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WO2016142249A1 - Polybutadienole zur herstellung von glasartigen polyurethanen - Google Patents

Polybutadienole zur herstellung von glasartigen polyurethanen Download PDF

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WO2016142249A1
WO2016142249A1 PCT/EP2016/054486 EP2016054486W WO2016142249A1 WO 2016142249 A1 WO2016142249 A1 WO 2016142249A1 EP 2016054486 W EP2016054486 W EP 2016054486W WO 2016142249 A1 WO2016142249 A1 WO 2016142249A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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polybutadienols
double bonds
polyurethanes
optionally
acid
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/054486
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Berend Eling
Jan DILCHER
Jessica RUDNIK
Gerrit Luinstra
Original Assignee
Basf Se
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Basf Se filed Critical Basf Se
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Priority to BR112017017173A priority patent/BR112017017173A2/pt
Priority to US15/555,097 priority patent/US20180037693A1/en
Priority to CN201680013962.8A priority patent/CN107406545A/zh
Priority to JP2017564804A priority patent/JP2018507315A/ja
Priority to KR1020177028162A priority patent/KR20170125938A/ko
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    • C08G18/7671—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings containing alkylene polyphenyl groups containing only one alkylene bisphenyl group

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of polybutadienols, the polybutadienols themselves, their use for the preparation of room temperature glassy polyurethanes having a glass transition temperature of at least 15 ° C and the glassy polyurethanes prepared with the polybutadienols as the polyol component.
  • Epoxidized polybutadienes are preferably used for their preparation. Curing takes place either by adding amines (see US 2,876,214 or DE 2833786) or carboxylic acid derivatives (see US 3,371,070 or US 3,436,377), optionally in the presence of alcohols. For curing usually temperatures above 100 ° C are necessary, and the processing times are 1 to 2 hours. In order to obtain vitreous resins, high degrees of epoxidation of polybutadiene are necessary. At high epoxide contents, however, unintended side reactions may already occur during the epoxidation.
  • Polybutadienes are nonpolar hydrocarbons and therefore extremely hydrophobic.
  • the use of polybutadiene provides water-repellent low swelling materials in water.
  • polybutadienes must have hydrogen atoms reactive toward isocyanate groups, e.g. Hydroxyl groups.
  • Polyurethanes of polybutadienols have the advantage that the materials produced therefrom are not susceptible to hydrolysis. Although the castor oil used as polyol is hydrophobic, the ester bond of the triglyceride is sensitive to hydrolysis.
  • Polybutadienols can be reacted with isocyanates to obtain crosslinked structures.
  • liquid hydroxyl-terminated polybutadienes HTPB
  • Commercial products are obtained by radical polymerization (see US 3,965,140) or ionic polymerization (see DD 160223) of 1,3-butadiene.
  • HTPB liquid hydroxyl-terminated polybutadienes
  • certain startup and termination reagents are required.
  • polyols with different numbers of functional groups are obtained.
  • polybutadienols are hardly suitable for the preparation of vitreous materials because they have significant proportions of flexible 1,4-double bonds leading to cross-linked materials with glass transition temperatures below 25 ° C (see review and cited literature in J. Macromol A 2013, 50, 128-138).
  • Polybutadienols can be prepared from non-functionalized polybutadiene oligomers.
  • One possibility for the preparation are polymer-analogous reactions by partial epoxidation of existing double bonds and subsequent opening of the epoxides by suitable nucleophiles, in particular alcohols or amines.
  • the number of functional groups can be set as desired via the conversion of the polymer-analogous reaction steps.
  • the epoxidation of polydienes with percarboxylic acids is summarized, for example, in Perera, Ind. Eng. Chem. Res. 1988, 27, 2196-2203. By reacting polybutadienes with percarboxylic acids epoxidized polybutadienes can be obtained.
  • the percarboxylic acid can be used directly or generated in situ from the carboxylic acid and hydrogen peroxide, as described in US Pat. No. 2,829,135.
  • the simplest carboxylic acid is often used for epoxidation formic acid. With performic acid formed in situ, virtually exclusively 1,4-double bonds are epoxidized in the polybutadiene.
  • the polybutadienols obtained by polymer-analogous reactions contain, depending on the degree of epoxidation and epoxide opening, different amounts of reactive hydroxyl groups. The number of hydroxyl groups also determines the viscosity of the polyol.
  • a preparatively simple crosslinking of the polybutadienols can be effected at moderate temperatures of below 80 ° C. by reaction with isocyanates.
  • the material properties of the resulting polyurethane, in particular its glass transition temperature and mechanical properties, are controlled by the number of reactive hydroxyl groups per unit mass of the polybutadienol.
  • the object of the invention is to provide polyurethanes which have glassy properties at room temperature and polybutadienols which are suitable for producing the glassy polyurethanes.
  • the object of the invention is, in particular, to provide hydroxyl-functionalized short-chain polybutadiene oligomers for the preparation of glassy polyurethanes with very low swelling values in water and long processing times (open times) for applications, for example, as a coating material, reactive adhesive or as a foam.
  • a further object of the invention is to provide polybutadienols which already give glassy materials at hydroxyl equivalent masses of 750 g or below.
  • the blends of polyol and isocyanate are said to allow long processing times and to provide polyurethanes with hydrophobic properties.
  • the object is achieved by a process for the preparation of polybutadienols from polybutadienes having a number average molecular weight of 300 to 2,000 g / mol containing 20 to 50% 1, 4 double bonds and 50 to 80% 1, 2-vinylic and 1, 2 cyclovinyl double bonds, based on the amount of all double bonds, comprising the steps
  • Epoxidized polybutadienes can be converted into hydroxyl-functionalized polybutadienes by suitable nucleophiles, for example water, as described in DE 10 2012 017055, alcohols, as described in DE 35 1 1 513, or amines, as described in DE 25 54 093.
  • suitable nucleophiles for example water, as described in DE 10 2012 017055, alcohols, as described in DE 35 1 1 513, or amines, as described in DE 25 54 093.
  • amines are unsuitable for the epoxide ring opening of the polybutadiene epoxides (step (ii)) due to their catalytic effect in the subsequent reaction of the polybutadienols with isocyanates.
  • the post-functionalized polybutadiene polyols do not have the hydroxyl groups selectively attached to the end groups but are randomly distributed over the backbone of the polybutadiene.
  • the opening of the disubstituted epoxide groups resulting from the epoxidation of 1,4-double bonds is chemically demanding and requires comparatively drastic conditions, such as temperatures above 150 ° C. and / or high pressures, or very acidic or very basic catalysts.
  • Suitable catalysts for this reaction are strong acids such as mineral acids as described in EP 0 585 265, boron trifluoride as described in US 5,242,989, trifluoroacetic acid as described in DE 25 54 093 or trifluoromethanesulfonic acid as described in WO 96/20234 and Li, J. Macromol. See, Part A, 2013, 50, 297-301, as well as bases such as potassium hydroxide, as described in DE 35 1 1 513.
  • the preparation of the polybutadiene polyol thus consists of two reaction steps, namely (i) epoxidation and (ii) ring opening of the epoxide ring with an alcohol.
  • unmodified polybutadienes having a number-average molecular weight of from 300 to 2000 g / mol, preferably from 500 to 1500 g / mol, are used.
  • the microstructure of the polybutadiene oligomers has 1, 4-double bonds, 1, 2-vinylic and 1, 2-cyclovinylic double bonds.
  • the polybutadienes used according to the invention contain 20 to 50%, preferably 25 to 40% 1, 4 double bonds. Accordingly, the polybutadienes have 50 to 80%, preferably 60 to 75% 1, 2-vinylic and 1, 2-cyclovinyl double bonds.
  • the polybutadiene oligomers are e.g. epoxidized with formic acid and hydrogen peroxide.
  • the 1, 4 double bonds of the oligomer are partially or completely converted to the epoxide.
  • the degree of epoxidation is chosen so that the required number of hydroxyl groups can be generated.
  • monoalcohols or polyols are used as nucleophiles.
  • Alcohols containing only one hydroxyl group per molecule are preferred (monoalcohols).
  • the alcohols may be primary or secondary alcohols, preferably primary alcohols. Preference is given to primary monoalcohols, such as ethanol, 1-propanol and 1-butanol. Alcohols in which the epoxidized polybutadiene is soluble are preferred, and 1-propanol is particularly preferred.
  • the reaction may also be carried out in a suitable solvent in which the epoxidized polybutadienol, the alcohol or water and the catalyst are soluble.
  • the opening of the epoxide ring takes place in the presence of trifluoromethanesulfonic acid as catalyst.
  • catalysts are strong acids, such as sulfuric acid, methanesulfonic acid or Lewis acids, such as tin (II) chloride.
  • the polybutadienols obtained by polymer-analogous reactions contain different amounts of reactive hydroxyl groups, depending on the epoxidation and epoxide opening conversions.
  • the hydroxyl equivalent mass of the polybutadienols obtained is generally from 250 to 750 g, preferably from 300 to 600 g.
  • the opening of disubstituted epoxide groups with alcohols provides polybutadiene polyols with only secondary OH groups.
  • the content of secondary OH groups, based on all OH groups, in the polybutadienols prepared according to the invention is at least 70%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%.
  • secondary hydroxyl groups are advantageous since the reaction with isocyanates is generally slower than with primary hydroxyl groups.
  • the glassy polyurethanes according to the invention can be obtained from polybutadienols having hydroxyl equivalent masses of generally 250 to 750 g, which have a high proportion of repeat units having 1, 2-vinylic and 1, 2-cyclovinylic double bonds. hold.
  • the protruding in the microstructure of the polymer chain, 1, 2-vinylic and 1, 2-cyclovinyl double bonds containing molecules complicate the movement of molecules and increase the glass transition temperature of the polybutadienols, and the crosslinked polyurethanes prepared therefrom.
  • the present invention also relates to polyurethanes having a glass transition temperature of at least 20 ° C, obtainable by reacting a) polyisocyanates A with
  • the glass transition temperature of the polyurethanes is preferably at least 15 ° C., more preferably at least 25 ° C.
  • the polyurethanes of the invention may be unfoamed, solid materials having a density of generally greater than 1000 kg / m 3 or foams.
  • the blowing agent used to produce foams is preferably water (component E) which reacts with isocyanate groups with elimination of carbon dioxide.
  • so-called physical blowing agents can also be used. These are compounds which are inert to the starting components and which are usually liquid at room temperature and evaporate under the conditions of the urethane reaction.
  • the boiling point of the physical blowing agent is below 100 ° C.
  • the organic polyisocyanates A and the components containing compounds with isocyanate-reactive hydrogen atoms are reacted in amounts such that the equivalent ratio of NCO groups to the sum of the reactive hydrogen atoms is 0.5: 1 to 4: 1 (corresponding to an isocyanate index of 50 to 350), preferably 0.8: 1 to 2: 1 and more preferably from 0.9: 1 to 1, 5: 1.
  • the organic and / or modified polyisocyanates A used for the preparation of the polyurethanes according to the invention include the aliphatic, cycloaliphatic and aromatic di- or polyfunctional isocyanates known from the prior art and any desired mixtures thereof.
  • Examples are 4,4'-methanediphenyl diisocyanate, 2,4'-methanediphenyl diisocyanate, the mixtures of monomeric Methandiphenyldiisocyanaten and legallykernigen Homologues of methanediphenyl diisocyanate (polymer MDI), tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate (HDI), the mixtures of hexamethylene diisocyanates and higher nuclear homologs of hexamethylene diisocyanate (multinuclear HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 2,4- or 2,6-toluene diisocyanate (TDI ) or mixtures of said isocyanates.
  • polymer MDI polymer MDI
  • HDI hexamethylene diisocyanate
  • multinuclear HDI hexamethylene diisocyanate
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • TDI tolylene diisocyanate
  • MDI diphenylmethane diisocyanate
  • CAde MDI polyphenylene polymethylene polyisocyanates
  • the isocyanates may also be modified, for example by incorporation of uretdione, carbamate, isocyanurate, carbodiimide, allophanate and in particular urethane groups.
  • the isocyanate component A can also be used in the form of isocyanate group-containing isocyanate prepolymers.
  • polyisocyanate prepolymers are obtainable by reacting polyisocyanates described above as component A1, for example at temperatures of 30 to 100 ° C., preferably at about 80 ° C., with polyols A2 to give the prepolymer.
  • component A1 polyisocyanates described above as component A1
  • polyols A2 polyols A2
  • 4,4'-MDI is preferably reacted with uretonimine-modified MDI and commercial polyols based on polyesters, for example starting from adipic acid or polyethers, for example starting from ethylene oxide and / or propylene oxide.
  • Polyols A2 are known to the person skilled in the art and are described, for example, in "Kunststoffhandbuch, Volume 7, Polyurethanes", Carl Hanser Verlag, 3rd edition 1993, Chapter 3.1. Polyethers are preferably used as polyols A2. If appropriate, conventional chain extenders or crosslinking agents are added to the abovementioned polyols A2 in the preparation of the isocyanate prepolymers as component A3. Such chain extenders are the substances described below under B2.
  • chain extenders 1, 4-butanediol, 1, 2-propylene glycol, 1, 3-butanediol, dipropylene glycol, tripropylene glycol and / or propylene glycols having a molecular weight of up to 500 are particularly preferably used.
  • the ratio of organic polyisocyanates A1 to polyols A2 and chain extenders A3 is selected so that the isocyanate prepolymer has an NCO content of 10 to 28%, particularly preferably 14 to 25%.
  • the glassy polyurethanes are non-foamed polyurethanes. These are obtainable by reacting the components A, B, optionally C, optionally D and optionally G in the amounts indicated above, being carried out in the absence of blowing agents E and F.
  • the glassy polyurethanes are foams. These are obtainable by reacting components A, B, optionally C, optionally D and optionally G, working in the presence of water E as blowing agent and / or a physical blowing agent F.
  • Suitable further compounds C having at least two isocyanate-reactive hydrogen atoms have a molecular weight of generally at least 58 g / mol. All compounds known for polyurethane preparation with at least two reactive hydrogen atoms and a molecular weight of at least 58 g / mol can be used. These have, for example, a functionality of 2 to 8 and a molecular weight of 58 to 12,000 g / mol.
  • polyether polyamines and / or polyols selected from the group of chain extenders, polyether polyols, polyester polyols or mixtures thereof can be used.
  • the further polyols C which are preferably used are chain extenders, polyetherols, polycarbonate polyols and / or polyesterols having molecular weights of 58 to 12,000 g / mol.
  • Preferred chain extenders are compounds having a molecular weight of less than 300 g / mol, for example compounds having 2 isocyanate-reactive hydrogen atoms. These can be used individually or in the form of mixtures. Suitable examples include aliphatic, cycloaliphatic and / or araliphatic diols having 2 to 14, preferably 2 to 10 carbon atoms, in particular alkylene glycols. Accordingly, low molecular weight hydroxyl-containing polyalkylene oxides based on ethylene oxide and / or 1,2-propylene oxide are also suitable.
  • Preferred chain extenders are (mono-) ethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, pentanediol, tripropylene glycol, 1,10-decanediol, 1,2,4,1,3,4,4-dihydroxycyclohexane, Diethylene glycol, triethylene glycol, dipropylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, 2-methylpropane-1,3-diol, 2,2-dimethylpropane-1,3-diol, bisphenol A bis (hydroxy ether), N Phenyldiethanolamine and bis (2-hydroxyethyl) hydroquinone.
  • Particularly preferred chain extenders used are monoethylene glycol, diethylene glycol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol or mixtures thereof, very particular preference being given to 1,4-butanediol or monoethylene glycol.
  • the polyetherols, polycarbonate polyols and / or polyesterols preferably have molecular weights of from 150 to 12,000 g / mol and an average functionality of from 2 to 8.
  • Preferably used as further polyols C exclusively polyetherols and / or polyester polyols.
  • polyetherols and polyester polyols a distinction is made between polyols which are used for rigid foam on the one hand and for elastomers or flexible foam on the other hand.
  • Polyols for rigid foam applications have a functionality of 2 to 8 and a molecular weight of 150 to 2000.
  • Polyols for elastomeric and flexible foam typical applications have a functionality of 2 to 3 and a molecular weight of 2,000 to 6,000.
  • Polyol C is preferably a chain extender or a polyol having a functionality of 2 to 8 and a molecular weight of 150 to 2,000.
  • the polyetherols C are prepared by known methods. For example, they may be prepared by anionic polymerization of alkylene oxides of 2 to 4 carbon atoms with alkali hydroxides, e.g. Sodium or potassium hydroxide or alkali alcoholates, e.g. Sodium methylate, sodium or potassium or potassium isopropoxide as catalysts and with the addition of at least one starter molecule having 2 to 8, preferably 2 to 6 reactive hydrogen atoms, or by cationic polymerization with Lewis acids such as antimony pentachloride, borofluoride etherate u. a., or bleaching earth as catalysts.
  • alkali hydroxides e.g. Sodium or potassium hydroxide or alkali alcoholates, e.g. Sodium methylate, sodium or potassium or potassium isopropoxide
  • starter molecule having 2 to 8, preferably 2 to 6 reactive hydrogen atoms e.g. Sodium methylate, sodium or potassium or potassium isopropoxide
  • Lewis acids such
  • polyether polyols can be prepared by Doppelmetallcyanidkatalyse from one or more alkylene oxides having 2 to 4 carbon atoms.
  • Tertiary amines can also be used as catalyst, for example triethylamine, tributylamine, trimethylamine, dimethylethanolamine, imidazole or dimethylcyclohexylamine.
  • monofunctional starters can also be incorporated into the polyether structure.
  • Suitable alkylene oxides are, for example, tetrahydrofuran, 1, 3-propylene oxide, 1, 2 or 2,3-butylene oxide, styrene oxide and preferably ethylene oxide and 1, 2-propylene oxide.
  • the alkylene oxides can be used individually, alternately in succession or as mixtures.
  • Suitable starter molecules are, for example: water, aliphatic and aromatic, optionally N-mono-, N, N- and ⁇ , ⁇ '-dialkyl-substituted diamines having 1 to 4 carbon atoms in the alkyl radical, such as optionally mono- and dialkyl-substituted ethylenediamine, diethylenetriamine , Triethylenetetramine, 1, 3-propylenediamine, 1, 3 or 1, 4-butylenediamine, 1, 2, 1, 3, 1, 4, 1, 5 and 1, 6-hexamethylenediamine, phenylenediamine, 2 , 3-, 2,4- and 2,6-toluenediamine (TDA) and 4,4'-, 2,4'- and 2,2'-diaminodiphenylmethane (MDA) and polymeric MDA.
  • TDA 2,4- and 2,6-toluenediamine
  • MDA 2,4'- and 2,2'-diaminodiphenylmethane
  • alkanolamines such as ethanolamine, N-methyl- and N-ethyl-ethanolamine
  • dialkanolamines such as diethanolamine, N-methyl- and N-ethyldiethanolamine
  • tri alkanolamines such as triethanolamine, and ammonia.
  • polyesterols such as ethanediol, 1,2- and 2,3-propanediol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol and sucrose, and mixtures from that.
  • the polyether polyols may be used singly or in the form of mixtures.
  • polyesterols C polyesterols commonly used in polyurethane chemistry can be used. Polyesterols C can be prepared, for example, from organic dicarboxylic acid.
  • dicarboxylic acids having 2 to 12 carbon atoms preferably aliphatic dicarboxylic acids having 4 to 6 carbon atoms and polyhydric alcohols, preferably diols, having 2 to 12 carbon atoms, preferably 2 to 6 carbon atoms.
  • Suitable dicarboxylic acids are, for example: succinic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, decanedicarboxylic acid, maleic acid, fumaric acid, phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid.
  • the dicarboxylic acids can be used both individually and in admixture with each other.
  • dicarboxylic acid derivatives for example dicarboxylic acid esters of alcohols having 1 to 4 carbon atoms or dicarboxylic acid anhydrides.
  • dicarboxylic acid mixtures of succinic, glutaric and adipic acid are used in proportions of, for example, from 20 to 35:35 to 50:20 to 32 parts by weight, and in particular adipic acid.
  • dihydric or polyhydric alcohols especially diols
  • diols are: ethanediol, diethylene glycol, 1,2- or 1,3-propanediol, dipropylene glycol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1, 10 -Decandiol, glycerol and trimethylolpropane.
  • ethanediol diethylene glycol, 1, 4-butanediol, 1, 5-pentanediol and 1, 6-hexanediol.
  • polyol B is used as the alcohol component.
  • polyester polyols from lactones, for example caprolactone, or hydroxycarboxylic acids, for example hydroxycaproic acid. It is also possible to use polyesterols of caprolactone and / or hydroxycarboxylic acids and polyol B.
  • the organic for example aromatic and preferably aliphatic polycarboxylic acids and / or derivatives and polyhydric alcohols catalyst-free or preferably in the presence of esterification catalysts, conveniently in an atmosphere of inert gas, such as nitrogen, carbon monoxide, helium, argon, inter alia in the melt at temperatures of 150 to 250 ° C, preferably 180 to 220 ° C, optionally under reduced pressure, to the desired acid number, which is preferably less than 10, more preferably less than 2, are polycondensed.
  • inert gas such as nitrogen, carbon monoxide, helium, argon
  • esterification mixture at the abovementioned temperatures up to an acid number of 80 to 30, preferably 40 to 30, under normal pressure and then under a pressure of less than 500 mbar, preferably 50 to 150 mbar, polycondensed.
  • Suitable esterification catalysts are, for example, iron, cadmium, cobalt, lead, zinc, antimony, magnesium, titanium and tin catalysts in the form of metals, metal oxides or metal salts.
  • the polycondensation can also be carried out in the liquid phase in the presence of diluents and / or entrainers, such as benzene, toluene, xylene or chlorobenzene for the azeotropic distillation of the water of condensation.
  • diluents and / or entrainers such as benzene, toluene, xylene or chlorobenzene for the azeotropic distillation of the water of condensation.
  • the organic polycarboxylic acids and / or derivatives and polyhydric alcohols are advantageously in a molar ratio of 1: 1 to 2, preferably 1: 1, 05 to 1, 5 polycondensed.
  • the polyesterpolyols obtained preferably have a functionality of 2 to 4, in particular of 2 to 3, and a number average molecular weight of 200 to 3000, preferably 300 to 2000 g / mol.
  • component C particularly suitable polyols are polyols based on oils and fats
  • catalysts D for the preparation of the polyurethanes preference is given to using compounds which greatly accelerate the reaction of the hydroxyl-containing compounds of component B and optionally C with the organic, optionally modified polyisocyanates A.
  • amidines such as 2,3-dimethyl-3,4,5,6-tetrahydropyrimidine
  • tertiary amines such as triethylamine, tributylamine, dimethylbenzylamine, N-methyl-, N-ethyl-, N-cyclohexylmorpholine, ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetramethylethylenediamine, ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetramethylbutanediamine, ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetramethylhexanediamine, pentamethyldiethylenetriamine, tetramethyldiminoethyl ether, bis (dimethylaminopropyl)
  • organic metal compounds preferably organic tin compounds such as stannous salts of organic carboxylic acids, e.g. Tin (II) acetate, stannous octoate, stannous (II) ethylhexanoate, and stannous (II) laurate and the dialkyltin (IV) salts of organic carboxylic acids, e.g.
  • organic tin compounds such as stannous salts of organic carboxylic acids, e.g. Tin (II) acetate, stannous octoate, stannous (II) ethylhexanoate, and stannous (II) laurate and the dialkyltin (IV) salts of organic carboxylic acids, e.g.
  • the organic metal compounds can be used alone or preferably in combination with strongly basic amines.
  • component (b) is an ester, it is preferred to use only amine catalysts.
  • Preferably used are 0.001 to 5 wt .-%, in particular 0.05 to 2 wt .-% catalyst or catalyst combination, based on the total weight of components B and optionally C.
  • the glassy polyurethanes of the invention having a glass transition temperature of at least 15 ° C may be non-foamed, solid materials having a density of generally greater than 1000 kg / m 3 or foams.
  • blowing agent for the production of foams preferably water (component E) is used which reacts with isocyanate groups with elimination of carbon dioxide.
  • so-called physical blowing agents can also be used. These are compounds which are inert to the starting components and which are usually liquid at room temperature and evaporate under the conditions of the urethane reaction.
  • the boiling point is below 100 ° C.
  • the physical blowing agents F are usually selected from the group consisting of alkanes and / or cycloalkanes having at least 4 carbon atoms, dialkyl ethers, esters, alcohols, ketones, acetals, fluoroalkanes having 1 to 8 carbon atoms and tetraalkylsilanes.
  • Examples which may be mentioned are: propane, n-butane, iso- and cyclobutane, n-, iso- and cyclopentane, cyclohexane, dimethyl ether, methyl ethyl ether, methyl butyl ether, methyl formate, tetrarbutanol, acetone and fluoroalkanes which can be degraded in the troposphere and are therefore harmless to the ozone layer, such as trifluoromethane, difluoromethane, 1,1,1,3,3-pentafluorobutane, 1,1,1,3,3-pentafluoropropane, 1,1,1,3,3-pentafluoropropene, 1-chloro-3,3,3-trifluoroprene, 1,1,1,2-tetrafluoroethane, difluoroethane and 1,1,1,3,3,3,3-heptafluoropropane and perfluoroalkanes, such as, C
  • the amount of water is preferably 0.05 to 3 parts by weight, based on the polyol components B and optionally C. If a physical blowing agent is used, the amount thereof is preferably 0.1 to 30 parts by weight, based on the polyol components B and optionally C.
  • the foams are usually made in a mold.
  • the density of the foams is generally 100 to 1000 kg / m 3 .
  • Such foams are sometimes referred to in the literature as microcellular foams.
  • auxiliaries and / or additives E may also be added to the reaction mixture for the preparation of the polyurethane foams.
  • auxiliaries and / or additives E include surface-active substances, foam stabilizers, cell regulators, other release agents, fillers, dyes, pigments, hydrolysis protectants, flame retardants, odor-absorbing substances and fungistatic and / or bacteriostatic substances.
  • Suitable surface-active substances are, for example, compounds which serve to assist the homogenization of the starting materials and, if appropriate, are also suitable for regulating the cell structure.
  • emulsifiers such as the sodium salts of castor oil sulfates or of fatty acids, and salts of fatty acids with amines, for example diethylamine, diethanolamine stearate, ricinoleic diethanolamine, salts of sulfonic acids, for example alkali metal or ammonium salts of dodecylbenzene or dinaphthylmethanedisulfonic acid, and ricinoleic acid ;
  • Foam stabilizers such as siloxane-oxalkylene copolymers and other organopolysiloxanes, ethoxylated alkylphenols, ethoxylated fatty alcohols, paraffin oils, castor oil or ricinoleic acid esters, Turkish red oil and peanut oil, and cell regulators, such as paraffins, fatty alcohols, polyoxyalkylene-polysiloxane copolymers and dimethylpolysiloxa
  • oligomeric acrylates having polyoxyalkylene and fluoroalkane radicals as side groups are also suitable.
  • the surface-active substances are usually used in amounts of from 0.01 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of component B and, if appropriate, C.
  • Suitable fillers are the conventional, conventional organic and inorganic fillers, reinforcing agents, weighting agents, coating compositions which are known per se.
  • inorganic fillers such as silicate minerals, for example phyllosilicates, such as antigorite, bentonite, serpentine, hornblende, amphiboles, chrysotile and talc, metal oxides, such as kaolin, aluminas, titanium oxides, zinc oxide and iron oxides, metal salts such as chalk and barite, and inorganic pigments such as cadmium sulfide, zinc sulfide and glass, among others Preference is given to using kaolin (China Clay), aluminum silicate and coprecipitates of barium sulfate and aluminum silicate.
  • inorganic fibers for example glass fibers.
  • Suitable organic fillers are, for example, carbon black, melamine, rosin, cyclopentadienyl resins and graft polymers, and also cellulose fibers, polyamide, polyacrylic
  • the inorganic and organic fillers can be used singly or as mixtures and are advantageously added to the reaction mixture in amounts of from 0.5 to 50% by weight, preferably from 1 to 40% by weight, based on the weight of components A to D. ,
  • Lithene® Ultra AL from Synthomer Ltd. is sold. It has a number average molecular weight of 750 g / mol and is based, based on the amount of all double bonds, from about 38 mol .-% 1, 4-cis / trans, about 36 mol .-% 1, 2-vinylic and about 26 mol% of 1,2-cyclovinyl units together.
  • the epoxide contents of the modified polybutadienes were determined by a method of Jung and Kleeberg as described in Fres. J. Anal. Chem. 1962, 387.
  • the OH numbers of the polyols were determined according to DIN 53240-2 by means of potentiometric titration.
  • the dynamic shear viscosities were determined using an AR-G2 rheometer from TA Instruments. Measurements were taken at the indicated temperature in steady state mode at shear rates between 0.1 and 100 Hz with a cone and plate geometry (diameter: 40 mm, angle: 2 °).
  • the glass transition temperatures were determined by DSC. Uncrosslinked materials were cooled from room temperature to -100 ° C at a rate of 10 ° C / min. The temperature was held for 4 minutes. Finally, the temperature was increased at a rate of 10 ° C / min to 100 ° C and determines the glass transition temperature in this heating phase at the inflection point of the heat flow curve.
  • the crosslinked materials were first heated to 100 ° C within 12 minutes and then cooled to -90 ° C within 22 minutes. In the second heating phase, the temperature was raised to 255 ° C at 20 ° C / min. The glass transition temperature was determined in the second heating phase at the inflection point of the heat flow curve.
  • the tensile tests were carried out according to DIN 53504 on S2 shoulder rods with optical tracking. Shore hardnesses were determined according to DIN 53505.
  • the determination of the water absorption was carried out on PU plates of approx. 3 x 4 cm 2 cut to size precisely for slide frames. The samples were placed in water at a temperature of 100 ° C for five hours. The samples were finally blotted dry, and from the mass difference, the degree of swelling was calculated.
  • Example 1 Preparation of Partially Epoxidized Polybutadiene Oligomers
  • 1000 g of Lithene® Ultra AL were dissolved in 5667 g of toluene and heated to 60.degree. After addition of 43.8 g of 98% formic acid was intimately mixed with 300 rpm. Over 7.5 hours, 70, 100 or 130 mL / hour of hydrogen peroxide were added continuously. The reaction mixture was then washed twice with saturated sodium bicarbonate solution and once with saturated sodium chloride solution. The organic phase was dried with sodium sulfate and the solvent removed under reduced pressure at 60 ° C. The properties of the resulting pale yellow, viscous oils are summarized in Table 1.
  • Example 2 Preparation of Polybutadiene Polyols 900 g were heated in a 6 L glass reactor for the preparation of polyols 1 and 2 or 450 g for the preparation of polyol 3 of the partially epoxidized Lithene® Ultra AL in 1800 g of 1-propanol at the indicated temperature and solved. After adding an appropriate amount of a 10% solution of trifluoromethanesulfonic acid (TfOH) in 1-propanol, the indicated time was stirred. Then, the mixture was neutralized with sodium hydrogencarbonate and insoluble salt was filtered off after cooling the mixture. Excess 1-propanol was removed from the filtrate under reduced pressure at up to 95 ° C. The properties of the resulting pale yellow, viscous oils are summarized in Table 2. hydroxyl-modified polybutadienols
  • the polybutadiene polyols from Table 2 and polymeric MDI (Lupranat® M20 from BASF SE, Ludwigshafen, DE) with an NCO value of 31.5% were heated to 60.degree.
  • the polyol component optionally contained a mercury salt as a catalyst.
  • the components were mixed in a Speedmixer from Hausschild GmbH for one minute at 2000 rpm.
  • 62.74 g of polybutadienol 4 with 0.07 g of catalyst were weighed in a beaker for the A component and blended bubble-free in Speedmixer.
  • the A component was stored for at least 30 minutes at 60 ° C (processing temperature) before the isocyanate component B was added.
  • B component and A component were mixed.
  • the mixture was poured into a tempered aluminum mold at 70 ° C of about 150 x 200 x 2 mm 3 and smoothed with a plastic rod. 20 minutes after setting (open time, processing time at 70 ° C.), the material was molded and annealed for 4 hours at 80 ° C.
  • the transparent glossy polyurethane was stored for at least 7 days at 23 ° C and 50% humidity prior to characterization.
  • Table 3 summarizes the properties of other polyurethanes made from polybutadienols.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polybutadienolen aus Polybutadienen mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 300 bis 2000 g/mol enthaltend 20 bis 50% 1,4-Doppelbindungen und 50 bis 80% 1,2-vinylischen und 1,2-cyclovinylischen Doppelbindungen, bezogen auf die Menge aller Doppelbindungen, umfassend die Schritte i) Epoxidierung eines Teils oder aller 1,4-Doppelbindungen mit einem Epoxidierungsreagenz, das selektiv 1,4-Doppelbindungen epoxidiert, ii) Umsetzung des epoxidierten Polybutadiens mit einem Alkohol oder Wasser zu einem Polybutadienol. Die Erfindung betrifft ebenfalls Polybutadienole erhältlich nach diesem Verfahren, sowie die Verwendung dieser Polybutadienolen zur Herstellung von Polyurethanen mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 15°C und diese Polyurethane selbst.

Description

Polybutadienole zur Herstellung von glasartigen Polyurethanen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polybutadienolen, die Polybutadienole selbst, deren Verwendung zur Herstellung von bei Raumtemperatur glasartigen Polyurethanen mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 15 °C sowie die mit den Polybutadienolen als Polyolkomponente hergestellten glasartigen Polyurethane.
Harte, glasartige Polymere aus Polybutadienen sind seit langem bekannt. Verwendet werden zu deren Herstellung bevorzugt epoxidierte Polybutadiene. Die Aushärtung erfolgt entweder durch Zugabe von Aminen (siehe US 2,876,214 oder DE 2833786) oder von Carbonsäurederivaten (siehe US 3,371 ,070 oder US 3,436,377), gegebenenfalls in Anwesenheit von Alkoholen. Für die Aushärtung sind üblicher Weise Temperaturen oberhalb von 100 °C nötig, und die Verarbeitungszeiten betragen 1 bis 2 Stunden. Um glasartige Harze zu erhalten, sind hohe Epoxidie- rungsgrade des Polybutadiens notwendig. Bei hohen Epoxidgehalten können jedoch bereits bei der Epoxidierung unbeabsichtigte Nebenreaktionen auftreten.
Hydrophobe Eigenschaften der Polymere werden durch die chemische Natur der Materialien beeinflusst. Polybutadiene sind als Kohlenwasserstoffe unpolar und daher ausgesprochen hydrophob. Die Verwendung von Polybutadien liefert wasserabweisende Werkstoffe mit niedrigem Quellverhalten in Wasser. Für die Verwendung in Polyurethanen müssen Polybutadiene gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Wasserstoffatome aufweisen, z.B. Hydroxylgruppen. Polyurethane aus Polybutadienolen haben den Vorteil, dass die daraus hergestellten Werkstoffe nicht hydrolyseempfindlich sind. Das als Polyol verwendete Rizinusöl ist zwar hydrophob, jedoch ist die Esterbindung des Triglycerids hydrolyseempfindlich.
Polybutadienole können mit Isocyanaten umgesetzt werden, um vernetzte Strukturen zu erhalten. So sind flüssige hydroxyl-terminierte Polybutadiene (HTPB) seit langem bekannt und finden als Polyolkomponenten Einsatz in Polyurethanen. Kommerzielle Produkte werden durch radikalische Polymerisation (siehe US 3965140) oder ionische Polymerisation (siehe DD 160223) von 1 ,3-Butadien erhalten. Um HTPB zu erhalten, bedarf es bestimmter Start- und Abbruchreagenzien. Abhängig vom Herstellungsprozess werden Polyole mit unterschiedlicher Anzahl an funktionellen Gruppen erhalten. Diese Polybutadienole sind zur Herstellung von glasartigen Materialien kaum geeignet, da sie signifikante Anteile von flexiblen 1 ,4-Doppelbindungen aufweisen, die zu vernetzten Materialien mit Glastemperaturen unterhalb von 25 °C führen (siehe Review und zitierte Literatur in J. Macromol. Sei. Part A 2013, 50, 128-138).
Polybutadienole können aus nicht funktionalisierten Polybutadien-Oligomeren hergestellt werden. Eine Möglichkeit der Herstellung sind polymeranaloge Reaktionen durch Teilepoxidierung vorhandener Doppelbindungen und anschließender Öffnung der Epoxide durch geeignete Nu- cleophile, wie insbesondere Alkohole oder Amine. Die Anzahl an funktionellen Gruppen kann über den Umsatz der polymeranalogen Reaktionsschritte beliebig eingestellt werden. Die Epoxidierung von Polydienen mit Percarbonsäuren ist beispielsweise zusammengefasst in Perera, Ind. Eng. Chem. Res 1988, 27, 2196-2203. Durch Umsetzung von Polybutadienen mit Percarbonsäuren können epoxidierte Polybutadiene erhalten werden. Dabei kann die Percar- bonsäure direkt eingesetzt werden oder in situ aus der Carbonsäure und Wasserstoffperoxid generiert werden, wie in US 2,829,135 beschrieben. Als einfachste Carbonsäure wird zur Epoxidierung oft Ameisensäure eingesetzt. Durch in situ gebildete Perameisensäure werden praktisch ausschließlich 1 ,4-Doppelbindungen im Polybutadien epoxidiert.
Die durch polymeranaloge Reaktionen erhaltenen Polybutadienole enthalten, abhängig vom Grad der Epoxidierung und Epoxidöffnung, unterschiedliche Mengen an reaktiven Hydroxylgruppen. Die Zahl der Hydroxylgruppen bestimmt auch die Viskosität des Polyols. Eine präpara- tiv einfache Vernetzung der Polybutadienole lässt sich bei moderaten Temperaturen von unter 80 °C durch Umsatz mit Isocyanaten bewirken. Die Materialeigenschaften des resultierenden Polyurethans, insbesondere dessen Glastemperatur und mechanische Eigenschaften, werden durch die Zahl der reaktiven Hydroxylgruppen pro Masseneinheit des Polybutadienols gesteuert.
Aufgabe der Erfindung ist es, Polyurethane, die bei Raumtemperatur glasartige Eigenschaften aufweisen, sowie zur Herstellung der glasartigen Polyurethane geeignete Polybutadienole be- reitzustellen. Die mittels DSC bestimmte Glasübergangstemperatur des Polyurethans, hergestellt mit einem Isocyanat-Index von 100, soll mindestens 15 °C betragen. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, hydroxylfunktionalisierte kurzkettige Polybutadien-Oligomeren zur Herstellung von glasartigen Polyurethanen mit sehr geringen Quellwerten in Wasser und langen Verarbeitungszeiten (offene Zeiten) zur Anwendungen beispielsweise als Beschichtungsmateri- al, Reaktivklebstoff oder als Schaumstoff bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, Polybutadienole bereitzustellen, die bereits bei Hydroxyläquivalentmassen von 750 g oder darunter glasartige Werkstoffe liefern. Die Mischungen von Polyol und Isocyanat sollen lange Verarbeitungszeiten ermöglichen und Polyurethane mit hydrophoben Eigenschaften liefern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Polybutadienolen aus Polybutadienen mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 300 bis 2 000 g/mol enthaltend 20 bis 50% 1 ,4-Doppelbindungen und 50 bis 80% 1 ,2-vinylischen und 1 ,2-cyclovinylischen Doppelbindungen, bezogen auf die Menge aller Doppelbindungen, umfassend die Schritte
(i) Epoxidierung eines Teils oder aller 1 ,4-Doppelbindungen mit einem Epoxidierungsrea- genz, das selektiv 1 ,4-Doppelbindungen epoxidiert,
(ii) Umsetzung des epoxidierten Polybutadiens mit einem Alkohol oder Wasser zu einem Po- lybutadienol. Die Epoxidierung von terminalen 1 ,2-Vinylbindungen ist nur mit aromatischen Persäuren wie meta-Chloroperbenzoesäure (siehe Abdullin et. al. in Polymer Science Series B 2013, 55,349- 354) sowie mit Übergangsmetallverbindungen möglich (siehe Wang et al. in J. Mol. Cat. A 2009, 309, 89-94). Für die erfindungsmäßigen Polybutadienole soll der Anteil an 1 ,4-Doppel- bindungen nicht zu hoch sein, da dies zwar die Funktionalisierung begünstigt, aber hohe Umsätze in der Epoxidierung nötig werden, um glasartige Polyurethane zu erhalten. Ein hoher Anteil an 1 ,2-Doppelbindungen sorgt für die notwendige Steifigkeit. Glastemperaturen oberhalb von 15 °C setzen aber eine Vernetzung voraus, die einen bestimmten Anteil an 1 ,4-Doppelbindungen in der Polymerstruktur notwendig macht.
Epoxidierte Polybutadiene können durch geeignete Nucleophile, beispielsweise Wasser, wie in DE 10 2012 017055 beschrieben, Alkohole, wie in DE 35 1 1 513 beschrieben, oder Amine, wie in DE 25 54 093 beschrieben, zu hydroxylfunktionalisierten Polybutadienen umgesetzt werden. Amine sind aber auf Grund ihrer katalytischen Wirkung in der nachfolgenden Reaktion der Po- lybutadienole mit Isocyanaten für die Epoxidringöffnung der Polybutadien-Epoxide (Schritt (ii)) ungeeignet.
Im Unterschied zu HTPB weisen die post-funktionalisierten Polybutadienpolyole die Hydroxylgruppen nicht selektiv an den Endgruppen auf, sondern statistisch über das Rückgrat des Po- lybutadiens verteilt. Verglichen mit terminalen Epoxiden ist die Öffnung der aus der Epoxidierung von 1 ,4-Doppelbindungen resultierenden disubstituierten Epoxidgruppen chemisch anspruchsvoll und bedarf vergleichsweise drastischer Bedingungen, wie Temperaturen von über 150°C und/oder hohe Drücke, oder sehr saure oder sehr basische Katalysatoren. Geeignete Katalysatoren für diese Reaktion sind starke Säuren wie Mineralsäuren, wie in EP 0 585 265 beschrieben, Bortrifluorid, wie in US 5,242,989 beschrieben, Trifluoressigsäure, wie in DE 25 54 093 beschrieben oder Trifluormethansulfonsäure, wie in WO 96/20234 und Li, J. Macromol. Sei, Part A, 2013, 50, 297-301 beschrieben, sowie Basen wie Kaliumhydroxyd, wie in DE 35 1 1 513 beschrieben. Die Herstellung des Polybutadienpolyols besteht also aus zwei Reaktionsschritten, nämlich (i) einer Epoxidierung und (ii) einer Ringöffnung des Epoxidrings mit einem Alkohol.
Für die Herstellung der erfindungsmäßigen Polybutadienole werden unmodifizierte Polybutadiene mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 300 bis 2000 g/mol, bevorzugt 500 bis 1500 g/mol verwendet. Die Mikrostruktur der Polybutadien-Oligomere weist 1 ,4-Doppelbindun- gen, 1 ,2-vinylischen und 1 ,2-cyclovinylischen Doppelbindungen auf. Die erfindungsmäß eingesetzten Polybutadiene enthalten dabei 20 bis 50%, bevorzugt 25 bis 40% 1 ,4-Doppelbindungen. Dementsprechend weisen die Polybutadiene 50 bis 80%, bevorzugt 60 bis 75% 1 ,2-vinylische und 1 ,2-cyclovinylische Doppelbindungen auf.
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Die Polybutadien-Oligomere werden z.B. mit Ameisensäure und Wasserstoffperoxid epoxidiert. Die 1 ,4-Doppelbindungen des Oligomers werden teilweise oder vollständig umgesetzt zum Epoxid. Der Epoxidierungsgrad wird so gewählt, dass die benötigte Zahl der Hydroxylgruppen erzeugt werden kann.
Für die Öffnung der epoxidierten Polybutadienole werden Monoalkohole oder Polyole als Nu- cleophile eingesetzt. Bevorzugt sind Alkohole, die nur eine Hydroxylgruppe pro Molekül enthal- ten (Monoalkohole). Die Alkohole können primäre oder sekundäre Alkohole sein, bevorzugt sind es primäre Alkohole. Bevorzugt sind primäre Monoalkohole wie Ethanol, 1 -Propanol und 1 -Bu- tanol. Bevorzugt sind Alkohole, in denen das epoxidierte Polybutadien löslich ist, besonders bevorzugt ist 1 -Propanol. Die Umsetzung kann auch in einem geeigneten Lösungsmittel, in dem das epoxidierte Polybutadienol, der Alkohol bzw. Wasser und der Katalysator löslich sind, durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Öffnung des Epoxidrings in Gegenwart von Trifluoermethansulfonsäure als Katalysator. Weitere geeignete Katalysatoren sind starke Säuren, wie Schwefelsäure, Methansulfonsäure oder Lewissäuren, wie Zinn(ll)-chlorid.
Die durch polymeranaloge Reaktionen erhaltenen Polybutadienole enthalten, abhängig von den Umsätzen der Epoxidierung und Epoxidöffnung, unterschiedliche Mengen an reaktiven Hydroxylgruppen. Die Hydroxyläquivalentmasse der erhaltenen Polybutadienole beträgt im Allgemeinen 250 bis 750 g, bevorzugt von 300 bis 600 g.
Die Öffnung von disubstituierten Epoxidgruppen mit Alkoholen liefert Polybutadienpolyole mit ausschließlich sekundären OH-Gruppen. Im Allgemeinen beträgt der Gehalt an sekundären OH-Gruppen, bezogen auf alle OH-Gruppen, in den erfindungsgemäß hergestellten Polybuta- dienolen mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 %. Um Reaktivsysteme zu erhalten, die lange Verarbeitungszeiten ermöglichen, sind sekundäre Hydroxylgruppen vorteilhaft, da die Reaktion mit Isocyanaten grundsätzlich langsamer als mit primären Hydroxylgruppen abläuft.
Die erfindungsgemäßen glasartigen Polyurethane können aus Polybutadienolen mit Hydroxyl- äquivalentmassen von im Allgemeinen 250 bis 750 g erhalten werden, die einen hohen Anteil an Wiederholungseinheiten mit 1 ,2-vinylischen und 1 ,2-cyclovinylischen Doppelbindungen ent- halten. Die in der Mikrostruktur von der Polymerkette abstehenden, 1 ,2-vinylische und 1 ,2- cyclovinylische Doppelbindungen enthaltenden Gruppen erschweren die Molekülbewegung und erhöhen die Glasübergangstemperatur der Polybutadienole, sowie der daraus hergestellten vernetzten Polyurethane.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Polyurethane mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 20°C, erhältlich durch Umsetzung von a) Polyisocyanaten A mit
b) erfindungsgemäßen Polybutadienolen B,
c) gegebenenfalls weiteren Verbindungen C mit mindestens 2 gegenüber Isocyanaten reaktiven Wasserstoffatomen,
d) gegebenenfalls Katalysatoren D,
e) gegebenenfalls Wasser E,
f) gegebenenfalls physikalischen Treibmitteln F,
g) gegebenenfalls weiteren Hilfsmitteln und/oder Zusatzstoffen G.
Bevorzugt beträgt die Glasübergangstemperatur der Polyurethane mindestens 15 °C, besonders bevorzugt mindestens 25°C.
Die erfindungsgemäßen Polyurethane können nicht geschäumte, feste Materialien mit einer Dichte von im Allgemeinen größer als 1000 kg/m3 oder Schäume sein. Als Treibmittel zur Herstellung von Schäumen wird vorzugsweise Wasser (Komponente E) eingesetzt, das mit Iso- cyanatgruppen unter Abspaltung von Kohlendioxid reagiert. In Kombination mit oder an Stelle von Wasser können auch sogenannte physikalische Treibmittel eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um gegenüber den Einsatzkomponenten inerte Verbindungen, die zumeist bei Raumtemperatur flüssig sind und unter den Bedingungen der Urethanreaktion verdampfen. Vorzugsweise liegt der Siedepunkt der physikalischen Treibmittel unter 100°C. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethanreaktionsmischung werden die organischen Polyisocyanate A und die Komponenten, die Verbindungen mit gegenüber Isocyanaten reaktiven Wasserstoffatomen enthalten, in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht, dass das Äquivalenzverhältnis von NCO-Gruppen zur Summe der reaktiven Wasserstoffatome 0,5 : 1 bis 4 : 1 (entsprechend einem Isocyanat Index von 50 bis 350), vorzugsweise 0,8 : 1 bis 2 : 1 und besonders bevorzugt von 0,9 : 1 bis 1 ,5 : 1 beträgt.
Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane verwendeten organischen und/oder modifizierten Polyisocyanate A umfassen die aus dem Stand der Technik bekannten aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen zwei- oder mehrwertigen Isocyanate sowie beliebi- ge Mischungen daraus. Beispiele sind 4,4'-Methandiphenyldiisocyanat, 2,4'-Methandiphenyl- diisocyanat, die Mischungen aus monomeren Methandiphenyldiisocyanaten und höherkernigen Homologen des Methandiphenyldiisocyanats (Polymer-MDI), Tetramethylendiisocyanat, Hexa- methylendiisocyanat (HDI), die Mischungen aus Hexamethylendiisocyanaten und höherkernigen Homologen des Hexamethylendiisocyanats (Mehrkern-HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,4- oder 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI) oder Mischungen der genannten Isocyanate. Bevorzugt verwendet werden Toluylendiisocyanat (TDI), Diphenylmethandiisocyanat (MDI) und insbesondere Gemische aus Diphenylmethandiisocyanat und Polyphenylenpolymethylenpolyisocyanaten (Roh-MDI). Die Isocyanate können auch modifiziert sein, beispielsweise durch Einbau von Uret- dion-, Carbamat-, Isocyanurat-, Carbodiimid-, Allophanat- und insbesondere Urethangruppen. Dabei kann die Isocyanatkomponente A auch in Form von Isocyanatgruppenhaltigen Isocyanat- prepolymeren eingesetzt werden. Diese Polyisocyanatprepolymere sind erhältlich, indem vorstehend beschriebene Polyisocyanate als Komponente A1 beispielsweise bei Temperaturen von 30 bis 100°C, bevorzugt bei etwa 80°C, mit Polyolen A2 zum Prepolymer umgesetzt werden. Vorzugsweise wird zur Herstellung der Prepolymere 4,4'-MDI mit uretoniminmodifiziertem MDI und handelsüblichen Polyolen auf Basis von Polyestern, beispielsweise ausgehend von Adipinsäure oder Polyethern, beispielsweise ausgehend von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid, umgesetzt. Polyole A2 sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben im "Kunststoffhandbuch, Band 7, Polyurethane", Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1993, Kapitel 3.1 . Vorzugsweise werden dabei als Polyole A2 Polyetherole eingesetzt. Gegebenenfalls werden den genannten Polyolen A2 bei der Herstellung der Isocyanatprepolymere übliche Kettenverlängerer oder Vernetzungsmittel als Komponente A3 zugegeben. Solche Kettenverlängerer sind die im Folgen- den unter B2 beschriebenen Stoffe. Besonders bevorzugt werden als Kettenverlängerer 1 ,4- Butandiol, 1 ,2-Propylenglykol, 1 ,3-Butandiol, Dipropylenglykol, Tripropylenglykol und/oder Pro- pylenglykole mit einem Molekulargewicht bis zu 500 eingesetzt. Vorzugsweise wird dabei das Verhältnis von organischen Polyisocyanaten A1 zu Polyolen A2 und Kettenverlängerern A3 so gewählt, dass das Isocyanatprepolymer einen NCO-Gehalt von 10 bis 28 %, besonders bevor- zugt von 14 bis 25 % aufweist.
Als Polyole A2 können auch die Polybutadienole B sowie die nachstehend genannten weiteren Verbindungen C eingesetzt werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den glasartigen Polyurethanen um nicht geschäumte Polyurethane. Diese sind erhältlich durch Umsetzung der Komponenten A, B, gegebenenfalls C, gegebenenfalls D und gegebenenfalls G in den oben angegebenen Mengen, wobei in Abwesenheit von Treibmitteln E und F gearbeitet wird. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den glasartigen Polyurethanen um Schäume. Diese sind erhältlich durch Umsetzung der Komponenten A, B, gegebenenfalls C, gegebenenfalls D und gegebenenfalls G, wobei in Anwesenheit von Wasser E als Treibmittel und/oder eines physikalischen Treibmittels F gearbeitet wird. Im All- gemeinen wird in Gegenwart von 0,1 bis 30 Gew.-Teilen, bevorzugt 0,2 bis 15 Gew.-Teile des physikalischen Treibmittels und/oder in Gegenwart von 0,05 bis 3,0 Gew.-Teilen Wasser, bevorzugt 0,1 bis 1 ,0 Gew.-Teilen Wasser gearbeitet.
Geeignete weitere Verbindungen C mit mindestens zwei gegenüber Isocyanaten reaktiven Wasserstoffatomen weisen ein Molekulargewicht von im Allgemeinen mindestens 58 g/mol auf. Dabei können alle zur Polyurethanherstellung bekannten Verbindungen mit mindestens zwei reaktiven Wasserstoffatomen und einem Molekulargewicht von mindestens 58 g/mol eingesetzt werden. Diese weisen beispielsweise eine Funktionalität von 2 bis 8 und ein Molekulargewicht von 58 bis 12 000 g/mol auf. So können beispielsweise Polyetherpolyamine und/oder Polyole, ausgewählt aus der Gruppe der Kettenverlängerer, Polyetherpolyole, Polyesterpolyole oder Mischungen daraus, verwendet werden.
Die bevorzugt zur Anwendung kommenden weiteren Polyole C sind Kettenverlängerer, Poly- etherole, Polycarbonatpolyole und/oder Polyesterole mit Molekulargewichten von 58 bis 12000 g/mol.
Als Kettenverlängerer werden vorzugsweise Verbindungen mit einem Molekulargewicht von kleiner als 300 g/mol eingesetzt, beispielsweise Verbindungen mit 2 gegenüber Isocyanaten reaktiven Wasserstoffatomen. Diese können einzeln oder aber auch in Form von Mischungen eingesetzt werden. In Betracht kommen beispielsweise aliphatische, cycloaliphatische und/oder araliphatische Diole mit 2 bis 14, vorzugsweise 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Alky- lenglykole. Geeignet sind somit auch niedermolekulare hydroxylgruppenhaltige Polyalkylen- oxide auf Basis Ethylen- und/oder 1 ,2-Propylenoxid. Bevorzugte Kettenverlängerer sind (Mo no-)Ethylenglykol, 1 ,2-Propandiol, 1 ,3-Propandiol, Pentandiol, Tripropylenglykol, 1 ,10-Decan- diol, 1 ,2-, 1 ,3-, 1 ,4-Dihydroxycyclohexan, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Dipropylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,6-Hexandiol, 2-Methylpropan-1 ,3-diol, 2,2-Dimethylpropan-1 ,3-diol, Bisphenol- A-bis(hydroxyether), N-Phenyldiethanolamin und Bis-(2-hydroxyethyl)-hydrochinon. Besonders bevorzugt werden als Kettenverlängerer Monoethylenglykol, Diethylenglykol, 2-Methyl-1 ,3-Propandiol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,5-Pentandiol, 1 ,6-Hexandiol oder Mischungen davon eingesetzt, ganz besonders bevorzugt sind 1 ,4-Butandiol oder Monoethylenglykol.
Die Polyetherole, Polycarbonatpolyole und/oder Polyesterole weisen bevorzugt Molekulargewichte von 150 bis 12000 g/mol und eine mittlere Funktionalität von 2 bis 8 auf. Vorzugsweise werden als weitere Polyole C ausschließlich Polyetherole und/oder Polyesterpolyole eingesetzt. Bei Polyetherolen und Polyesterpolyolen unterscheidet man zwischen Polyolen, die für Hartschaum einerseits und für Elastomere oder Weichschaum andererseits, eingesetzt werden. Polyole für Hartschaum-typische Anwendungen haben eine Funktionalität von 2 bis 8 und ein Molekulargewicht von 150 bis 2000. Polyole für Elastomer- und Weichschaum-typische Anwen- düngen haben eine Funktionalität von 2 bis 3 und ein Molekulargewicht von 2000 bis 6000. Po- lyol C ist bevorzugt ein Kettenverlänger oder ein Polyol mit einer Funktionalität von 2 bis 8 und einem Molekulargewicht von 150 bis 2000.
Die Polyetherole C werden nach bekannten Verfahren hergestellt. Beispielsweise können sie durch anionische Polymerisation von Alkylenoxiden mit 2 bis 4 C-Atomen mit Alkalihydroxiden, wie z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid oder Alkalialkoholaten, wie z.B. Natriummethylat, Natrium- oder Kaliumethylat oder Kaliumisopropylat als Katalysatoren und unter Zusatz mindestens eines Startermoleküls, das 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 6 reaktive Wasserstoffatome aufweist, oder durch kationische Polymerisation mit Lewis-Säuren, wie Antimonpentachlorid, Borfluorid- Etherat u. a., oder Bleicherde als Katalysatoren, hergestellt werden. Ebenso können Polyether- polyole durch Doppelmetallcyanidkatalyse aus einem oder mehreren Alkylenoxiden mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen hergestellt werden. Auch tertiäre Amine können als Katalysator eingesetzt werden, beispielsweise Triethylamin, Tributylamin, Trimethylamin, Dimethylethanolamin, Imida- zol oder Dimethylcyclohexylamin. Für spezielle Einsatzzwecke können auch monofunktionelle Starter in den Polyetheraufbau eingebunden werden.
Geeignete Alkylenoxide sind beispielsweise Tetrahydrofuran, 1 ,3-Propylenoxid, 1 ,2- bzw. 2,3- Butylenoxid, Styroloxid und vorzugsweise Ethylenoxid und 1 ,2-Propylenoxid. Die Alkylenoxide können einzeln, alternierend nacheinander oder als Mischungen verwendet werden.
Als Startermoleküle kommen beispielsweise in Betracht: Wasser, aliphatische und aromatische, gegebenenfalls N-mono-, N,N- und Ν,Ν'-dialkylsubstituierte Diamine mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest, wie gegebenenfalls mono- und dialkylsubstituiertes Ethylendiamin, Diethylen- triamin, Triethylentetramin, 1 ,3-Propylendiamin, 1 ,3- bzw. 1 ,4-Butylendiamin, 1 ,2-, 1 ,3-, 1 ,4-, 1 ,5- und 1 ,6-Hexamethylendiamin, Phenylendiamin, 2,3-, 2,4- und 2,6-Toluylendiamin (TDA) und 4,4'-, 2,4'- und 2,2'-Diaminodiphenylmethan (MDA) und polymeres MDA. Als Startermoleküle kommen ferner in Betracht: Alkanolamine, wie z.B. Ethanolamin, N-Methyl- und N-Ethyl- ethanolamin, Dialkanolamine, wie z.B. Diethanolamin, N-Methyl- und N-Ethyldiethanolamin, Tri- alkanolamine, wie z.B. Triethanolamin, und Ammoniak. Vorzugsweise verwendet werden mehr- wertige Alkohole, wie Ethandiol, 1 ,2- und 2,3-Propandiol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, 1 ,4- Butandiol, 1 ,6-Hexandiol, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbitol und Saccharose, und Mischungen davon. Die Polyetherpolyole können einzeln oder in Form von Mischungen verwendet werden. Als weitere Polyesterole C können in der Polyurethanchemie üblicherweise verwendete Polyesterole eingesetzt werden. Polyesterole C können beispielsweise aus organischen Dicarbon- säuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise aliphatischen Dicarbonsäuren mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen und mehrwertigen Alkoholen, vorzugsweise Diolen, mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, hergestellt werden. Als Dicarbonsäuren kommen beispielsweise in Betracht: Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Korksäure, Aze- lainsäure, Sebacinsäure, Decandicarbonsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Phthalsäure, Iso- phthalsäure und Terephthalsäure. Die Dicarbonsäuren können dabei sowohl einzeln als auch im Gemisch untereinander verwendet werden. Anstelle der freien Dicarbonsäuren können auch die entsprechenden Dicarbonsäurederivate, wie z.B. Dicarbonsäureester von Alkoholen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Dicarbonsäureanhydride eingesetzt werden. Vorzugsweise ver- wendet werden Dicarbonsäuregemische aus Bernstein-, Glutar- und Adipinsäure in Mengenverhältnissen von beispielsweise 20 bis 35 : 35 bis 50 : 20 bis 32 Gew.-Teilen, und insbesondere Adipinsäure. Beispiele für zwei oder mehrwertige Alkohole, insbesondere Diole sind: Ethandiol, Diethylenglykol, 1 ,2- bzw. 1 ,3-Propandiol, Dipropylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,5-Pentandiol, 1 ,6- Hexandiol, 1 ,10-Decandiol, Glycerin und Trimethylolpropan. Vorzugsweise verwendet werden Ethandiol, Diethylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,5-Pentandiol und 1 ,6-Hexandiol. In einer besonderen Ausführungsform wird als Alkohol-Komponente Polyol B eingesetzt. Eingesetzt werden können ferner Polyesterpolyole aus Lactonen, z.B. Caprolacton, oder Hydroxycarbonsäuren, z.B. Hydroxycapronsäure. Weiter können eingesetzt werden Polyesterole aus Caprolacton und/oder Hydroxycarbonsäuren und Polyol B.
Zur Herstellung der Polyesterpolyole können die organischen, z.B. aromatischen und vorzugsweise aliphatischen Polycarbonsäuren und/oder -derivate und mehrwertigen Alkohole katalysatorfrei oder vorzugsweise in Gegenwart von Veresterungskatalysatoren, zweckmäßigerweise in einer Atmosphäre aus Inertgas, wie z.B. Stickstoff, Kohlenmonoxid, Helium, Argon u.a. in der Schmelze bei Temperaturen von 150 bis 250 °C, vorzugsweise 180 bis 220 °C, gegebenenfalls unter vermindertem Druck, bis zu der gewünschten Säurezahl, die vorzugsweise kleiner als 10, besonders bevorzugt kleiner als 2 ist, polykondensiert werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird als Veresterungsgemisch bei den oben genannten Temperaturen bis zu einer Säurezahl von 80 bis 30, vorzugsweise 40 bis 30, unter Normaldruck und anschließend unter einem Druck von kleiner als 500 mbar, vorzugsweise 50 bis 150 mbar, polykondensiert. Als Veresterungskatalysatoren kommen beispielsweise Eisen-, Cadmium-, Kobalt-, Blei-, Zink-, Antimon-, Magnesium-, Titan- und Zinnkatalysatoren in Form von Metallen, Metalloxiden oder Metallsalzen in Betracht. Die Polykondensation kann jedoch auch in flüssiger Phase in Gegenwart von Verdünnungs- und/oder Schleppmitteln, wie z.B. Benzol, Toluol, Xylol oder Chlorben- zol zur azeotropen Abdestillation des Kondensationswassers durchgeführt werden. Zur Herstellung der Polyesterpolyole werden die organischen Polycarbonsäuren und/oder -derivate und mehrwertigen Alkohole vorteilhafterweise im Molverhältnis von 1 : 1 bis 2, vorzugsweise 1 : 1 ,05 bis 1 ,5 polykondensiert. Die erhaltenen Polyesterpolyole besitzen vorzugsweise eine Funktionalität von 2 bis 4, insbesondere von 2 bis 3, und ein zahlenmittleres Molekulargewicht von 200 bis 3000, vorzugsweise 300 bis 2000 g/mol. Als Komponente C besonders geeignete Polyole sind Polyole auf Basis von Ölen und Fetten, wie Rizinusöl und weiteren hydroxylmodifizierten Ölen, die beispielsweise unter dem Handels- nahmen Sovermol® von BASF SE, Ludwigshafen, DE erhältlich sind.
Als Katalysatoren D zur Herstellung der Polyurethane werden bevorzugt Verbindungen verwen- det, welche die Reaktion der Hydroxylgruppen enthaltenden Verbindungen der Komponente B und gegebenenfalls C mit den organischen, gegebenenfalls modifizierten Polyisocyanaten A stark beschleunigen. Genannt seien beispielsweise Amidine, wie 2,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetra- hydropyrimidin, tertiäre Amine, wie Triethylamin, Tributylamin, Dimethylbenzylamin, N-Methyl-, N-Ethyl-, N-Cyclohexylmorpholin, Ν,Ν,Ν',Ν'-Tetramethylethylendiamin, Ν,Ν,Ν',Ν'-Tetramethyl- butandiamin, Ν,Ν,Ν',Ν'-Tetramethylhexandiamin, Pentamethyldiethylentriamin, Tetramethyl- diaminoethylether, Bis-(dimethylaminopropyl)-harnstoff, Dimethylpiperazin, 1 ,2-Dimethylimi- dazol, 1 -Aza-bicyclo-(3,3,0)-octan und vorzugsweise 1 ,4-Diazabicyclo-(2,2,2)-octan und Alka- nolaminverbindungen, wie Triethanolamin, Triisopropanolamin, N-Methyl- und N-Ethyldietha- nolamin und Dimethylethanolamin. Ebenso kommen in Betracht organische Metallverbindun- gen, vorzugsweise organische Zinnverbindungen, wie Zinn-(ll)-salze von organischen Carbonsäuren, z.B. Zinn-(ll)-acetat, Zinn-(ll)-octoat, Zinn-(ll)-ethylhexoat und Zinn-(ll)-laurat und die Dialkylzinn-(IV)-salze von organischen Carbonsäuren, z.B. Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndi- laurat, Dibutylzinnmaleat und Dioctylzinndiacetat, sowie Bismutcarboxylate, wie Bismut(lll)-neo- decanoat, Bismut-2-ethylhexanoat und Bismutoctanoat oder Mischungen davon. Die organi- sehen Metallverbindungen können allein oder vorzugsweise in Kombination mit stark basischen Aminen eingesetzt werden. Handelt es sich bei der Komponente (b) um einen Ester, werden vorzugsweise ausschließlich Aminkatalysatoren eingesetzt.
Vorzugsweise verwendet werden 0,001 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 2 Gew.-% Kataly- sator bzw. Katalysatorkombination, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten B und gegebenenfalls C.
Die erfindungsgemäßen glasartigen Polyurethane mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 15 °C können nicht geschäumte, feste Materialien mit einer Dichte von im Allgemeinen größer als 1000 kg/m3 oder Schäume sein. Als Treibmittel zur Herstellung von Schäumen wird vorzugsweise Wasser (Komponente E) eingesetzt, das mit Isocyanatgruppen unter Abspaltung von Kohlendioxid reagiert. In Kombination mit oder an Stelle von Wasser können auch sogenannte physikalische Treibmittel eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um gegenüber den Einsatzkomponenten inerte Verbindungen, die zumeist bei Raumtemperatur flüssig sind und unter den Bedingungen der Urethanreaktion verdampfen. Vorzugsweise liegt der Siedepunkt unter 100°C. Die physikalischen Treibmittel F werden zumeist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkanen und/oder Cycloalkanen mit mindestens 4 Kohlenstoffatome, Dialkylethern, Estern, Alkoholen, Ketonen, Acetalen, Fluoralkanen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und Tetraalkylsilanen. Als Beispiele seien genannt: Propan, n-Butan, iso- und Cyclobutan , n-, iso- und Cyclopentan, Cyclohexan, Dimethylether, Methylethylether, Methylbutylether, Ameisensäuremethylester, Ter- tiarbutanol, Aceton sowie Fluoralkane, die in der Troposphäre abgebaut werden können und deshalb für die Ozonschicht unschädlich sind, wie Trifluormethan, Difluormethan, 1 ,1 ,1 ,3,3-Pen- tafluorbutan, 1 ,1 ,1 ,3,3-Pentafluorpropan, 1 ,1 ,1 ,2,3-Pentafluorpropen, 1 -Chlor-3,3,3-trifluorpro- pen, 1 ,1 ,1 ,2-Tetrafluorethan, Difluorethan und 1 ,1 ,1 ,2,3,3,3-Heptafluorpropan sowie Perfluor- alkane, wie, C3F8, C4F10, C5F12, CeF-u, und C7F17. Besonders bevorzugt sind Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise Pentane, insbesondere Cyclopentan. Die genannten physikalischen Treibmittel können allein oder in beliebigen Kombinationen untereinander eingesetzt werden.
Wenn Wasser als einziges Treibmittel eingesetzt wird, dann beträgt die Menge an Wasser be- vorzugt 0,05 bis 3 Gew.-Teile, bezogen auf die Polyolkomponenten B und gegebenenfalls C. Wird ein physikalisches Treibmittel eingesetzt, so beträgt dessen Menge bevorzugt 0,1 bis 30 Gew.-Teile, bezogen auf die Polyolkomponenten B und gegebenenfalls C.
Die Schäume werden in der Regel in einer Form hergestellt. Die Dichte der Schäume beträgt im Allgemeinen 100 bis 1000 kg/m3. Solche Schäume werden manchmal in der Fachliteratur als mikrozelluläre Schaumstoffe bezeichnet.
Der Reaktionsmischung zur Herstellung der Polyurethanschäume können gegebenenfalls auch noch Hilfsmittel und/oder Zusatzstoffe E zugegeben werden. Genannt seien als Hilfsmittel und/oder Zusatzstoffe E beispielsweise oberflächenaktive Substanzen, Schaumstabilisatoren, Zellregler, weitere Trennmittel, Füllstoffe, Farbstoffe, Pigmente, Hydrolyseschutzmittel, flammhemmende Mittel, geruchsabsorbierende Substanzen und fungistatische und/oder bakteriosta- tisch wirkende Substanzen. Als oberflächenaktive Substanzen kommen z.B. Verbindungen in Betracht, welche zur Unterstützung der Homogenisierung der Ausgangsstoffe dienen und gegebenenfalls auch geeignet sind, die Zellstruktur zu regulieren. Genannt seien beispielsweise Emulgatoren, wie die Natriumsalze von Ricinusölsulfaten oder von Fettsäuren, sowie Salze von Fettsäuren mit Aminen, z.B. ölsaures Diethylamin, stearinsaures Diethanolamin, ricinolsaures Diethanolamin, Salze von Sulfonsäuren, z.B. Alkali- oder Ammoniumsalze von Dodecylbenzol- oder Dinaphthylmethan- disulfonsäure, und Ricinolsäure; Schaumstabilisatoren, wie Siloxan-Oxalkylen-Mischpolymeri- sate und andere Organopolysiloxane, oxethylierte Alkylphenole, oxethylierte Fettalkohole, Paraffinöle, Ricinusöl- bzw. Ricinolsäureester, Türkischrotöl und Erdnussöl, und Zellregler, wie Paraffine, Fettalkohole, Polyoxyalkylen-Polysiloxancopolymere und Dimethylpolysiloxane. Zur Verbesserung der Emulgierwirkung, der Zellstruktur und/oder Stabilisierung des Schaumes eignen sich ferner oligomere Acrylate mit Polyoxyalkylen- und Fluoralkanresten als Seitengruppen. Die oberflächenaktiven Substanzen werden üblicherweise in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.- Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile der Komponente B und gegebenenfalls C, eingesetzt.
Als Füllstoffe, insbesondere verstärkend wirkende Füllstoffe, sind die an sich bekannten, üb- liehen organischen und anorganischen Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Beschwerungsmittel, Be- schichtungsmittel geeignet. Im einzelnen seien beispielhaft genannt: anorganische Füllstoffe, wie silikatische Mineralien, beispielsweise Schichtsilikate, wie Antigorit, Bentonit, Serpentin, Hornblenden, Amphibole, Chrisotil und Talkum, Metalloxide, wie Kaolin, Aluminiumoxide, Titanoxide, Zinkoxid und Eisenoxide, Metallsalze wie Kreide und Schwerspat, und anorganische Pigmente, wie Cadmiumsulfid, Zinksulfid sowie Glas u.a. Vorzugsweise verwendet werden Kaolin (China Clay), Aluminiumsilikat und Copräzipitate aus Bariumsulfat und Aluminiumsilikat. Auch können anorganische Fasern zugesetzt werde, zum Beispiel Glasfasern. Als organische Füllstoffe kommen beispielsweise in Betracht: Russ, Melamin, Kollophonium, Cyclopentadienyl- harze und Pfropfpolymerisate sowie Cellulosefasern, Polyamid-, Polyacryl
nitril-, Polyurethan-, Polyesterfasern auf der Grundlage von aromatischen und/oder aliphatischen Dicarbonsäureestern und insbesondere Kohlenstofffasern.
Die anorganischen und organischen Füllstoffe können einzeln oder als Gemische verwendet werden und werden der Reaktionsmischung vorteilhafterweise in Mengen von 0,5 bis 50 Gew.- %, vorzugsweise 1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Komponenten A bis D, zugegeben.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert. Beispiele
Es wurde ein unfunktionalisiertes Polybutadien eingesetzt, dass unter dem Handelsnamen
Lithene® Ultra AL von der Firma Synthomer Ltd. vertrieben wird. Es weist eine zahlenmittlere Molmasse von 750 g/mol auf und setzt sich, bezogen auf die Menge aller Doppelbindungen, aus ca. 38 mol.-% 1 ,4-cis/trans, ca. 36 mol.-% 1 ,2-vinylischen und ca. 26 mol.-% 1 ,2-cycloviny- lischen Einheiten zusammen.
Die Umsätze der Doppelbindungen bei der Epoxidierung von Polybutadienen wurden per 1H- NMR-Spektroskopie in c/-Chloroform bestimmt.
Die Epoxidgehalte der modifizierten Polybutadiene wurden nach einer Methode von Jung und Kleeberg bestimmt, wie beschrieben in Fres. J. Anal. Chem. 1962, 387. Die OH-Zahlen der Po- lyole wurden nach DIN 53240-2 mittels potentiometrischer Titration bestimmt. Die dynamischen Scherviskositäten wurden mit einem Rheometer AR-G2 der Fa. TA Instruments bestimmt. Die Messungen erfolgten bei der angegebenen Temperatur im Steady State- Modus bei Scherfrequenzen zwischen 0,1 und 100 Hz mit einer Kegel-Platte-Geometrie (Durchmesser: 40 mm, Winkel: 2°).
Die Glastemperaturen wurden mittels DSC bestimmt. Unvernetzte Materialien wurden von Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/min auf -100°C gekühlt. Die Temperatur wurde 4 min lang gehalten. Schließlich wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min auf 100°C erhöht und die Glastemperatur in dieser Heizphase im Wendepunkt der Wärmestromkurve bestimmt. Die vernetzten Materialien wurden innerhalb von 12 Minuten zunächst auf 100°C erwärmt und anschließend innerhalb von 22 Minuten auf -90°C gekühlt. In der zweiten Heizphase wurde die Temperatur mit 20°C/min auf 255°C erhöht. Die Glastemperatur wurde in der zweiten Heizphase im Wendepunkt der Wärmestromkurve bestimmt. Die Zugversuche erfolgten nach DIN 53504 an S2-Schulterstäben mit optischer Wegverfolgung. Shore-Härten wurden nach DIN 53505 bestimmt.
Die Bestimmung der Wasseraufnahme erfolgte an passgenau für Diarahmen zugeschnitten PU- Platten von ca. 3 x 4 cm2. Die Proben wurden fünf Stunden lang in Wasser mit einer Tempera- tur von 100 °C gestellt. Die Proben wurden schließlich trockengetupft, und aus der Massendifferenz wurde der Quellgrad berechnet.
Beispiel 1 : Herstellung von teilepoxidierten Polybutadien-Oligomeren In einem konischen 10 L-Stahlreaktor wurden 1000 g Lithene® Ultra AL in 5667 g Toluol gelöst und auf 60°C geheizt. Nach Zugabe von 43,8 g 98%iger Ameisensäure wurde mit 300 rpm innig gemischt. Über 7,5 Stunden wurden kontinuierlich 70, 100 oder 130 mL/Stunde Wasserstoffperoxid zugegeben. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch zweimal mit gesättigter Natri- umhydrogencarbonat-Lösung und einmal mit gesättigter Natriumchlorid-Lösung gewaschen. Die organische Phase wurde mit Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel unter reduziertem Druck bei 60°C entfernt. Die Eigenschaften der erhaltenen hellgelben, viskosen Öle sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 : teilepoxidierte Polybutadiene
Bezeichnung EPB 1 EPB 2 EPB 3
Dosiergeschwindigkeit H2O2 [mL/h] 70 100 130
Ausbeute [g] 966,1 101 1 ,1 1015,3
Epoxidanteil 20,0 24,2 27,3
Epoxidanteil [mol/100g] 0,225 0,261 0,291
Tg [°C] -40,0 -37,9 -35,5
η @ 40 °C [Pa-s] 4,66 6,00 7,47 1) bezogen auf alle Doppelbindungen des Edukts
Beispiel 2: Herstellung von Polybutadienpolyolen In einem 6 L-Glasreaktor wurden 900 g für die Herstellung der Polyole 1 und 2 bzw. 450 g für die Herstellung von Polyol 3 der teilepoxidierten Lithene® Ultra AL in 1800 g 1 -Propanol bei der angegebenen Temperatur erwärmt und gelöst. Nach Zugabe einer entsprechenden Menge einer 10%igen Lösung von Trifluormethansulfonsäure (TfOH) in 1 -Propanol wurde die angegebene Zeit lang gerührt. Anschließend wurde die Mischung mit Natriumhydrogencarbonat neutrali- siert, und unlösliches Salz wurde nach dem Abkühlen der Mischung abfiltriert. Von dem Filtrat wurde unter reduziertem Druck bei bis zu 95°C überschüssiges 1 -Propanol entfernt. Die Eigenschaften der erhaltenen hellgelben, viskosen Öle sind in Tabelle 2 zusammengefasst. hydroxylmodifizierte Polybutadienole
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Beispiel 3: Herstellung eines glasartigen Polyurethans
Für die Verarbeitung zum Polyurethan wurden die Polybutadienpolyole aus Tabelle 2 und poly- meres MDI (Lupranat® M20 von BASF SE, Ludwigshafen, DE) mit einem NCO-Wert von 31 ,5% auf 60°C temperiert. Die Polyol-Komponente enthielt neben dem Polybutadienpolyol optional ein Quecksilbersalz als Katalysator. Die Mischung der Komponenten erfolgte in einem Speedmixer der Fa. Hausschild GmbH für eine Minute bei 2000 rpm. Für die Herstellung von PUR 2 wurden in einem Becher für die A-Komponente 62,74 g Polybu- tadienol 4 mit 0,07 g Katalysator eingewogen und im Speedmixer blasenfrei gemischt. Anschließend wurde die A-Komponente für mindestens 30 Minuten bei 60°C (Verarbeitungstemperatur) gelagert, ehe die Isocyanat-Komponente B zugegeben wurde. B-Komponente und A- Komponente wurden vermischt. Das Gemisch wurde in eine auf 70°C temperierte Aluminium- form von ca. 150 x 200 x 2 mm3 gegossen und mit einem Kunststoffstab glatt gestrichen. 20 Minuten nach dem Abbinden (offene Zeit; Verarbeitungszeit bei 70°C) wurde das Material ent- formt und für 4 Stunden bei 80°C getempert. Das transparente glänzende Polyurethan wurde vor der Charakterisierung mindestens 7 Tage bei 23°C und 50% Luftfeuchtigkeit gelagert.
In Tabelle 3 sind die Eigenschaften weiterer Polyurethane aus Polybutadienolen zusammenge- fasst.
Tabelle 3: glasartige PUR-Materialien
Figure imgf000016_0001
Vergleichsbeipiel 1
Ein weiteres unfunktionalisiertes Polybutadien, das unter dem Handelsnamen Lithene® Ultra PM4 von der Firma Synthomer vertrieben wird, wurde umgesetzt. Es weist im Vergleich zum beschriebenen Lithene® Ultra AL eine zahlenmittlere Molmasse von 2000 g/mol und einen 1 ,2- vinylischen und 1 ,2-cyclovinylischen Anteil von zusammen 21 %, bezogen auf die Menge aller Doppelbindungen, auf. Weiterhin wurde ein Polybutadien Lithene® Ultra AL verwendet. Die Epoxidierung von Lithene® Ultra PM4 und Lithene® Ultra AL erfolgte entsprechend dem Beispiel 1 und lieferte teilepoxidierte Polybutadien-Oligomere mit den in Tabelle 4 zusammenge- fassten Eigenschaften.
Tabelle 4: Teilepoxidierte Polybutadiene
Bezeichnung EPB 4 EPB 5
Polybutadien-Typ Lithene® Ultra AL Lithene® ultraPM4
Dosiergeschwindigkeit H2O2 [mL/h] 30 50
Epoxidanteil [%]1 9,3 14,9
Epoxidanteil [mol/100g] 0,125 0,225
Tg [°C] -48,2 -76,1
η bei 40 °C [Pa-s] 2,24 0,986 ) bezogen auf alle Doppelbindungen des Edukts Vergleichsbeispiel 2 Die Öffnung der Epoxide der teilepoxidierten Polybutadiene aus Tabelle 4 mit 1 -Propanol, entsprechend Beispiel 2, lieferte Polybutadienole mit den in Tabelle 5 zusammengefassten Eigenschaften.
Tabelle 5: Hydroxyl-modifizierte Polybutadienole
Figure imgf000017_0001
Vergleichsbeispiel 3 Die Vernetzung der Polybutadienpolyole aus Tabelle 5 mit Isocyanaten, entsprechend dem Beispiel 3, lieferte Materialien mit den in Tabelle 6 zusammengefassten Eigenschaften.
Tabelle 6: PUR-Materialien
Bezeichnung PUR 4 PUR 5
Polyol-Name Polyol 4 Polyol 5
Index 100 100
Katalysator 0,1 0,1
Offene Zeit bei 70 °C [min] 4,6 9,2
Tg [°C] -13,5 -22,1
E-Modul [MPa] 0,92 6,78
Zugfestigkeit [MPa] 1 ,42 6,4
Reißdehnung [%] 95 76
Shore D <10 20
Quellgrad [%] 0,50 0,54 Die Beispiele und Vergleichsbeispiele zeigen, dass die Polybutadienole bereits mit hohen Hydroxyläquivalentmassen zu vernetzten Polyurethanen mit Glastemperaturen oberhalb von 25°C umgesetzt werden können. Die Materialien weisen durch die hydrophobe Eigenschaft des Polybutadiens sehr geringe Quellgrade in Wasser auf. Zudem enthalten die Polymere keine hydrolyseempfindlichen Reaktionsstellen. Durch den Verzicht auf einen Katalysator lassen sich Rezepturen mit wesentlich längeren Verarbeitungszeiten erzeugen, bevor es zu einer Vernetzung des Materials kommt. Durch Zugabe eines Katalysators kann die Verarbeitungszeit beliebig verkürzt werden, wobei die Materialeigenschaften der erhaltenen Polyurethane im Wesentlichen unverändert bleiben.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von Polybutadienolen aus Polybutadienen mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 300 bis 2000 g/mol enthaltend 20 bis 50% 1 ,4-Doppel- bindungen und 50 bis 80% 1 ,2-vinylischen und 1 ,
2-cyclovinylischen Doppelbindungen, bezogen auf die Menge aller Doppelbindungen, umfassend die Schritte i) Epoxidierung eines Teils oder aller 1 ,4-Doppelbindungen mit einem Epoxidierungs reagenz, das selektiv 1 ,4-Doppelbindungen epoxidiert,
ii) Umsetzung des epoxidierten Polybutadiens mit einem Alkohol oder Wasser zu einem Polybutadienol.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidierungsreagenz Perameisensäure ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ein Mo- noalkohol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ein primärer Alkohol ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, 1 -Propanol und 1 -Butanol.
Polybutadienole, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Polybutadienole nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroxyläquivalent- masse 250 bis 750 g beträgt.
Polybutadienole nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie > 90% sekundäre OH-Gruppen, bezogen auf die Menge aller OH-Gruppen, enthalten.
Polyurethane mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 15°C, erhältlich durch Umsetzung von
a) Polyisocyanaten A mit
b) Polybutadienolen B gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8,
c) gegebenenfalls weiteren Verbindungen C mit mindestens 2 gegenüber Isocyanaten reaktiven Wasserstoffatomen,
d) gegebenenfalls Katalysatoren D,
e) gegebenenfalls Wasser E, f) gegebenenfalls physikalischen Treibmitteln F,
g) gegebenenfalls weiteren Hilfsmitteln und/oder Zusatzstoffen G.
Verwendung von Polybutadienolen gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 zur Herstellung von Polyurethanen mit einer Glasübergangstemperatur von mindestens 15°C.
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