WO2008155018A1 - Reaktive polyurethan-hotmelts - Google Patents

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WO2008155018A1
WO2008155018A1 PCT/EP2008/004409 EP2008004409W WO2008155018A1 WO 2008155018 A1 WO2008155018 A1 WO 2008155018A1 EP 2008004409 W EP2008004409 W EP 2008004409W WO 2008155018 A1 WO2008155018 A1 WO 2008155018A1
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polyurethane
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Matthias Wintermantel
Peter A. Reichert
Eduard Mayer
Marc Christian Leimenstoll
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Bayer Materialscience Ag
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Definitions

  • the invention relates to polyurethane-containing hotmelt adhesives having improved properties and to compositions which comprise these hotmelt adhesives, to processes for producing the hotmelt adhesives or to the preparations and to their use.
  • the present invention relates to polyurethane-containing hot melt adhesives (hereinafter also referred to as hot melt adhesive systems or PUR hotmelts) comprising inorganic and / or organic nucleating agents.
  • PUR hotmelts polyurethane-containing hot melt adhesives
  • Another object of the present invention are preparations which contain the hot melt adhesives, processes for the preparation of hot melt adhesives or preparations and their use.
  • Reactive polyurethane hotmelts are a rapidly growing product group within the application of polyurethanes in the adhesives field. For their construction, preference is given to using linear polyester and / or polyether polyols in combination with an excess of polyisocyanates, preferably diisocyanates.
  • the actual curing of the reactive PUR hotmelts i. Crosslinking reaction of the components with each other, takes place within hours to days by reaction of the isocyanate groups with water from the environment or the substrates bonded together to form polyurea.
  • the PUR hotmelts are then only partially melted or soluble in solvents. Because of this, the cured adhesives have good heat resistance and resistance to chemicals such as plasticizers, solvents, oils or fuels.
  • reactive PUR hotmelts use polyols whose concentration in the hotmelt is sufficiently high and whose first or second order transition (Tm or Tg) is at relatively high temperatures. Care should be taken here that the first or second order transition also takes place in a formulated hotmelt and not by e.g. Miscibility of the crystallizing polyol is suppressed in the overall system.
  • Hot melts based on semicrystalline polyesters such as e.g. described in DE 38 27 224 Al are characterized by a very short open time and an associated rapid build-up of initial strength. This is achieved, for example, by the use of dodecanedioic acid esters, which are known to have very high recrystallization kinetics and a high melting point.
  • PUR-Ho tmelts are used, for example, for bonding wood materials.
  • the hot melt adhesive systems used for the bonding of wood elements have the disadvantage that they do not lead to an increase in the cohesion of the wood when applied to the corresponding wood elements and cured.
  • the final strength is generally determined by the stability of the wood, while adhesion by the hotmelt adhesive system is not critical. In other words, before the cohesion is broken by the hot melt adhesive system, wood chips break out.
  • adhesive systems would thus be preferred, which interact with the wood materials used after curing so that the wood material per se, for example, by penetrating into the wood through the adhesive system undergoes solidification, which counteracts, for example, a wood breakage. Accordingly, not only adhesive systems are required which allow a faster initial strength structure, but also adhesive systems which increase the strength of the wood elements used in the cured state at the same time.
  • the object of the invention is thus preferably to modify formulations of reactive polyurethane hotmelts in such a way that a faster initial strength build-up takes place. This is to be achieved in that the formulation has a higher recrystallization temperature of the crystalline and / or partially crystalline polyol component in the reactive polyurethane hotmelt.
  • the formulations are preferably designed to increase wood pulp strength so that, for example, wood breakage can be avoided.
  • hot melt adhesive systems based on crystalline or semicrystalline polyesterpolyols or mixtures thereof with crystalline, semicrystalline, amorphous, liquid polyols or other components by nucleating agents on an inorganic or organic basis in comparison to formulations without nucleating agent by a particularly rapid development of the initial strength and an increased final strength of bonded wood elements.
  • the present invention thus relates to polyurethane-containing hotmelt adhesives which comprise at least one nucleating agent.
  • the polyurethane-containing hot melt adhesives according to the invention differ from the thermoplastic polyurethane elastomers according to the publication "Initial Bond Strength of Polyurethane Contact Adhesives" (Adv. Urethane Sei. Tee, 1992, 11, 192-216) in that the hot melt adhesive systems according to the invention are not solvent-based, such as The systems described in the prior art have a solids content of 22% or 28%. A transferability of the results of the prior art, which relates to solvent-based systems, on the polyurethane-containing hot melt adhesives according to the invention is not to be expected, since the systems are completely different from each other. If nucleating agents are used in solvent-based systems, they have a high mobility due to the significantly lower viscosity.
  • Solvents which may be included in the polyurethane-containing hot melt adhesives of the invention may be prepared only from the preparation of the corresponding ingredients, i. the polyester and the isocyanates come.
  • the presence of glycols and acids, which are used in the production of polyester, and of amines, which are used in the production of isocyanates conceivable.
  • these low molecular weight radicals make up a substantially negligible proportion of the hot melt adhesive system according to the invention.
  • a polyurethane-containing hotmelt adhesive is understood to mean a system which has a solvent content of less than 10% by weight, particularly preferably less than 8% by weight, in particular less than 6% by weight, especially less than 4% by weight, especially less than 2% by weight, more particularly less than 1% by weight, even more specifically less than 0.5% by weight, in each case based on the hot-melt adhesive system.
  • the nucleating agent used in the polyurethane-containing hotmelt adhesives according to the invention may be an organic and / or inorganic nucleating agent.
  • the polyurethane-containing hotmelt adhesives are obtainable by reacting (A) at least one aromatic, aliphatic, araliphatic and / or cycloaliphatic diisocyanate, preferably with a content of free NCO groups from 5 to 60 wt .-%, particularly preferably from 20 to 55 wt .-%, most preferably from 30 to 50% by weight (based on A)
  • ratio of A to B is chosen such that the molar ratio of NCO to OH> 1, preferably from 1.2 to 4.0, particularly preferably from 1.3 to 3.0, and
  • the invention also relates to preparations containing the polyurethane-containing hotmelt adhesives according to the invention, and the use of the inventive polyurethane-containing hotmelt adhesives or preparations, for example, as a sealant, coating, foam, and as an adhesive, in particular hot melt adhesive.
  • Another object of the present invention is a process for the preparation of the polyurethane-containing hot melt adhesives and / or formulations according to the invention.
  • Isocyanates suitable as isocyanate component A) are, for example, those having isocyanate contents of from 5 to 60% by weight (based on the isocyanate) with aliphatically, cycloaliphatically, araliphatically and / or aromatically bound isocyanate groups, such as, for example, 1,4-diisocyanatobutane, 1,6-diisocyanatohexane (HDI), 2-methyl-l, 5-diisocyanatopentane, 1,5-diisocyanato-2,2-dimethylpentane, 2,2,4- and 2,4,4-trimethyl-l, 6, respectively diisocyanatohexane, 1,10-diisocyanatodecane, 1,3- and 1,4-diisocyanatocyclohexane, 1,3- and 1,4-bis- (iso- cyanatomethytycyclohexane, 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5
  • Preferred diisocyanate component A) are 1,6-diisocyanatohexane (HDI), 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (isophorone diisocyanate, IPDI), 4,4'-diisocyanatodicyclohexylmethane, 2,4- and / or 2,6-diisocyanatotoluene (TDI), 2,2'-, 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane (MDI).
  • HDI 1,6-diisocyanatohexane
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • TDI 2,4'-diisocyanatodicyclohexylmethane
  • TDI 2,4-diisocyanatototoluene
  • MDI 2,2'-, 2,4'- and / or 4,4'-
  • diisocyanates as diisocyanate component A) are 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane (MDI).
  • MDI 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane
  • a polyol is understood as meaning a polyol having more than one OH group, preferably two terminal OH groups.
  • Such polyols are known to the person skilled in the art.
  • polyester polyols are either liquid at room temperature (glass transition temperature Tg ⁇ 20 ° C) or solid. Polyester polyols solid at room temperature are either ⁇ -morph (glass transition temperature Tg> 20 ° C.) or crystallizing.
  • Suitable crystallizing polyesters are, for example, those based on linear aliphatic dicarboxylic acids having at least 2 carbon atoms, preferably at least 6 carbon atoms, more preferably 6 to 14 carbon atoms in the molecule, e.g. Adipic acid, azelaic acid, sebacic acid and dodecanedioic acid, preferably adipic acid and dodecanedioic acid and linear diols having at least 2 carbon atoms, preferably at least 4 carbon atoms, more preferably 4-6 carbon atoms in the molecule, preferably with an even number of carbon atoms such as 1, 4-butanediol and 1,6-hexanediol.
  • the polycaprolactone derivatives based on bifunctional starting molecules such as 1,6-hexanediol are particularly suitable.
  • Suitable amorphous polyester polyols are, for example, those based on adipic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, ethylene glycol, neopentyl glycol and 3-hydroxy-2,2-dimethylpropyl-3-hydroxy-2,2-dimethylpropanoate.
  • Suitable polyester polyols which are liquid at room temperature are, for example, those based on adipic acid, ethylene glycol, 1,6-hexanediol and neopentyl glycol.
  • Suitable polyether polyols are the customary in polyurethane chemistry polyethers, such as those using diacid to hexavalent starter molecules such as water, ethylene glycol, 1,2- or 1,3-propylene glycol, neopentyl glycol, glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol or 1- to 4-NH-bond-containing amines prepared addition or MischadditionsENSen of tetrahydrofuran, styrene oxide, ethylene oxide, propylene oxide, the butylene oxides or epichlorohydrin, preferably of ethylene oxide and / or propylene oxide.
  • the bifunctional propylene oxide and / or ethylene oxide adducts and polytetrahydrofuran are mentioned.
  • Such polyether polyols and their preparation are known in the art. Nucleating agent C):
  • Nucleating agent C in the context of the present invention means all additives which trigger or favor the formation of a crystalline phase from the melt or solution and / or the crystal growth on existing crystal surfaces.
  • Suitable nucleating agents C) are for example selected from the group consisting of inorganic salts and oxides such as talc, calcite or attapulgite; colloidal silver or gold; Hydrazones, sodium or aluminum benzoates; Aluminum, sodium and calcium salts of aromatic or aliphatic or cycloaliphatic acids, for example calcium terephthalate; Derivatives of phosphoric acids or organophosphates; pigments; sorbitols; Pine resins; or polymeric nucleating agents such as polycyclopentene or polyvinylcyclohexane and mixtures of these.
  • nucleating agents C are sodium chloride, potassium chloride, potassium bromide, titanium dioxide (for example in the rutile type), magnesium oxide, zinc oxide, carbon (black), dibenzathrone, copper phthalocyanine, indigo, bis (p-methylbenzylidene) sorbitol, sodium benzoate or sodium 2, 2'-methyl-bis- (4,6-di-tert-butylphenyl) phosphate.
  • nucleating agents are described in WO 2005/066256 A1, the disclosure of which is incorporated by reference in the present invention.
  • nucleating agents C) are bis (p-methylbenzylidene) sorbitol, sodium benzoate and sodium 2,2'-methyl-bis (4,6-di-tert-butylphenyl) phosphate.
  • nucleating agents and their preparation are known to the person skilled in the art.
  • the production of the polyurethane-containing hot melt adhesives according to the invention is carried out, for example, such that the polyols are mixed with an excess of the polyisocyanates and the homogeneous mixture is filled or until a constant NCO value is obtained, which is usually achieved after two hours, and then bottled.
  • As the reaction temperature 60 to 150 ° C, preferably 80 to 130 ° C, selected.
  • the preparation of the reactive hotmelts can also be carried out continuously in a stirred tank cascade or suitable mixing units, such as, for example, high-speed mixers according to the rotor-stator principle or a static mixer.
  • the polyester and / or polyether polyols or a portion thereof with a deficit of diisocyanates preferably 1,6-diisocyanatohexane (HDI), 2,4- and / or 2,6-diisocyanatotoluene (TDI) and / or 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane (MDI), to modify and react after completion of the reaction, the urethane group-containing polyols with an excess of diisocyanates to a hotmelt containing isocyanate groups.
  • diisocyanates preferably 1,6-diisocyanatohexane (HDI), 2,4- and / or 2,6-diisocyanatotoluene (TDI) and / or 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane (MDI)
  • the preparations may be provided with conventional additives in addition to the hot melt adhesive systems according to the invention.
  • Corresponding additives can be selected, for example, from the group consisting of the reaction with moisture-activating catalysts, further inorganic or organic fillers, dyes, resins, reactive and non-reactive polymers and extender oils.
  • the polyurethane-containing hot melt adhesives of the invention can be used in many ways, for example as a sealant, coating, foam, as an adhesive, in particular as a hot melt adhesive, as a mounting adhesive for the temporary fixation of components, as a bookbinding adhesive, as an adhesive for the production of tantêtventilsburgen, for the production of composite films and laminates or as an edge divider.
  • a sealant for example as a sealant, coating, foam, as an adhesive, in particular as a hot melt adhesive, as a mounting adhesive for the temporary fixation of components, as a bookbinding adhesive, as an adhesive for the production of tantêtventilsburgen, for the production of composite films and laminates or as an edge divider.
  • the preparation is carried out in a manner known to those skilled in the art and is e.g. described in Ullmann's Enzyklopadie der ischen Chemie, "Polyester”, 4th edition, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
  • the preparation is carried out in a manner known to those skilled in the art and is e.g. described in Ullmanns Enzyklopadie der ischen Chemie, "Polyester”, 4th edition, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
  • Polyester polyol based on fumaric acid and 1,6-hexanediol having a hydroxyl number of about 55 mg KOH / g and an acid number of about 1.2 mg KOH / g.
  • the preparation takes place in a manner known to the person skilled in the art and is described in DE 102 38 005 A1.
  • Polyester polyol with consist of the main components:
  • the preparation takes place in a manner known to the person skilled in the art and is described, for example, in Ullmann's Enzyklopadie der ischen Chemie, "Polyester”, 4th edition, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
  • Desmodur ® 44M (4,4'-diisocyanate), Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, Germany.
  • Nl sodium 2,2'-methyl-bis (4,6-di-tert-butylphenyl) phosphate
  • Irgastab NAl 1 ® Ciba Specialty Chemicals Lampertheim GmbH, Lampertheim.
  • N2 bis (p-methylbenzylidene) sorbitol
  • Irgaclear DM ® Ciba Specialty Chemicals Lampertheim GmbH, Lampertheim.
  • N3 TaUc; Luzenac A3® , Luzenac Europe, Toulouse, France.
  • the determination of physical transformations such as melting points or glass transition temperatures is carried out by measuring the heat of reaction with a Pyris Diamond DSC calorimeter from Perkin-Elmer.
  • the temperature is calibrated via indium and lead, the heat of reaction via indium.
  • the purge gas used is nitrogen at a flow rate of 30 mL / min.
  • the cooling takes place via liquid nitrogen.
  • the temperature gradient is 20K / min. It is measured in the temperature range between -100 ° C and + 150 ° C.
  • the sample weights are between 9.5 and 11.4 mg sample mass in Al pans (normal crucible). The results are summarized in Table 2.
  • test specimens beech wood panels size 40 x 20 x 5 mm, which at 23 ° C and 50% rel. Moist stored, used.
  • the cartridge with the product is to be characterized listed melted at 120 0 C in a circulating air drying cabinet 45 minutes and the contents subsequently applied with a caulking gun as an adhesive bead on the clamped in a special form wood specimen. Then the mold is firmly closed. The shape guarantees an overlap length of 10 mm, an adhesive surface of 2 cm 2 and an adhesive joint thickness of 0.8 mm.
  • the test specimens are taken out of the mold after a defined time and then at 23 0 C and 50% rel. measured in a tensile shear test. To determine the initial strengths, the test specimens are checked after 5, 10, 30, 60 and 120 minutes. The final strength is determined after 14 days. From each product 5 test specimens are produced, measured and the individual results are averaged. The results are summarized in Table 3.
  • the products Prior to the examination, the products, which are filled in aluminum cartridges, melted in a convection oven at about 125 ° C for about 30 minutes.
  • the viscoelastic characteristics of polyurethane hotmelts are measured at the fixed frequency of 1 Hz.
  • the temperature is lowered from 130 ° C to 0 ° C at 2 ° C / min. Since the samples shrink on cooling, the measurement must be carried out with a rheometer which has an "Auto Tension Function.”
  • the temperature was taken from two different storage moduli (G ").
  • the cooling rate of 2 K / min does not correspond to the real cooling rate of a hot melt during the application
  • setting measurements are carried out which have a much higher cooling rate.
  • the molten, hot PUR hotmelt is quickly transferred to the cold (room temperature) measuring vessel and immediately measured rheologically at room temperature.
  • the cooling rate thus results from the cooling by the ambient temperature and is in the first minute at about 40 - 80 K / min.
  • the characterization of the viscoelastic properties of the reactive polyurethane hotmelts is carried out with the rheometer VOR-MeIt from BOHLIN Instruments by means of the oscillation program and the plate / plate system 25HT.
  • the device is used to characterize the viscoelastic properties of highly viscous substances such as plastic melts, rubbers, etc. as a function of temperature and frequency.
  • transition temperatures obtained from DSC investigations for the pure polyester and nucleating agent-containing polyester are listed in Table 2.
  • the tensile shear strengths from the characterization of beechwood bonds are summarized in Table 3 and the theological characterizations in Table 4.
  • Table 2 Transition temperatures of polyesters containing nucleating agent (cooling rate: 2K7min)
  • Table 3 tensile shear strengths of beech wood bonds in N / mm after curing at 23 0 C and 50% rel. Humidity and different curing times
  • Table 2 shows the transition temperatures, measured by means of DSC, of the pure polyesters A and B without nucleating agent and those of the pure polyesters A and B, containing nucleating agents Nl and N2.
  • the melting temperature of, for example, polyester B is 71.7 ° C.
  • the melting temperatures of the polyester B, containing nucleating Nl and N2, respectively, are respectively 71.4 ° C and 72.0 0 C. It is thus clear that the nucleating agent show no significant effect on the melting temperature. When considering the crystallization temperatures such as -enthalpien no significant influence is also recognizable.
  • the hot melt adhesive systems provided according to the invention are essentially based on the properties of recrystallization of the polyesters with respect to the recrystallization, it can not be assumed from the results which are shown in Table 2 that nucleating agents have an influence on an initial strength build-up or a wood material strength, respectively Have hardening.
  • Comparing Examples 4 - 8 with Comparative Examples 4 - 6 clearly shows the influence of the nucleating agent on the initial strength. For example, for the
  • Example 1 the storage modulus G 'of 5 x 10 4 Pa is achieved at a temperature of 45 ° C.
  • the hotmelt without nucleating agent (Comparative Example 1) must be cooled to almost 40 ° C until it reaches a strength of 1 x 10 4 Pa. This means that at low cooling rates an influence of nucleating agent on the cooling behavior of reactive PUR hotmelts can be observed.
  • nucleating agents in low molecular weight NCO-terminated polyurethane prepolymers represents a decisive advantage in the application, since these systems reach the dahlquist range already early due to their increased recrystallization tendency. As a result, in the past, they have sufficient initial strength in comparison with the previous systems in order to be able to hold the substrates to be bonded in their position without mechanical fixation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Polyurethane enthaltende Schmelzklebstoffe mit verbesserten Eigenschaften sowie Zubereitungen, welche die Schmelzklebstoffe enthalten, Verfahren zur Herstellung der Schmelzklebstoffe bzw. der Zubereitungen, die diese enthalten, sowie deren Verwendung.

Description

Reaktive Polyurethan-Hotmelts
Die Erfindung betrifft Polyurethane enthaltende Schmelzklebstoffe mit verbesserten Eigenschaften sowie Zubereitungen, welche diese Schmelzklebstoffe enthalten, Verfahren zur Herstellung der Schmelzklebstoffe bzw. der Zubereitungen sowie deren Verwendung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Polyurethan enthaltende Schmelzklebstoffe (im Folgenden auch als Schmelzklebstoffsysteme oder PUR-Hotmelts bezeichnet), welche anorganische und/oder organische Nukleierungsmittel umfassen. Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Zubereitungen, welche die Schmelzklebstoffe enthalten, Verfahren zur Herstellung der Schmelzklebstoffe bzw. Zubereitungen und de- ren Verwendung.
Reaktive Polyurethan-Hotmelts sind eine stark wachsende Produktgruppe innerhalb der Anwendungen von Polyurethanen auf dem Klebstoffgebiet. Für ihren Aufbau werden vorzugsweise lineare Polyester- und/oder Polyetherpolyole in Kombination mit einem Über- schuss an Polyisocyanaten, vorzugsweise Diisocyanaten, verwendet.
Die Vorteile dieser Produktklasse liegt vor allem in der Abwesenheit von Lösungsmittel, der Möglichkeit die Produkte in der Wärme mit relativ niedrigen Viskositäten zu applizieren, trotzdem hohe Anfangsfestigkeiten zu erhalten und nach relativ kurzer Zeit wegen der weiteren Reaktion mit Feuchtigkeit Klebverbindungen mit sehr hohem, weit über den Applikationstemperaturen liegendem Wärmestand und exzellenten Lösemittelbeständig- keiten zu erhalten.
Wesentlich für das gute Eigenschaftsprofil der reaktiven Polyurethan-Hotmelts ist ihre Fähigkeit, beim Abkühlen sehr schnell Kohäsionsfestigkeiten (Anfangsfestigkeiten) aufzubauen, die ein Handhaben der gefügten Teile unmittelbar nach dem Fügen erlaubt. Für viele Anwendungen ist dabei ein besonders rascher Festigkeitsaufbau notwendig, um bei- spielsweise bei kurzen Taktzeiten eine zügige Weiterverarbeitung zu ermöglichen oder Rückstellkräfe der Substrate aufnehmen zu können, ohne dass Ablöseerscheinungen auftreten. Für den Aufbau der Anfangsfestigkeiten sind — wie bei allen Hotmelts — nur physikalische Phänomene verantwortlich, da im Sekunden- bzw. Minutenbereich noch keine wesentlichen chemischen Vorgänge ablaufen. Bei diesen physikalischen Vorgängen handelt es sich zum Einen um den starken, kontinuierlich verlaufenden Viskositätsanstieg der sich durch Temperaturerniedrigung ergibt, zum Anderen - bei Verwendung kristalliner Komponenten - um einen Rekristallisationseffekt, der zu einem Sprung in der Zunahme der Festigkeit führt.
Die eigentliche Aushärtung der reaktiven PUR-Hotmelts, d.h. Vernetzungsreaktion der Komponenten miteinander, erfolgt innerhalb von Stunden bis Tagen durch Reaktion der Isocyanatgruppen mit Wasser aus der Umgebung oder den miteinander verklebten Substraten zu Polyharnstoff. Die PUR-Hotmelts sind danach nur noch bedingt schmelzbar oder in Lösemitteln löslich. Aufgrund dessen haben die ausgehärteten Klebstoffe eine gute Wärmefestigkeit und Beständigkeit gegen Chemikalien wie Weichmacher, Lösemittel, Öle oder Kraftstoffe.
Um rasch Anfangsfestigkeit aufzubauen, wird bei reaktiven PUR-Hotmelts auf Polyole zurückgegriffen, deren Konzentration im Hotmelt genügend hoch ist und deren Übergang erster bzw. zweiter Ordnung (Tm bzw. Tg) bei relativ hohen Temperaturen liegt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Übergang erster bzw. zweiter Ordnung auch in einem formulierten Hotmelt erfolgt und nicht durch z.B. Mischbarkeit des kristallisierenden Polyols im Gesamtsystem unterdrückt wird.
Hotmelts auf Basis teilkristalliner Polyester wie z.B. in DE 38 27 224 Al beschrieben zeichnen sich durch eine sehr kurze offenen Zeit und einen damit verbundenen schnellen Aufbau von Anfangsfestigkeit aus. Dies wird beispielsweise durch den Einsatz von Estern auf Basis von Dodekandisäure erzielt, die dadurch bekannt sind, dass Sie eine sehr schnel- Ie Rekristallisationskinetik und einen hohen Schmelzpunkt haben.
Es ist bekannt (z.B. WO2005/066256), dass Übergangstemperaturen sowie Rekristallisationsenthalpien von hochmolekularen, teilkristallinen, thermoplastischen Polymeren, wie z.B. Polyolefinen oder Polyestern durch Zusatz von Nukleierungsmitteln erhöht werden kann. Dadurch lässt sich z.B. die Entformbarkeit und damit die Zykluszeiten beim Spritzgießen verbessern.
Der Effekt von Nukleierungsmittel auf die Anfangsfestigkeit von hochmolekularen löse- mittelhaltigen thermoplastischen Polyurethanelastomeren wurde in der Veröffentlichung „Initial Bond Strength of Polyurethane Contact Adhesives" (Adv. Urethane Sei. Tee, 1992, 11, 192-216) beschrieben. Hier wurden ausschließlich lösemittelbasierende Polyurethan-Systeme untersucht, welche einen Feststoffanteil von 22 % oder 28 % aufweisen. Die in dieser Veröffentlichung für diese lösemittelbasierenden Systeme beschriebenen Ergebnisse geben jedoch keinen Aufschluss, wie sich Nukleierungsmittel in Schmelzkleb- Stoffsystemen verhalten, die im Wesentlichen lösemittelfrei sind.
Zusammenfassend ist somit nicht bekannt, wie die Auswirkung von Nukleierungsmitteln auf das Rekristallisationsverhalten von Schmelzklebstoffsystemen auf der Basis von niedermolekularen NCO-terminierten Prepolymeren, enthaltend kristalline bzw. teilkristalline und/oder amorphe Polyolkomponenten, ist.
PUR-Ho tmelts werden beispielsweise zum Verkleben von Holzmaterialien verwendet. Dabei weisen die für die Verklebung von Holzelementen verwendeten Schmelzklebstoffsysteme den Nachteil auf, dass sie nicht zu einer Verstärkung des Zusammenhalts des Holzes führen, wenn sie auf die entsprechenden Holzelemente aufgetragen und gehärtet sind. Bei der Untersuchung von verklebten Holzelementen hat sich nämlich herausge- stellt, dass nach vollständiger Aushärtung des Hotmelts die Endfestigkeit im Allgemeinen durch die Stabilität des Holzes bestimmt wird, während die Haftung durch das Schmelzklebstoffsystem unkritisch ist. Anders ausgedrückt, bevor die Kohäsion durch das Schmelzklebstoffsystem aufgebrochen wird, kommt es zu Holzausrissen. Hier wären somit Klebstoffsysteme bevorzugt, welche nach dem Aushärten so mit den verwendeten Holzmaterialien wechselwirken, dass auch das Holzmaterial an sich, beispielsweise durch ein Penetrieren in das Holz durch das Klebstoffsystem, eine Verfestigung erfährt, die beispielsweise einem Holzausriss entgegen wirkt. Dem gemäß sind nicht nur Klebstoffsysteme gefragt, welche einen schnelleren Anfangsfestigkeitsaufbau ermöglichen, sondern auch Klebstoffsysteme, welche im ausgehärteten Zustand gleichzeitig die Festigkeit der verwendeten Holzelemente erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit vorzugsweise darin, Formulierungen von reak- tiven Polyurethan-Hotmelts so zu modifizieren, dass ein schnellerer Anfangsfestigkeitsaufbau erfolgt. Dies soll dadurch erreicht werden, dass die Formulierung eine höhere Rekristallisationstemperatur der kristallinen und/oder teilkristallinen Polyolkomponente im reaktiven Polyurethan Hotmelt hat. Darüber hinaus sollen die Formulierungen, wenn sie zur Verklebung von Holzmaterialien verwendet werden, vorzugsweise eine Erhöhung der Holzmaterialfestigkeit bewirken, so dass beispielsweise ein Holzausriss vermieden werden kann.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass Schmelzklebstoffsysteme auf Basis von kristallinen oder teilkristallinen Polyesterpolyolen oder Mischungen dieser mit kristallinen, teilkristallinen, amorphen, flüssigen Polyolen oder anderer Komponenten durch Nukleie- rungsmittel auf anorganischer bzw. organischer Basis sich im Vergleich zu Formulierungen ohne Nukleierungsmittel durch einen besonders raschen Aufbau der Anfangsfestigkeit und eine erhöhte Endfestigkeit verklebter Holzelemente auszeichnen.
Dies ist insbesondere überraschend, da sich die Rekristallisationstemperaturen sowie die Rekristallisationsenthalpie der reinen Polyester mit und ohne Zugabe von Nukleierungs- mittel kaum unterscheiden, was die in Tabelle 2 der vorliegenden Erfindung dargestellten DSC-Untersuchungen zeigen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit Polyurethan enthaltende Schmelzklebstoffe, welche mindestens ein Nukleierungsmittel umfassen.
Die erfmdungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe unterscheiden sich von den thermoplastischen Polyurethanelastomeren gemäß der Veröffentlichung „Initial Bond Strength of Polyurethane Contact Adhesives" (Adv. Urethane Sei. Tee, 1992, 11, 192-216) dahingehend, dass die erfindungsgemäßen Schmelzklebstoffsysteme nicht lösemittelbasierend sind, wie es im Stand der Technik beschrieben ist. Die in dem Stand der Technik beschriebenen Systeme weisen einen Feststoffanteil von 22 % oder 28 % auf. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Stand der Technik, welcher lösemittelbasierende Systeme betrifft, auf die erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe, ist nicht zu erwarten, da sich die Systeme völlig voneinander unterscheiden. Wenn Nukleierungsmittel in lösemittelbasierenden Systemen verwendet werden, so wei- sen diese aufgrund der deutlich niedrigeren Viskosität eine hohe Beweglichkeit auf. Die entsprechenden Klebstoffmoleküle können sich somit recht leicht an die Nukleierungsmittel anlagern und kristallisieren dann leichter aus. Aufgrund der sehr stark eingeschränkten Beweglichkeit der Nukleierungsmittel in Systemen basierend auf Schmelzklebstoffen ist für den Fachmann nicht davon auszugehen, dass die Ergebnisse, welche im Stand der Technik für lösemittelbasierende Systeme beschrieben sind, auch auf Schmelzklebstoffsysteme übertragbar sind.
Lösemittel, welche in den erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffen enthalten sein können, können nur aus der Herstellung der entsprechenden Bestandteile, d.h. der Polyester sowie der Isocyanate stammen. Damit ist allenfalls die Gegenwart von Glykolen und Säuren, welche bei der Polyesterherstellung verwendet werden, und von Aminen, welche bei der Isocyanatherstellung verwendet werden, denkbar. Diese niedermolekularen Reste machen jedoch einen im Wesentlichen vernachlässigbaren Anteil des erfindungsgemäßen Schmelzklebstoffsystems aus.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter einem Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoff ein System verstanden, welches einen Lösemittelanteil von weniger als 10 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 8 Gew.-%, insbesondere weniger als 6 Gew.-%, speziell weniger als 4 Gew.-%, ganz speziell weniger als 2 Gew.-%, noch spezieller weniger als 1 Gew.-%, noch spezieller weniger als 0,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Schmelzklebstoffsystem, umfasst.
Das in den erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffen verwendete Nukleierungsmittel kann dabei ein organisches und/oder anorganisches Nukleierungsmittel sein.
hi einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung sind die Polyurethan enthaltende Schmelzklebstoffe erhältlich durch Umsetzung von (A) mindestens einem aromatischen, aliphatischen, araliphatischen und/oder cycloa- liphatischen Diisocyanat, bevorzugt mit einem Gehalt an freien NCO-Gruppen von 5 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt von 20 bis 55 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 30 bis 50 Gew.-% (bezogen auf A)
und
(B) einem Polyol bzw. Polyolgemisch enthaltend mindestens ein kristallisierendes Polyol,
wobei das Verhältnis von A zu B so gewählt wird, dass das molare Verhältnis von NCO zu OH > 1, bevorzugt von 1,2 bis 4,0, besonders bevorzugt von 1,3 bis 3,0 beträgt und
C) mindestens einem organischen und/oder anorganischem Nuklei erungsmittel, mit Anteilen von 0,001 bis 10, bevorzugt von 0,01 bis 1,0 und besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,5 Gew.% (bezogen auf A + B) beträgt.
Gegenstand der Erfindung sind auch Zubereitungen, welche die erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe enthalten, und die Verwendung der erfϊndungs- gemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe oder Zubereitungen beispielsweise als Dichtstoff, Beschichtung, Schaumstoff, sowie als Klebstoff, insbesondere Schmelzklebstoff. Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe und/oder Zubereitungen.
Isocyanatkomponente A):
Als Isocyanatkomponente A) geeignete Isocyanate sind beispielsweise solche mit Isocya- natgehalten von 5 bis 60 Gew.-% (bezogen auf das Isocyanat) mit aliphatisch, cycloa- liphatisch, araliphatisch und/oder aromatisch gebundenen Isocyanatgruppen, wie z.B. 1,4- Diisocyanatobutan, 1,6-Diisocyanatohexan (HDI), 2-Methyl-l,5-diisocyanatopentan, 1,5- Diisocyanato-2,2-dimethylpentan, 2,2,4- bzw. 2,4,4-Trimethyl-l,6-diisocyanatohexan, 1,10-Diisocyanatodecan, 1,3- und 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1,3- und l,4-Bis-(iso- cyanatomethyty-cyclohexan, 1 -Isocyanato-3 ,3 ,5 -trimethyl-5 -isocyanatomethylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan, 1-Isocyanato-l-me- thyl-4(3)isocyanatomethylcyclohexan, Bis-(isocyanatomethyl)-norbornan, 1,3- und 1,4- Bis-(2-isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI), 2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI), 2,2'-, 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan (MDI), 1,5-Diisocyanato- naphthalin, 1,3- und l,4-Bis-(isocyanatomethyl)-benzol oder Mischungen dieser. Selbstverständlich können auch Polyisocyanate verwendet werden.
Als Diiscocyanatkomponente A) bevorzugte Diisocyanate sind 1 ,6-Diisocyanatohexan (HDI), l-Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (Isophorondiisocya- nat, IPDI), 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan, 2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI), 2,2'-, 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan (MDI).
Als Diiscocyanatkomponente A) besonders bevorzugte Diisocyanate sind 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan (MDI).
Polyolkomponente B):
Unter einem Polyol wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Polyol mit mehr als einer OH-Gruppe, bevorzugt zwei endständigen OH-Gruppen verstanden. Solche Polyole sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt werden Polyesterpolyole. Sie können auf bekanntem Wege hergestellt werden, beispielsweise aus aliphatischen Hydroxycarbonsäuren oder aus aliphatischen und/oder aromatischen Dicarbonsäuren und einem oder mehreren Dio- len. Es können auch entsprechende Derivate eingesetzt werden, wie z.B. Lactone, Ester von niederen Alkoholen oder Anhydride. Beispiele für geeignete Ausgangsprodukte sind Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebazinsäure, Dodecandisäure, Glutarsäure, Glutarsäureanhydrid, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthal- Säureanhydrid, Ethylenglykol, Diethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Neopen- tylglykol, ε-Caprolacton. Polyesterpolyole sind bei Raumtemperatur entweder flüssig (Glasübergangstemperatur Tg < 20°C) oder fest. Bei Raumtemperatur feste Polyesterpolyole sind dabei entweder a- morph (Glasübergangstemperatur Tg > 20°C) oder kristallisierend.
Geeignete kristallisierende Polyester sind beispielsweise solche auf Basis linearer alipha- tischer Dicarbonsäuren mit mindestens 2 Kohlenstoffatomen, bevorzugt mindestens 6 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt 6 bis 14 Kohlenstoffatomen im Molekül wie z.B. Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure und Dodecandisäure, vorzugsweise Adipin- säure und Dodecandisäure und linearen Diolen mit mindestens 2 Kohlenstoffatomen, bevorzugt mindestens 4 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt 4 - 6 Kohlenstoffatomen im Molekül, vorzugsweise mit einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen wie beispielsweise 1 ,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol. Ebenso sind die Polycaprolactonderivate basierend auf bifunktionellen Startmolekülen wie beispielsweise 1,6-Hexandiol als besonders geeignet zu nennen.
Geeignete amorphe Polyesterpolyole sind beispielsweise solche auf Basis von Adipinsäu- re, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Ethylenglykol, Neopentylglykol und 3-Hydroxy-2,2- dimethylpropyl-3-hydroxy-2,2-dimethylpropanoat.
Geeignete bei Raumtemperatur flüssige Polyesterpolyole sind beispielsweise solche auf Basis von Adipinsäure, Ethylenglykol, 1 ,6-Hexandiol und Neopentylglykol.
Als Polyetherpolyol geeignet sind die in der Polyurethan-Chemie üblichen Polyether, wie beispielsweise die unter Verwendung von zwei- bis sechswertigen Startermolekülen wie beispielsweise Wasser, Ethylenglykol, 1,2- oder 1,3-Propylenglykol, Neopentylglykol, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit oder 1- bis 4-NH-Bindungen aufweisenden Aminen hergestellten Additions- oder Mischadditionsverbindungen des Tetra- hydrofurans, Styroloxids, Ethylenoxids, Propylenoxids, der Butylenoxide oder des Epich- lorhydrins, vorzugsweise des Ethylenoxids und/oder des Propylenoxids. Vorzugsweise sind die bifunktionellen Propylenoxid- und/oder Ethylenoxid-Addukte sowie Polytetra- hydrofuran zu nennen. Solche Polyetherpolyole und ihre Herstellung sind dem Fachmann bekannt. Nukleierungsmittel C):
Unter Nukleierungsmittel C) werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Additive verstanden, die die Bildung einer kristallinen Phase aus der Schmelze oder Lösung und/oder das Kristallwachstum an bestehende Kristallflächen auslösen bzw. begünstigen.
Geeignete Nukleierungsmittel C) werden beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus anorganischen Salzen und Oxiden wie Talk, Calcit oder Attapulgit; kolloidalem Silber oder Gold; Hydrazonen, Natrium- oder Aluminiumbenzoaten; Aluminium-, Natrium- und Calcium-Salzen von aromatischen oder aliphatischen bzw. cycloaliphati- schen Säuren wie beispielsweise Calciumterephtalat; Derivaten von Phosphorsäuren oder Organophosphate; Pigmenten; Sorbitolen; Kieferharzen; oder polymeren Nukleierungs- mitteln wie beispielsweise Polycyclopenten oder Polyvinylcyclohexan und Mischungen aus diesen.
Beispiele geeigneter Nukleierungsmittel C) sind Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kalium- bromid, Titandioxid (beispielsweise im Rutiltyp), Magnesiumoxid, Zinkoxid, Kohlenstoff (schwarz), Dibenzathron, Kupferphthalocyanin, Indigo, Bis(p-methylbenzyliden)sorbitol, Natriumbenzoat oder Natrium-2,2 '-methyl-bis-(4,6-di-te/t. -butylphenyl)phosphat.
Weitere geeignete Nukleierungsmittel sind in der WO 2005/066256 Al beschrieben, dessen diesbezügliche Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung eingeschlossen ist.
Besonders bevorzugte Nukleierungsmittel C) sind Bis(p-methylbenzyliden)sorbitol, Natriumbenzoat und Natrium-2,2'-methyl-bis-(4,6-di-tert.-butylphenyl)phosphat.
Solche Nukleierungsmittel und ihre Herstellung sind dem Fachmann bekannt.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe erfolgt beispielsweise derart, dass die Polyole mit einem Überschuß der Polyisocyanate ver- mischt werden und die homogene Mischung abgefüllt wird oder bis zum Erhalt eines konstanten NCO- Wertes, der meist nach zwei Stunden erreicht wird, gerührt wird und dann abgefüllt wird. Als Reaktionstemperatur werden 60 bis 150°C, vorzugsweise 80 bis 130°C, gewählt. Selbstverständlich kann die Herstellung der reaktiven Hotmelts auch kontinuierlich in einer Rührkesselkaskade oder geeigneten Mischaggregaten, wie beispielsweise schnelldrehenden Mischern nach dem Rotor-Stator-Prinzip oder einem Statikmischer, erfolgen.
Es ist selbstverständlich möglich, die Polyester- und/oder Polyetherpolyole oder einen Teil derselben mit einem Unterschuss an Diisocyanaten, vorzugsweise 1,6- Diisocyanatohexan (HDI), 2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI) und/oder 2,4'- und/oder 4,4'- Diisocyanatodiphenylmethan (MDI), zu modifizieren und nach beendeter Reaktion die urethangruppenhaltigen Polyole mit einem Überschuß von Diisocyanaten zu einem Isocyanatgruppen enthaltendem Hotmelt umzusetzen.
Ebenso ist es möglich, die Umsetzung der Polyole mit den Diisocyanaten in Gegenwart von bis zu 5 Gew.-% von beispielsweise Trimerisaten aliphatischer Diisocyanate, wie z.B. HDI, durchzuführen oder solche Trimerisate nach beendeter Prepolymerisation zuzusetzen.
Zubereitungen
Die Zubereitungen können neben den erfindungsgemäßen Schmelzklebstoffsystemen noch mit üblichen Additiven versehen sein. Entsprechende Additive können beispielsweise ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus die Reaktion mit Feuchtigkeit aktivierenden Katalysatoren, weiteren anorganischen oder organischen Füllstoffen, Farbstof- fen, Harzen, reaktiven und nichtreaktiven Polymeren und Streckölen.
Verwendung
Die erfindungsgemäßen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffe können vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise als Dichtstoff, Beschichtung, Schaumstoff, als Klebstoff, insbesondere als Schmelzklebstoff, als Montageklebstoff zur vorläufigen Fixierung von Bauteilen, als Buchbindeklebstoff, als Klebstoff für die Herstellung von Kreuzbodenventilsäcken, zur Herstellung von Verbundfolien und Laminaten oder als Kantenumlei- mer. Beispiele:
Sofern nicht abweichend vermerkt beziehen sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden die folgenden Polyole verwendet:
Polyester A:
Polyesterpolyol auf Basis von Adipinsäure und 1 ,6-Hexandiol mit einer Hydroxylzahl von etwa 30 mg KOH/g und einer Säurezahl von etwa 0,5 mg KOH/g. Die Herstellung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise und ist z.B. beschrieben in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Wein- heim, 1980.
Polyester B:
Polyesterpolyol auf Basis von 1,12-Dodecandisäure und 1,6-Hexandiol mit einer Hydroxylzahl von etwa 30 mg KOH/g und einer Säurezahl von etwa 1,0 mg KOH/g. Die Herstellung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise und ist z.B. beschrieben in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
Polyester C:
Polyesterpolyol auf Basis von Fumarsäure und 1,6-Hexandiol mit einer Hydroxylzahl von etwa 55 mg KOH/g und einer Säurezahl von etwa 1,2 mg KOH/g. Die Herstellung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise und ist beschrieben in DE 102 38 005 Al.
Polyester D:
Polyesterpolyol mit bestehen aus den Hauptkomponenten:
Ethylenglycol, Neopentylglycol, Isophthalsäure, Adipinsäure, Terephthalsäure. (Des- mophen® XP 2462, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE) und einer Hydroxylzahl von etwa 35,0 mg KOH/g und einer Säurezahl von etwa 2,0 mg KOH/g. Die Herstellung erfolgt in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise und ist z.B. beschrieben in UIl- manns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
Isocyanat I;
Desmodur® 44M (4,4'-Diphenylmethandiisocyanat) Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE.
Nukleierungsmittel N:
Nl : Natrium-2,2'-methyl-bis-(4,6-di-tert.-butylphenyl)phosphat; Irgastab NAl 1®, Ciba Spezialitätenchemie Lampertheim GmbH, Lampertheim.
N2: Bis(p-methylbenzyliden)sorbitol; Irgaclear DM®, Ciba Spezialitätenchemie Lampertheim GmbH, Lampertheim.
N3: TaUc; Luzenac A3®, Luzenac Europe, Toulouse, Frankreich.
Herstellung der reaktiven Polyurethan-Hotmelts (Beispiele und Vergleichsbeispiele):
In einem 2 L-Planschliffbecher werden die in Tabelle 1 angegebenen Anteile an Polyol vorgelegt, bei 130°C aufgeschmolzen und dann Ih bei 130°C und 15 mbar (+/- 10 mbar) Unterdruck entwässert. Anschließend gibt man die entsprechende Stoffmenge an Isocyanat I und Nukleierungsmittel N hinzu. Nach einer Einrührzeit von 20 min werden die Produkte in Alukartuschen abgefüllt und diese Luftdicht verschlossen. Die Kartuschen wer- den dann 4h bei 1000C im Umlufttrockenschrank getempert. Tabelle 1: Zusammensetzung der Beispiele und Vergleichsbeispiele
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Bestimmung von physikalischen Umwandlungen:
Die Bestimmung von physikalischen Umwandlungen wie Schmelzpunkten oder Glasübergangstemperaturen erfolgt über Messung der Wärmetönung mit einem Pyris Diamond DSC Kalorimeter der Firma Perkin-Elmer. Die Temperatur wird über Indium und Blei, die Wärmetönung über Indium kalibriert. Als Spülgas wird Stickstoff mit einer Flussrate von 30 mL/min verwendet. Die Kühlung erfolgt über flüssigem Stickstoff. Der Temperaturgradient beträgt 20K/min. Gemessen wird im Temperaturbereich zwischen -100°C und +150°C. Die Probeneinwaagen betragen zwischen 9,5 und 11, 4 mg Probenmasse in Al- Pfännchen (Normal-Tiegel). Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Bestimmung der Zugscherfestigkeit von Buchenholz-Verklebungen:
Zur Herstellung der Prüfkörper werden Buchenholzplatten der Größe 40 x 20 x 5 mm, die bei 23°C und 50 % rel. Feuchte gelagert werden, verwendet. Die Kartusche mit dem zu charakterisierenden Produkt wird 45 Minuten bei 1200C im Umlufttrockenschrank aufge- schmolzen und der Inhalt anschließend mit Hilfe einer Kartuschenpistole als Klebstoffraupe auf die in einer speziellen Form eingespannten Holzprüfkörper aufgetragen. Anschließend wird die Form fest verschlossen. Die Form garantiert eine Überlappungslänge von 10 mm, eine Kleb fläche von 2 cm2 und eine Kleb fugendicke von 0,8 mm. Die Prüfkörper werden nach definierter Zeit aus der Form genommen und anschließend bei 230C und 50 % rel. im Zugscherversuch vermessen. Zur Bestimmung der Anfangsfestigkeiten werden die Prüfkörper nach 5, 10, 30, 60 und 120 Minuten ausgeprüft. Die Bestimmung der Endfestigkeit erfolgt nach 14 Tagen. Von jedem Produkt werden 5 Prüfkörper hergestellt, vermessen und die Einzelergebnisse gemittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst.
Rheologische Charakterisierung der reaktiven Polyurethan-Hotmelts:
Vor der Untersuchung werden die Produkte, welche in Alu-Kartuschen abgefüllt sind, in einem Umluftheizschrank bei ca. 125°C ca. 30 min lang aufgeschmolzen. Für die Mes- sung der viskoelastischen Kenngrößen an Polyurethan-Hotmelts wird bei der festen Frequenz von 1 Hz gemessen. Für die Messung bei konstanter Abkühlrate wird die Temperatur von 130°C auf 0°C mit 2°C/min abgesenkt. Da die Proben beim Abkühlen schrumpfen, muss die Messung mit einem Rheometer durchgeführt werden, welches über eine „Auto Tension Funktion" verfügt. Zur Auswertung wurde die Temperatur bei zwei verschiedenen Speichermoduli (G") herangezogen. Dabei wurden die aus der Literatur für „pressure sensitive adhesives" bekannten obere und untere Grenze des Dahlquist Bandes gewählt (G'= 5*104 mPas bzw. G'= 5*105 mPas).
Da die Abkühlrate von 2 K/min nicht der realen Abkühlrate eine Hotmelts bei der Appli- kation entspricht werden Setting-Messungen durchgeführt, die eine deutlich höhere Abkühlrate aufweisen. Für die Setting-Messung wird das aufgeschmolzene, heiße PUR- Hotmelt zügig in den kalten (Raumtemperatur) Messbehälter überführt und sofort bei Raumtemperatur rheologisch vermessen. Die Abkühlrate resultiert demnach aus der Abkühlung durch die Umgebungstemperatur und liegt in der ersten Minute bei ca. 40 - 80 K/min. Das Theologische Verhalten wird über die Zeit aufgenommen. Als Maß für den Festigkeitsaufbau des Systems wurde die Zeit bis zum erreichen eines Moduls von G'= l*106 mPas gewählt.
Die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften der reaktiven Polyurethan- Hotmelts erfolgt mit dem Rheometer VOR-MeIt der Fa. BOHLIN Instruments mittels Oszillationsprogramm und dem Platte/Platte-System 25HT. Das Gerät dient zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften von hochviskosen Substanzen wie Kunststoffschmelzen, Kautschuken usw. in Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz.
Ergebnisse:
Die aus DSC-Untersuchungen erhaltenen Übergangstemperaturen für die reinen Polyester und Nukleierungsmittel enthaltenden Polyester sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Zugscherfestigkeiten aus der Charakterisierung von Buchenholz- Verklebungen sind in Tabelle 3 und die Theologischen Charakterisierungen in Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 2: Übergangstemperaturen von Polyestern, enthaltend Nukleierungsmittel (Abkühlrate: 2K7min)
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Tabelle 3: Zugscherfestigkeiten von Buchenholzverklebungen in N/mm nach Aushärtung bei 230C und 50 % rel. Feuchte und verschiedenen Aushärtezeiten
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Die Ergebnisse der Tabelle 3 zeigen, dass die erfindungsgemäßen Schmelzklebstoffsysteme, enthaltend Nukleierungsmittel, deutlich höhere Zugscherfestigkeiten bereits nach 5 Minuten aufweisen. Diese erhöhten Zugscherfestigkeiten sind insbesondere für Zeiträume von 10 Minuten und 30 Minuten ausgeprägt. Dabei sind die jeweiligen Vergleichsbeispiele 4, 5, 6 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 4, 5 und 6 vergleichbar, da sie die gleiche Zusammensetzung aufweisen, wobei in den erfindungsgemäßen Beispielen jeweils das Nukleierungsmittel Nl, also „Irgastab NAl 1" verwendet wurde.
Tabelle 4: Abkühlverhalten von reaktiven PU Hotmelts bei verschiedenen Abkühlraten (Konstante Abkühlrate von 2K/min und nach S etting- Versuch (Starttemperaturen jew. 130°C)
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Diskussion der Ergebnisse;
In Tabelle 2 sind die über DSC gemessenen Übergangstemperaturen der reinen Polyester A und B ohne Nukleierungsmittel denen der reinen Polyester A und B, enthaltend Nukleie- rungsmittel Nl und N2, gegenübergestellt. Die Schmelztemperatur beispielsweise von Po- lyester B beträgt 71,7°C. Die Schmelztemperaturen des Polyesters B, enthaltend Nukleierungsmittel Nl bzw. N2, betragen jeweils 71,4°C und 72,00C. Damit wird deutlich, dass die Nukleierungsmittel keinen signifikanten Einfluss auf die Schmelztemperatur zeigen. Bei Betrachtung der Kristallisationstemperaturen wie -enthalpien ist ebenfalls kein signifikanter Einfluss erkennbar. Da die erfindungsgemäß vorgesehenen Schmelzklebstoffsyste- me hinsichtlich der Rekristallisation im Wesentlichen auf den Eigenschaften der Rekristallisation der Polyester basieren, ist ausgehend von den Ergebnissen, welche in Tabelle 2 dargestellt sind, nicht davon auszugehen, dass Nukleierungsmittel einen Einfluss auf einen Anfangsfestigkeitsaufbau bzw. eine Holzmaterialfestigkeit nach Härtung aufweisen.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Zugscherfestigkeiten für alle Verklebungen (Beispie- Ie 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6) über die Zeit zunehmen. Bedingt durch die chemische Vernetzung der Hotmelts durch die Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre, zeigen sich die höchsten Festigkeiten erwartungsgemäß jeweils nach 2 Wochen. Der Klebstoff ist nach dieser Zeit vollständig ausgehärtet. Überraschenderweise ist hier ein Einfluss des Nukleie- rungsmittels Nl auf die Endfestigkeit zu erkennen. Alle Verklebungen mit Hotmelts, ent- haltend Nukleierungsmittel Nl (Beispiele 4, 5 und 6), besitzen nach 2 Wochen eine deutlich höhere Zugscherfestigkeit als die Vergleichsbeispiele ohne Nukleierungsmittel (Vergleichsbeispiele 4, 5 und 6).
Aufgrund physikalischer Phänomene ist bereits innerhalb der ersten 2 Stunden eine Zunahme der Zugscherfestigkeit, also der Anfangsfestigkeit bei allen Verklebungen zu erken- nen. Beispielsweise steigt die Festigkeit des Vergleichsbeispieles 4 innerhalb von 120 min auf 6,68 N/mm2.
Im Vergleich der Beispiele 4 - 8 mit den Vergleichsbeispielen 4 - 6 ist deutlich der Einfluss des Nukleierungsmittels auf die Anfangsfestigkeit zu sehen. Beispielsweise wird für die
Verklebung mit dem das Nukleierungsmittel Nl enthaltenden Hotmelt (Beispiel 4) nach 10 min eine Anfangsfestigkeit von 4,72 N/mm2 gemessen. Damit liegt die Hotmelt- Verklebung, enthaltend Nuklei erungsmittel Nl (Beispiel 4), um 4,61 N/mm2 höher als die Verklebung mit dem Hotmelt ohne Nukleierungsmittel Nl (Vergleichsbeispiel 4). Derselbe Effekt wird auch für die Beispiele 5, 6, 7 und 8 im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 5 und 6 beobachtet. Hierbei ist hervorzuheben, dass der Effekt erhöhter Anfangs- wie End- festigkeiten durch Zugabe von Nukleierungsmitteln für das Nukleierungsmittel N2 am auffälligsten ist (vgl. Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 6).
Die überaschend erhöhte Anfangsfestigkeit eines mit Nukleierungsmittel hergestellten Hot- melts im Vergleich zu einem Hotmelt ohne Nukleierungsmittel, ist auch über rheologische Analysenmethoden zu beobachten (Tabelle 4). In Tabelle 4 sind die Temperaturen und Zei- ten der Vergleichsbeispiele und Beispiele bei definierten Speichermoduli G' (obere und untere Grenze des Dahlquistkriteriums sowie G' = 1x106 Pa) unter Verwendung verschiedener Abkühlraten (2K/min und Abkühlung durch Raumtemperatur) aufgeführt. Bei einer konstanten Abkühlrate von 2 K/min werden die Speichermoduli von jew. 5x104 bzw. 5x105 Pa für alle Hotmelts, enthaltend Nukleierungsmittel (Beispiele 1 - 8), bei höheren Temperaturen erreicht, als für Hotmelts ohne Nukleierungsmittel (Vergleichsbeispiele 1 - 6). So wird bei Beispiel 1 der Speichermodul G' von 5 x 104 Pa bei einer Temperatur von 45°C erreicht. Dahingegen muss das Hotmelt ohne Nukleierungsmittel (Vergleichsbeispiel 1) bis auf knapp 40°C abgekühlt werden, bis es eine Festigkeit von 1 x 104Pa erreicht. Das bedeutet, dass bei geringen Abkühlraten ein Einfluss von Nukleierungsmittel auf das Ab- kühlverhalten von reaktiven PUR-Hotmelts zu beobachten ist.
Auch bei hohen Abkühlraten (S etting- Versuch) wird der Effekt des Nukleierungsmittels auf die Anfangsfestigkeit deutlich. Alle Hotmelts, enthaltend Nukleierungsmittel (Beispiele 1 - 8), erreichen den Speichermodul von IxIO6 Pa erheblich früher, als die Hotmelts ohne Nukleierungsmittel (Vergleichsbeispiele 1 - 6). Besonders ausgeprägt ist dies beim Bei- spielpaar 3 (Beispiel 3: 5,3 sec; Vergleichsbeispiel 3: 61 sec).
Die Anwesenheit von Nukleierungsmitteln in niedermolekularen NCO-terminierten Polyu- rethanprepolymeren stellt einen entscheidenden Vorteil in der Anwendung dar, da diese Systeme aufgrund ihrer erhöhten Rekristallisationsneigung bereits früh den Dahlquistbe- reich erreichen. Damit besitzen sie im Vergleich zu den bisherigen Systemen früher ausrei- chende Anfangsfestigkeiten, um die zu verklebenden Substrate in ihre Position ohne mechanische Fixierung halten zu können.

Claims

Patentansprüche:
1. Polyurethan enthaltender Schmelzklebstoff, enthaltend mindestens ein Nukleie- rungsmittel.
2. Schmelzklebstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Nukleierungsmittel um ein organisches und/oder anorganisches Nukleierungsmittel handelt.
3. Schmelzklebstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nukleierungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus anorganischen Salzen und Oxiden, kolloidalem Silber oder Gold, Hydrazonen, Natrium- oder A- luminiumbenzoaten, Aluminium-, Natrium- und Calcium-Salzen von aromatischen und/oder aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Säuren, Derivaten von Phosphorsäuren oder Organophosphaten, Pigmenten, Sorbitolen, Kieferharzen, polyme- ren Nukleierungsmittel und Mischungen davon.
4. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzklebstoffe eine Zusammensetzungen umfasst, welche
(a) mindestens ein aromatisches, aliphatisches, araliphatisches und/oder cyclo- aliphatisches Diisocyanat und
(b) mindestens ein Polyol; enthält, wobei das Verhältnis von (a) zu (b) so gewählt wird, dass das molare Verhältnis von NCO zu OH > 1 beträgt.
5. Schmelzklebstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nukleierungsmittel in der Zusammensetzung in Anteilen von 0,001 bis 10 Gew.%, bezogen auf die Summe von (a) und (b), enthalten ist.
6. Schmelzklebstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isocy- anatgehalt in der Komponente (a) 5 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die Komponente (a), beträgt.
7. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompoonente (a) aliphatisch, cycloaliphatisch, araliphatisch und/oder aromatisch gebundenen Isocyanatgruppen aufweist.
8. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (a) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus 1,4-Diiso- cyanatobutan, 1,6-Diisocyanatohexan (HDI), 2-Methyl-l,5-diisocyanatopentan, 1,5- Düsocyanato-2,2-dimethylpentan, 2,2,4- bzw. 2,4,4-Trimethyl-l,6-diisocyanatohe- xan, 1,10-Düsocyanatodecan, 1,3- und 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1,3- und 1,4- Bis-(isocyanatomethyl)-cyclohexan, l-Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatome- thylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, EPDI), 4,4'-Diisocyanatodicyclohexyl- methan, 1 -Isocyanato- 1 -methyl-4(3)isocyanatomethylcyclohexan, Bis-(isocyanato- methyl)-norbornan, 1,3- und l,4-Bis-(2-isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI),
2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI), 2,2'-, 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanato- diphenylmethan (MDI), 1,5-Diisocyanatonaphthalin, 1,3- und l,4-Bis-(isocyanato- methyl)-benzol und Mischungen davon.
9. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponete (b) ein Polyesterpolyol ist.
10. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (b) ausgehend von aliphatischen Hydroxycarbonsäuren oder ali- phatischen und/oder aromatischen Dicarbonsäuren und einem oder mehreren Dio- len hergestellt werden.
11. Schmelzklebstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Komponente (b) Derivate von Polyolverbindungen verwendet werden.
12. Schmelzklebstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Komponente (b) Lactone, Ester von niederen Alkoholen oder Anhydride verwendet werden.
13. Verfahren zur Herstellung eines Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Polyolkomponente mit einem Überschuß mindestens eines aromatischen, aliphatischen, araliphatischen und/oder cyc- loaliphatischen Diisocyanat und mit Nukleierungsmittel vermischt werden und die homogene Mischung abgefüllt wird oder bis zum Erhalt eines konstanten NCO- Wertes gerührt wird und dann abgefüllt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur bei dem Vermischen werden 60 bis 150 0C beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung kontinuierlich in einer Rührkesselkaskade oder geeigneten Mischaggregaten, insbesondere schnelldrehenden Mischern nach dem Rotor-Stator-Prinzip oder einem Statikmischer, erfolgt.
16. Zubereitungen, umfassend einen Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
17. Verfahren zur Herstellung einer Zubereitung gemäß Anspruch 16 durch Zugabe von Additiven zu dem Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoff, wobei das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus die Reaktion mit Feuchtigkeit aktivierenden Katalysatoren; anorganischen oder organischen Füllstoffen, Farbstoffen, Harzen, reaktiven und nichtreaktiven Polymeren und Streckölen.
18. Verwendung eines Polyurethan enthaltenden Schmelzklebstoffs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 oder und/einer Zubereitung gemäß Anspruch 16 als Dichtstoff, Beschichtung, Schaumstoff, Klebstoff, insbesondere Schmelzklebstoff, Montageklebstoff zur vorläufigen Fixierung von Bauteilen, als Buchbindeklebstoff, Kleb- stoff für die Herstellung von Kreuzbodenventilsäcken, zur Herstellung von Verbundfolien, Laminaten oder als Kantenumleimer.
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