WO2009121527A1 - Hotmelts - Google Patents

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WO2009121527A1
WO2009121527A1 PCT/EP2009/002259 EP2009002259W WO2009121527A1 WO 2009121527 A1 WO2009121527 A1 WO 2009121527A1 EP 2009002259 W EP2009002259 W EP 2009002259W WO 2009121527 A1 WO2009121527 A1 WO 2009121527A1
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nco
polyol
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PCT/EP2009/002259
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Marc Christian Leimenstoll
Sebastian Dörr
Christos Karafilidis
Peter Reichert
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Bayer Materialscience Ag
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Definitions

  • the present invention relates to reactive formulations containing isocyanate-functional polyurethane building blocks. These preparations, which can be used inter alia as hotmelts, have an accelerated build-up of initial strengths and higher mechanical strengths.
  • Reactive polyurethane preparations are a rapidly growing product group within the applications of polyurethanes as a coating agent, foam, sealant and especially as a hot melt adhesive, also called hot melt.
  • linear polyester and / or polyether polyols 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 ie crosslinking reaction of the components with each other, takes place within hours to days by reacting the isocyanate groups with water from the environment or the substrates bonded together to polyurea.
  • the PUR hotmelts are then only conditionally meltable 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.
  • Hotmelts based on crystalline polyesters such as e.g. described in DE-A 3 827 224 are distinguished by a very short open time and an associated rapid buildup of initial strength. This is achieved through the use of dodecanedioic acid esters, which are known to have very fast recrystallization kinetics and a high melting point.
  • transition temperatures and recrystallization enthalpies of high molecular weight, partially crystalline, thermoplastic polymers such as e.g. Polyolefins or polyesters can be increased by the addition of nucleating agents. This allows e.g. improve the mold release and thus the cycle times during injection molding.
  • the object underlying the invention was to modify formulations of reactive polyurethane hotmelts so that a faster initial strength build-up takes place. This should be achieved by the formulation having a higher recrystallization temperature of the crystalline and / or partially crystalline polyol component in the reactive polyurethane hotmelt. It has surprisingly been found that hot-melt systems based on crystalline or semicrystalline polyesterpolyols, or mixtures thereof with crystalline, partially crystalline, amorphous, liquid polyols or other components by modification with nanoureas, in comparison to formulations without modification with nano-ureas by a particularly rapid construction distinguish the initial strength.
  • the invention relates to compositions containing a reaction product of
  • the preparation of the compositions is carried out, for example, such that the polyols B) and the isocyanates A) are mixed, wherein the ratio of A to B is chosen such that the molar ratio of NCO to OH> 1, preferably from 1, 2 to 4 , 0, more preferably from 1.3 to 3.0 and the homogeneous mixture is filled or stirred until a constant NCO value is obtained and then bottled.
  • the preferred reaction temperature is 60 to 150.degree. C., preferably 80 to 130.degree.
  • the preparation of the preparations can also be carried out continuously in a stirred tank cascade or suitable mixing units, such as, for example, fast rotating mixers according to the rotor-stator principle or a static mixer.
  • the invention also relates to preparations which contain the compositions according to the invention, or the use of the compositions according to the invention as or in z.
  • sealants, coating compositions, foams, and as adhesives in particular hot melt adhesives, such as. B. as a mounting adhesive for provisional fixing of components, generally as a paper adhesive, especially as a bookbinding adhesive or adhesives for the production of Kreuzêtventilsburgen, composite films or laminates or as Kantenumleimer, or in their preparation.
  • the preparations according to the invention may be reacted with the reaction with moisture-activating catalysts, other inorganic or organic fillers, nucleating agents, additives, auxiliaries, surfactants, dyes, resins, reactive and non-reactive polymers, stabilizers, light stabilizers, antioxidants, biocides, pigments, and / or Extending oils are modified in the usual way.
  • moisture-activating catalysts other inorganic or organic fillers, nucleating agents, additives, auxiliaries, surfactants, dyes, resins, reactive and non-reactive polymers, stabilizers, light stabilizers, antioxidants, biocides, pigments, and / or Extending oils are modified in the usual way.
  • 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-1,5-diisocyanatopentane, 1,5-diisocyanato-2,2-dimethylpentane, 2,2,4- and 2,4,4 respectively Trimethyl-1,6-diisocyanatohexane, 1,10-diisocyanatodecane, 1,3- and 1,4-diisocyanatocyclohexane, 1,3- and 1,4-bis- (isocyanatomethyl) -cyclohexane, 1-isocyanato-3 , 3,5-trimethyl-5-is
  • polyisocyanates which are, for example, relatively high molecular weight compounds containing isocyanurate, urethane, allophanate, biuret, iminooxadiazinetrione, oxadiazinetrione and / or uretdione groups based on the abovementioned diisocyanates.
  • Diisocyanates preferred as isocyanate 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 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
  • MDI 2,2'-, 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane
  • Diisocyanates which are particularly preferred as isocyanate component A) are 2,4'- or 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane (MDI) and / or a mixture of these.
  • a polyol or a polyol mixture B) 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.
  • Suitable starting materials are succinic acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, dodecanedioic acid, glutaric acid, glutaric anhydride, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic anhydride, ethylene glycol, diethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol , ⁇ -caprolactone.
  • Polyester polyols are either liquid at room temperature (glass transition temperature Tg ⁇ 20 ° C) or solid. Solid at room temperature polyester polyols are either amorphous (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.
  • the Polycaprolactonderiva- te based on bifunctional starting molecules such as 1,6-hexanediol are particularly suitable.
  • Suitable amorphous polyester polyols are 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 from 1 to 4 -NH bonds, to the additional or mixed addition compounds of tetrahydrofuran, styrene oxide, ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxides or pichlorohydrins, preferably of ethylene oxide and / or propylene oxide.
  • the bifunctional propylene oxide and / or ethylene oxide adducts and polytetrahydrofuran be mentioned.
  • Such polyether polyols and their preparation are known in the art.
  • Nanoureas are dispersed cross-links, nanoscale polyurea particles.
  • the preparation of aqueous nanourea dispersions is described in WO-A 2005/063873.
  • hydrophilic isocyanates are added in the presence of a catalyst in water, whereby a cross-linking takes place within the dispersed particles by urea bonds.
  • polyol or polyol mixture B) containing nanoureas is described in DE-A 100 200 700 4769.
  • These are crosslinked nanohydric particles and at least one dispersing medium which has at least one, preferably two, isocyanate-reactive group (s), the proportion of water, based on the dispersion, being from 0 to 5% by weight ,
  • dispersing media examples include polyester polyols, polyacrylate polyols, polyurethane polyols, polycarbonate polyols, polyether polyols, polyester polyacrylate polyols, polyurethane polyacrylate polyols, polyurethane polyester polyols, polyurethane polyether polyols, polyurethane polycarbonate polyols or polyester polycarbonate polyols.
  • Preferred dispersing agents are substances which can be mixed with aqueous nanourea dispersions and from whose mixture with the aqueous nanourea dispersion the water can be removed, as described, for example, in US Pat. Polyester polyols, polycarbonate polyols, polyether polyols and short-chain polyols.
  • suitable short-chain polyols are ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,3-butylene glycol, cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, 1, 6-hexanediol, neopentyl glycol, hydroquinone dihydroxyethyl ether, bisphenol A (2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane), hydrogenated bisphenol A, (2,2-bis (4-hydroxycyclohexyl) propane), trimethylolpropane, glycerol, pentaerythritol or hydroxypivalate.
  • Preferred short-chain polyols are 1, 4 or 1,3-butanediol, 1,6-hexanediol or trimethylolpropane.
  • Suitable monofunctional alcohols are ethanol, n-butanol, n-
  • Preferred monofunctional alcohols are ethylene glycol monobutyl ether, diacetone alcohol, amyl alcohol or cyclohexanol.
  • polyester polyols such as, for example, the known polycondensates of di- and optionally tri- and tetraols and di- and optionally tri- and tetracarboxylic acids or hydroxycarboxylic acids or lactones.
  • polyester polyols such as, for example, the known polycondensates of di- and optionally tri- and tetraols and di- and optionally tri- and tetracarboxylic acids or hydroxycarboxylic acids or lactones.
  • free polycarboxylic acids it is also possible to use the corresponding polycarboxylic acid anhydrides or corresponding polycarboxylic acid esters of lower alcohols for the preparation of the polyesters.
  • diols examples include ethylene glycol, butylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, furthermore 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, butanediol (1,3), butanediol (1,4), hexanediol (I, 6) and isomers, neopentyl glycol or hydroxypivalic acid neopentyl glycol esters, with hexanediol (1,6) and isomers, neopentyl glycol and hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester being preferred.
  • polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, furthermore 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, butanediol (1,3), butanediol (1,4), hexanediol (I,
  • polyols such as trimethylolpropane, glycerol, erythritol, pentaerythritol, trimethylolbenzene or trishydroxyethyl isocyanurate.
  • Suitable dicarboxylic acids are phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, tetrahydrophthalic acid, hexahydrophthalic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, glutaric acid, tetrachlorophthalic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, malonic acid, suberic acid, 2-methylsuccinic acid, 3,3 -Diethylglutarklare and / or 2,2-dimethylsuccinic acid are used.
  • the acid source used may also be the corresponding anhydrides.
  • monocarboxylic acids such as benzoic acid and hexanecarboxylic acid may also be used.
  • Preferred acids are aliphatic or aromatic acids of the abovementioned type. Particular preference is given to adipic acid, isophthalic acid and, if appropriate, trimellitic acid.
  • Hydroxycarboxylic acids which can be used as reactants in the preparation of a polyester polyol having terminal hydroxyl groups are, for example, hydroxycaproic acid, hydroxybutyric acid, hydroxydecanoic acid, hydroxystearic acid and the like.
  • Suitable lactones are caprolactone, butyrolactone and homologs. Preference is given to caprolactone.
  • polyester polyols are those based on adipic acid, phthalic acid, isophthalic acid and tetrahydrophthalic acid as the acid component and ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol; 1,4- or 1,3-butanediol, 1, 6-hexanediol and / or trimethylolpropane as the alcohol component.
  • the dispersing medium are hydroxyl-containing polycarbonates, preferably polycarbonatediols, having number-average molecular weights M n of from 400 to 8000 g / mol, preferably from 600 to 3000 g / mol.
  • diols ethylene glycol, 1,2- and 1,3-propanediol, 1,3- and 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, neopentyl glycol, 1,4-bishydroxymethylcyclohexane, 2-Methyl-l, 3-propanediol, 2,2,4-Trimethylpentandiol-l, 3, dipropylene glycol, polypropylene glycols, dibutylene glycol, polybutylene glycols, bisphenol A, tetrabromobisphenol A and lactone-modified diols of the aforementioned type in question.
  • carbonic acid derivatives such as diphenyl carbonate, dimethyl carbonate or phosgene
  • the diol component preferably contains from 40 to 100% by weight of hexanediol; preference is given to 1,6-hexanediol and / or hexanediol derivatives.
  • hexanediol derivatives are based on hexanediol and have in addition to terminal OH groups ester or ether groups.
  • Such derivatives are obtainable by reaction of hexanediol with excess caprolactone or by etherification of hexanediol with itself to di- or trihexylenglykol.
  • polyether-polycarbonate diols instead of or in addition to pure polycarbonate diols, it is also possible to use polyether-polycarbonate diols.
  • Hydroxyl-containing polycarbonates are preferably of linear construction, but can also be easily obtained by the incorporation of polyfunctional components, in particular low molecular weight polyols.
  • polyfunctional components in particular low molecular weight polyols.
  • glycerol, trimethylolpropane, hexanetriol-1,2,6, butanetriol-1,2,4, trimethylolpropane, trimethylolethane, pentaerythritol, quinitol, mannitol, sorbitol, methyl glycoside or 1,3,4,6- are suitable for this purpose.
  • dianhydrohexitols Preferred polycyconates are synthesized from diphenyl carbonate or dimethyl carbonate and 1,6-hexanediol, 1,4-butanediol and methyl-1,3-propanediol.
  • Polyether polyols may also be used as the dispersing medium.
  • the polytetra methylene glycol polyethers known per se in polyurethane chemistry such as are obtainable by polymerization of tetrahydrofuran by means of cationic ring opening, are suitable.
  • suitable polyether polyols are the per se known addition products of styrene oxide, ethylene oxide, propylene oxide, Butyle- noxides and / or epichlorohydrin to di- or polyfunctional starter molecules.
  • Suitable starter molecules which can be used are all compounds known from the prior art, for example water, butyldiglycol, glycerol, diethylene glycol, trimethylolpropane, propylene glycol, sorbitol, ethylenediamine, triethanolamine, 1,4-butanediol. Particularly preferred is the use of polyether polyols, which are composed of ethylene oxide, propylene oxide and butylene oxide.
  • the polyol or polyol mixture B) comprising the nanourea particles is preferably prepared by mixing the polyol or polyol mixture, which has on average at least two isocyanate-reactive groups, with an aqueous nanomurea dispersion and then, in a second step. or alternatively by simultaneously removing the water for mixing.
  • the aqueous nanoheamate dispersions to be used for this purpose are described in WO2005 / 063873.
  • the aqueous nanourea dispersion and the dispersing medium may be mixed in any order, and one component may be added continuously, in portions, or all at once to the other component.
  • the dispersing medium and the aqueous nanourea dispersion are first mixed completely with one another and then the water is removed from the mixture.
  • the removal of the water at atmospheric pressure, underpressure or overpressure is possible.
  • the water is removed by distillation, working under pressure reduction and / or increasing the temperature.
  • separating water is also possible, such as dewatering by membrane processes or the use of dehydrating desiccants such as silica gel or zeolites.
  • dehydrating desiccants such as silica gel or zeolites.
  • the combination of different drainage techniques, simultaneously or sequentially, is also possible.
  • the separation of the water with the aid of additives is possible, for example, the admixture of entraining agents for the simplified distillative removal of water.
  • the mixing of the aqueous nanourea dispersion with the nonaqueous dispersing medium preferably takes place by means of mixing through an agitator.
  • Other types of mixing such as by pumping, static mixers, shakers, rotation of a vessel, spiked mixer, jet disperser, rotor and stator, or by the influence of ultrasound are also possible.
  • the mixing takes place at temperatures between 0 ° C and 150 0 C, preferably between 10 0 C and 120 0 C and more preferably between 20 ° C and 100 0 C. It is carried out at temperatures in which the dispersing medium is present as a liquid.
  • the set pressure is generally between 1 and 900 mbar, preferably between 2 and 500 mbar, particularly preferably between 5 and 100 mbar. It is also possible to run through temperature and / or pressure profiles. For example, times between 10 minutes and 24 hours, preferably between 30 minutes and 16 hours, are suitable as the duration of the dehydration.
  • the mixture is preferably further mixed, for example by stirring and / or pumping over.
  • the liquid or molten dispersing medium is initially charged in a stirring apparatus and the aqueous nanourea dipserion added dropwise with intensive stirring, with preferred dosing times of one minute to 10 hours, preferably 10 minutes to 5 hours and then one hour to After stirring for 10 hours, then the water is removed from the dispersion by distillation and the dispersion is dried under Duckverminderung.
  • co-solvents In the preparation of the nanourea dispersion, co-solvents, defoamers, surface-active detergents and other auxiliaries and additives may also be used. If volatile cosolvents are used, they can be removed again from the nanourea dispersion, for example together with the removal of the water.
  • Aqueous nanourea dispersions are obtainable by introducing hydrophilized polyisocyanates into water and then degrading the free isocyanate groups present by an isocyanate-water reaction to the primary amine. These amino groups then form by reaction with other isocyanate groups urea groups and thereby crosslink to nanourea particles, in the form of aqueous dispersions.
  • NCO groups of the hydrophilized polyisocyanates it is possible for NCO groups of the hydrophilized polyisocyanates to be reacted with other isocyanate-reactive compounds, such as primary or secondary amines and / or alcohols, before or during the reaction with water.
  • hydrophilicized polyisocyanates it is possible to use all NCO-group-containing compounds known to the person skilled in the art which are non-ionically or potentially ionically hydrophilicized. If mixtures of different polyisocyanates of the abovementioned type are used, it is preferred that at least one polyisocyanate has a nonionically hydrophilic structural unit. Particular preference is exclusively given to using polyisocyanates having nonionically hydrophilicizing groups.
  • Preferred isocyanate-reactive groups are hydroxyl or amino groups.
  • polyisocyanates are obtainable by methods known to those skilled in the art, in which polyisocyanates with nonionic and / or ionic or nonionic or potentially ionic nically hydrophilizing compounds which each have at least one isocyanate-reactive group, are reacted.
  • Suitable ionically or potentially ionically hydrophilicizing compounds are, for example, mono- and dihydroxycarboxylic acids, mono- and diaminocarboxylic acids, mono- and dihydroxysulfonic acids, mono- and diaminosulfonic acids and mono- and dihydroxyphosphonic acids or mono- and diaminophosphonic acids and their salts, such as dimethylolpropionic acid, Dimethylol butyric acid, hydroxypivalic acid, N- (2-aminoethyl) - ⁇ -alanine, 2- (2-aminoethylamino) -ethanesulfonic acid, ethylenediamine-propyl- or -butyl-sulfonic acid, 1,2- or 1,3-propylenediamine- ⁇ ethyl sulfonic acid, malic acid, citric acid, glycolic acid, lactic acid, glycine, alanine, taurine, lysine, 3,5-diaminobenz
  • Preferred ionic or potential ionic compounds are those which have carboxyl or carboxylate and / or sulfonate groups and / or ammonium groups.
  • Particularly preferred ionic compounds are those containing carboxyl and / or sulfonate groups as ionic or potentially ionic groups, such as the salts of N- (2-aminoethyl) - ⁇ -alanine, of 2- (2-amino-ethylamino) ethanesulfonic acid or of the addition product of IPDI and acrylic acid (EP-A 0 916 647, Example 1) and the dimethylolpropionic acid.
  • Suitable nonionic hydrophilizing compounds are e.g. Polyoxyalkylene ethers containing at least one hydroxy or amino group. These polyethers preferably contain from 30% by weight to 100% by weight, based on the total content of alkylene oxide units of ethylene oxide units.
  • Preferred nonionically hydrophilicizing compounds are those of the formula (I), H-Y'-X-Y-R (I) in which
  • R is a monovalent hydrocarbon radical having 1 to 12 carbon atoms, preferably an unsubstituted alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms
  • the nonionically hydrophilicizing compounds of the abovementioned type preferably correspond, with a number-average molecular weight of at least 400 g / mol, preferably of at least 500 g / mol and more preferably of 1200 to 4500 g / mol.
  • the hydrophilized polyisocyanates essential to the invention the aliphatic, cycloaliphatic, araliphatic and aromatic polyisocyanates known per se with more than one NCO group per molecule and an isocyanate content of 0.5 to 50 wt.%, Preferably 3 to 30 wt. -%, particularly preferably 5 to 25 wt .-% or mixtures thereof are used.
  • polyisocyanates examples include butylene diisocyanate, tetramethylene diisocyanate, cyclohexane-1,3- and 1,4-diisocyanate, hexamethylene diisocyanate (HDI), 1-isocanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanato-methylcyclohexane (isophorone diisocyanate, IPDI), 2 , 4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, isocyanatomethyl-1, 8-octane diisocyanate, methylene bis (4-isocyanatocyclohexane), tetramethylxylylene diisocyanate (TMXDI) or triisocyanatonane (TIN, 4-isocyanatomethyl-l, 8-octane diisocyanate) and the like mixtures.
  • HDI hexamethylene diisocyanate
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • aromatic polyisocyanates such as 1, 4-phenylene diisocyanate, 2,4- and / or 2,6-toluene diisocyanate (TDI), diphenylmethane 2,4'- and / or 4,4'-diisocyanate (MDI), triphenylmethane -4,4'-diisocyanate or naphthylene-l, 5-diisocyanate.
  • the hydrophilized polyisocyanates are particularly preferably based on hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, the isomeric bis (4,4'-isocyanatocyclohexyl) methanes and mixtures of the abovementioned diisocyanates, with mixtures having 50 parts by weight of polyisocyanates based on hexamethylene diisocyanate being preferred in the case of mixtures , Introduction of the hydrophilized polyisocyanates into water and the subsequent reaction with water to prepare the nanourea dispersions preferably takes place with thorough mixing by means of an agitator or other types of mixing such as pumping, static mixer, spiked mixer, jet disperser, rotor and stator or under the influence of ultrasound.
  • an agitator or other types of mixing such as pumping, static mixer, spiked mixer, jet disperser, rotor and stator or under the influence of ultrasound.
  • NCO groups with isocyanate-reactive compounds such as primary or secondary amines or (poly) alcohols
  • isocyanate-reactive compounds such as primary or secondary amines or (poly) alcohols
  • examples are ethylenediamine, 1, 3-propylenediamine, 1, 6-hexamethylenediamine, isophoronediamine, 4,4'-diaminodicyclohexylmethane, hydrazine, 1,4-butanediol, 1, 4-cyclohexanedimethanol, 1, 6-hexanediol, trimethylolethane, trimethylolpropane , Glycerol, N-methylethanol and N-methylisopropanolamine, 1-amino-propanol or diethanolamine.
  • the molecular ratio of NCO groups of the hydrophilized polyisocyanates to water is preferably from 1: 100 to 1: 5, more preferably from 1: 30 to 1: 10.
  • continuous addition of the hydrophilized polyisocyanate for example over a period of 30 minutes to 20 hours, is possible.
  • the waiting time between the individual portions is typically 5 minutes to 12 hours, preferably 10 minutes to 8 hours, more preferably 30 minutes to 5 hours. Also possible is a continuous addition of the hydrophilized polyisocyanate distributed over a period of 1 hour to 24 hours, preferably 2 hours to 15 hours.
  • the temperature of the kettle is 10 to 80 ° C, preferably 20 to 70 ° C, and more preferably 25 to 50 ° C.
  • the reactor is evacuated at internal temperatures of from 0 ° C to 80 ° C, preferably from 20 ° C to 60 ° C and more preferably from 25 ° C to 50 ° C.
  • the evacuation takes place up to an internal pressure of 1 to 900 mbar, preferably 10 to 800 mbar, particularly preferably 100 to 400 mbar.
  • the duration of this subsequent to the actual reaction degassing is 1 minute to 24 hours, preferably 10 minutes to 8 hours. Degassing is also possible by increasing the temperature without evacuation.
  • the nanourea dispersion is mixed simultaneously with the evacuation, for example by stirring.
  • the preparation of the aqueous nanourea dispersion can be carried out in the presence of catalysts.
  • Suitable catalysts for this are e.g. Ammonia, iron (II) chloride, zinc chloride, tin salts, tetraalkylammonium hydroxides, alkali hydroxides, alkali metal alkoxides, alkali metal salts of long-chain fatty acids having 10 to 20 carbon atoms and optionally pendant OH groups, lead octoate or tertiary amines such as triethylamine, tributylamine, dimethylbenzylamine, dicyclohexylmethylamine, Dimethylcyclohexylamine, N, N, N ', N'-tetramethyl-diamino-diethyl ether, bis (dimethylaminopropyl) urea, N-methyl or N-ethylmorpholine, N, N'-dimorpholinodiethyl ether
  • N, N ', N-tris (dimethylaminoproparyl) -s-hexahydrotriazine When using tert. Amines, it is possible to separate the catalyst again after the preparation of the nanourea dispersion, for example by distillation.
  • tin dioctoate Preference is given to tin dioctoate, tin diethylhexoate, dibuthyltin dilaurate or dibutyldilauryltin mercaptide, 3-dimethyl-3,4,5,6-tetrahydropyrimidine, tetramethylammonium hydroxide, triethylamine, sodium hydroxide, sodium methoxide or potassium isopropylate.
  • Particularly preferred catalyst is ammonia.
  • the catalysts are used in amounts of 0.01 to 8 wt .-%, preferably from 0.05 to 5 wt .-%, particularly preferably from 0.1 to 3 wt .-%, based on the total solids content of the resulting dispersion, used.
  • the catalyst can be mixed with the hydrophilized polyisocyanates prior to introduction into the water or with the dispersing water or can also be added only after the dispersion of the hydrophilized polyisocyanates in water. It is preferred to admix the catalyst with the dispersing water before adding the hydrophilized polyisocyanates. It is also possible to divide the catalyst into portions and to add at different times of the course of the reaction. In the preparation of the polyol or polyol mixture B) containing nanoureas can also defoamers, surface-active detergents and other auxiliaries and Additives are used. Other additives from areas such as paint, sealant or adhesive formulation such as pigments or fillers may also be added.
  • the indicated particle sizes were determined by means of laser correlation spectroscopy (device: Malvern Zetasizer 1000, Malver Inst. Limited).
  • Control for free NCO groups was performed by IR spectroscopy (band at 2260 cm-1). The water was determined by Karl Fischer titration according to DEN 51777 Part 1. In the presence of amines buffering with benzoic acid is carried out.
  • Bayhydur® ® VP LS 2336 (Bayer MaterialScience AG, Lev, DE.): Hydrophilized polyisocyanate based on Hexamethylendii- diisocyanate, solvent-free, viscosity about 6800 cps, isocyanate content approximately 16.2%, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE.
  • Isofoam ® 16 (Petrofer-Chemie, Hildesheim, Germany):
  • Viscosity (viscometer, 23 ° C): ⁇ 50 mPas pH (23 ° C): 8.33
  • the preparation is carried out in a manner known to those skilled in the art and is e.g. described in Ulimann's Enzyklopadie der ischen Chemie, "Polyester”, 4th edition, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
  • 1800 g of a polyester A are initially taken at 60 ° C. in a stirred apparatus with distillation attachment. While stirring, 460 g of the dispersion N) are added dropwise within 30 minutes. It is evacuated with stirring to about 20 mbar. The temperature of the heating bath is gradually increased to 100 ° C until no more water is distilled over. Subsequently, stirring is continued at the same temperature for about 3 hours at about 2 mbar. The water content (according to Karl Fischer) was 0.08%.
  • the preparation is carried out in a manner known to those skilled in the art and is described, for example, in Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "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 Ulimann's Enzyklopadie der ischen Chemie, "Polyester”, 4th edition, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
  • Desmodur ® 44M (4,4'-diisocyanate), Bayer MaterialScience AG, Lever- kusen, DE
  • 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 mlVmin.
  • 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 to be characterized is melted for 45 minutes at 120 ° C in a convection oven and the contents then applied with the aid of a caulking gun as adhesive bead on the clamped in a special form Holzprüfsko. 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 specimens are taken after a defined time from the mold and then at 23 ° C and 50% rel. Measure moisture in the 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.
  • measurements are made at the fixed frequency of 1 Hz.
  • the temperature is lowered from 130 ° C to 0 ° C at 2 K / 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 characterization of the viscoelastic properties of the reactive polyurethane hotmelts is carried out with the rheometer VOR-MeIt from the company BOFILIN 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.
  • Table 3 Tensile shear strengths of beech wood bonds in N / mm 2 after curing at 23 ° C and 50% rel. Humidity and different curing times.
  • Table 2 compares the transition temperatures, measured by DSC, of the pure polyester A without nano-urea inodination and those of the pure polyesters B and C containing nanourea. It becomes clear that the nanoureas have no significant influence on the melting temperature. When considering the crystallization temperatures, no significant influence is also evident. In tensile shear tests, however, surprisingly improved strengths for hotmelts containing nanourea-modified polyesters are determined (Table 3).
  • a surprisingly increased initial strength of a hotmelt containing nanourea-modified polyester, in comparison to a hotmelt containing no nano-urea-modified polyester, can be observed by rheological analysis methods (Table 4).
  • the upper and lower limits of the Dahlquist criterion are achieved at a constant cooling rate with hotmelts containing nano-urea-modified polyesters (Examples 1 to 4) at higher temperatures than for hotmelts containing no nanourea-modified polyester (Comparative Examples 1 and 2). Even at high cooling rates (setting experiment), the effect of the nanosubstance-modified polyester on the initial strength becomes clear.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft reaktive Zubereitungen enthaltend isocyanatfunktionelle Polyurethanbausteine, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als oder in Klebstoffen mit hoher Anfangsfestigkeit und hoher mechanischer Festigkeit.

Description

Hotmelts
Die vorliegende Erfindung betrifft reaktive Zubereitungen enthaltend isocyanat- funktionelle Polyurethanbausteine. Diese unter anderem als Hotmelts verwendbaren Zu- bereitungen weisen einen beschleunigten Aufbau von Anfangsfestigkeiten und höhere mechanische Festigkeiten auf.
Reaktive Polyurethan-Zubereitungen sind eine stark wachsende Produktgruppe innerhalb der Anwendungen von Polyurethanen als Beschichtungsmittel, Schaumstoff, Dichtstoff und insbesondere als Schmelzklebstoff, auch Hotmelt genannt.
Für ihren Aufbau werden vorzugsweise lineare Polyester- und/oder Polyetherpolyole in Kombination mit einem Überschuss von 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 appli- zieren, 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 Lösemittelbeständigkeiten 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 beispielsweise 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 Polyhamstoff. 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 kristallisieren- den Polyols im Gesamtsystem unterdrückt wird.
Hotmelts auf Basis kristalliner Polyester wie z.B. in DE-A 3 827 224 beschrieben zeichnen sich durch eine sehr kurze offenen Zeit und einen damit verbundenen schnellen Aufbau von Anfangsfestigkeit aus. Dies wird erzielt durch den Einsatz von Estern auf Basis von Dodekandisäure, die dadurch bekannt sind, dass sie eine sehr schnelle Rekristallisa- tionskinetik und einen hohen Schmelzpunkt haben.
Aus der WO2005/066256 ist bekannt, dass Übergangstemperaturen sowie Rekristallisationsenthalpien von hochmolekularen, teilkristallinen, thermoplastischen Polymeren, wie z.B. Polyolefinen oder Polyestern durch Zusatz von Nucleierungsmitteln erhöht werden kann. Dadurch lassen sich z.B. die Entformbarkeit und damit die Zykluszeiten beim Spritzgießen verbessern.
Der Effekt von Nucleierungsmittel auf die Anfangsfestigkeit von hochmolekularen lö- semittelhaltigen thermoplastischen Polyurethanelastomeren wurde in der Veröffentlichung , Initial Bond Strength of Polyurethane Contact Adhesives' (Adv. Urethane Sei. Tee, 1992, 11, 192-216) beschrieben. Über die Auswirkung von Nanoharnstoffen auf das Rekristallisationsverhalten von niedermolekularen NCO-terminierten Prepolymeren enthaltend kristalline bzw. teilkristalline und/oder amorphe Polyolkomponenten ist jedoch bisher nichts bekannt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe war, Formulierungen von reaktiven PoIy- urethan-Hotmelts so zu modifizieren, dass ein schnellerer Anfangsfestigkeitsaufbau erfolgt. Dies sollte dadurch erreicht werden, dass die Formulierung eine höhere Rekristallisationstemperatur der kristallinen und/oder teilkristallinen Polyolkomponente im reaktiven Polyurethan Hotmelt hat. Es wurde überraschend gefunden, dass Hotmeltsysteme auf Basis von kristallinen oder teilkristallinen Polyesterpolyolen, oder Mischungen dieser mit kristallinen, teilkristallinen, amorphen, flüssigen Polyolen oder anderer Komponenten durch Modifikation mit Nanoharnstoffen sich im Vergleich zu Formulierungen ohne Modifikation mit Nano- harnstoffen durch einen besonders raschen Aufbau der Anfangsfestigkeit auszeichnen.
Dies ist insbesondere überraschend, da sich die Rekristallisationstemperaturen der reinen Polyester mit und ohne Zugabe von Nanoharnstoffen kaum unterscheiden und sich die Rekristallisationsenthalpie mit zunehmendem Gehalt an Nanoharnstoff verringert (Tabelle 2). Gegenstand der Erfindung sind Zusammensetzungen enthaltend ein Umsetzungsprodukt von
A) mindestens einem aromatischen, aliphatischen, araliphatischen und/oder cycloa- liphatischen Isocyanat, bevorzugt mit einem Gehalt an freien NCO-Gruppen von 5 bis 60 Gew.-% (bezogen auf A) und
B) einem Polyol bzw. Polyolgemisch enthaltend mindestens ein Polyesterpolyol, und einen Anteil von 0,001 bis 50 Gew.% bzgl. der Gesamtmenge B) an Nanoharnstoff.
Die Herstellung der Zusammensetzungen erfolgt beispielsweise derart, dass die Polyole B) und die Isocyanate A) vermischt werden, 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 die homogene Mischung abgefüllt wird oder bis zum Erhalt eines konstanten NCO-Wertes gerührt wird und dann abgefüllt wird. Als bevorzugte Reaktionstemperatur werden 60 bis 150°C, vorzugsweise 80 bis 130°C ge- wählt. Die Herstellung der Zubereitungen kann auch kontinuierlich in einer Rührkessel- kaskade oder geeigneten Mischaggregaten, wie beispielsweise schnell drehenden Mischern nach dem Rotor-Stator-Prinzip oder einem Statikmischer, erfolgen.
Es ist auch möglich, die Polyole bzw. Polyolgemisch B) oder einen Teil derselben mit einem Unterschuss an A), zu modifizieren und nach beendeter Reaktion die urethan- gruppenhaltigen Polyole mit einem Überschuss von A) zu einer Isocyanatgruppen enthaltenden Zusammensetzung umzusetzen.
Ebenso ist es möglich, die Umsetzung der Polyole B) mit den Isocyanaten A) in Gegenwart von bis zu 5 Gew.-% von beispielsweise Trimerisaten aliphatischer und/oder aromatischer Diisocyanate, wie z.B. HDI, durchzuführen oder solche Trimerisate nach be- endeter Prepolymerisation zuzusetzen. Gegenstand der Erfindung sind auch Zubereitungen, welche die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten, bzw. die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen als bzw. in z. B. Dichtstoffen, Beschichtungsmitteln, Schaumstoffen, sowie als Klebstoffe, insbesondere Schmelzklebstoffe, wie z. B. als Montageklebstoff zur vorläu- figen Fixierung von Bauteilen, allgemein als Papierklebstoff, speziell als Buchbindeklebstoff oder Klebstoffe für die Herstellung von Kreuzbodenventilsäcken, Verbundfolien oder Laminaten oder als Kantenumleimer, oder bei deren Herstellung.
Die erfindungsgemäßen Zubereitungen können mit die Reaktion mit Feuchtigkeit aktivierenden Katalysatoren, weiteren anorganischen oder organischen Füllstoffen, Nucleie- rungsmitteln, Additiven, Hilfsstoffen, Tensiden, Farbstoffen, Harzen, reaktiven und nichtreaktiven Polymeren, Stabilisatoren, Lichtschutzmitteln, Oxidationsschutzmitteln, Bioziden, Pigmenten, und/oder Streckölen in üblicher Weise modifiziert werden.
Als Isocyanatkomponente A) geeignete Isocyanate sind beispielsweise solche mit Isocy- anatgehalten von 5 bis 60 Gew.-% (bezogen auf das Isocyanat) mit aliphatisch, cycloali- phatisch, 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 1 ,4-Bis-(iso- cyanatomethyl)-cyclohexan, 1 -Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan, 1-Isocyanato-l- methyl-4(3)isocyanatomethylcyclohexan, Bis-(isocyanatomethyl)-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'-Diisocyanatodiphenylmethan (MDI), 1,5-Diisocyanato- naphthalin, 1,3- und l,4-Bis-(isocyanatomethyl)-benzol oder Mischungen dieser. Selbstverständlich können auch Polyisocyanate verwendet werden, bei denen es sich beispielsweise um höhermolekulare Verbindungen mit Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Biuret-, Iminooxadiazintrion-, Oxadiazintrion- und/oder Uretdiongruppen auf Basis der vorgenannten Diisocyanate handelt. Als Iscocyanatkomponente A) bevorzugte Diisocyanate sind 1 ,6-Diisocyanatohexan (HDI), 1 -Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan, 2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI), 2,2'-, 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan (MDI).
Als Iscocyanatkomponente A) besonders bevorzugte Diisocyanate sind 2,4'- oder 4,4'-Di- isocyanatodiphenylmethan (MDI) und/oder einer Mischung aus diesen. Unter einem Polyol bzw. einem Polyolgemisch B) 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 Diolen. 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, Phthal- säure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Ethylenglykol, Diethy- lenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1,6- Hexandiol, Neopentylglykol, ε-Caprolacton.
Polyesterpolyole sind bei Raumtemperatur entweder flüssig (Glasübergangstemperatur Tg < 20°C) oder fest. Bei Raumtemperatur feste Polyesterpolyole sind dabei entweder amorph (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 Adipinsäure 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 Polycaprolactonderiva- te basierend auf bifunktionellen Startmolekülen wie beispielsweise 1 ,6-Hexandiol als besonders geeignet zu nennen. Geeignete amorphe Polyesterpolyole sind beispielsweise solche auf Basis von Adipinsäure, 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 aufwei- senden Aminen hergestellten Additions- oder Mischadditionsverbindungen des Tetra- hydrofurans, Styroloxids, Ethylenoxids, Propylenoxids, der Butylenoxide oder des E- pichlorhydrins, vorzugsweise des Ethylenoxids und/oder des Propylenoxids. Vorzugsweise sind die bifunktionellen Propylenoxid- und/oder Ethylenoxid-Addukte sowie PoIy- tetrahydrofuran zu nennen. Solche Polyetherpolyole und ihre Herstellung sind dem Fachmann bekannt.
Nanoharnstoffe sind dispergierte quervernetze, nanoskalige Polyharnstoffpartikel. Die Herstellung wässriger Nanoharnstoff-Dispersionen wird WO-A 2005/063873 beschrieben. Dabei werden hydrophile Isocyanate in Gegenwart eines Katalysators in Wasser gegeben, wodurch eine Quervernetzung innerhalb der dispergierten Partikel durch Harn- stoff-Bindungen stattfindet.
Die Herstellung von Polyol bzw. Polyolgemisch B) enthaltend Nanoharnstoffe wird in DE-A 100 200 700 4769 beschrieben. Es handelt sich dabei um quervernetzte Nano- harnstoffpartikel und mindestens ein Dispergiermedium, welches mindestens eine, bevorzugt zwei, gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppe(n) aufweist, wobei der Was- ser- Anteil, bezogen auf die Dispersion 0 bis 5 Gew.-% beträgt.
Beispiele für die beschriebenen Dispergiermedien sind Polyesterpolyole, Polyacrylat- polyole, Polyurethanpolyole, Polycarbonatpolyole, Polyetherpolyole, Polyesterpoly- acrylatpolyole, Polyurethanpolyacrylatpolyole, Polyurethanpolyesterpolyole, Polyure- thanpolyetherpolyole, Polyurethanpolycarbonatpolyole oder Polyesterpolycarbonatpoly- ole.
Als Dispergiermedium bevorzugt sind Substanzen, die sich mit wässrigen Nanoharnstoff-Dispersionen vermischen lassen und aus deren Mischung mit der wässrigen Nano- harnstoff-Dispersion sich das Wasser entfernen lässt, wie z.B. Polyesterpolyole, Polycar- bonatpolyole, Polyetherpolyole und kurzkettige Polyole.
Beispiele für geeignete kurzkettige Polyole sind Ethylenglykol, Diethylenglykol, Tri- ethylenglykol, 1 ,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1 ,4-Butandiol, 1,3-Butylenglykol, Cyclo- hexandiol, 1 ,4-Cyclohexandimethanol, 1 ,6-Hexandiol, Neopentylglykol, Hydrochinondi- hydroxyethylether, Bisphenol A (2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan), hydriertes Bisphenol A, (2,2-Bis(4-hydroxycyclohexyl)propan), Trimethylolpropan, Glycerin, Pentaerythrit oder Hydroxypivalinsäureneopentylglykolester. Bevorzugte kurzkettige Polyole sind 1 ,4- oder 1,3-Butandiol, 1,6-Hexandiol oder Trimethylolpropan.
Beispiele für geeignete für monofunktionelle Alkohole sind Ethanol, n-Butanol, n-
Propanol, Ethylenglykolmonobutylether (2-Butoxy-ethanol), Diethylenglykolmonome- thylether, Propylenglykolmonomethylether, Dipropylenglykol-monomethylether, Tripro- pylenglykolmonomethylether, Dipropylenglykolmonopropylether, Propylenglykolmono- butylether, Dipropylenglykolmonobutylether, Tripropylenglykolmonobutylether, 2-Ethyl- hexanol, 1-Octanol, 1-Dodecanol, 1-Hexadecanol, Diacetonalkohol, Benzylalkohol, Amylalkohol, Cyclohexanol, Furfurylalkohol o-Kresol, m-Kresol, p-Rresol, und Phenol. Bevorzugte monofunktionelle Alkohole sind Ethylenglykolmonobutylether, Diacetonal- kohol, Amylalkohol oder Cyclohexanol.
Als Dispergiermedium sind besonders bevorzugt Polyesterpolyole, wie beispielsweise die an sich bekannten Polykondensate aus Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetraolen und Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetracarbonsäuren oder Hydroxycarbonsäuren oder Lactonen. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester von niederen Alkoholen zur Herstellung der Polyester verwendet werden.
Beispiele für geeignete Diole sind Ethylenglykol, Butylenglykol, Diethylenglykol, Tri- ethylenglykol, Polyalkylenglykole wie Polyethylenglykol, weiterhin 1 ,2-Propandiol, 1,3- Propandiol, Butandiol(l,3), Butandiol(l,4), Hexandiol(l,6) und Isomere, Neopentyl- glykol oder Hydroxypivalinsäureneopentylglykolester, wobei Hexandiol(l,6) und Isomere, Neopentylglykol und Hydroxypivalinsäureneopenthylglykolester bevorzugt sind. Daneben können auch Polyole wie Trimethylolpropan, Glycerin, Erythrit, Pentaerythrit, Triemthylolbenzol oder Trishydroxyethylisocyanurat eingesetzt werden. Als Dicarbon- säuren können Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, He- xahydrophthalsäure, Cyclohexandicarbonsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäu- re, Glutarsäure, Tetrachlorphthalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Malonsäu- re, Korksäure, 2-Methylbernsteinsäure, 3,3-Diethylglutarsäure und/oder 2,2-Dimethyl- bernsteinsäure eingesetzt werden. Als Säurequelle können auch die entsprechenden Anhydride verwendet werden. Sofern die mittlere Funktionalität des zu veresternden PoIy- ols > als 2 ist, können zusätzlich auch Monocarbonsäuren, wie Benzoesäure und Hexancarbonsäure mit verwendet werden. Bevorzugte Säuren sind aliphatische oder aromatische Säuren der vorstehend genannten Art. Besonders bevorzugt sind Adipinsäure, I- sophthalsäure und gegebenenfalls Trimellithsäure. Hydroxycarbonsäuren, die als Reaktionsteilnehmer bei der Herstellung eines Polyesterpolyols mit endständigen Hydro- xylgruppen mitverwendet werden können, sind beispielsweise Hydroxycapronsäure, Hydroxybuttersäure, Hydroxydecansäure, Hydroxystearinsäure und dergleichen. Geeignete Lactone sind Caprolacton, Butyrolacton und Homologe. Bevorzugt ist Caprolacton.
Besonders bevorzugte Polyesterpolyole sind solche auf Basis von Adipinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure und Tetrahydrophthalsäure als Säurekomponente und Ethyl- englykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol; 1,4- oder 1,3-Butandiol, 1 ,6-Hexandiol und/oder Trimethylolpropan als Alkoholkomponente. Ebenfalls bevorzugt als Dispergiermedium sind hydroxylgruppenaufweisende Polycar- bonate, bevorzugt Polycarbonatdiole, mit zahlenmittleren Molekulargewichten Mn von 400 bis 8000 g/mol, bevorzugt 600 bis 3000 g/mol eingesetzt werden. Diese sind durch Reaktion von Kohlensäurederivaten, wie Diphenylcarbonat, Dimethylcarbonat oder Phosgen, mit Polyolen, bevorzugt Diolen, erhältlich. Beispiele derartiger Diole sind E- thylenglykol, 1,2- und 1,3-Propandiol, 1,3- und 1 ,4-Butandiol, 1 ,6-Hexandiol, 1,8- Octandiol, Neopentylglykol, 1 ,4-Bishydroxymethylcyclohexan, 2-Methyl-l,3-propandiol, 2,2,4-Trimethylpentandiol-l,3, Dipropylenglykol, Polypropylenglykole, Dibutylenglykol, Polybutylenglykole, Bisphenol A, Tetrabrombisphenol A und lactonmodifizierte Diole der vorstehend genannten Art in Frage. Bevorzugt enthält die Diolkomponente 40 bis 100 Gew.-% Hexandiol, bevorzugt sind 1 ,6-Hexandiol und/oder Hexandiolderivate. Solche Hexandiolderivate basieren auf Hexandiol und weisen neben endständigen OH- Gruppen Ester- oder Ethergruppen auf. Solche Derivate sind durch Reaktion von Hexandiol mit überschüssigem Caprolacton oder durch Veretherung von Hexandiol mit sich selbst zum Di- oder Trihexylenglykol erhältlich. Statt oder zusätzlich zu reinen Polycar- bonatdiolen können auch Polyether-Polycarbonatdiole in eingesetzt werden. Hydroxylgruppenaufweisende Polycarbonate sind bevorzugt linear gebaut, können aber auch durch den Einbau polyfunktioneller Komponenten, insbesondere niedermolekularer Po- lyole, leicht erhalten werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Glycerin, Trimethy- lolpropan, Hexantriol-1,2,6, Butantriol- 1,2,4, Trimethylolpropan, Trimethylolethan, Pen- taerythrit, Chinit, Mannit, Sorbit, Methylglykosid oder 1,3,4,6-Dianhydrohexite. Bevorzugte Polycyarbonate werden aus Diphenylcarbonat bzw. Dimethylcarbonat und 1,6- Hexandiol, 1 ,4-Butandiol und Methyl- 1, 3 -propandiol aufgebaut.
Als Dispergiermedium können bevorzugt auch Polyetherpolyole eingesetzt werden. Ge- eignet sind beispielsweise die in der Polyurethanchemie an sich bekannten Polytetra- methylenglykolpolyether wie sie durch Polymerisation von Tetrahydrofuran mittels kationischer Ringöffnung erhältlich sind. Ebenfalls geeignete Polyetherpolyole sind die an sich bekannten Additionsprodukte von Styroloxid, Ethylenoxid, Propylenoxid, Butyle- noxide und/oder Epichlorhydrins an di- oder polyfunktionelle Startermoleküle. Als ge- eignete Startermoleküle können alle dem Stand der Technik nach bekannten Verbindungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Wasser, Butyldiglykol, Glycerin, Diethy- lenglkol, Trimethyolpropan, Propylenglykol, Sorbit, Ethylendiamin, Triethanolamin, 1 ,4- Butandiol. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Polyetherpolyolen, die aufgebaut sind aus Ethylenoxid, Propylenoxid und Butylenoxid. Das Polyol bzw. Polyolgemisch B) enthaltend die Nanoharnstoffpartikel wird bevorzugt hergestellt, indem das Polyol bzw. Polyolgemisch, welches durchschnittlich mindestens zwei gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppen aufweist, mit einer wässrigen Nano- harnstoff-Dispersion vermischt wird und anschließend in einem zweiten Schritt das Was- ser entfernt wird, oder alternativ indem das Wasser gleichzeitig zum Mischvorgang entfernt wird. Die dafür einzusetzenden wässrigen Nanohamstoff-Dispersionen sind in der WO2005/063873 beschrieben.
Die wässrige Nanoharnstoff-Dispersion und das Dispergiermedium können in beliebiger Reihenfolge vermischt werden, es kann eine Komponente kontinuierlich, portionsweise oder auf einmal zu der anderen Komponente hinzugefügt werden. In einer bevorzugten Verfahrens- Variante werden das Dispergiermedium und die wässrige Nanoharnstoff- Dispersion zuerst vollständig miteinander vermischt und anschließend wird das Wasser aus der Mischung entfernt. Prinzipiell ist die Entfernung des Wassers bei Atmosphärendruck, Unterdruck oder Ü- berdruck möglich. In einer besonders bevorzugten Verfahrens- Variante wird das Wasser destillativ entfernt, wobei unter Druckverminderung und/oder unter Temperaturerhöhung gearbeitet wird.
Auch andere Techniken zur Abtrennung von Wasser sind möglich, wie beispielsweise die Entwässerung durch Membranverfahren oder der Einsatz wasserziehender Trockenmittel, wie z.B Silicagel oder Zeolithe. Auch die Kombination verschiedener Entwässerungstechniken, gleichzeitig oder nacheinander, ist möglich. Auch die Abtrennung des Wassers unter Zuhilfenahme von Additiven ist möglich, beispielsweise die Zumischung von Schleppmitteln zur vereinfachten destillativen Entfernung von Wasser. Im bevorzugten Verfahren erfolgt die Durchmischung der wässrigen Nanoharnstoff- Dispersion mit dem nicht-wässrigen Dispergiermedium bevorzugt mittels Durchmischung durch ein Rührwerk. Andere Arten der Durchmischung wie z.B. durch Umpum- pen, Statikmischer, Schüttler, Rotation eines Gefäßes, Stachelmischer, Düsenstrahl- dispergator, Rotor und Stator, oder durch Einfluss von Ultraschall sind auch möglich. Die Durchmischung erfolgt bei Temperaturen die zwischen 0°C und 1500C, bevorzugt zwischen 100C und 1200C und besonders bevorzugt zwischen 20°C und 1000C liegen. Es wird bei Temperaturen gearbeitet, bei denen das Dispergiermedium als Flüssigkeit vorliegt.
Bei Abtrennung des Wassers durch Destillation wird bei Temperaturen zwischen 200C und 2000C, bevorzugt zwischen 25°C und 1500C und besonders bevorzugt zwischen 4O0C und 1000C gearbeitet. Falls die Entfernung des Wasser unter Vakuum erfolgt, liegt der eingestellte Druck in der Regel zwischen 1 und 900 mbar, bevorzugt zwischen 2 und 500 mbar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 100 mbar. Auch das Durchlaufen von Temperatur- und/oder Druckprofilen ist möglich. Als Dauer der Entwässerung eignen sich beispielsweise Zeiten zwischen 10 Minuten und 24 Stunden, bevorzugt zwischen 30 Minuten und 16 Stunden. Während der Entfernung des Wassers wird die Mischung bevorzugt weiter durchmischt, beispielsweise durch Rühren und/oder Umpumpen. In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das flüssige oder aufgeschmolzene Dispergiermedium in einer Rührapparatur vorgelegt und unter intensivem Rühren die wässrige Nanoharnstoff-Dipsersion zugetropft, wobei bevorzugte Dosierzeiten eine Minute bis 10 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 5 Stunden betragen und anschließend eine Stunde bis 10 Stunden nachgerührt wird, danach das Wasser aus der Dispersion durch Destillation entfernt und die Dispersion unter Duckverminderung getrocknet wird.
Bei der Herstellung der Nanoharnstoff-Dispersion können auch Colöser, Entschäumer, oberflächenaktive Detergentien und andere Hilfsmittel und Additive verwendet werden. Werden flüchtige Colösemittel eingesetzt, können diese wieder aus der Nanoharnstoff- Dispersion entfernt werden, beispielsweise zusammen mit der Entfernung des Wassers.
Wässrige Nanoharnstoff-Dispersionen sind erhältlich, indem hydrophilierte Polyisocya- nate in Wasser eingebracht werden und anschließend die vorliegenden freien Isocya- natgruppen durch eine Isocyanat-Wasser-Reaktion zum primären Amin abgebaut. Diese Aminogruppen bilden dann durch Abreaktion mit weiteren Isocyanatgruppen Harnstoffgruppen und vernetzen dadurch zu Nanoharnstoff-Partikeln, in Form wässriger Dispersionen. Prinzipiell ist es möglich, dass NCO-Gruppen der hydrophilierten Polyisocyanate vor oder während der Reaktion mit Wasser auch mit anderen isocyanatreaktiven Verbin- düngen wie primären oder sekundären Aminen und/oder Alkoholen umgesetzt werden.
Als hydrophilierte Polyisocyanate können an sich alle dem Fachmann bekannten NCO- gruppenhaltigen Verbindungen eingesetzt werden, die nichtionisch oder potentiell ionisch hydrophiliert sind. Werden Mischungen verschiedener Polyisocyanate der vorstehend genannten Art eingesetzt, ist es bevorzugt, dass mindestens ein Polyisocyanat eine nichtionisch hydrophilierende Struktureinheit aufweist. Besonders bevorzugt werden ausschließlich Polyisocyanate mit nichtionisch hydrophilierenden Gruppen eingesetzt.
Unter ionisch bzw. potentiell ionisch hydrophilierende Verbindungen werden sämtliche Verbindungen verstanden, die mindestens eine isocyanatreaktive Gruppe sowie mindestens eine Funktionalität, wie z.B. -COOY, -SO3Y, -PO(OY)2 (Y beispielsweise = H, NH4 +, Metallkation), -NR2, -NR3 + (R = H, Alkyl, Aryl), aufweisen, die bei Wechselwirkung mit wässrigen Medien ein pH- Wert-abhängiges Dissoziationsgleichgewicht eingeht und auf diese Weise negativ, positiv oder neutral geladen sein kann. Bevorzugte isocyanatreaktive Gruppen sind Hydroxyl- oder Aminogruppen.
Solche Polyisocyanate sind nach dem Fachmann bekannten Methoden erhältlich, in dem Polyisocyanate mit nichtionisch und/oder ionisch bzw. nichtionisch oder potentiell io- nisch hydrophilierenden Verbindungen, welche jeweils wenigstens eine isocyanatreakti- ve Gruppe aufweisen, umgesetzt werden.
Geeignete ionisch oder potentiell ionisch hydrophilierende Verbindungen sind z.B. Mono- und Dihydroxycarbonsäuren, Mono- und Diaminocarbonsäuren, Mono- und Di- hydroxysulfonsäuren, Mono- und Diaminosulfonsäuren sowie Mono- und Dihydroxy- phosphonsäuren oder Mono- und Diaminophosphonsäuren und ihre Salze wie Dimethy- lolpropionsäure, Dimethylolbuttersäure, Hydroxypivalinsäure, N-(2-Aminoethyl)-ß- alanin, 2-(2-Amino-ethylamino)-ethansulfonsäure, Ethylendiamin-propyl- oder — butyl- sulfonsäure, 1,2- oder 1,3-Propylendiamin-ß-ethylsulfonsäure, Äpfelsäure, Zitronen- säure, Glykolsäure, Milchsäure, Glycin, Alanin, Taurin, Lysin, 3,5-Diaminobenzoesäure, ein Additionsprodukt von IPDI und Acrylsäure (EP-A 0 916 647, Beispiel 1) und dessen Alkali- und/oder Ammoniumsalze; das Addukt von Natriumbisulfit an Buten-2-diol-l,4, Polyethersulfonat, das propoxylierte Addukt aus 2-Butendiol und NaHSO3, z.B. beschrieben in der DE-A 2 446 440 (Seite 5-9, Formel I-IH) sowie Verbindungen, die in kationische Gruppen überführbare, z.B. Amin-basierende, Bausteine wie N-Methyl-di- ethanolamin als hydrophile Aufbaukomponenten enthalten. Weiterhin kann Cyclohexyl- aminopropansulfonsäure (CAPS) wie z.B. in der WO2001/88006 als hydrophilierende Verbindung bzw. Baustein verwendet werden.
Bevorzugte ionische oder potentielle ionische Verbindungen sind solche, die über Car- boxy- oder Carboxylat- und/oder Sulfonatgruppen und/oder Ammoniumgruppen verfügen. Besonders bevorzugte ionische Verbindungen sind solche, die Carboxyl- und/oder Sulfonatgruppen als ionische oder potentiell ionische Gruppen enthalten, wie die Salze von N-(2-Aminoethyl)-ß-alanin, der 2-(2-Amino-ethylamino-)ethansulfonsäure oder des Additionsproduktes von IPDI und Acrylsäure (EP-A 0 916 647, Beispiel 1) sowie der Di- methylolpropionsäure.
Geeignete nichtionisch hydrophilierende Verbindungen sind z.B. Polyoxyalkylenether, die mindestens eine Hydroxy- oder Aminogruppe enthalten. Diese Polyether enthalten bevorzugt einen Anteil von 30 Gew.-% bis 100 Gew.-% bezogen auf den Gesamtgehalt an Alkylenoxid-Einheiten an Ethylenoxid-Einheiten. Bevorzugte nichtionisch hydrophilierende Verbindungen sind solche der Formel (I), H-Y'-X-Y-R (I) in welcher
R für einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, bevorzugt einen unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen steht, X für eine Polyalkylenoxidkette mit 5 bis 90, bevorzugt 20 bis 70 Kettengliedern, welche zumindest zu 40 Gew.-%, bevorzugt zumindest zu 65 Gew.-%, besonders bevorzugt von 55 bis 89 Gew.-% bezogen auf den Gesamtgehalt an Alkylenoxid- Einheiten aus Ethylenoxid-Einheiten bestehen und die neben Ethylenoxid- Einheiten Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-Einheiten aufweisen können, wobei Propylenoxid-Einheiten bevorzugt sind, steht und Y', Y für Sauerstoff oder auch für -NR'- steht, wobei R1 = R oder H ist.
Bevorzugt entsprechen die nichtionisch hydrophilierende Verbindungen der vorstehend genannten Art, wobei sie ein zahlenmittleres Molekulargewicht von mindestens 400 g/mol, bevorzugt von mindestens 500 g/mol und besonders bevorzugt von 1200 bis 4500 g/mol aufweisen. Zur Herstellung der erfindungswesentlichen hydrophilierten Polyisocyanate können die dem Fachmann an sich bekannten aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen und aromatischen Polyisocyanate mit mehr als einer NCO-Gruppe pro Molekül und einem Isocyanatgehalt von 0,5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 25 Gew.-% oder deren Gemische eingesetzt werden. Beispiele geeigneter Polyisocyanate sind Butylendiisocyanat, Tetramethylendiisocyanat, Cyclohexan-1,3- und 1 ,4-diisocyanat, Hexamethylendiisocyanat (HDI), 1-Isocanato- 3,3,5-trimethyl-5-isocyanato-methylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 2,4,4-Tri- methylhexamethylendiisocyanat, Isocyanatomethyl-1 ,8-octandiisocyanat, Methylen-bis- (4-isocyanatocyclohexan), Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI) oder Triisocyanato- nonan (TIN, 4-Isocyanatomethyl-l,8-octandiisocyanat) sowie deren Mischungen. Prinzipiell geeignet sind auch aromatische Polyisocyanate wie 1 ,4-Phenylendiisocyanat, 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI), Diphenylmethan-2,4'-und/oder 4,4'-diisocyanat (MDI), Triphenylmethan-4,4'-diisocyanat oder Naphthylen-l,5-diisocyanat.
Neben den vorstehend genannten Polyisocyanaten können auch höhermolekulare Folge- produkte mit Uretdion-, Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Biuret-, Iminooxadiazindi- on- und/oder Oxadiazintrionstruktur eingesetzt werden. Solche Folgeprodukte sind in an sich bekannter Weise aus den monomeren Diisocyanaten durch die im Stand der Technik beschriebene Modifizierungsreaktionen bekannt.
Bevorzugt sind hydrophilierte Polyisocyanate oder deren Gemische mit ausschließlich aliphatisch oder cycloaliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen.
Besonders bevorzugt basieren die hydrophilierten Polyisocyanate auf Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, den isomeren Bis-(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methanen sowie Mischungen der vorgenannten Diisocyanate, wobei im Fall von Mischungen solche mit 50 Gew.-Anteilen an Polyisocyanaten auf Basis von Hexamethylendiisocyanat bevorzugt sind. Einbringung der hydrophilierten Polyisocyanate in Wasser und die anschließende Reaktion mit Wasser zur Herstellung der Nanoharnstoffdispersionen erfolgt bevorzugt unter Durchmischung durch ein Rührwerk oder andere Arten der Durchmischung wie Um- pumpen, Statikmischer, Stachelmischer, Düsenstrahldispergator, Rotor und Stator oder unter Einfluss von Ultraschall.
Grundsätzlich kann während oder nach der Dispergierung noch eine Modifizierung von NCO-Gruppen mit isocyanatreaktiven Verbindungen wie primären oder sekundären Aminen oder (Poly-)Alkoholen erfolgen. Beispiele sind Ethylendiamin, 1 ,3-Propylendi- amin, 1 ,6-Hexamethylendiamin, Isophorondiamin, 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, Hydrazin, 1,4-Butandiol, 1 ,4-Cyclohexandimethanol, 1 ,6-Hexandiol, Trimethylolethan, Trimethylolpropan, Glycerin, N-Methylethanol- und N-Methylisopropanolamin, 1- Amino-propanol oder Diethanolamin.
Bevorzugt beträgt das molekulare Verhältnis von NCO-Gruppen der hydrophilierten Polyisocyanate zu Wasser 1 zu 100 bis 1 zu 5, besonders bevorzugt 1 zu 30 bis 1 zu 10. Grundsätzlich ist es möglich die hydrophilierten Polyisocyanate in einer Portion in das Wasser einzubringen. Ebenfalls ist eine kontinuierliche Zugabe des hydrophilierten PoIy- isocyanates, beispielsweise über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 20 Stunden möglich.
Bevorzugt ist eine portionsweise Zugabe, wobei die Anzahl der Portionen 2 bis 50, be- vorzugt 3 bis 20, besonders bevorzugt 4 bis 10 beträgt, und die Portionen gleich oder auch unterschiedlich groß sein können.
Die Wartezeit zwischen den einzelnen Portionen beträgt typischerweise 5 Minuten bis 12 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 8 Stunden, besonders bevorzugt 30 Minuten bis 5 Stunden. Ebenfalls möglich ist eine über einen Zeitraum von 1 Stunde bis 24 Stunden, bevorzugt 2 Stunden bis 15 Stunden verteilte kontinuierliche Zugabe der hydrophilierten Polyisocya- nat.
Bei der Harnstoffpartikelherstellung beträgt die Kesseltemperatur 10 bis 80°C, bevorzugt 20 bis 70°C und besonders bevorzugt 25 bis 50°C. Bevorzugt wird im Anschluss an die Umsetzung des hydrophilierten Polyisocyanats mit Wasser der Reaktor bei Innentemperaturen von 0°C bis 80°C, bevorzugt 20°C bis 60°C und besonders bevorzugt 25°C bis 50°C evakuiert. Die Evakuierung erfolgt bis zu einen Innendruck von 1 bis 900 mbar, bevorzugt 10 bis 800 mbar, besonders bevorzugt 100 bis 400 mbar. Die Dauer dieses sich an die eigentliche Reaktion anschließenden Entgasung beträgt 1 Minute bis 24 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 8 Stunden. Eine Entgasung ist auch durch Temperaturerhöhung ohne Evakuierung möglich. Bevorzugt wird gleichzeitig mit der Evakuierung die Nanoharnstoff-Dispersion durchmischt, z.B. durch Rühren.
Die Herstellung der wässrigen Nanoharnstoff-Dispersion kann in Anwesenheit von Katalysatoren erfolgen. Geeignete Katalysatoren hierfür sind z.B. Ammoniak, Eisen(II)-chlorid, Zinkchlorid, Zinnsalze, Tetraalkylammoniumhydroxide, Alkalihydroxide, Alkalialkoholate, Alkalisalze von langkettigen Fettsäuren mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen und gegebenenfalls seitenständigen OH-Gruppen, Bleioctoat oder tertiäre Amine wie Triethylamin, Tributy- lamin, Dimethylbenzylamin, Dicyclohexylmethylamin, Dimethylcyclohexylamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-diamino-diethylether, Bis-(dimethylaminopropyl)harnstoff, N- Methyl- bzw. N-Ethylmorpholin, N,N'-Dimorpholinodiethylether (DMDEE), N-Cyclo- hexylmoφholin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylbutandi- amin, N,N,N',N'-Tetramethylhexandiamin- 1,6, Pentamethyldiethylentriamin, Dimethyl- piperazin, N-Dimethylaminoethylpiperidin, 1,2-Dimethylimidazol, N-Hydroxypropyl- imidazol, l-Azabicyclo-(2, 2,0)-octan, l,4-Diazabicyclo-(2,2,2)-octan (Dabco) oder Al- kanolaminverbindungen, wie Triethanolamin, Triisopropanolamin, N-Methyl- und N- Ethyl-diethanolamin, Dimethyl-aminoethanol, 2-(N,N-Dimethylaminoethoxy)ethanol oder N-Tris-(dialkylaminoalkyl)hexahydrotriazine, z.B. N,N',N-Tris-(dimethylaminopro- pyl)-s-hexahydrotriazin. Bei Einsatz von tert. Aminen ist es möglich, den Katalysator nach der Herstellung der Nanoharnstoff-Dispersion wieder abzutrennen, beispielsweise durch Destillation.
Bevorzugt sind Zinndioctoat, Zinndiethylhexoat, Dibuthylzinndilaurat oder Dibutyldilau- rylzinnmercaptid, 3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydropyrimidin, Tetramethylammonium- hydroxid, Triethylamin, Natriumhydroxid, Natriummethylat oder Kaliumisopropylat. Besonders bevorzugter Katalysator ist Ammoniak.
Die Katalysatoren werden in Mengen von 0,01 bis 8 Gew.-%, bevorzugt von 0,05 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Festkörpergehalt der resultierenden Dispersion, eingesetzt.
Der Katalysator kann mit den hydrophilierten Polyisocyanaten vor Einbringung in das Wasser oder mit dem Dispergierwasser gemischt werden oder auch erst nach der Disper- gierung der hydrophilierten Polyisocyanate in Wasser zugefügt werden. Bevorzugt ist es, den Katalysator dem Dispergierwasser vor Zusatz der hydrophilierten Polyisocyanate beizumischen. Es ist auch möglich den Katalysator in Portionen aufzuteilen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Reaktionsverlaufes hinzuzufügen. Bei der Herstellung des Polyols bzw. Polyolgemisches B) enthaltend Nanoharnstoffe können auch Entschäumer, oberflächenaktive Detergentien und andere Hilfsmittel und Additive verwendet werden. Auch weitere Additive aus Bereichen wie Lack-, Dichtstoffoder Klebstoffformulierung wie beispielsweise Pigmente oder Füllstoffe können zugesetzt werden.
Beispiele:
Sofern nicht abweichend vermerkt beziehen sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent.
Sofern nicht abweichend vermerkt, beziehen alle analytischen Messungen auf Tempera- turen von 23°C.
Die angegebenen Partikelgrößen wurden mittels Laserkorrellationsspektroskopie (Gerät: Malvern Zetasizer 1000, Malver Inst. Limited) bestimmt.
Die Kontrolle auf freie NCO-Gruppen wurde mittels IR-Spektroskopie (Bande bei 2260 cm-1) durchgeführt. Die Wasserbestimmung erfolgte mittels Karl-Fischer-Tritration nach DEN 51777 Teil 1. Bei Anwesenheit von Aminen wird eine Pufferung mit Benzoesäure durchgeführt.
Chemikalien
Bayhydur® VP LS 2336 (Bayer MaterialScience AG, Lev., DE): Hydrophiliertes Polyisocyanat auf Basis von Hexamethylendii- socyanat, lösemittelfrei, Viskosität ca. 6800 mPa s, Isocyanat- Gehalt ca. 16,2%, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE.
Isofoam® 16 (Petrofer-Chemie, Hildesheim, DE):
Entschäumer
Die anderen Chemikalien wurden im Feinchemikalienhandel bei Sigma-Aldrich GmbH, Taufkirchen, DE bezogen
Herstellung einer wässrigen Nanoharnstoff-Dispersion N) Zu einer Lösung von 20,72 g Triethylamin in 4952 g entionisiertem Wasser wurden bei 30°C unter heftigem Rühren 820,20 g Bayhydur® VP LS 2336 und anschließend 0,32 g Isofoam 16 gegeben und weiter gerührt. Nach 3, 6 und 9 Stunden wurden jeweils weitere 820,20 g Bayhydur® VP LS 2336 und je anschließend 0,32 g Isofoam® 16 zugesetzt und anschließend bei 30°C weitere 4 Stunden nachgerührt. Danach wurde bei 200 mbar Vakuum und 30°C weiter 3 Stunden gerührt und die entstandene Dispersion abgefüllt. Die erhaltene weiße wässrige Dispersion hatte die nachfolgenden Eigenschaften: Partikelgröße (LKS): 83 nm
Viskosität (Viskosimeter, 23°C): < 50 mPas pH (23°C): 8,33
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 Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
Polyester B:
In einer Rührapparatur mit Destillationsaufsatz werden 500 g eines Polyesters A) bei 55°C vorgelegt. Unter Rühren werden innerhalb von 20 Minuten 39,6 g der Dispersion N) zugetropft. Es wird unter Rühren auf ca. 20 mbar evakuiert. Die Temperatur des Heizbades wird schrittweise bis 100°C erhöht, bis kein Wasser mehr überdestilliert wird. Anschließend wird bei 70°C am Rotationsverdampfer noch ca. 3 Stunden bei ca. 1 mbar weiter evakuert. Der Wassergehalt (entsprechend Karl-Fischer ) lag bei 0,075%.
Polyester C:
In einer Rührapparatur mit Destillationsaufsatz werden 1800 g eines Polyesters A) bei 60°C vorgelegt. Unter Rühren werden innerhalb von 30 Minuten 460 g der Dispersion N) zugetropft. Es wird unter Rühren auf ca. 20 mbar evakuiert. Die Temperatur des Heizbades wird schrittweise bis 100°C erhöht, bis kein Wasser mehr überdestilliert wird. Anschließend wird bei gleicher Temperatur noch ca. 3 Stunden bei ca. 2 mbar weiter gerührt. Der Wassergehalt (entsprechend Karl-Fischer ) lag bei 0,08%.
Polyester D:
Polyesterpolyol auf Basis von Adipinsäure, Isophtalsäure, Neopentylglycol und Ethy- lenglycol mit einer Hydroxylzahl von etwa 55 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 Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
Polyester E:
Polyesterpolyol auf Basis von Dodecandisäure und und 1 ,6-Hexandiol mit einer Hydro- xylzahl 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 Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, "Polyester", 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1980.
Polyether A
Vorano® P 400, The DOW Chemical Company, Midland, MI, USA
Stabilisator S
Irganox® 1010, Ciba Spezialitätenchemie Lampertheim GmbH, Lampertheim, DE.
Isocyanat I:
Desmodur® 44M (4,4'-Diphenylmethandiisocyanat), Bayer MaterialScience AG, Lever- kusen, DE
Herstellung der reaktiven Polyurethan-Hotmelts (Beispiele u. Vergleichsbeispiele):
Vergleichsbeispiel 1 sowie Beispiele 1 und 2 wurden mit Kennzahl = 2,20 gefahren. Zur Ermittlung der Anfangsfestigkeit einer praktisch relevanten Rezeptur enthaltend nano- harnstoffmodifizierte Polyester wurden die Urethangruppengehalte konstant eingestellt (U = 0,66 mol/kg, Beispiele 3 - 4 und Vergleichsbeispiel 2). Hieraus resultieren unterschiedliche Mengengerüste für Hotmelts enthaltend nanoharnstoffmodifizierte Polyester (Beispiele 1 - 4) im Vergleich zu Hotmelts enthaltend keine nanoharnstoffmodifizierten Polyester (Vergleichsbeispiele 1 und 2).
In einem 2 L-Planschliffbecher werden die in Tabelle 1 angegebenen Anteile an Polyol vorgelegt, bei 130°C aufgeschmolzen und dann Ih bei 1300C und 15 mbar (+/- 10 mbar) Unterdruck entwässert. Anschließend gibt man die entsprechende Stoffmenge an Isocya- nat I hinzu. Nach einer Einrührzeit von ca. 20 min werden die Produkte in Alukartuschen abgefüllt und diese Luftdicht verschlossen. Die Kartuschen werden dann 4h bei 100°C im Umlufttrockenschrank getempert.
Tabelle 1: Zusammensetzung der Beispiele und Vergleichsbeispiele:
Figure imgf000020_0001
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 mlVmin 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 zusammenge- fasst.
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 120°C im Umlufttrockenschrank aufgeschmolzen 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 Klebfläche von 2 cm2 und eine Klebfugendicke von 0,8 mm. Die Prüfkörper werden nach definierter Zeit aus der Form genommen und anschließend bei 23°C und 50 % rel. Feuchte 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 K/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 Dahl- quist 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 Applikation 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 überfuhrt 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 rheologische Verhalten wird über die Zeit aufgenommen. Als Maß für den Festigkeitsaufbau des Systems wurde die Zeit bis zum erreichen eines Moduls von G'= 1*106 mPas gewählt.
Die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften der reaktiven Polyurethan- Hotmelts erfolgt mit dem Rheometer VOR-MeIt der Fa. BOFILIN 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 Nanohamstoff 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 Nanoharnstoffe:
Figure imgf000022_0001
Tabelle 3: Zugscherfestigkeiten von Buchenholzverklebungen in N/mm2 nach Aushärtung bei 23°C und 50 % rel. Feuchte und verschiedenen Aushärtezeiten.
Figure imgf000023_0001
Tabelle 4: Abkühlverhalten von reaktiven PU Hotmelts bei verschiedenen Abkühlraten. (Konstante Abkühlrate von 2K/min und nach S etting- Versuch (Starttemperaturen jew. 130°C):
Figure imgf000023_0002
Diskussion der Ergebnisse: In Tabelle 2 sind die über DSC gemessenen Übergangstemperaturen des reinen Polyesters A ohne Nanoharnstoffinodifizierung und denen der reinen Polyester B und C enthaltend Nanoharnstoff gegenübergestellt. Es wird deutlich, dass die Nanoharnstoffe keinen signifikanten Einfluss auf die Schmelztemperatur zeigen. Bei Betrachtung der Kristallisationstemperaturen ist ebenfalls kein signifikanter Einfluss erkennbar. In Zugscherversuchen werden allerdings überraschend verbesserte Festigkeiten für Hot- melts enthaltend Nanoharnstoff modifizierten Polyester ermittelt (Tabelle 3).
Auch ist eine überraschend erhöhte Anfangsfestigkeit eines Hotmelts enthaltend Nanoharnstoff modifizierten Polyester, im Vergleich zu einem Hotmelt enthaltend kein Nano- harnstoff modifizierten Polyester, über rheologische Analysenmethoden zu beobachten (Tabelle 4). Die obere und untere Grenze des Dahlquistkriteriums wird bei einer konstanten Abkühlrate mit Hotmelts enthaltend enthaltend Nanoharnstoff modifizierten Polyester (Beispiele 1 - 4) bei höheren Temperaturen erreicht, als für Hotmelts enthaltend kein Nanoharnstoff modifizierten Polyester (Vergleichsbeispiele 1 und 2). Auch bei hohen Abkühlraten (Setting- Versuch) wird der Effekt des nanohamstoffmodifizierten Polyesters auf die Anfangsfestigkeit deutlich.
Die Anwesenheit von Nanoharnstoff 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 ausreichende Anfangsfestigkeiten, um die zu verklebenden Substrate in ihre Position ohne mechanische Fixierung halten zu können.

Claims

Patentansprüche:
1. Zubereitungen auf Basis von Reaktionsprodukten von Isocyanaten mit kristallinen oder teilkristallinen Polyesterpolyolen, gegebenenfalls in Abmischung mit kristalli- nen, teilkristallinen, amorphen oder flüssigen Polyolen anderer Art oder anderen
Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass sie Nanoharnstoffe enthalten.
2. Zubereitungen gemäß Anspruch 1 enthaltend mindestens ein Umsetzungsprodukt von
A) mindestens einem aromatischen, aliphatischen, araliphatischen und/oder cyc- loaliphatischen Isocyanat, bevorzugt mit einem Gehalt an freien NCO-
Gruppen von 5 bis 60 Gew.-% (bezogen auf A) und
B) einem Polyol bzw. Polyolgemisch enthaltend mindestens ein Polyol sowie 0,001 bis 50 Gew.% bzgl. der Gesamtmenge B) an Nanoharnstoff, wobei das Verhältnis von A zu B so gewählt wird, dass das molare Verhältnis von
NCO zu OH > 1 beträgt.
3. Zubereitungen gemäß Anspruch 2 in denen das Verhältnis von A zu B so gewählt wird, dass das molare Verhältnis von NCO zu OH 1 ,2 bis 4,0 beträgt.
4. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Beschichtungsmittel
5. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Schaumstoff.
6. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Dichtstoff.
7. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Klebstoff.
8. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Schmelzklebstoff.
9. Verwendung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 als Papierklebstoff
10. Verfahren zur Herstellung von Zubereitungen gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyole B) und die Isocyanate A) vermischt werden, wobei das Verhältnis von A zu B so gewählt wird, dass das molare Verhältnis von NCO zu OH > 1 beträgt und die so erhaltene homogene Mischung sogleich abgefüllt oder bis zum Erhalt eines konstanten NCO- Wertes gerührt und dann abgefüllt wird.
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