DE1720639B2 - Verfahren zur herstellung von waessrigen, emulgatorfreien, anionischen polyurethandispersionen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von waessrigen, emulgatorfreien, anionischen polyurethandispersionenInfo
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Description
überraschenderweise wurde nun gefunden, daß gut reproduzierbare und lichtechte, emulgatorfreie
Polyurethan-Dispersionen, hergestellt werden können,
indem als anionische Kettenverlängerungsmittel die leicht zugänglichen Salze von Diamino-amid-carbonsäuren
der Formel
R' R RR'
NH2-(CH2)„-CH — CM — N-CH - CH - (CH2Jn
CO -NH,
COOMe
indern = Ooder 1 ist,R, R'= H, C,-C6-Alkyl, vor- ,5 NH3R", wobei R"= C,-C4-Alkyl ist, bedeutet,
zugsweise H oder Methyl, A die Reste
-CH2-CH2- -CH2-CH2-CH,-
CH3O
und Me = Li, Na, K, Rb, Cs,
nhr;'. NH2R2-
R' R
verwendet werden. Die aus den Salzen dieser Diaminoamid-carbonsäuren
hergestellten Dispersionen sind auch besonders wirtschaftlich herstellbar und
erlauben die Herstellung von lichtechten Filmen, Folien, Fäden, Beschichtungen, Imprägnierungen, Verklebungen
und Zwischenschichten.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von wäßrigen, emulgatorfreien,
anionischen Polyurethandisperionen mit einem Gehalt von 0,05 bis 8 Gewichtsprozent an COO-Gruppen,
bezogen auf das Polyurethan, durch Umsetzung von im wesentlichen linearen Hydroxyl-,
Carboxyl-, Amino- und/oder Mercaptogruppen aufweisenden Verbindungen mit einem Molekulargewicht
von 300 bis 20 000 und/oder niedermolekularen Glykolen, Diaminen, Aminoalkoholen und/oder Wasser
mit Diisocyanaten und Alkali- oder Ammoniumsalzen von Diaminocarbonsäuren, und überführung
der Polyurethane in wäßrige Dispersionen, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkali- oder Ammoniumsalze
von Diaminocarbonsäuren die Salze von Verbindungen der allgemeinen Formel
R'
NH2-(CH2Jn-CH — CH — N-CH — CH — (CH2),- NH2
CO A
COOMe
verwendet, in der η = O oder 1 ist, R und R'Wasserstoff
oder einen Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, A die Reste
—CH,-CH,-
CH1O
Cl
und Me = Li, Na, K, Rb, Cs, NH4, NHR3", NH2R2"
oder NH3R", wobei R" ein Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
ist, bedeutet.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Alkali- oder Ammoniumsalze der Diamino-amid-carbonsäuren
werden z. B. durch Addition von cyclischen Dicarbonsäureanhydriden, wie Phthalsäureanhydrid,
Maleinsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid, Di-. Tetra- und Hexahydrophthalsäureanhydrid an Dl·
(cyanalkyl)-amine, wie Imino-bis-propionitril oder
Imino-bis-isobutyronitril, Überführung in die Salzform
durch Zugabe von Alkalien, Ammoniak oder primären, sekundären oder tertiären Aminen, wie
Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Kaliumcarbonat,
Triäthylamin, Tributylamin, Triisopro-
'f
5 V 6
pyl-amin und anschließende Hydrierung der Nitriigruppen hergestellt. Beispiele hierfür sind die folgenden
Verbindungen:
NH2-CH2-CH2-N-CH2-CH2-Nh2
CO
CH2-CH2-COOK
CH2-CH2-COOK
CH3 CH3
NH2-CH2-CH-CH2-N-CH2-CH-Ch2-NH2
COOLi
C2H5 C2H5
C2H5 C2H5
NH2-CH2-CH — N-CH-CH2-NH2
CO-CH2-CH2-CH2-COONa
Als Ausgangskomponenten tür die Herstellung der Dispersionen gemäß Erfindung können z. B. die in
der französischen Patentschrift 14 16463 und in der belgischen Patentschrift 6 73 432 aufgeführten höher-
bzw. niedermolekularen Verbindungen mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen bzw. Polyisocyanaten verwendet
werden.
Als höhermolekulare Verbindungen mit mehreren aktiven Wassfrstoffatomen kommen im wesentlichen
lineare Verbindungen mit einem Molekulargewicht von etwa 300—20000, vorzugsweise 600—4000, in
Frage, die Hydroxyl-, Carboxy-, Amino- und/oder Mercaptogruppen aufweisen. Bevorzugt sind Polyhydroxyverbindungen,
wie Hydroxylgruppen aufweisende Polyester, Polyacetale, Polyäther, Polyamide und Polyesteramide. Die Hydroxylzahl dieser
Verbindungen beträgt in der Regel etwa 10—100, vorzugsweise 50—70. Als niedermolekulare Verbindungen
mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen kommen gegebenenfalls Glykole, Diamine, Aminoalkohole
und Wasser in Frage. Diese Verbindungen können entweder ohne Anwesenheit von höhermolekularen
Verbindungen der angeführten Art oder in Verbindung mit den höhermolekularen Verbindungen
mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen verwendet werden, wobei diese niedermolekularen Verbindungen
in der Regel Molekulargewichte bis etwa 300 aufweisen. Es ist aber auch möglich, ganz in Abwesenheit
dieser niedermolekularen Verbindungen zu arbeiten.
Als Polyisocyanate sind alle aromatischen und aliphatischen Diisocyanate geeignet, bevorzugt sind
für die Herstellung von am Licht nicht verfärbenden Polyurethanmassen besonders die aliphatischen oder
cycloaliphatischen Diisocyanate, wie Butan-l,4-diisocyanat, 1,6-Hexandiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat,
Cyclohexandiisocyanat-(1,4), 1-Methylcyclohexan-2,4-
und -2,6-diisocyanat, sowie deren Gemische. Als aromatische Diisocyanate seien 1,3-
und 1,4-Phenyiendiisocyanat, 2,4- und 2,6-Toluy!endiisocyanat
bzw. Gemische dieser Isomeren oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat genannt.
Bei der Herstellung der wäßrigen, emulgatorfreien Polyurethan-Dispersionen gemäß Erfindung wird
zweckmäßig zunächst aus der Verbindung mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit einem Molekulargewicht
von 300—20000, vorzugsweise 600 bis 4000, Diisocyanaten und den gegebenenfalls mit zu-
verwendenden niedermolekularen Verbindungen mit reaktionsfähigen Wasserstoffatomen ein Isocyanatgruppen
enthaltendes Voraddukt hergestellt und in organischer Lösung mit dem gegebenenfalls in Lösung
vorliegenden erfindungsgemäß zu verwendenden Salz
der Amidgruppen enthaltenden Diaminocarbonsäure umgesetzt. Die entstehenden, überwiegend linearen
oder verzweigten, hochmolekularen, anionischen Polyurethane, werden durch Zugabe von Wasser in die
wäßrige Phase übergeführt und das organische Lö-
sungsmittel gleichzeitig oder anschließend völlig oder
teilweise entfernt.
Im Falle der Verwendung von Aminogruppen aufweisenden,
höher- und/oder niedermolekularen Verbindungen als Ausgangsmaterial ist es auch möglich,
alle Komponenten gleichzeitig in organischer, organisch-wäßriger oder wäßriger Lösung umzusetzen.
Grundsätzlich kann auch so vorgegangen werden, daß das Salz der Amidgruppen enthaltenden Diaminocarbonsäure
in wäßriger Lösung vorgelegt und das Isocyanatgruppen enthaltende Voraddukt
eingerührt wird. Es ist auch möglich, das gesamte Wasser zusammen mit dem Salz der Amidgruppen
enthaltenden Diaminocarbonsäure dem Isocyanatgruppen enthaltenden Voraddukt zuzusetzen.
Als Lösungsmittel für das Isocyanatgruppen enthaltende Voraddukt werden vorzugsweise niedrigsiedende
organische Lösungsmittel wie Aceton, Tetrahydrofuran, Methyläthylketon und tertiäres Butanol
verwendet, wobei es auch durchaus möglich ist, mit Wasser nicht mischbare, niedrigsiedende Lösungsmittel,
wie Benzol und Methylenchlorid, einzusetzen. Als Lösungsmittel fur das Salz der Amidgruppen
enthaltenden Diaminocarbonsäure können niedrigsiedende Alkohole, wie Methanol und Äthanol oder
Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen anderer organischer Lösungsmittel, verwendet werden. Das Isocyanatgruppen
enthaltende Voraddukt wird in der Regel zweckmäßig bei höheren Temperaturen her-
gestellt, wobei bei Verwendung von aliphatischen Diisocyanaten Temperaturen zwischen 110 und 130 C
gewählt werden. Bei aromatischen Diisocyanaten genügen im allgemeinen 60—lOOC. Bei der Herstellung
des Voradduktes wird die Menge an Diisocyanat vorzugsweise so gewählt, daß alle mit Isocyanatgruppen
reaktionsfähigen Gruppen reagieren; darüber hinaus kann ein geringer Überschuß an
Diisocyanaten verwendet werden. Im allgemeinen ist das Verhältnis der Isocyanatgruppen zu den mit
Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen nicht größer als 1,3.
Nach dem Abkühlen der Schmelze wird das Voraddukt mit dem organischen Lösungsmittel aufgenommen
und bei 20 80 C mit dem gegebenenfalls in Lösung vorliegenden Salz der Amidgruppen enthaltenden
Diaminocarbonsäure versetzt. Das Voraddukt kann, falls bei seiner Herstellung zu hohe
Viskositäten auftreten, auch unter Zusatz von Lösungsmitteln, wie Aceton, Tetrahydrofuran oder Mcthyläthylketon,
hergestellt werden.
Der Anteil der Carboxylgruppen —COO im
Polyaddukt bzw. Polyurethan beträgt 0.05 bis 8, vorzugsweise 0,5 -4 Gewichtsprozent. Dementsprechend
sind die anzuwendenden Mengen an Amidgruppen aufweisender Diaminocarbonsäure zu wählen.
Der Carboxylatgruppengehalt läßt sich somit in weiten Grenzen variieren. Er soll jedoch die genannte
untere Grenze nicht unterschreiten, da sonst die Stabilität der Dispersionen, die erfindungsgemäß
ohne Verwendung von Hilfsmitteln, wie Emulgatoren. Dispergatoren oder Quellmitteln, aufgebaut sind,
beeinträchtigt wird.
Zur überführung in die wäßrige Phase wird das organische Lösungsmittel durch Abdestillation oder
Ausblasen.z. B. bei Temperaturen zwischen 30und 80 C. entfernt. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel im
Vakuum abgezogen.
Man kann so wäßrige Dispersionen in Gestalt niedrig- bis hochviskoser, nicht sedimentiercnder
Latices mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 0.02 und 1,0 u. vorzugsweise 0.05—0.2 μ. und einem
Festkörpergehalt in der Regel von 20 60%. erhalten.
Die Dispersionen gemäß Erfindung sind stabil. lager- und versandfähig und können zu beliebig
späterem Zeitpunkt formgebend verarbeitet werden.
Die Dispersionen trocknen im allgemeinen bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen unmittelbar
zu formstabilen Folien und überzügen auf. Höhere Temperaturen sind dabei bevorzugt. Die
Dispersionen gemäß Erfindung können noch anschließend vernetzt werden, δ. B. durch polyfunktionelle.
vernetzend wirkende Substanzen, wie Formaldehyd oder Formaldehyd abgebende oder wie
Formaldehyd reagierende Substanzen, wie Hexamethylolmelamin
oder Carbamidharze, ferner durch Phenolharze, verkappte Polyisocyanate oder Polyepoxide.
Dabei werden dann vernetzte überzüge. Imprägnierungen und Haftschichten erhallen. f>°
Dispersionen gemäß Erfindung werden vor allem als Beschichtungen und Imprägnierungen Tür die unterschiedlichsten
Substrate, wie Papier. Pappe. Textilien. Leder. Vliese. Holz und Metalle, als Hartvermittler.
Binder und Kleber und zur Herstellung von Fäden, fts
Filmen und Folien verwendet. Die aus den Dispersionen erhaltenen Formartikel. Beschichtungen
und Imprägnierungen zeichnen sich durch gute Wasser- und ölbeständigkeit aus und erweisen sich vor
allem gegenüber den gemäß der belgischen Patentschrift 6 73 432 unter Verwendung von z. B. Ornithin
und Lysin hergestellten Produkten in wünschenswerter Weise als weicher.
Die Dispersionen können mit anionischen Polymerisat- oder Copolymerisat-Dispersionen, beispielsweise
von Vinylchlorid, Äthylen, Styrol, Butadien, Vinylidenchlorid, Vinylacetat, Acrylat und Acrylnitril
verschnitten werden. Ebenso können auch Füllstoffe. Weichmacher, Pigmente, Ruß, Aluminium,
Ton-Asbest- und Teer-Dispersionen in die Dispersionen eingearbeitet werden.
Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Diaminocarbonsäuren
A)(NH2-CH2CH2CH2 J)2N-CO~CH2CH2-COONa
In eine Suspension von 100 g Bernsteinsäureanhydrid in 200 ml Äthanol tropft man bei 10—20°C unter
Kühlung 123 g Di-(2-cyanäthyl)-amin. Die Reaktionsmischung wird anschließend 1 Stunde bei 20—40' C
gerührt, wobei zunächst eine klare Lösung entsteht, aus welcher sich rasch ein farbloser Kristallbrei
bildet. Die entstandenen Kristalle des Bernstcinsäure-N-di-(2-cyanäthyl)-amids werden abgesaugt und
getrocknet (Ausbeute: 159 g farblose Kristalle. Fp.: 112
bis 114 C).
111,5g der so erhaltenen Amidsäure werden in
600 ml Methanol unter Erwärmen gelöst. Zur Neutralisation der Säure gibt man in die Lösung 20 g
Natriumhydroxid-Pulver und verdünnt mit 150 ml Methanol. Das so gebildete Natriumsalz der Amidsäure
wird anschließend in einem Rührautoklav bei 80 C in Gegenwart von 25 g Raney-Kobalt unter
einem Wasserstoffdruck von 150 atü katalytisch hydriert. Nach Aufnahme der theoretischen Menge
Wasserstoff wird entspannt, der Katalysator durch Filtration abgetrennt und die entstehende hellgelbe
Lösung unter vermindertem Druck eingedampft. Im Rückstand bleiben 134 g des Natriumsalzes der
Diaminoamidsäure obiger Formel in Form eines rötlichen Öles. Durch Titration mit I n-Salzsäure
wird der Amingehalt ermittelt. Er beträgt 95% der Theorie.
/Y
COONa
CO- N(—CH2CH2CH2- NH2 )2
In eine Lösung von 148 g Phthalsäureanhydrid in 200 ml Aceton tropft man 123 gDi-(2-cyanäthyl)-amin.
wobei die Temperatur der Lösung von 20 C auf 50 C ansteigt. Man rührt anschließend noch 1 Stunde bei
50 C nach und dampft dann die hellgelbe Lösung im Vakuum ein. Im Rückstand bleiben 280 g eines
viskosen gelben Öles, welches nach längerem Stehen kristallisiert. Die Kristalle der so erhaltenen Amidsäure
schmelzen nach dem Waschen mit Essigestcr und anschließendem Trocknen bei 139 140 C (Ausbeute:
215 g farblose Krislalle).
100 g der nach obiger Vorschrift erhaltenen Amidsäure werden in 4(K) ml Methanol warm gelöst, dann
mit 14.Xi! NaOH-Pulver versetzt und nach Verdünnen mil weiteren 2(M) ml Methanol in (icjienwarl
609 584/452
von 20 g Raney-Kobalt bei 80 C und einem Wasserstoffdruck
von 150 atü katalytisch hydriert. Nach
Abtrennen des Katalysators erhält man eine gelbe Lösung, welche im Vakuum eingedampft wird. Im
Rückstand bleiben 110 g des Natriumsalzes der Diaminoamidsäure in Form eines rötlichen hochviskosen Öles. Durch Titration mit I n-Salzsäure
wird der Amingehalt ermittelt. Er beträgt 86% der Theorie.
25Og Adipinsäure-Äthylenglykol-Polyester (OH-Zahl
56) werden bei 120 C 30 Minuten entwässert und anschließend 2 Stunden mit 38 g 1.6-Hexandiisocyanat
bei 120c C umgesetzt. Dieses Isocyanatgruppen aufweisende Voraddukt wird auf 55 C abgekühlt
und mit 700 ml Aceton aufgenommen. Zu dieser acetonischen Voradduktlösung wird unter schnellem
Rühren eine Lösung aus 15,8 g Natrium-succinat-bis-N,N-(--aminopropyl)-amid
(hergestellt gemäß A) in 80 ml Wasser gegeben. Anschließend werden 450 ml Wasser eingerührt. Der Ansatz wird nachgerührt,
bis die zunächst auftretenden Schlieren verschwunden sind und der Ansatz homogen geworden ist. Das
Aceton wird im Wasserstrahlvakuum bei 55 C abdestilliert. Die erhaltene Dispersion hat einen Festkörpergehalt
von 44% bei einem Restacetongehalt von 0,5%.
425 g Adipinsäure-1,6-Hexandiol-NeopentylelykoI-Polyester
(Molverhältnis 30:22:12: OH-Zahl 66.6) werden bei 120 C 30 Minuten entwässert und anschließend
2 Stunden mit 76 g 1,6-Hexandiisocyanat bei 120 C umgesetzt. Das Isocyanatgruppen aufweisende
Voraddukt wird abgekühlt und mit 1500 m Aceton aufgenommen. In diese Voradduktlösunsj
werden 37.6 g Natrium-phthalat-bis-N,N-(;-aminopropyO-amid
(hergestellt gemäß B) in 150 ml Wasser gegeben. Nach kurzem Nachrühren werden 700 ml
Wasser zugefügt, und das Aceton wird im Vakuum abgezogen. Die erhaltene Dispersion hat einen Festkörpergehalt
von 42%.
250 g Adipinsäure-Äthylenglykol-Polyester (OH-Zahl 56) werden bei 120 C 30 Minuten entwässert
und anschließend mit 41 g Methylcyclohexan-diisocyanat-Isomerengemisch
(Isomerenverhältnis von 2.4-Diisocyanat zu 2.6-Diisocyanat 80:20) 2 Stunden bei
120 C umgesetzt. Die Voraddukischmelze wird auf 55 C abgekühlt und mit 700 ml Aceton aufgenommen.
Zu der acetonischen Lösung wird unter schnellem
ίο Rühren eine Lösung aus 15,8 g Natrium-succinatbis-N,N-(y-aminopropyl)-amid
(hergestellt gemäß A) in 80 ml Wasser zugegeben. Anschließend werden 500 ml Wasser eingerührt, und das Aceton wird im
Wasserstrahlvakuum bei 55 C abdestilliert. Die erhaltene Dispersion mit einem Festkörpergehalt von
37% trocknet zu glatten und festen überzügen auf.
Es wird wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch werden anstelle des Polyesters 250 g Polypropylenglykoläther
(OH-Zahl 56) verwendet, und die Voraddukt-Reaktion wird anstelle von 120*C bei 130 C durchgeführt.
Es wird eine stabile Dispersion mit einem Festkörpergehalt von 37.4% erhalten, die beim Auftrocknen
einen weichen, leicht klebrigen Film liefert.
Claims (1)
- 'iPatentanspruch:Verfahren zur Herstellung von wäßrigen, emulgatorfreien, anionischen Polyurethandispersionen mit einem Gehalt von 0,05 bis 8 Gewichtsprozent an COOe-Gruppen, bezogen auf das Polyurethan, durch Umsetzung von im wesentlichen linearen Hydroxyl-, Carboxyl-, Amino- und/oder Mercaptogruppen aufweisenden Verbindungen mit einem Molekulargewicht vcn 300 bis 20000 und/ oder niedermolekularen Glykolen, Diaminen, Aminoalkoholen und/oder Wasser mit Düsocyanaten und Alkali- oder Ammoniumsalzen von Diaminocarbonsäuren, und überführung der Polyurethane in wäßrige Dispersionen, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkali- oder Ammoniumsalze von Diaminocarbonsäuren die Salze von Verbindungen der allgemeinen FormelR' R RR'NH2-(CH2J11-CH — CH — N-CH — CH — (CH2Jn- NH2CO ACOOMeverwendet, in der η = 0 oder 1 ist, Fl und R' Wasserstoff oder einen Alkylrest mit i bis 6 Kohlenstoffatomen, A die ResteCH2-CH2- -CH2-CH2-CH2-CH3OCIund Me = Li, Na, K, Rb, Cs, NH4, NHR3", NH2R2" oder NH3R", wobei R" ein Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist, bedeutet.Die Herstellung von wäßrigen, emulgatorfreien OlyurethaTi-Dispersionen durch Dispergierung von alzgruppen enthaltenden Polyurethanmassen in Wasser ist bekannt. Diese in den Polyurethanen enthaltenen und mit ihnen fest verbundenen Salzgruppen üben einen Emulgatoreffekt aus und erlauben die Herstellung von Dispersionen, ohne daß bei der Dispergierung Emulgatoren oder sonstige Emulgierhilfsmittel zugesetzt werden müssen.Für die Einführung von Salzgruppen in PoIy-3« urethane sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. So ist es möglich, die Salzgruppen in das Polyurethan in Form von Salzgruppen enthaltenden Kettenyerlängerungsmitteln mit reaktionsfähigen Wasserstoflätomen einzuführen, indem diese Salzgruppen enthaltenden Kettenverlängerungsmittel mit Isocyanatgruppen enthaltenden Voraddukten umgesetzt werden. Dabei haben sich als Salzgruppen enthaltende Kettenverlängerungsmittel besonders die Salze von Diaminocarbonsäuren als geeignet erwiesen, die als Alkali- oder Ammoniumsalze eingesetzt werden.Geeignete Diaminocarbonsäuren sind beispielsweise die aus der Peptidchemie her bekannten Verbindungen wie Ornithin und Lysin. Ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Dispersion auf dieser Basis wird in der belgischen Patentschrift 6 73 432 beschrieben. Ebenfalls sind Additionsprodukte von Acrylsäuresalzen an Diamine als anionische Kettenverlängerungsmittel bekannt. Nachteilig für die Verwendung dieser Diaminocarbonsäuren ist einerseits5» ihre schlechte Zugänglichkeit und ihre schlechte technische Darstellbarkeit und andererseits die schlechte Reproduzierbarkeit sowohl der Herstellungsweise dieser Diaminocarbonsäuren als auch der aus ihnen hergestellten Polyurethan-Dispersionen.Die zugänglichen aromatischen Diaminocarbonsäuren sind meistens technische Produkte, die in den üblicherweise verwendeten Lösungsmitteln in der Regel nur mäßige Löslichkeit besitzen und besonders den aus ihnen hergestellten Polyurethanen eine hohefio Lichtempfindlichkeit und starke Vergilbungstendenz verleihen. Aus ihnen hergestellte Polyurethan-Dispersionen verfärben am Licht und liefern lichtunechte überzüge, Beschichtungen und Folien.
Aus diesen Gründen bestand nach wie vor das Problem, gut reproduzierbare und lichtechte Dispersionen, speziell Polyurethan-Dispersionen aus Diaminocarbonsäuren, die wirtschaftlich tragbar und technisch gut zugänglich sind, herzustellen.
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