eine OH-Gruppe des Polyols soll mit einem lsocyanat B reagiert haben, so dass danach eine freie Isocyanatgruppe mit höherer Reaktivität vorliegt. Die ggf. ursprünglich vorhandenen weiteren OH-Gruppen können entweder mit Isocyanaten höherer Reaktivität oder niederer Reaktivität umgesetzt sein. Insbesondere sollen Isocyanatprepolymere der Formeln I - V enthalten werden.
I. NCOB - Polyol - NCOA
II. NCOA- Polyol - NCOA
NCOB
III. NCOB - Polyol - NCOB
NCOA
NCOB
IV. NCOB - Polyol - NCOB
NCOA
NCOA
V. NCOB - Polyol - NCOB
NCOA
Die erfindungsgemäßen Isocyanatprepolymere mit Isocyanatgruppen unterschiedlicher Reaktivität können nach an sich bekannten einzelnen Verfahren durch Umsetzung von Polyolen mit Di- und/oder Thisocyanaten hergestellt werden. Dabei ist es notwendig, dass die Reaktion in zwei Reaktionsschritten durchgeführt wird, d. h. es wird zuerst eine Isocyanatgruppe niederer Reaktivität an den Polyol anreagiert und in einem zweiten Reaktionsschritt eine Isocyanatgruppe höherer Reaktivität. Durch die Auswahl der abgestuften Reaktivitäten der monomeren Isocyanate wird die Reaktion gesteuert und es kann die Bildung von unerwünschten hochmolekularen oder verzweigten Nebenprodukten vermindert werden.
Im Rahmen der Erfindung können eine Vielzahl von mehrfunktionellen Alkoholen eingesetzt werden. Diese sollen 2 bis 10, insbesondere von 2 bis 4 OH-Gruppen, pro Molekül aufweisen. Es kann sich dabei um niedermolekulare Verbindungen handeln oder um Polymere. Es ist jedoch notwendig, dass diese Verbindungen keine weiteren mit NCO-Gruppen reaktiven funktionellen Gruppen aufweisen. Bei den Verbindungen mit mehreren OH-Gruppen kann es sich um solche handeln, die endständige OH-Gruppen tragen oder es können Verbindungen sein, die über die Kette verteilt seitenständig OH-Gruppen aufweisen. Bei den OH-Gruppen handelt es sich um solche, die mit Isocyanaten reagieren können. Es kann sich um primäre, sekundäre oder tertiäre OH-Gruppen handeln, bevorzugt sind jedoch primäre oder sekundäre OH-Gruppen. Beispiele für geeignete Verbindungen sind Polyole auf Basis von Polyethern, Polyestern oder Polyalkylenen.
Geeignet sind beispielsweise aliphatische oder araliphatische Alkohole 2 - 10, insbesondere 2 - 4 OH-Gruppen pro Molekül. Es können bevorzugt primäre und sekundäre Alkohole eingesetzt werden. Es können trifunktionelle Alkohole wie Glycerin, Trimethylolethan und/oder Trimethylolpropan, oder höher funktioneller Alkohole, wie beispielsweise Pentaerythrit oder Zuckeralkohole, eingesetzt werden. Es können auch Hydroxy-alkylsubstituierte Phenole eingesetzt werden oder cycloaliphatische Diole oder Polyole. Insbesondere werden jedoch lineare Alkohole mit 2 bis 30 C-Atomen eingesetzt, die zwei bis zu vier OH-Gruppen aufweisen.
Zu den geeigneten aliphatischen Alkoholen zählen beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol, Butandiol-1 ,4, Pentandiol-1 ,5, Hexandiol-1 ,6, Heptandiol-1 ,7, Octandiol-1 ,8 1 ,10-Decandiol, 1 ,12-Dodecandiol, Dimerfettalkohol und deren höhere Homologen oder Isomeren, wie sie sich für den Fachmann aus einer schrittweisen Verlängerung der Kohlenwasserstoffkette um jeweils eine CH2- Gruppe oder unter Einführung von Verzweigungen in die Kohlenstoffkette ergeben. Ebenfalls geeignet sind höherfunktionelle Alkohole wie beispielsweise Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythht oder ihre Homologe. Geeignete aliphatische Alkohole besitzen ein Molekulargewicht von 60 bis 600, insbesondere bis ungefähr 400.
Ebenfalls geeignet als Polyolkomponente sind Umsetzungsprodukte niedermolekularer polyfunktioneller Alkohole mit Alkylenoxiden, sogenannte Polyether. Die Alkylenoxide weisen vorzugsweise 2 bis 4 C-Atome auf. Geeignet sind beispielsweise die Umsetzungsprodukte von Ethylenglykol, Propylenglykol, den isomeren Butandiolen, Hexandiolen oder 4,4'-Dihydroxy-diphenylpropan mit Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid oder Gemischen aus zwei oder mehr davon. Ferner sind auch die Umsetzungsprodukte polyfunktioneller Alkohole, wie Glycerin, Trimethylolethan oder Trimethylolpropan, Pentaerythht oder Zuckeralkohole mit den genannten Alkylenoxiden zu Polyetherpolyolen geeignet. So können, je nach gewünschtem Molekulargewicht, Anlagerungsprodukte von nur wenigen Mol Ethylenoxid und/oder Propylenoxid pro Mol oder aber von mehr als hundert Mol Ethylenoxid und/oder Propylenoxid an niedermolekulare mehrfunktionelle Alkohole eingesetzt werden. Weitere Polyetherpolyole sind durch Kondensation von z.B. Glycerin oder Pentaerythrit unter Wasserabspaltung herstellbar. Weitere, im Rahmen der Erfindung geeignete Polyole entstehen durch Polymerisation von Tetrahydrofuran (PoIy-THF).
Die Polyetherpolyole werden in dem Fachmann bekannter Weise hergestellt und sind kommerziell erhältlich.
Insbesondere geeignet sind beispielsweise Polyetherpolyole mit einem Molekulargewicht von 100 - 10 000 g/mol, vorzugsweise 400 - 5 000 g/mol (zahlenmittleres Molekulargewicht, gemessen über GPC) und insbesondere Polypropylenglykol oder Polyethylenglykol mit 2 bis 4 OH-Gruppen. Es können statistische und/oder Blockcopolymere eingesetzt werden.
Unter den genannten Polyetherpolyolen sind die Umsetzungsprodukte von niedermolekularen Alkoholen mit Propylenoxid unter Bedingungen, bei denen teilweise sekundäre Hydroxylgruppen entstehen, besonders geeignet. Weiterhin sind Polyesterpolyole geeignet. Derartige Polyesterpolyole umfassen bevorzugt die Umsetzungsprodukte von polyfunktionellen, vorzugsweise difunktionellen Alkoholen, gegebenenfalls zusammen mit geringen Mengen an trifunktionellen Alkoholen, und polyfunktionellen, vorzugsweise difunktionellen und/oder trifunktionellen Carbonsäuren. Anstatt freier Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester mit Alkoholen mit vorzugsweise 1 bis 3 C-Atomen eingesetzt werden. Zur Herstellung derartiger Polyesterpolyole geeignet sind insbesondere Hexandiol, 1 ,4-Hydroxymethylcyclohexan, 2-Methyl-1 ,3-propandiol, Butantriol-1 ,2,4, Thethylenglykol, Tetraethylenglykol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol, Polypropylenglykol, Dibutylenglykol und Polybutylenglykol.
Die Polycarbonsäuren können aliphatisch, cycloaliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch oder beides sein. Sie können gegebenenfalls substituiert sein, beispielsweise durch Alkylgruppen, Alkenylgruppen, Ethergruppen oder Halogene. Als Polycarbonsäuren sind beispielsweise Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Trimellithsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäu- reanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Dimerfettsäure oder Trimerfettsäure oder Gemische aus zwei oder mehr davon geeignet.
Als Tricarbonsäuren sind bevorzugt Zitronensäure oder Trimellithsäure geeignet. Die genannten Säuren können einzeln oder als Gemische aus zwei oder mehr davon eingesetzt werden. Dem Fachmann sind solche OH-funktionelle Polyester bekannt und sie sind kommerziell erhältlich. Insbesondere geeignet sind zwei oder drei endständige OH-Gruppen enthaltene Polyesterpolyole.
Es können aber auch Polyesterpolyole oleochemischer Herkunft verwendet werden. Derartige Polyesterpolyole können beispielsweise durch vollständige Ringöffnung von epoxidierten Triglyceriden eines wenigstens teilweise olefinisch unge- sättigte Fettsäure-enthaltenden Fettgemisches mit einem oder mehreren Alkoholen mit 1 bis 12 C-Atomen und anschließender partieller Umesterung der Triglyce- rid-Derivate zu Alkylesterpolyolen mit 1 bis 12 C-Atomen im Alkylrest hergestellt werden. Polyesterpolyole weisen bevorzugt ein Molekulargewicht von ca. 200 bis 5 000 g/mol auf, insbesondere unter 3000 g/mol.
Eine weitere geeignete Gruppe von Polyalkoholen sind Polyurethanpolyole. Es handelt sich dabei um Umsetzungsprodukte von Polyisocyanaten, bevorzugt Diisocyanaten, mit Polyolen, insbesondere Diolen. Dabei können die Polyole aus der oben erwähnten Gruppe von Polyolen ausgewählte werden. Die Mengen werden so gewählt, dass endständig OH-terminierte Produkte erhalten werden. Die Funktionalität der PU-Polyole soll bevorzugt zwischen 2 und 4 betragen. Das Molekulargewicht soll zwischen 400 bis zu 5000 g/mol betragen. Solche OH- terminieren PU-Polyole sind dem Fachmann bekannt.
Weitere geeignete Polyole sind Polycarbonat-Polyole und Dimerdiole, sowie Rizinusöl und dessen Derivate. Auch die Hydroxy-funktionellen Polybutadiene, wie sie z.B. unter dem Handelsnamen "Poly-bd" erhältlich sind, können für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen als Polyole eingesetzt werden. Ebenfalls als Polyolkomponente geeignet sind Polyacetale. Unter Polyacetalen werden Verbindungen verstanden, wie sie aus Glykolen, beispielsweise Diethylenglykol oder Hexandiol oder deren Gemisch mit Formaldehyd erhältlich sind. Im Rahmen der Erfindung einsetzbare Polyacetale können ebenfalls durch die Polymerisation cyclischer Acetale erhalten werden. Weiterhin als Polyole geeignet sind Polycarbonate. Polycarbonate können beispielsweise durch die Reaktion von Diolen, wie Propylenglykol, Butandiol-1 ,4 oder Hexandiol-1 ,6, Diethylenglykol, Triethylenglykol oder Tetraethylenglykol oder Gemischen aus zwei oder mehr davon mit Diarylcarbonaten, beispielsweise Diphenylcarbonat, oder Phosgen, erhalten werden. Eine weitere Gruppe der erfindungsgemäß einzusetzenden Polyole sind die Polyester auf der Basis von ε-Caprolacton. Solche Polyole sollen im Molekül mindestens 2 OH-Gruppen aufweisen, ggf. auch mehr. Erfindungsgemäß müssen die Polyole mindestens 2 OH-Gruppen pro Molekül aufweisen. Bevorzugt ist es, wenn die OH-Gruppen unterschiedliche Reaktivitäten besitzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Diolen oder Triolen, die eine höher reaktive OH-Gruppe aufweisen und eine oder zwei weniger reaktive OH-Gruppen. Beispielsweise zeigen primäre, sekundäre oder tertiäre OH- Gruppen eine unterschiedliche Reaktivität. Das kann auch durch benachbarte Substituenten, wie elektrophile Gruppen oder andere sterisch abschirmende SubSubstituenten unterstützt werden. Insbesondere ist es möglich, Alkohole auszuwählen, die eine primäre OH-Gruppe und sekundäre OH-Gruppe aufweisen. Das Verhältnis der Reaktivität soll bevorzugt mindestens 1 :3 betragen, insbesondere mindestens 1 :5, insbesondere mindestens 1 :10. Die Reaktivität kann beispielsweise als relative Größe in aprotischen Lösungsmitteln bestimmt werden. Solche Untersuchungen sind beispielsweise im Saunders, Frisch, Polyurethanes Chemistry and Technology, S.129 - 162 beschrieben.
Unter geeigneten monomeren Isocyanaten für die vorliegende Erfindung werden solche mit zwei oder mit drei NCO-Gruppen im Molekül verstanden. Es kann sich auch um niedermolekulare Umsetzungsprodukte aus Diisocyanaten mit niedermolekularen aliphatischen Diolen mit einer Molmasse von ca. 30 bis 300 g/mol handeln. Es handelt sich dabei bevorzugt um die bekannten aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen monomeren Isocyanate.
Geeignete Isocyanate sind ausgewählt aus der Gruppe 1 ,5-Naphthylendiiso- cyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), hydriertes oder teihydhertes MDI (H12MDI , H6MDI), Xylylendiisocyanat (XDI), Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), 4,4'-Diphenyldimethylmethandiisocyanat, Di- und
Tetraalkylendiphenylmethandiisocyanat, 4,4'-Dibenzyldiisocyanat, 1 ,3-
Phenylendiisocyanat, 1 ,4-Phenylendiisocyanat, die Isomeren des Toluylendiisocyanats (TDI), 1 -Methyl-2,4-diisocyanato-cyclohexan, 1 ,6- Diisocyanato-2,2,4-thmethylhexan, 1 ,6-Diisocya-nato-2,4,4-trimethylhexan, 1- lsocyanatomethyl-3-isocyanato-1 ,5,5-trimethylcyclo-hexan (IPDI), chlorierte und bromierte Diisocyanate, phosphorhaltige Diisocyanate, Tetramethoxybutan-1 ,4- diisocyanat, Naphthalin-1 ,5-diisocyanat (NDI), Butan-1 ,4-diisocyanat, Hexan-1 ,6- diisocyanat (HDI), Dicyclohexylmethandiisocyanat, Tetramethylen-, Hexamethylen-, Undecan-, Dodecamethylen-, 2,2,4-Trimethyl-hexan-2,3,3- Trimethyl-hexannethylendiiso-cyanat, Cyclohexan-1 ,4-diisocyanat, Ethylen- diisocyanat, Methylentriphenyltriisocyanat (MIT), Phthalsäure-bis-isocyanato- ethylester, Diisocyanate mit reaktionsfähigen Halogenatomen, wie 1 -Chlor- methylphenyl-2,4-diisocyanat, 1 -Bromnnethyl-phenyl-2,6-diisocyanat,3,3-Bis- chlormethylether-4,4'-diphenyldiisocyanat. Weitere einsetzbare Diisocyanate sind Thmethylhexamethylendiisocyanat, 1 ,4-Diisocyanatobutan, 1 ,12-Diisocyanato- dodecan und Dimerfettsäurediisocyanat, Lysinesterdiisocyanat, 4,4-Dicyclohe- xylmethandiisocyanat, 1 ,3-Cyclohexan- oder 1 ,4-Cyclohexandiisocyanat.
Als trifunktionelle Isocyanate geeignet sind solche Isocyanate, die durch Trimerisation oder Oligomehsation von Diisocyanaten oder durch Reaktion von Diisocyanaten mit trifunktionellen hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen entstehen. Beispiele dafür sind Trimehsierungsprodukte der Isocyanate HDI, MDI oder IPDI oder Addukte aus Diisocyanaten und niedermolekularen Triolen, wie Trimethylolpropan oder Glycerin.
Geeignete Diisocyanate mit zwei NCO-Gruppen unterschiedlicher Reaktivität werden aus der Gruppe der aromatischen, aliphatischen oder cycloaliphatischen Diisocyanate ausgewählt. Beispiele für besonders geeignete aromatische Diisocyanate mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen sind die Isomeren des Toluylendiisocyanats (TDI), Naphthalin-1 ,5-diisocyanat (NDI), Naphthali-1 ,4- diisocyanat, 1 ,3-Phenylendiisocyanat oder 2,4 MDI. Beispiele für aliphatische Diisocyanate mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen sind 1 ,6-Diisocyanato- 2,2,4-thmethylhexan, 1 ,6-Diisocyanato-2,4,4-thmethylhexan und Lysindiisocyanat. Beispiele für geeignete cycloaliphatische Diisocyanate mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen sind z.B. 1 -lsocyanatomethyl-3-isocyanato-1 ,5,5- trimethyl-cyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 1-Methyl-2,4-diisocyanato- cyclohexan oder 1 ,4 Diisocyanato-2,2,6-trimethylcyclohexan (TMCDI). In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden monomere Diisocyanate A mit einer OH-Gruppen eines Diols zur Reaktion gebracht. Dabei soll die Temperatur zwischen 20°C bis 180°C liegen, bevorzugt zwischen 25°C bis 130°C, insbesondere zwischen 40°C bis 80°C. Dabei kann die Umsetzung ohne Katalysator durchgeführt werden, ggf. ist es möglich, geringe Anteile an Katalysatoren der Mischung zuzusetzen. Ggf. ist es jedoch zweckmäßig, eine starke Temperaturerhöhung zu vermeiden, um Nebenreaktionen zu vermindern.
Erfindungsgemäß geeignet sind Diisocyanate A, die NCO-Gruppen mit unterschiedlicher Reaktivität aufweisen, wobei der Reaktivitätsunterschied mindestens 1 :2, bevorzugt 1 :3 beträgt. Die relative Reaktivität der Isocyanatgruppen kann durch Experiment bestimmt werden, insbesondere sind solche Methoden in Saunders, Frisch, Polyurethanes Chemistry and Technology, J. Wiley 1962, S. 129- 162, zusammengefasst.
Weiterhin ist es möglich, wie oben bereits aufgeführt, die Selektivität der Reaktion durch die Verwendung von Alkoholen zu erhöhen, die unterschiedlich reaktive OH- Gruppen tragen.
Ggf. ist es möglich, die Reaktion in aprotischen Lösemitteln durchzuführen. Dabei wird die Viskosität der Reaktionsmischung abgesenkt und die Reaktion begünstigt. Die Lösemittel sollen einen Siedepunkt aufweisen, dass sie aus der Reaktionsmischung durch Destillation entfernt werden können, insbesondere unter 100 0C bei dem gewählten verminderten Druck bei einer Destillation. Bevorzugt ist jedoch, dass die Reaktion der ersten Stufe ohne Lösemittel durchgeführt wird.
Das entstehende Zwischenprodukt weist OH-Gruppen auf und freie Isocyanatgruppen. Die Menge von monomeren, nicht umgesetzten Diisocyanaten ist nur gering, sie soll im allgemeinen unterhalb von 1 Gew.-% betragen. Die Anzahl der NCO-Gruppen an der Polyolkomponente beträgt mindestens eine, es können aber auch mehrere NCO-Gruppen an dem Polyol vorhanden sein. Erfindungsgemäß ist es jedoch notwendig, dass mindestens eine OH-Gruppe pro Molekül in der ersten Stufe nicht reagiert. Bevorzugt werden Umsetzungsprodukte erhalten auf Basis von Diolen, Triolen oder Tetraalkoholen, bei denen eine oder zwei oder drei OH-Gruppen mit der reaktiven Gruppe eines Diisocyanats A mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen reagiert haben. In diesem Fall können noch bis zu 3 weitere OH-Gruppen im Molekül vorhanden sein, insbesondere mindestens eine OH-Gruppe pro Molekül.
Die Menge der Diisocyanate A wird so gewählt, dass im Durchschnitt mindestens ein Diisocyanat mit einem Polyol-Molekül reagiert. Zusätzlich kann im Fall von Polyolen mit mehr als zwei OH-Gruppen die Menge des Diisocyanats A so gewählt werden, dass weitere OH-Gruppen zusätzlich umgesetzt werden. Es ist bekannt, dass ggf. ein geringer Überschuss an Diisocyanat eingesetzt werden kann, um ein möglichst ideales Zwischenprodukt zu erhalten. Das Verhältnis der Äquivalente OH (x) zu der molaren Menge Diisocyanate A (y) (val OH : mol lsocyanat= x:y) ist kleiner 1 ; wobei X ganzzahlig ist zwischen 2 bis 10, bevorzugt 2 bis 4, insbesondere 2, y liegt zwischen x-1 bis 1. In einer Ausführungsform können ganzzahlige Werte y eingesetzt werden. Das Verhältnis kann beispielsweise 2:1 , 3:1 , 3:2, 4:2 betragen.
Werden Polyole mit unterschiedlich reaktiven OH-Gruppen eingesetzt, wird die Menge der Diisocyanate bevorzugt so gewählt, dass alle OH-Gruppen der reaktiveren Art umgesetzt werden.
Durch die Kombination von Diisocyanaten mit unterschiedlich reaktiven NCO- Gruppen und Polyolen mit unterschiedlichen OH-Gruppen kann eine hohe Selektivität erzielt werden. Die Bildung von Nebenprodukten, insbesondere von Isocyanaten, die an beiden NCO-Gruppen abreagiert haben oder von Reaktionsprodukten, die nur NCO-Gruppen ohne weitere OH-Gruppe tragen, wird verringert. Unter idealer Reaktion ist in diesem Falle zu verstehen, dass die reaktivere NCO-Gruppe des Diisocyanats sich mit einer Alkoholfunktion umsetzt. Die zweite Isocyanatgruppe soll nicht reagieren. Als Nebenprodukte können beispielsweise vollständig mit einem Isocyanat umgesetzte Alkohole, vollständig mit OH-Gruppen umgesetzte Isocyanate oder verzweigte Produkte durch Dimerisierungsreaktion von NCO-Gruppen entstehen. Die entsprechende Menge der Nebenprodukte kann beispielsweise über chromatographische Verfahren bestimmt werden. Der Anteil an polymeren Nebenprodukten ins gering, sie sollen weniger als 10 % betragen.
Für die Reaktion der zweiten Stufe werden Di- oder Triisocyanate B ausgewählt, die mindestens eine NCO-Gruppe aufweisen, die eine höhere Reaktivität besitzt als die bereits am Zwischenprodukt vorhandenen NCO-Gruppen. Es kann sich beispielsweise um die oben angeführten Isocyanate handeln, insbesondere auch um solche mit unterschiedlich reaktiven NCO-Gruppen. Bevorzugt werden aromatische Diisocyanate eingesetzt, insbesondere TDI oder MDI und seine Derivate.
Für die zweite Reaktionsstufe wird das NCO-/OH-Verhältnis von Zwischenprodukt und Di-/Triisocyanat B so gewählt, dass ein molarer Überschuss Isocyanat in Bezug auf die Anzahl der OH-Gruppen von größer als 3:1 vorliegt, insbesondere mindestens 7:1 , besonders bevorzugt mindestens 10:1. Es bilden sich dann im wesentlichen Prepolymere mit geringen polymeren Verunreinigungen, die beispielsweise durch eine Kettenverlängerung entstehen. Die Verunreinigungen sollen weniger als 10 Gew.-% betragen, insbesondere weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 3 %.
Die Reaktion wird unter den oben angegebenen Temperaturbedingungen durchgeführt. Sie kann ggf. durch erhöhte Temperatur unterstützt werden. Es soll dabei ein im wesentlichen ideales Polymer entstehen, das endständig nur Isocyanatgruppen und keine OH-Gruppen mehr aufweist. Die Anzahl der reaktiven NCO-Gruppen pro Molekül kann bevorzugt 1 betragen. Es sind jedoch aber auch zwei oder drei reaktive NCO-Gruppen pro Molekül möglich. Weiterhin ist es erfindungsgemäß, dass eine weniger reaktive NCO-Gruppe im Molekül vorhanden ist. Es ist jedoch auch möglich, dass zwei oder drei weniger reaktive NCO- Gruppen vorhanden sind.
Nach dem Abschluss der Reaktion liegt das Reaktionsprodukt als Prepolymeres mit endständigen NCO-Gruppen vor, das aber noch Anteile an überschüssigen monomeren Isocyanaten der zweiten Reaktionsstufe enthält. Ggf. können auch noch Lösemittel enthalten sein. Das vorliegende Gemisch wird dann im allgemeinen durch Destillation im Hochvakuum, bevorzugt in einem Dünnschichtverdampfer, beispielsweise bei einer Temperatur von 100 bis 2000C, vorzugsweise von 120 bis 1800C, von flüchtigen Bestandteilen, wie überschüssigen monomeren Isocyanaten und gegebenenfalls vorhandenen Lösemitteln, befreit. Es werden alle flüchtigen Bestandteile abdestilliert, auch noch ggf. vorhandene Reste der monomere Diisocyanate der ersten Reaktionsstufe. Da die Bestandteile in einer bevorzugten Ausführungsform unterschiedliche Siedepunkte aufweisen z.B. aliphatische und aromatische Isocyanate und ggf. Lösemittel, ist es durch Wahl der Destillationsbedingungen möglich, die abdestillierten Bestandteile möglichst rein zu erhalten.
Das erhaltene reaktive PU-Prepolymer enthält maximal 3 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,3 Gew.-% und insbesondere maximal 0,03 Gew.-% monomeren Diisocyanat A und B, bezogen auf das reaktive Prepolymer. Der Gewichtsanteil des monomeren Diisocyanates kann gaschromatographisch oder mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) bestimmt werden.
Die erfindungsgemäßen Prepolymere sind weitgehend homogen und zeigen eine einheitliche Reaktivität der innerhalb der beiden unterschiedlichen NCO-Gruppen. Nebenreaktionen durch niedermolekulare Isocyanate werden vermieden. Die Prepolymere weisen eine überwiegend ideale Struktur auf, polymere Nebenprodukte sind vermindert.
Die Viskosität der erfindungsgemäßen reaktiven Polyurethanprepolymere, gemessen nach Brookfield (ISO 2555), beträgt bei 100 °C 20 mPas bis 10000 mPas, bevorzugt 10 mPas bis 5000 mPas und insbesondere bevorzugt 200 mPas bis 3000 mPas.
Die erfindungsgemäßen Prepolymere können direkt in Endprodukte eingesetzt werden, ggf. in Mischungen mit anderen Hilfsstoffen, Additiven oder Polymeren. Sie werden aber auch in der chemischen Synthese als Baustein für andere höher molekulare Produkte eingesetzt. Durch die zwei unterschiedlich reaktiven Isocyanatgruppen ist es möglich, weitere Syntheseschritte zu steuern und definierte Polymere aufzubauen.
Die erfindungsgemäßen Isocyanatprepolymere weisen in der Praxis hervorragende Eigenschaft auf. Sie zeigen nur eine enge Molekulargewichtsverteilung. Weiterhin sind die Viskositätseigenschaften für die unmittelbare Anwendung oder für weitere Reaktionen besonders geeignet. Die Viskosität liegt niedriger im Vergleich zu stärker oligomerhaltigen Produkten. Durch den verminderten Anteil an monomeren Isocyanaten können solche Prepolymere auch in Produkte eingebracht werden oder chemisch umgesetzt werden, die aus lebensmittelrechtlichen Gründen nur einen geringen Anteil an monomeren Isocyanaten aufweisen dürfen. Beispiele für die Verwendung der erfindungsgemäßen Polyisocyanate sind Schmelzklebstoffe oder Kaschierklebstoffe. Sie können weiterhin in Überzugsmitteln oder Strukturklebstoffen eingesetzt werden oder es sind Anwendungen im do-it-your- self-Bereich möglich.
Beispiel 1
400 g eines PPG-Diols mit einem Molekulargewicht von ca. 450 (0,89 mol) werden mit 198,5 g eines Diisocyanats (IPDI) (0,89 mol) gemischt und auf 40 0C erwärmt.
Nach 1 Std. ist die Hälfte der Isocyanatgruppe abreagiert, der NCO-Gehalt auf
6,3 % gefallen.
Nach Abbrechen der NCO-Gruppen in einer Probe zeigt ein GPC einen Haupt-
Peak von ca. 670.
Die Mischung wird mit 670 g MDI (2,7 mol) umgesetzt und reagiert bei
Temperaturen bis 100 0C ab. Das entstehende Produkt wird in einem
Dünnschichtverdampfer bei 0,001 mbar und ca. 1900C von nicht umgesetzten monomeren MDI befreit.
Das Produkt hat einen NCO-Gehalt von 9 % und eine Viskosität von 3300 mPas bei 800C.
Ein GPC zeigt nach dem abreagieren der NCO-Gruppen eine Haupt-Peak von ca.
930. Es wird eine enge Molekulargewichtsverteilung mit ca. 10 % hochmolekularen Verunreinigungen erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von mindestens difunktionellen Isocyanatprepolymeren, die zwei unterschiedliche reaktive NCO-Gruppen aufweisen und einen Monomerengehalt an monomeren Diisocyanaten unterhalb von 3 % aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Polyol mit zwei bis zehn OH-Gruppen umgesetzt wird mit einem Diisocyanat A, das unterschiedlich reaktive NCO-Gruppen enthält, wobei das Verhältnis x : y aus Anzahl der Äquivalente der OH-Gruppe zu der molaren Menge des Diisocyanats (val OH : mol Isocyanat) kleiner 1 ist, wobei x ganzzahlig ist und y zwischen x-1 bis 1 liegt, b) Umsetzen der reaktiven NCO-Gruppen, so dass ein Zwischenprodukt mit NCO- und OH-Gruppen vorliegt, c) Umsetzen mit einem weiteren Di- oder Thisocyanat B mit höherreaktiven NCO-Gruppen, d) Abdestillieren der nichtabreagierten monomeren Isocyanate wobei die molare Menge des weiteren Di-/Triisocyanats B im mindestens dreifachen Überschuss zu den vorhandenen OH-Gruppen vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol zwei, drei oder vier OH-Gruppen aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol ein Polyetherpolyol, Polyesterpolyol und/oder AI kylenpolyol ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekulargewicht des Polyols zwischen 60 bis 6000 beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol unterschiedlich reaktive OH-Gruppen aufweist, insbesondere sekundäre und primäre OH-Gruppen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Diisocyanat A ausgewählt ist aus IPDI, TDI, TMXDI, 2,4-MDI, NDI.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aliphatisches Diisocyanat eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine OH-Gruppe mit einem Diisocyanat A umgesetzt wird und dass mindestens eine weitere OH-Gruppe nach der Reaktion der Stufe b) vorliegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis der Diisocyanate A zu dem Polyol so gewählt wird, dass eine oder zwei oder drei OH-Gruppen mit dem Diisocyanat umgesetzt werden, wobei mindestens eine weitere OH-Gruppe in dem Polyol vorhanden ist.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isocyanat B mit den höheren reaktiven NCO-Gruppen ein aromatisches Isocyanat ist.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Isocyanat B ein aromatisches Diisocyanat ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis Di- oder Thisocyanat B zu freien OH-Gruppen größer als 3:1 beträgt, bevorzugt größer 7:1.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an monomeren Isocyanaten nach der Destillation kleiner 0,3 % beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillation als Dünnschichtdestillation im Vakuum durchgeführt wird.
15. Polyfunktionelles Isocyanatprepolymer, hergestellt aus einem Polyol mit 2 -10 OH-Gruppen durch Reaktion in zwei Stufen mit zwei unterschiedlichen Di- oder Thisocyanaten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine NCO-Gruppen eine NCO-Gruppen mit niedriger Reaktivität ist und die anderen NCO-Gruppen NCO-Gruppen höherer Reaktivität sind, wobei der Gehalt an monomeren Isocyanaten unterhalb von 3 % beträgt und wobei eine im überwiegend ideale und einheitliche Struktur der Polymermoleküle vorliegt.
16. Isocyanatprepolymer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Isocyanatprepolymer eine bis vier Isocyanatgruppen enthält.
17. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepolymere eine höher reaktive NCO-Gruppe aufweist.
18. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die höher reaktive NCO-Gruppe auf Basis von 2,4 und/oder 4,4-MDI eingebracht wurde.
19. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die weniger reaktive Isocyanatgruppe durch ein aliphatisches Isocyanat eingebracht wurde.
20. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepolymeren eine der folgenden Strukturen aufweisen:
I. NCOB - Polyol - NCOA
II. NCOA- Polyol - NCOA
NCOB NCOB - Polyol - NCOB NCOA
NCOB
IV. NCOB - Polyol - NCOB
NCOA
NCOA
V. NCOB - Polyol - NCOB
NCOA
21. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol zwei unterschiedlich reaktive OH-Gruppen aufweist, insbesondere mindestens eine primäre OH-Gruppe und mindestens eine sekundäre OH-Gruppe.
22. Isocyanatprepolymer nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivität der OH-Gruppe um den Faktor 3 unterschiedlich ist.
23. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivität der NCO-Gruppen des Diisocyanats B um den Faktor 3 größer ist, als die Reaktivität der freien NCO-Gruppen des Prepolymeren nach der Umsetzung der Stufe b).
24. Isocyanatprepolymer nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen an polymeren Begleiterscheinungen unterhalb von 10, insbesondere unterhalb von 5 Gew.-% des Prepolymers liegen.
25. Verwendung von Isocyanatprepolymeren gemäß Anspruch 15 bis 24 in Polyurethanklebstoffen.
26. Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Isocyanatprepolymer durch Reaktion weiter umgesetzt wurde.
27. Verwendung nach Anspruch 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Schmelzklebstoff oder um einen 2-Komponenten-Klebstoff handelt.
28. Verwendung von Isocyanatprepolymeren nach Anspruch 15 bis 24 zu Herstellung von Beschichtungsmitteln.
29. Verwendung von Isocyanatprepolymeren nach Anspruch 15 bis 24 zur Herstellung von Verguss- oder Knetbaren Massen.
30. Verwendung von Isocyanatprepolymeren nach Anspruch 15 bis 24 zur Herstellung von Schäumen.
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