DE3735587A1 - Verfahren zur herstellung von waessrigen polyurethan-polyharnstoffdispersionen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von waessrigen polyurethan-polyharnstoffdispersionenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung stabiler wäßriger Dispersion von Polyurethan-
Polyharnstoffen sowie die Dispersionen.
Polyurethan-Polyharnstoffe werden in einer Vielzahl
kommerzieller Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise
als Klebstoffe oder als Beschichtungsmittel für verschiedene
Substrate wie Textilien, Kunststoffen, Holz,
Glasfasern, Leder und Metallen. Chemikalienbeständigkeit,
Abriebfestigkeit, Zähigkeit, Zugfestigkeit,
Elastizität und Haltbarkeit sind einige mögliche Eigenschaften
dieser Materialien.
Es gehört zum Stand der Technik, daß Polyurethan-Polyharnstoffe
als Beschichtungsmittel oder als Klebstoffe
aus Lösungen in organischen Lösungsmitteln angewendet
werden. Dies ist aus ökonomischer Sicht unvorteilhaft
aufgrund der hohen Kosten der Lösungsmittel, aber noch
bedeutender ist die durch die Lösungsmittel verursachte
Belastung der Atmosphäre.
Es sind daher zahlreiche Versuche unternommen worden,
Polyurethan-Polyharnstoff-Beschichtungen aus Dispersionen
dieser Polymeren in Wasser herzustellen. Diese
Verfahrensweise ist ökonomisch aufgrund der Verwendung
von Wasser als Lösungsmittel und belastet nicht die
Atmosphäre. Allerdings sind Polyurethan-Polyharnstoffe
mit Wasser unverträglich, d. h., sie bilden keine stabilen
Dispersionen in Wasser, falls man nicht spezielle
Herstellungsprozesse oder Zusatzstoffe bei der Herstellung
verwendet.
In frühere Methoden zur Herstellung stabiler Dispersionen
von Polyurethan-Polyharnstoffen wurden externe
Emulgatoren zur Dispergierung und Stabilisierung der
Polymeren in Wasser eingesetzt, wie es beispielsweise
in US-A 29 68 575 beschrieben ist. Diese Verfahrensweise
erlaubte zwar die Herstellung derartiger Dispersion. Die
daraus hergestellten Beschichten wiesen allerdings
erhebliche Nachteile auf, wie beispielsweise hohe
Wasserempfindlichkeit aufgrund der Gegenwart dieser
Emulgatoren.
In weiteren Entwicklungen wurden derartige Emulgatoren
verwendet, die chemisch in die Polyurethan-Polyharnstoffkette
eingebaut wurden. Derartige ionische Emulgatoren
sind beispielsweise in US-A 34 79 310 beschrieben.
Die Verwendung von einbaubaren nichtionischen Emulgatoren
wird beispielsweise in US-A 39 05 929,
US-A 39 20 598 und US-A 41 90 566 beschrieben. Weitere
Verbesserungen der Eigenschaften von Beschichtungen aus
Polyurethan-Polyharnstoff Dispersionen wurden durch die
Kombination von ionischen und nichtionische Aufbaukomponenten
erzielt, wie es beispielsweise in US-A 40 92 286,
US-A 42 37 264 und US-A 42 38 378 beschrieben ist.
Diese Entwicklungen führten zu Dispersionen mit verbesserten
Stabilitäten und gleichzeitig mit einem reduzierten
Gehalt an hydrophilen Aufbaukomponenten. Durch die
Verringerung des Gehaltes an hydrophilen Aufbaukomponenten
war die Herstellung von Beschichtungen aus diesen
Dispersionen möglich, die sich durch eine verbesserte
Wasserbeständigkeit und niedrigeren Verlust an mechanischen
Festigkeiten im gequollenen Zustand auszeichneten.
In US-A 40 66 591 wird die Herstellung von Polyurethan-
Polyharnstoff-Dispersionen beschrieben, die durch
Dispergierung von endständige Isocyanatgruppen aufweisenden
Prepolymeren in Wasser und anschließende Kettenverlängerung
mit Diaminen gewonnen werden. Die Ionengruppen
enthaltenden Prepolymere aus US-A 40 66 591
werden auf einfache Weise durch Reaktion der überschüssigen
Isocyanatgruppen mit aktive Wasserstoffgruppen
enthaltenden Aufbaukomponenten mit ionischen oder
potentiell ionischen Gruppen bis zum Erreichen des
theoretischen Gehalts an freien Isocyanatgruppen erhalten.
Eine spezielle Reihenfolge der Reaktionen der Aufbaukomponenten
wird nicht beschrieben.
In US-A 44 08 008 wird ebenfalls die Herstellung von
Isocyanatgruppen aufweisenden Polymeren und anschließender
Dispergierung in Wasser beschrieben. Die Prepolymere
werden aus organischen Polyisocyanaten, Verbindungen mit
mindestens zwei gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven
Gruppen, organischen Verbindungen mit hydrophilen Ethylenoxideinheiten
und gegebenenfalls organischen Verbindungen
mit ionischen oder potentiell ionischen Gruppen
hergestellt.
In US-A 42 03 883 werden Dispersionen aus tert.-Aminsalzen
von Polyurethan-Harnstoffen aus Triamin enthaltenden
Polyaminen und NCO-endständigen Urethan-Präpolymeren
mit Carboxylgruppen beschrieben. Im Sinne dieser
Erfindung können die NCO-endständigen Präpolymere durch
Reaktion der Isocyanate und Polyole in einem simultanen
oder einem schrittweisen Prozeß hergestellt werden.
Keine spezielle Beeinflussung der Eigenschaften der
hieraus hergestellten Dispersionen aufgrund der schrittweisen
Reaktionsführung wird beschrieben.
In US-A 45 54 308 werden vernetzte Polyurethandispersionen
aus Carboxylatgruppen enthaltenden NCO-endständigen
Präpolymeren beschrieben. Es werden Beispiele
angeführt, in denen die Carboxylgruppen in das Präpolymer
in dem zweiten Schritt eines schrittweisen Reaktionsablaufs
eingebaut werden. Auch hier wird keine
spezielle Beeinflussung der Eigenschaften der Reaktionsführung
beschrieben.
Nachteilig an dem bekannten Polyurethan-Polyharnstoffdispersionen
ist, daß relativ viele ionische Gruppen
eingebaut werden müssen, um eine gute Dispergierbarkeit
zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren
aufzufinden zur Herstellung von Polyurethan-Polyharnstoffdispersionen,
bei dem die zur Dispergierung erforderliche
Menge von ionischen Gruppen reduziert ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von stabilen Polyurethan-Polyharnstoffdispersionen
in einem mehrstufigen Verfahren durch Umsetzung eines
Isocyanates a) mit wenigstens zwei isocyanatreaktiven
Verbindungen b1) und b2) von denen die Verbindung b1)
wenigstens eine ionische oder potentiell ionische
hydrophile Gruppe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1) das Isocyanat a) mit der Verbindung b1) umgesetzt wird und anschließend
- 2) das hierbei entstehende Produkt mit der Verbindung b2) umgesetzt wird und gegebenenfalls mit einer Ethylenoxideinheiten enthaltenden Verbindung b3) und
- 3) das erhaltene Präpolymere in Wasser dispergiert wird, wobei der Gehalt an ionischen Gruppen im Präpolymeren maximal 50 Milliäquivalenten pro 100 g Präpolymer beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird während der
gesamten Herstellung in einem NCO-Überschuß gearbeitet.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es
sich bei den Präpolymeren um ein lineares Präpolymer mit
einem Molekulargewicht von maximal 25 000.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das
Präpolymer mit einem Kettenverlängerer während oder nach
der Dispergierung in Wasser umgesetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt
es sich bei der Verbindung b2) um eine zur Kristallisation
neigende Verbindung mit einem Molekulargewicht von
mindestens 1500.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei einem
bestimmten Gehalt an ionischen Gruppen im Präpolymer
stabilere und feinteiligere Dispersionen hergestellt,
als es nach den bekannten Verfahren möglich ist. In
vielen Fällen werden bei einem bestimmten Gehalt an
ionischen Gruppen feinteilige, stabile Dispersionen
erhalten, wobei nach den bekannten Verfahren nur unstabile
und sedimentierende Produkte erhalten werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,
Dispersionen mit vorgegebenen mittleren Teilchengrößen
zu erzeugen unter Verwendung von geringeren Ionenmengen
als es die Verfahren nach dem bekannten Stand der Technik
ermöglichen. Durch die Verwendung geringerer Mengen
an hydrophilen Gruppen wird durch die vorliegende Erfindung
die Herstellung von Beschichtungen und Klebstoffen
mit einer geringeren Neigung zur Wasseraufnahme und dadurch
bedingt einer geringeren Verschlechterung der mechanischen
Eigenschaften aufgrund der Wasseraufnahme ermöglicht,
welches einen erheblichen Vorteil darstellt.
Gegenstand der Erfindung sind weiterhin erfindungsgemäß
erhaltene Produkte sowie deren Verwendung zur Herstellung
von Beschichtungen von flexiblen oder nichtflexiblen
Substraten und insbesondere deren Verwendung als
Klebstoff.
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Aufbaukomponenten
a) sind beispielsweise
Diisocyanate der Formel Q(NCO)₂, wobei Q einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 18 Kohlenstoffatomen, einen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen bedeutet. Beispiele derartiger bevorzugt einzusetzender Diisocyanate sind Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1-Isocya nato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan, 4,4′- Diisocyanatodicyclohexylmethan, 4,4′-Diisocyanato-di cyclohexylpropan-(2,2), 1,4-Diisocyanatobenzol, 2,4- Diisocyanato-toluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, 4,4′-Di isocyanatodiphenyl-methan, 4,4′-Diisocyanatodiphenyl propan-(2,2), p-Xylylen-diisocyanat oder α, α, α′, α′- Tetramethyl-m- oder -p-xylylen-diisocyanat, sowie aus diesen Verbindungen bestehende Gemische.
Diisocyanate der Formel Q(NCO)₂, wobei Q einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 18 Kohlenstoffatomen, einen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen bedeutet. Beispiele derartiger bevorzugt einzusetzender Diisocyanate sind Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1-Isocya nato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan, 4,4′- Diisocyanatodicyclohexylmethan, 4,4′-Diisocyanato-di cyclohexylpropan-(2,2), 1,4-Diisocyanatobenzol, 2,4- Diisocyanato-toluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, 4,4′-Di isocyanatodiphenyl-methan, 4,4′-Diisocyanatodiphenyl propan-(2,2), p-Xylylen-diisocyanat oder α, α, α′, α′- Tetramethyl-m- oder -p-xylylen-diisocyanat, sowie aus diesen Verbindungen bestehende Gemische.
Grundsätzlich ist es auch möglich, beim erfindungsgemäßen
Verfahren die beispielhaft genannten Aufbaukomponenten
a) in Kombination mit höherfunktionellen niedermolekularen
Polyisocyanaten wie beispielsweise dem
Umsetzungsprodukt von 3 Mol 2,4-Diisocyanatotoluol mit
einem Mol Trimethylolpropan und/oder in Kombination mit
monofunktionellen Isocyanaten wie Phenylisocyanat,
Hexylisocyanat oder n-Dodecylisocyanat einzusetzen. Auch
der Einsatz von monofunktionellen Polyetherketten mit
eingebauten Ethylenoxideinheiten aufweisenden Isocyanaten
der beispielsweise in den US-Patentschriften
39 20 598 bzw. 42 37 264 genannten Art ist prinzipiell
möglich.
Bei Verwendung derartiger monofunktioneller Isocyanate
ist jedoch im allgemeinen, insbesondere bei der Herstellung
von hochmolekularen Polyurethanen, durch gleichzeitige
Mitverwendung von höher als difunktionellen Aufbaukomponenten
ein vorzeitiger Kettenabbruch zu verhindern.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren
difunktionelle Isocyanate der oben beispielhaft genannten
Art als Aufbaukomponente a) verwendet.
Als bevorzugte Verbindungen b1) werden Verbindungen mit
gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen
mit anionischen Gruppen oder in anionische Gruppen
überführbare Gruppen, wie sie beispielsweise in
US-PS 37 56 992, US-PS 34 79 310 oder US-PS 41 08 814
beschrieben sind, verwendet.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren als
anionische oder potentiell anionische Aufbaukomponenten
b1) Sulfonatgruppen aufweisende aliphatische Diole gemäß
DT-OS 24 46 440 und DT-OS 24 37 218 verwendet.
Zu den besonders bevorzugten (potentiellen) ionischen
Aufbaukomponenten mit Sulfonat-Gruppen, die ins Prepolymer
eingebaut werden können, gehören Sulfonatdiole der
allgemeinen Formel
wobei
A und B für gleiche oder verschiedene zweiwertige aliphatische
Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen
stehen,
R für Wasserstoff, einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder einen Phenylrest steht,
X® für ein Alkalimetallkation oder eine gegebenenfalls substituierte Ammoniumgruppe steht,
n und m für gleiche oder verschiedene Zahlen von 0 bis 30 stehen,
o und p für jeweils 0 oder 1 stehen und
q für eine ganze Zahl von 0 bis 2 steht.
R für Wasserstoff, einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder einen Phenylrest steht,
X® für ein Alkalimetallkation oder eine gegebenenfalls substituierte Ammoniumgruppe steht,
n und m für gleiche oder verschiedene Zahlen von 0 bis 30 stehen,
o und p für jeweils 0 oder 1 stehen und
q für eine ganze Zahl von 0 bis 2 steht.
Besonders bevorzugte Verbindungen b1) sind beispielsweise
das propoxylierte Addukt von 2-Butendiol-1,4 und
einem Sulfit, insbesondere NaHSO₃, insbesondere mit n
+m=4.
Die Verbindungen b1) werden bevorzugt in Lösungen beispielsweise
in Toluol, verwendet.
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Aufbaukomponenten
b2) sind beispielsweise Verbindungen mit mindestens
zwei gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen
Gruppen, insbesondere insgesamt zwei Aminogruppen,
Thiolgruppen, Carboxylgruppen und/oder Hydroxylgruppen
aufweisende organische Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs
61 bis 10 000, vorzugsweise 300 bis
6000, insbesondere bevorzugt 1500 bis 5000. Bevorzugt
werden die entsprechenden Dihydroxyverbindungen eingesetzt.
Die Mitverwendung von im Sinne der Isocyanat-
Polyadditionsreaktion tri- oder höherfunktionellen Verbindungen
wie beispielsweise Trimethylolpropan, in
geringen Anteilen zur Erzielung eines gewissen Verzweigungsgrades
ist ebenso möglich wie die bereits erwähnte
mögliche Mitverwendung von tri- oder höherfunktionellen
Polyisocyanaten zum gleichen Zweck.
Vorzugsweise einzusetzende Hydroxylverbindungen sind die
in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Hydroxypolyester,
Hydroxypolyether, Hydroxypolythioether, Hydroxypolyacetale,
Hydroxypolycarbonate und/oder Hydroxypolyesteramide.
Die infrage kommenden Hydroxylgruppen aufweisenden
Polyester sind z. B. Umsetzungsprodukte von
mehrwertigen, vorzugsweise zweiwertigen und gegebenenfalls
zusätzlich dreiwertigen Alkoholen mit mehrwertigen,
vorzugsweise zweiwertigen, Carbonsäuren. Anstelle
der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden
Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester
von niederen Alkoholen oder deren
Gemische zur Herstellung der Polyester verwendet werden.
Die Polycarbonsäuren können aliphatischer, cycloaliphatischer,
aromatischer und/oder heterocyclischer Natur
sein und gegebenenfalls z. B.: durch Halogenatome, substituiert
und/oder ungesättigt sein. Als Beispiele hierfür
seien genannt:
Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Trimellitsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, dimere und trimere Fettsäuren wie Ölsäure, gegebenenfalls in Mischung mit monomeren Fettsäuren, Terephthalsäuredimethylester, Terephthalsäure bis-glykolester. Als mehrwertige Alkohole kommen z. B. Ethylenglykol, Propylenglykol-(1,2) und -(1,3), Butylen glykol-(1,4) und -2,3) und -(1,3), Hexandiol-(1,6), Octandiol-(1,8), Neopentylglykol, Cyclohexandimethanol- (1,4-bis-hydroxymethylcyclohexan), 2-Methyl-1,3-propandiol, Glycerin, Trimethylolpropan, Hexantriol-(1,2,6), Butantriol-(1,2,4), Trimethylolethan, Pentaerythrit, Chinit, Mannit und Sorbit, Methylglykosid, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Polyethylenglykole, Dipropylenglykol, Polypropylenglykole, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole infrage. Die Polyester können anteilig endständige Carboxylgruppen aufweisen. Auch Polyester aus Lactonen, z. B. ε- Caprolacton oder Hydroxycarbonsäure, z. B. ω-Hydroxycapronsäure, sind einsetzbar.
Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Trimellitsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, dimere und trimere Fettsäuren wie Ölsäure, gegebenenfalls in Mischung mit monomeren Fettsäuren, Terephthalsäuredimethylester, Terephthalsäure bis-glykolester. Als mehrwertige Alkohole kommen z. B. Ethylenglykol, Propylenglykol-(1,2) und -(1,3), Butylen glykol-(1,4) und -2,3) und -(1,3), Hexandiol-(1,6), Octandiol-(1,8), Neopentylglykol, Cyclohexandimethanol- (1,4-bis-hydroxymethylcyclohexan), 2-Methyl-1,3-propandiol, Glycerin, Trimethylolpropan, Hexantriol-(1,2,6), Butantriol-(1,2,4), Trimethylolethan, Pentaerythrit, Chinit, Mannit und Sorbit, Methylglykosid, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Polyethylenglykole, Dipropylenglykol, Polypropylenglykole, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole infrage. Die Polyester können anteilig endständige Carboxylgruppen aufweisen. Auch Polyester aus Lactonen, z. B. ε- Caprolacton oder Hydroxycarbonsäure, z. B. ω-Hydroxycapronsäure, sind einsetzbar.
Auch die erfindungsgemäß infrage kommenden, vorzugsweise
zwei Hydroxylgruppen aufweisenden Polyether sind solche
der an sich bekannten Art und werden z. B. durch Polymerisation
von Epoxiden wie Ethylenoxid, Propylenoxid,
Butylenoxid, Tetrahydrofuran, Styroloxid oder Epichlorhydrin,
mit sich selbst, z. B. in Gegenwart von BF₃ oder
durch Anlagerung dieser Epoxide, gegebenenfalls im
Gemisch oder nacheinander, an Startkomponenten mit
reaktionsfähigen Wasserstoffatomen wie Alkohole und
Amine, z. B. Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol-(1,3)
oder -(1,2), 4,4′-Dihydroxy-diphenylpropan, Anilin,
hergestellt.
Auch durch Vinylpolymerisate modifizierte Polyether wie
sie z. B. durch Polymerisation von Styrol, Acrylnitril
in Gegenwart von Polyethern entstehen (amerikanische
Patentschriften 33 83 351, 33 04 273, 35 23 093,
31 10 695, deutsche Patentschrift 11 52 536), sind
ebenfalls geeignet. Die anteilig gegebenenfalls mitzuverwendenden
höherfunktionellen Polyether entstehen in
analoger Weise durch an sich bekannte Alkoxylierung von
höherfunktionellen Startermolekülen z. B. Ammoniak,
Ethanolamin, Ethylendiamin oder Sukrose.
Unter den Polyethern seien insbesondere die Kondensationsprodukte
von Thiodiglykol mit sich selbst und/oder
mit anderen Glykolen, Dicarbonsäuren, Formaldehyd,
Aminocarbonsäuren oder Aminoalkoholen angeführt. Je nach
den CO-Komponenten handelt es sich bei den Produkten um
Polythiomischether, Polythioetherester, Polythioether
esteramide.
Als Polyacetale kommen z. B. die aus Glykolen, wie Diethylenglykol,
Triethylenglykol, 4,4′-Diethoxy-diphenyl
dimethylmethan, Hexandiol und Formaldehyd herstellbaren
Verbindungen infrage. Auch durch Polymerisation cyclischer
Acetale lassen sich erfindungsgemäß geeignete
Polyacetale herstellen.
Als Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonate kommen
solche der an sich bekannten Art in Betracht, die z. B.
durch Umsetzung von Diolen wie Propandiol-(1,3), Butan
diol-(1,4) und/oder Hexandiol-(1,6), Diethylenglykol,
Triethylenglykol, Tetraethylenglykol mit Diarylcarbonaten,
z. B. Diphenylcarbonat oder Phosgen, hergestellt
werden können.
Zu den Polyesteramiden und Polyamiden zählen z. B. die
aus mehrwertigen gesättigten und ungesättigten Carbonsäuren
bzw. deren Anhydriden und mehrwertigen gesättigten
und ungesättigten Aminoalkoholen, Diaminen, Polyaminen
und ihren Mischungen gewonnenen, vorwiegend linearen
Kondensate. Auch bereits Urethan- oder Harnstoffgruppen
enthaltende Polyhydroxylverbindungen sind verwendbar.
Auch niedermolekulare Polyole können (mit)verwendet
werden, wie z. B. Ethandiol, Propandiol-1,2 und -1,3,
Butandiol-1,4 und -1,3, Pentandiole, Hexandiole, Trimethylolpropan,
Hexantriole, Glycerin und Pentaerythrit.
In geringen Mengen können auch monofunktionelle Alkohole
mitverwendet werden, wie z. B. Stearylalkohol.
Vertreter der genannten im erfindungsgemäßen Verfahren
zu verwendeten Polyisocyanat- und Hydroxyl-Verbindungen
sind z. B. in High Polymere, Vol XVI, "Polyurethanes,
Chemistry and Technology", verfaßt von Saunders-Frisch,
Interscience Publishers, New York, London, Band I, 1962,
Seiten 32-42 und Seiten 44-54 und Band II, 1964, Seiten
5-6 und 198-199, sowie im Kunststoff-Handbuch, Band VII,
Vieweg-Höchtlen, Carl-Hanser-Verlag, München, 1966, z. B.
auf den Seiten 45-71, beschrieben.
Als beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der
selbst dispergierbaren Polyurethane mitzuverwendende
Kettenverlängerer eines unter 300 liegenden Molekulargewichts
kommen beispielsweise die bei der Herstellung
der Dihydroxypolyester beschriebenen niedermolekularen
Diole oder auch Diamine, wie Diaminoethan, N,N′-Di
methyl-diaminoethan, 1,6-Diaminohexan, Piperazin, 2,5-
Dimethylpiperazin, 1-Amino-3-aminomethyl-3,5,5-tri
methylcyclohexan, 4,4′-Diaminodicyclohexylmethan, 1,4-
Diaminocyclohexan, 1,2-Propylendiamin oder auch Hydrazin,
Aminosäurehydrazide, Hydrazide von Semicarbazido
carbonsäuren, Bis-hydrazide und Bis-semicarbazide in
Betracht.
Als Kettenabbrecher eines unter 300 liegenden Molekulargewichts
kommen monofunktionelle Alkohole wie z. B.
Methanol, Ethanol, n-Octanol oder n-Dodecanol und insbesondere
Ammoniak oder primäre Amine in Betracht, wie
sie beispielsweise in der DE-A 26 37 690 beschrieben
sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die
erfindungsgemäß hergestellten Präpolymeren endständig
oder seitenständig eingebaute hydrophile Ethylenoxideinheiten
von vorzugsweise 0 bis 10 Gew.-%. Zur Einführung
dieser Ethylenoxideinheiten sind als Verbindungen
b3) beliebige Monoisocyanate mit endständigen Ethylenoxideinheiten
und/oder beliebige Diisocyanate mit
seitenständigen Ethylenoxideinheiten und/oder im Sinne
der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktioneller
Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen
reaktionsfähigen Wasserstoffatomen oder
seitenständigen Ethylenoxideinheiten, wie sie beispielsweise
in DE-OS 23 14 512, DE-OS 23 14 513, DE-OS
25 51 094, DE-OS 26 51 506, US-PS 39 20 598 oder
US-PS 39 05 929 beschrieben sind, sowie deren Gemische,
geeignet.
Bevorzugte Aufbaukomponenten b3) mit nichtionischen,
hydrophilen Gruppen sind solche Verbindungen der allgemeinen
Formel
und/oder Verbindungen der Formel
Besonders bevorzugte Aufbaukomponente b3) sind solche
der erstgenannten Formel (I).
In obigen Formeln (I) und (II) stehen
R für einen zweiwertigen Rest, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem Diisocyanat der Formel R(NCO)₂ der vorstehend genannten Art erhalten wird,
R′ für Wasserstoff oder einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise für Wasserstoff oder eine Methylgruppe,
R″ für einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise einen unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoff atomen,
X für eine Polyalkylenoxidkette mit 5 bis 90, vorzugsweise 20 bis 70 Kettengliedern, welche zumindest zu 40%, vorzugsweise zumindest zu 65% aus Ethylenoxideinheiten bestehen und die neben Ethylenoxideinheiten auch Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-Einheiten darstellen können, wobei unter den letztgenannten Einheiten Propylenoxideinheiten bevorzugt sind,
Y für Sauerstoff oder -NR″′-, wobei R″′ bezüglich seiner Definition R″ entspricht,
Z für einen Rest, der in seiner Bedeutung der Definition von Y entspricht oder zusätzlich -NH- ent spricht.
R für einen zweiwertigen Rest, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem Diisocyanat der Formel R(NCO)₂ der vorstehend genannten Art erhalten wird,
R′ für Wasserstoff oder einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise für Wasserstoff oder eine Methylgruppe,
R″ für einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise einen unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoff atomen,
X für eine Polyalkylenoxidkette mit 5 bis 90, vorzugsweise 20 bis 70 Kettengliedern, welche zumindest zu 40%, vorzugsweise zumindest zu 65% aus Ethylenoxideinheiten bestehen und die neben Ethylenoxideinheiten auch Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-Einheiten darstellen können, wobei unter den letztgenannten Einheiten Propylenoxideinheiten bevorzugt sind,
Y für Sauerstoff oder -NR″′-, wobei R″′ bezüglich seiner Definition R″ entspricht,
Z für einen Rest, der in seiner Bedeutung der Definition von Y entspricht oder zusätzlich -NH- ent spricht.
Die Herstellung der Verbindungen der obengenannten
Formeln (I) und (II) kann gemäß den Verfahrensweisen der
DT-OS 23 14 512 bzw. 23 14 513 erfolgen, wobei in Ergänzung
der dort gemachten Offenbarung darauf hingewiesen
wird, daß anstelle der dort als Ausgangsmaterial erwähnten
monofunktionellen Polyetheralkohole auch solche
eingesetzt werden können, deren Polyethersegment außer
Ethylenoxideinheiten auch bis zu 60 Gew.-%, bezogen auf
Polyethersegment, an Propylenoxid-, Butylenoxid- oder
Styroloxid-, vorzugsweise Propylenoxideinheiten aufweisen.
Der Anteil derartiger "gemischter Polyethersegmente"
kann in speziellen Fällen spezifische Vorteile mit
sich bringen.
Weitere bevorzugte hydrophile Einbaukomponenten mit
endständigen oder seitenständigen Ethylenoxideinheiten
sind solche Verbindungen der allgemeinen Formel
H - Y′ - X - Y - R″
und/oder Verbindungen der allgemeinen Formel
OCN - R - NH - CO - Z - X - Y - R″
worin
X, Y, Z, R und R″ die oben definierten Bedeutungen haben und
Y′ der Definition von Y oder zusätzlich -NH- ent spricht.
X, Y, Z, R und R″ die oben definierten Bedeutungen haben und
Y′ der Definition von Y oder zusätzlich -NH- ent spricht.
Monofunktionelle Polyether werden bevorzugt eingesetzt,
allerdings bevorzugt nur in molaren Mengen10% des
eingesetzten Polyisocyanats, um den Aufbau von hohen
Molekulargewichten des Polyurethans zu gewährleisten.
In Fällen, in denen relativ hohe Mengen monofunktioneller
Ethylenoxid-Gruppen enthaltende Polyether eingesetzt
werden, kann es von Vorteil sein, im Sinne der Isocya
nat-Additionsreaktion trifunktionelle Verbindungen mit
zuverwenden.
Die monofunktionell, hydrophilen Komponenten werden nach
dem in US-PS 39 05 929 und 39 20 598 beschriebenen Verfahren
hergestellt durch Alkoxylierung von monofunktionellen
Startern wie n-Butanol mit Ethylenoxid und gegebenenfalls
weiteren Alkylenoxiden wie z. B. Propylenoxid.
Das erhaltene Produkt kann gegebenenfalls weiter modifiziert
werden durch Umsetzung mit einem Überschuß an Diisocyanaten
oder durch Reaktion mit Ammoniak unter Bildung
von den entsprechenden primären Aminopolyethern.
Der Gehalt an anionischen oder potentiell anionischen
Gruppen wird so bemessen, daß im Prepolymer 0,5 bis 50
Milliäquivalente, bevorzugt 0,5 bis 30 Milliäquivalente
und besonders bevorzugt 0,5 bis 20 Milliäquivalente, pro
100 g Feststoff enthalten sind. Der Gehalt an eingebauten,
hydrophilen Ethylenoxideinheiten kann 0 bis
15 Gew.-%, bevorzugt 0,8 bis 10 Gew.-% und besonders
bevorzugt 1,0 bis 6 Gew.-% bezogen auf Präpolymerfeststoff,
betragen.
Die erfindungsgemäßen NCO-endständigen Präpolymere
werden in einem Mehrstufenverfahren hergestellt. In dem
ersten Schritt wird das Polyisocyanat mit der gesamten
Menge oder nahezu der gesamten Menge an der ionischen
Gruppen oder potentiell ionische Gruppen aufweisenden
Aufbaukomponente b1) zur Reaktion gebracht. Die Reaktionstemperatur
wird vorzugsweise unterhalb 150°C,
bevorzugt zwischen 50 und 130°C, gehalten. In den
nachfolgenden Schritt(en) der Präpolymerherstellung
werden die weiteren gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen
Verbindungen b2) und gegebenenfalls b3) mit
dem Produkt der ersten Reaktionsstufe umgesetzt. Das
Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen zu gegenüber
Isocyanatgruppen reaktiven Gruppen beträgt vorzugsweise
1,1 : 3, bevorzugt 1,2 : 2 und besonders bevorzugt 1,2 : 1,8.
Wird das organische Isocyanat mit den gegenüber Isocyanatgruppen
reaktiven Verbindungen b1), b2) und b3)
gleichzeitig zur Reaktion gebracht, werden gegenüber dem
erfindungsgemäßen Verfahren Produkte mit schlechteren
Eigenschaften erhalten, erkennbar an der Stabilität der
Dispersion oder der Teilchengröße.
Die Reaktion zur Herstellung der Präpolymeren wird
vorzugsweise solange durchgeführt, bis der Gehalt an
freien NCO-Gruppen dem theoretischen Wert entspricht,
oder diesen leicht unterschreitet. Das entstandene
Präpolymer sollte einen Gehalt an freien NCO-Gruppen von
1 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% aufweisen. Die
Isocyanatpolyadditionsreaktion kann in Gegenwart von
Katalysatoren wie beispielsweise Organo-Zinn-Verbindungen,
tert. Aminen usw. durchgeführt werden. Allerdings
ist die Durchführung der Reaktion ohne Benutzung von
Katalysatoren bevorzugt.
Die Präpolymere können in Gegenwart oder auch in Abwesenheit
von Lösungsmitteln hergestellt werden. Geeignet
sind gegenüber Isocyanatgruppen indifferente organische
Lösungsmittel wie beispielsweise Dimethylformamid,
Ester, Ether, Ketoester, Ketone wie Methyl-Ethyl-Keton
oder Aceton, Glycol-Ether-Ester, chlorierte Kohlenwasserstoffe,
aliphatische und alicyclische kohlenwasserstoffsubstituierte
Pyrrolidone wie N-Methyl-2-pyrrolidone,
hydrierte Furane, aromatische Kohlenwasserstoffe
sowie Mischungen hiervon. Obschon die Verwendung von
Lösungsmitteln mit Präpolymerherstellung nicht erforderlich
ist, kann das Lösungsmittel doch hilfreich sein,
um die Reaktanten in flüssiger Phase zu halten und um
eine bessere Kontrolle der Reaktionstemperatur zu
gewährleisten. Die Menge des gegebenenfalls eingesetzten
Lösungsmittels kann in weiten Bereichen verändert
werden. Es sollte jedoch soviel Lösungsmittel verwendet
werden, daß eine ausreichend niedrige Viskosität des
Präpolymeren erreicht wird um die Bildung der erfindungsgemäßen
Polyurethan-Dispersionen zu gewährleisten,
wobei zu einer erfolgreichen Dispergierung die Viskosität
des Präpolymers oder der Präpolymerlösung bei der
Dispergiertemperatur auch relativ hoch sein kann. Solche
Viskositäten können sowohl niedriger als 100 mPa · s
als auch höher als 10 000 mPa · s sein, um mit geringer
Rührwirkung stabile Dispersionen zu erreichen. Von
den gegebenenfalls verwendeten Lösungsmitteln werden
meist 0,01 bis 10 Gew.-Teile, bevorzugt 0,02 bis 2 Gew.-
Teile, bezogen auf das Gewicht des Präpolymeren, eingesetzt.
Jedoch ist die Gegenwart von Lösungsmitteln im
Präpolymer oder im Polyurethan nicht erforderlich, um
stabile, wäßrige Dispersionen zu erhalten. Vielfach ist
es bei Verwendung von Lösungsmitteln zur Herstellung des
Präpolymeren und/oder des Polyurethans wünschenswert,
zumindest einen Teil des Lösungsmittels aus der wäßrigen
Dispersion zu entfernen. Vorteilhaft sollten solche
Lösungsmittel einen niedrigen Siedepunkt als Wasser
haben, um sie so beispielsweise durch Destillation aus
der wäßrigen Dispersion zu entfernen. Die Entfernung des
niedrig siedenden Lösungsmittels sollte unter milden
Bedingungen vollzogen werden, die dem Polyurethan nicht
schaden. Falls Lösungsmittel mit höheren Siedepunkten
als Wasser wie beispielsweise Dimethylformamid oder N-
Methyl-pyrrolidone Verwendung finden, werden diese
Lösungsmittel in der wäßrigen Polyurethan-Dispersion
belassen. Sie beschleunigen die Koalescenz der Polyurethan-
Partikel während der Filmbildung.
Die Überführung der gegebenenfalls zunächst in das
Polyadditionsprodukt eingebauten potentiellen ionischen
Gruppen in ionischen Gruppen geschieht in an sich
bekannter Weise durch Neutralisation der potentiellen
ionischen Gruppen.
Durch die Neutralisation der potentiell anionischen
Gruppen des Präpolymers wird das Präpolymer hydrophil
und läßt sich in eine stabile Dispersion überführen. Die
potentiellen oder unneutralisierten anionischen Gruppen
sind in ihrer Hydrophile für die Bildung stabiler
Dispersionen nicht ausreichend. Es muß daher durch
Neutralisation einer ausreichenden Menge an potentiell
anionischen Gruppen dafür Sorge getragen werden, daß in
Verbindung mit gegebenenfalls einzusetzenden nichtionischen
hydrophilen Gruppen die Bildung von stabilen
wäßrigen Dispersionen gewährleistet ist. Im allgemeinen
werden mindestens 50%, bevorzugt mindestens 80% der
potentiell anionischen Gruppen in anionische Gruppen
durch Neutralisation überführt. Es können auch höhere
Anteile an potentiellen anionischen Gruppen nicht neutralisiert
werden, jedoch bringen diese unneutralisierten
Gruppen keinen Vorteil und können die erfindungsgemäße
Verbesserung der Hydrolysestabilität reduzieren.
Falls nur geringe Mengen an potentiell anionischen
Gruppen eingebaut sind, kann es erforderlich sein, die
gesamte Menge dieser Gruppen zu neutralisieren, um die
erforderliche Hydrophilie zu erreichen.
Der Neutralisationsschritt kann durchgeführt werden
- 1. vor der Präpolymerbildung durch Behandlung der Verbindungen mit den potentiell ionischen Gruppen,
- 2. nach der Präpolymerbildung aber vor Dispergierung des Präpolymers oder
- 3. während der Dispergierung durch Zufügen des Neutralisationsmittels zum gesamten, oder in einen Teil des Dispergierwassers.
Die Reaktion zwischen Neutralisationsmittel und der
potentiell anionischen Gruppe kann bei Temperaturen
zwischen 20°C und 150°C, in der Regel unter 100°C und
bevorzugt zwischen 30°C und 80°C, durchgeführt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Neutralisationsmittel
sind beispielsweise in US-A 34 79 310
genannt.
Die Überführung der NCO-endständigen Präpolymere in
wäßrige Dispersionen erfolgt nach den in der Polyurethanchemie
an sich bekannten Methoden.
Bei der Zugabe von Wasser zum hydrophilen Präpolymer ist
zunächst das organische Präpolymer die kontinuierliche
Phase und die Viskosität steigt deutlich an. Bei weiterer
Zugabe von Wasser findet eine Phasenumkehr statt und
das Wasser wird zur kontinuierlichen Phase, wobei die
Viskosität wieder abnimmt. Falls das Neutralisationsmittel
im Dispergierwasser eingesetzt wird, ist in Verbindung
mit den hydrophilen Ethylenoxideinheiten eine ausreichende
Menge an anionischen Gruppen während der
Phasenumkehr zur Bildung stabiler wäßriger Dispersionen
erforderlich. Dies kann erreicht werden durch Zugabe des
gesamten Neutralisationsmittels zu einem Teil des Dispergierwassers,
der noch nicht zur Phasenumkehr führt,
gefolgt von der Zugabe des restlichen Wassers.
Kein deutlicher Anstieg der Viskosität erfolgt, wenn das
Präpolymer zu dem Dispergierwasser gegeben wird. Das
Präpolymer wird in der Regel unter Rühren, gegebenenfalls
auch in einem kontinuierlichen Prozeß unter Zuhilfenahme
von Mischaggregaten, in kleinen Portionen zu
dem gegebenenfalls das Neutralisationsmittel enthaltenen
Dispergierwasser gegeben. Falls niedrigsiedende Lösungsmittel
zur Herstellung des Präpolymeren verwendet
wurden, können diese vor der Dispergierung entfernt
werden, jedoch wird die Entfernung des Lösungsmittels
nach der Dispergierung bevorzugt, da das Lösungsmittel
die Dispersionsbildung und die Kettenverlängerung
erleichtert.
Falls die Kettenverlängerung im wäßrigen Medium erfolgt,
sollte der amingruppenhaltige Kettenverlängerer zugegeben
werden, bevor eine deutliche Reaktion der freien
NCO-Gruppe mit dem Wasser stattgefunden hat. In der
Regel wird innerhalb von 30 Minuten, bevorzugt 15 Minuten,
in Abhängigkeit von der Temperatur, nach der
Wasserzugabe verlängert.
Die zur Kettenverlängerung der in Wasser dispergierten
NCO-endständigen Präpolymere verwendeten Amine können
durchschnittlich Funktionalitäten zwischen 2 und 6, bevorzugt
zwischen 2 und 4 und besonders bevorzugt zwischen
2 und 3, aufweisen, wobei unter durchschnittlicher
Funktionalität die durchschnittliche Anzahl der Amingruppen
pro Molekül zu verstehen ist. Die gewünschten
Funktionalitäten können durch Mischung verschiedener
Amine erhalten werden.
Geeignete Amine sind insbesondere Kohlenwasserstoffe mit
2 bis 6 Amingruppen, die Isocyanat-aktive Wasserstoffatome
enthalten. Die Polyamine sind im allgemeinen aromatisch,
aliphatisch oder alicyclisch und enthalten
zwischen 1 und 30 Kohlenstoffatome, bevorzugt zwischen
2 und 15 Kohlenstoffatome und besonders bevorzugt
zwischen 2 und 10 Kohlenstoffatome. Die Polyamine
können weitere Substituenten tragen, vorausgesetzt, es
sind keine gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppen.
Beispiele von im Sinne der Erfindung geeigneten Polyaminen
sind bereits unter den Kettenverlängerungsmitteln
aufgeführt worden und werden ergänzt durch Diethylentriamin,
Triethylen-tetramin, Tetraethylen-pentamin,
Pentaethylen-hexamin, N,N,N-Tris-(2-aminoethyl)amin, N-
(2-Piperazinoethyl)-ethylen-diamine, N,N′-Bis-(2-Amino
ethyl)-piperazin, N,N,N′-Tris-(2-aminoethyl)-ethylen
diamin, N-[N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethyl]-N′-(2-amino
ethyl)-piperazin, N-(2-Aminoethyl)-N′-(2-piperazino
ethyl)-ethylen-diamine, N,N-Bis-(2-aminoethyl)-N-(2-
piperazinoethyl)-amin, N,N-Bis-(2-piperazinoethyl)-amin,
Polyethylene-imine, Iminobispropylamin, Guanidin,
Melamin, N-(2-Aminoethyl)-1,3-propan-diamin, 3,3′-
Diamino-benzidin, 2,4,6-Triaminopyrimidin, Polyoxy
propylenamine, Tetrapropylenepentamin, Tripropylene
tetramin, N,N-Bis-(6-aminohexyl)amin, N,N′-Bis-(3-
aminopropyl)-ethylen-diamin und 2,4-Bis-(4′-amino
benzyl)-anilin. Bevorzugte Polyamine sind 1-Amino-3-
aminomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexan (Isophoren
diamine oder IPBA), Bis-(4-aminocyclohexyl)-methan, Bis-
(4-amino-3-methyl-cyclohexyl)-methan, 1,6-Diaminohexan,
Ethylendiamin, Diethylen-triamin, Triethylen-tetramin,
Tetraethylenpentamin, N,N′-Dimethylethylendiamin, N-
Methylethylendiamin und Pentaethylen-hexamin.
Neben den genannten Aminen mit ausschließlich Amingruppen
als gegenüber NCO-Gruppen reaktive Komponente sind
auch solche Amine geeignet, die neben den Amingruppen
weitere nicht anionische, gegenüber NCO-Gruppen reaktionsfähige
Gruppen aufweisen wie beispielsweise Ethanolamin,
Diethanolamin, 2-Amino-2-hydroxymethyl-1,3-
propandiol oder N-(2-Aminoethyl)-ethanolamin.
Die Menge des zu verwendenden Polyamins ist abhängig von
dem Gehalt an endständigen NCO-Gruppen des Präpolymers.
Im allgemeinen beträgt das Verhältnis an Milliäquivalenten
von endständigen NCO-Gruppen des Präpolymers zu den
Amingruppen des polyfunktionellen Amins 1,0 : 0,20 bis
1,0 : 1,1, bevorzugt 1,0 : 0,3 bis 1,0 : 0,98. Die Reaktion
zwischen den endständigen NCO-Gruppen und den Polyaminen
wird zwischen 5 und 90°C, bevorzugt zwischen 20 und
80°C, durchgeführt. Das Polyamin kann sowohl als Reinsubstanz
als auch verdünnt mit Wasser oder geeigneten
organischen Lösungsmitteln, wie sie vorher bei der
Herstellung des Präpolymeren schon beschrieben wurden,
zu dem in Wasser dispergierten Präpolymer zugegeben
werden.
Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Polyurethandispersionen
können auch im Anschluß an die
Dispersionsbildung mit Isocyanaten modifiziert werden,
wie es in DOS 27 08 442 beschrieben wird.
Den erfindungsgemäßen Lösungen und Dispersionen können
vor der Anwendung Polyisocyanatverbindungen mit mindestens
zwei freien Isocyanatgruppen zugesetzt werden.
Besonders bevorzugt werden Polyisocyanatverbindungen
eingesetzt, die in Wasser emulgierbar sind. Dies sind
z. B. die in EP 2 06 059 und DE-OS 31 12 117 beschriebenen
Verbindungen. Eingesetzt werden die Polyisocyanatverbindungen
in einer Menge von 0,1-20 Gew.-% bevorzugt 0,5
bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,5 bis 6 Gew.-% bezogen
auf Lösung bzw. Dispersion. Durch diesen Zusatz
ist eine erhebliche Verbesserung der Wärmefestigkeit von
Klebungen, die unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lösungen
und Dispersionen hergestellt werden, zu erzie
len.
Das letztlich erhaltene Produkt ist eine stabile, wäßrige
Polyurethan-Dispersion mit einem Feststoffgehalt bis
60 Gew.-% und besonders bevorzugt 25 bis 50 Gew.-%. Die
Dispersionen können in einem beliebigen Verhältnis
weiter verdünnt werden. Der Teilchendurchmesser liegt
in der Regel unter 1 µm, bevorzugt zwischen 0,001 und
0,5 µm. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser sollte
unter 0,5 µm, bevorzugt zwischen 0,01 und 0,3 µm,
liegen.
Bei sehr niedrigem Gehalt an hydrophilen Gruppen können
auch mittlere Teilchendurchmesser zwischen 5 µm und ca.
50 µm erhalten werden. Derartige Dispersionen sind beispielsweise
für die Herstellung von Polyurethanpulvern
von Interesse.
Die Dispersionen können mit anderen Dispersionen verschnitten
werden, wie z. B. mit Polyvinylacetat, Polyethylen-,
Polystyrol-, Polybutadien-, Polyvinylchlorid-,
Polyacrylat- und Copolymerisat-Kunststoff-Dispersionen.
Auch der Zusatz von an sich bekannten chemisch nicht
fixierten, vorzugsweise ionischen Emulgatoren, ist
möglich, jedoch selbstverständlich nicht erforderlich.
Schließlich können auch Füllstoffe, Weichmacher, Pigmente,
Ruß- und Kieselsäuresole, Aluminium-, Ton-,
Asbest-Dispersionen in die Dispersionen eingearbeitet
werden.
Die Dispersionen der Polyurethanmassen in Wasser sind
meist stabil, lager- und versandfähig und können zu
beliebig späterem Zeitpunkt, z. B. formgebend, verarbeitet
werden. Sie trocknen im allgemeinen unmittelbar zu
formstabilen Kunststoffüberzügen auf, jedoch kann die
Formgebung der Verfahrensprodukte auch in Gegenwart von
an sich bekannten Vernetzungsmitteln erfolgen. Je nach
der gewählten chemischen Zusammensetzung und dem Gehalt
an Urethangruppen, erhält man Polyurethane mit unterschiedlichen
Eigenschaften. So können weiche klebrige
Massen, thermoplastische und gummielastische Produkte der
verschiedensten Härtegrade bis zu glasharten Duroplasten
erhalten werden. Die Hydrophilie der Produkte kann ebenfalls
in gewissen Grenzen schwanken. Die elastischen
Produkte lassen sich bei höheren Temperaturen, beispielsweise
100 bis 180°C, thermoplastisch verarbeiten,
sofern sie nicht chemisch vernetzt sind.
Die Verfahrensprodukte sind zur Beschichtung bzw. zum
Überziehen und zum Imprägnieren von gewebten und nichtgewebten
Textilien, Leder, Papier, Holz, Metallen,
Keramik, Stein, Beton, Bitumen, Hartfaser, Stroh, Glas,
Porzellan, Kunststoffen der verschiedensten Art, Glasfasern,
zur antistatischen und knitterfreien Ausrüstung,
als Binder für Vliese, Klebstoffe, Haftvermittler,
Kaschierungsmittel, Hydrophobiermittel, Weichmacher,
Bindemittel, z. B. für Kork- oder Holzmehl, Glasfasern,
Asbest, papierartige Materialien, Plastik- oder Gummiabfälle,
keramische Materialien, als Hilfsmittel im
Zeugdruck und in der Papierindustrie, als Zusatz zu
Polymerisaten, als Schlichtemittel, beispielsweise für
Glasfasern, und zur Lederausrüstung geeignet.
Vorzugsweise werden Dispersionen bzw. Pasten dabei auf
eine poröse Unterlage appliziert, die anschließend mit
dem Fertigprodukt verbunden bleibt, wie z. B. gewebte
oder nichtgewebte textile Gebilde bzw. Fasermatten,
Filze oder Vliese,
auch Papiervliese, Schaumstoff-Folien oder Spaltleder,
die vermöge ihrer Saugwirkung eine sofortige Verfestigung
des Überzuges bewirken. Anschließend wird bei
erhöhter Temperatur getrocknet und gegebenenfalls
verpreßt. Die Trocknung kann aber auch auf glatten
porösen oder nichtporösen Materialien, z. B. Metall,
Glas, Papier, Karton, keramische Materialien, Stahlblech,
Silikon-Kautschuk, Aluminiumfolie, erfolgen,
wobei das fertige Flächengebilde anschließend abgehoben
und als solches verwendet bzw. nach dem Umkehrverfahren
durch Kleben, Flammkaschieren, Kalendern auf ein Substrat
aufgebracht wird. Die Applikation nach dem Umkehrverfahren
kann dabei zu einem beliebigen Zeitpunkt
vorgenommen werden.
Durch Mitverwendung von Vinylpolymerisaten oder aktiven
bzw. inaktiven Füllstoffen kann man die Eigenschaften
der Verfahrensprodukte abwandeln. Verwendbar sind beispielsweise
Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylacetat,
Ethylen-Vinylacetat-Copolymerisate, die gegebenenfalls
(teilweise) verseift und/oder mit Vinylchlorid gepfropft
sein können, Styrol-Butadien-Copolymerisate, Ethylen-
(Pfropf)-Copolymerisate, Polyacrylate, Ruß, Kieselsäure,
Asbest, Talkum, Kaolin, Titandioxid, Glas als Pulver
oder in Form von Fasern, Cellulose. Je nach erwünschtem
Eigenschaftsbild und Verwendungszweck der Endprodukte
können bis zu 70%, bezogen auf Gesamttrockensubstanz,
solcher Füllstoffe im Endprodukt enthalten sein.
Selbstverständlich können auch Farbstoffe, Pigmente,
Weichmacher oder die rheologischen Eigenschaften beeinflussende
Zusätze beigefügt werden.
Die Trocknung der nach verschiedenen Applikationstechniken
erhaltenen Produkte kann bei Raumtemperatur oder bei
erhöhter Temperatur erfolgen. Die im Einzelfall zu wählende
Trocknungstemperatur, die außer von der chemischen
Zusammensetzung des Materials vor allem vom Feuchtigkeitsgehalt,
der Trockenzeit und der Schichtdicke
abhängt, wird leicht durch einen Vortest ermittelt. Bei
gegebener Erhitzungszeit muß die Trockentemperatur in
jedem Fall unter der Verfestigungstemperatur liegen.
Anschließend können die Flächengebilde zur Erhöhung der
Widerstandsfähigkeit ihrer Oberfläche mit einer Appretur
(Finish) überzogen werden. Bevorzugt werden hierfür
wiederum wäßrige Dispersionen oder Lösungen verwendet.
Aus feinteiligen Dispersionen und Solen erhaltene sehr
harte Polyurethane sind als Einbrennlacke und teilweise
sogar als lufttrocknende Lacke geeignet. Sie verbinden
hohe Härte und Elastizität mit gutem Hochglanz und - bei
Verwendung mit aliphatischen Diisocyanaten - mit guter
Licht- und Wetterechtheit.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Zusammensetzung,
Herstellung und einige physikalische Eigenschaften
erläutern.
Die in den angeführten Beispielen angegebenen Teile
beziehen sich auf Gewichtsteile. Zur Beurteilung der
Qualität der Dispersionen werden zwei Kriterien
herangezogen:
- 1. Teilchengröße aus dynamischer Lichtstreuung
- 2. Zentrifugenstabilität (15 Minuten bei 4500 U/min); die Beurteilung reicht von 1 (keine Sedimentbildung) bis 6 (unvollständig sedimentiert).
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
80 Teile eines propoxylierten Adduktes von 2-Butendiol-
1,4 und NaHSO₃ (Molekulargewicht 430) in Form einer
70%igen Lösung in Toluol (Diolsulfonat) mit 88,6 Teilen
Isophorondiisocyanat (IPDI) und 33,6 Teilen Hexamethylendiisocyanat
(HDI) innerhalb 1,6 Stunden bei 90°C zur
Reaktion gebracht. Man erhält ein Reaktionsprodukt mit
einem NCO-Gehalt von 19,1%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden
116,7 Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten
Adipinsäure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht
2.250) bei 100°C über 2 Stunden zur Reaktion gebracht.
Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von 2,6% ein.
Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C abgekühlt.
453 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 6,0 Teilen Ethylendiamin in 100 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 43,4 Gew.-% und einer Viskosität von
280 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 1,5 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 185 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 1 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, das IPDI und das HDI in
einem Schritt bei 100°C zur Reaktion gebracht werden.
Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von 2,9% ein.
Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C abgekühlt.
490 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 7,0 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Unter diesen Bedingungen wird keine stabile Dispersion
erhalten.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
50 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 mit 145 Teilen
Dicyclohexylmethan-4,4′-diisocyanat in 32,5 Teilen N-
Methylpyrrolidon (NMP) innerhalb 1 Stunde bei 90°C zur
Reaktion gebracht. Man erhält ein Reaktionsprodukt mit
einem NCO-Gehalt von 16,7%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 194
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht 2250),
28 Teilen eines auf n-Butanol gestarteten Polyethylen
oxid-Polypropylenoxid-Polyethers (Molgewicht 2.145; Molverhältnis
Ethylenoxid : Propylenoxid 83 : 17) und 16 Teile
eines auf Bisphenol-A gestarteten Propylenoxid-Ethers
(OH-Zahl 197) bei 100 bis 120°C über 5 Stunden zur Reaktion
gebracht. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 2,1% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
545 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (35°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 5,9 Teilen Ethylendiamin in 220 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 37,8 Gew.-% und einer Viskosität von
23,4 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 0,9 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 208 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 2.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 3 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, das Diisocyanat und die
beiden Polyether in einem Schritt bei 100°C zur Reaktion
gebracht werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 2,1% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
527 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (35°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 5,5 Teilen Ethylendiamin in 200 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 38,5 Gew.-% und einer Viskosität von
14 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 0,9 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 268 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 3 bis 4.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
43 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 in 27,8 Teilen
N-Methylpyrrolidon tropfenweise zu 87,7 Teilen Toluylendiisocyanat
(2,4 : 2,6 Isomerenverhältnis 80 : 20) und 0,4
Teilen p-Toluolsulfonsäure bei einer Reaktionstemperatur
von 50°C zugegeben. Man erhält ein Reaktionprodukt mit
einem NCO-Gehalt von 22,3%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 137
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht 2250),
28 Teilen eines auf n-Butanol gestarteten Polyethylen
oxid-Polypropylenoxid-Polyethers (Molgewicht 2145; Molverhältnis
Ethylenoxid : Propylenoxid 83 : 17) und 16 Teile
eines auf Bisphenol-A gestarteten Propylenoxid-Ethers
(OH-Zahl 197) bei 80°C über 2 Stunden zur Reaktion
gebracht. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von
1,8% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
513 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (38°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 4,7 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem
Feststoffgehalt von 41,9 Gew.-% und einer Viskosität von
84 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 0,8 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 194 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 5 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, das Diisocyanat und die
beiden Polyether in einem Schritt bei 100°C zur Reaktion
gebracht werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 1,6% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
500 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (35°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 3,9 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 38,8 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 0,8 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 294 nm und die Zentrifugenstabilität ist
5 bis 6.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
43 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 in 74,5 Teilen
Isophorondiisocyanat und 28,2 Teilen Hexamethylendiisocyanat
bei einer Reaktionstemperatur von 80°C zur Reaktion
gebracht. Man erhält ein Reaktionprodukt mit einem
NCO-Gehalt von 24,8%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 119
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht 2250),
28 Teilen eines auf n-Butanol gestarteten Polyethylen
oxid-Polypropylenoxid-Polyethers (Molgewicht 2145; Molverhältnis
Ethylenoxid : Propylenoxid 83 : 17) und 16 Teile
eines auf Bisphenol-A gestarteten Propylenoxid-Ethers
(OH-Zahl 197) bei 95°C über 3 Stunden zur Reaktion
gebracht. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von
1,5% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
500 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 3,7 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 40,8 Gew.-% und einer Viskosität von
1122 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 0,8 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 136 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 7 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, die Diisocyanate und die
beiden Polyether in einem Schritt bei 95°C zur Reaktion
gebracht werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 1,7% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
500 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 650 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 4,2 Teilen Ethylendiamin in 100 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 41 Gew.-% und einer Viskosität von 91 mPa · s.
Der Gehalt an SO₃-Gruppen beträgt 0,8 Gew.-%, bezogen
auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 184 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 1 bis 2.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
92,5 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 in 157,5
Teilen Isophorondiisocyanat bei einer Reaktionstemperatur
von 100°C zur Reaktion gebracht. Man erhält ein
Reaktionprodukt mit einem NCO-Gehalt von 18,7%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 203
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht 2250),
28 Teilen eines auf n-Butanol gestarteten Polyethylen
oxid-Polypropylenoxid-Polyethers (Molgewicht 2145; Molverhältnis
Ethylenoxid : Propylenoxid 83 : 17) und 16 Teile
eines auf Bisphenol-A gestarteten Propylenoxid-Ethers
(OH-Zahl 197) bei 100°C über 4 Stunden zur Reaktion
gebracht. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von
3,2% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
545 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 8,7 Teilen Ethylendiamin in 100 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 45,6 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 1,5 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 87 nm und die Zentrifugenstabilität
ist 1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 9 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, das Diisocyanat und die
beiden Polyether in einem Schritt bei 110°C zur Reaktion
gebracht werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 3,2% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
580 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 650 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 9,2 Teilen Ethylendiamin in 220 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben und
ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 42 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 1,5 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 138 nm und die Zentrifugenstabilität ist
1.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
70 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 mit 190 Teilen
Isophorondiisocyanat bei einer Reaktionstemperatur von
120°C über 4 Stunden zur Reaktion gebracht. Man erhält
ein Reaktionprodukt mit einem NCO-Gehalt von 24,2%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 209
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Butandiol-1,4-Polyesters (Molekulargewicht 2250)
und 12 Teilen n-Butandiol-1,4 bei 100°C über 3 Stunden
zur Reaktion gebracht. Es stellt sich ein konstanter
NCO-Wert von 3,8% ein. Das Präpolymer wird anschließend
auf 70°C abgekühlt.
540 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 10,2 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen
Wasser über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben
und ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 41,6 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 1,2 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 104 nm und die Zentrifugenstabilität ist
1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 11 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, das Diisocyanat und Butan
diol-1,4 in einem Schritt bei 110°C zur Reaktion gebracht
werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 4,0% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
534 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 650 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 10,6 Teilen Ethylendiamin in 150 Teilen
Wasser über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C
zugegeben und ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 43,7 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 1,2 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 217 nm und die Zentrifugenstabilität ist
2.
In dem ersten Schritt der Präpolymerherstellung werden
45 Teile des Diolsulfonats aus Beispiel 1 mit 116,7
Teilen Isophorondiisocyanat und 37,9 Teilen Hexamtehylendiisocyanat
bei einer Reaktionstemperatur von 90°C
über 1,5 Stunden zur Reaktion gebracht. Man erhält ein
Reaktionprodukt mit einem NCO-Gehalt von 28,5%.
Im zweiten Schritt der Präpolymerherstellung werden 160
Teile des Reaktionsproduktes aus dem ersten Reaktionsschritt
mit 400 Teilen eines vorher entwässerten Adipin
säure-Hexandiol-1,6-Neopentylglycol-Polyesters (Molekulargewicht
1700) und 28 Teilen eines auf n-Butaol
gestarteten Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyesters
(Molgewicht 2145; Molverhältnis Ethylenoxid zu Propylenoxid
83 : 17) bei 100°C über 4 Stunden zur Reaktion
gebracht. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert von
4,1% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
520 Teile des mehrstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 32,8 Teilen Isophorondiamin in 180 Teilen
Wasser über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben
und ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine feinteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 45 Gew.-% und einer Viskosität von
60 mPa · s. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen beträgt 0,8 Gew.-%,
bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße beträgt 259 nm
und die Zentrifugenstabilität ist 1.
Aus den Aufbaukomponenten aus Beispiel 13 wird ein Präpolymer
gleicher Zusammensetzung hergestellt, indem der
Polyester, das Diolsulfonat, die Diisocyanate und der
Polyether in einem Schritt bei 95°C zur Reaktion
gebracht werden. Es stellt sich ein konstanter NCO-Wert
von 4,1% ein. Das Präpolymer wird anschließend auf 70°C
abgekühlt.
515 Teile des einstufig hergestellten Präpolymeren
werden in 600 Teilen Wasser (50°C warm) unter starkem
Rühren dispergiert. Zur Kettenverlängerung wird eine
Lösung von 32 Teilen Isophorondiamin in 180 Teilen Wasser
über einen Zeitraum von 5 Minuten bei 50°C zugegeben
und ca. 2 Stunden nachgerührt.
Man erhält eine grobteilige Dispersion mit einem Feststoffgehalt
von 42,8 Gew.-%. Der Gehalt an SO⊖₃-Gruppen
beträgt 0,8 Gew.-%, bezogen auf Feststoff. Die Teilchengröße
beträgt 325 nm und die Zentrifugenstabilität ist
2.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von stabilen Polyurethan-
Polyharnstoffdispersionen in einem mehrstufigen
Verfahren durch Umsetzung eines Isocyanates a) mit
wenigstens zwei isocyanatreaktiven Verbindungen b1)
und b2) von denen die Verbindung b1) wenigstens
eine ionische oder potentiell ionische hydrophile
Gruppe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1) das Isocyanat a) mit der Verbindung b1) umgesetzt wird und anschließend
- 2) das hierbei entstehende Produkt mit der Verbindung b2) umgesetzt wird und gegebenenfalls mit einer Ethylenoxideinheiten enthaltenden Verbindung b3) und
- 3) das erhaltene Präpolymere in Wasser dispergiert wird, wobei der Gehalt an ionischen Gruppen im Präpolymeren maximal 50 Milliäquivalenten pro 100 g Präpolymer beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Präpolymer ein lineares Präpolymer mit
einem Molekulargewicht von maximal 25 000 ist.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Präpolymer
vorzugsweise während oder nach der Dispergierung
mit einem Kettenverlängerer umgesetzt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente
b2) ein Molekulargewicht von mindestens 1500
hat.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufbaukomponente
b1) difunktionelle Verbindungen mit SO₃-
Gruppen eingesetzt werden.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufbaukomponente
b1) difunktionelle Verbindungen mit
ionischen oder potentiell ionischen Gruppen eingesetzt
werden.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isocyanate
a) ausgewählt ist aus der Gruppe Isophorondiisocyanat,
Dicyclohexylmethan-4,4′-diisocyanat,
Toluylendiisocyanat und Hexamethylendiisocyanat,
daß weiter die Verbindung b1) das propoxylierte
Addukt aus 2-Butendiol-1,4 und NaHSO₃ ist und
schließlich die Verbindung b2) ausgewählt ist aus
der Gruppe eines Adipinsäure-butandiol-1,4-polyesters,
Adipinsäure-hexandiol-1,6-polyesters und
eines Adipinsäure-hexandiol-1,6-neopentylglykol
polyesters.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufbaukomponente
b1) Sulfonsäuregruppen enthaltende Diole
eingesetzt werden, die vor, während oder nach der
Präpolymerbildung durch Neutralisation in ionische
Gruppen überführt werden.
9. Dispersionen nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche.
10. Verwendung der Dispersionen gemäß Anspruch 9, zur
Herstellung von Beschichtungen oder zur Herstellung
von Klebstoffen.
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