DE3229312A1 - Polyurethanharz zum elektrostatischen erspinnen von kunstfasern und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Polyurethanharz zum elektrostatischen erspinnen von kunstfasern und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind Polyurethanharze und ein
Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung betrifft Polyurethanharze, die besonders geeignet zum Erspinnen
von Kunstfasern im elektrostatischen Spinnverfahren sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Polyurethanharze.
Das elektrostatische Verspinnen von Lösungen aus faserbildenden Polymerisaten ist bekannt. Das elektrostatische
Verspinnen von Polyurethanlösungen zu Fasern mit geringem Durchmesser ist beispielsweise in den US-PSen 4 043 33I
und 4 044 404 beschrieben.
Beim'elektrostatischen Verspinnen von Polyurethanen und
anderen faserbildenden Polymerisaten wird eine Lösung des Polymerisats in ein elektrostatisches Feld eingebracht.
Die Lösungströpfchen werden dabei zu Fasern in die Länge gezogen, da sie von einer Elektrode angezogen werden. Die
erhaltenen Fasern werden an der Elektrode gesammelt. Die Umgebung des Spinnvorgangs wird derart eingestellt, daß
das Lösungsmittel verdampft, während sich die Fasern im elektrostatischen Feld formen. Dadurch behalten die an der
Elektrode gesammelten Fasern ihre individuelle Identität. Zwar:kann ein gewisses Zusammenschmelzen zwischen Fasern
an den Überschneidungspunkten als Ergebnis eines Restlösungsmittelgehalts
in den Fasern vorkommen und ist häufig auch erwünscht. Gegebenenfalls wird restliches Lösungsmittel
aus der Matte der gesammelten Fasern als Teil des gesamten Spinnverfahrens entfernt.
Die im elektrostatischen Spinnverfahren erhaltenen Fasern sind dünn und haben im allgemeinen einen Durchmesser in
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der Größenordnung von 0,1 bis 25 Mikron, vorzugsweise von
0,5 bis 10 Mikron. Durch Einstellung der Verspinnbedingungen einschließlich des Molekulargewichts und der Konzentration
des Polymerisats in der Spinnlösung können Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten werden.
In allen Fällen ist es jedoch entscheidend, daß die Spinnlösung eine Zusammensetzung ist, die sich im elektrostatischen
Feld in die Länge ziehen kann. Bei der Herstellung von Fasern mit gleichmäßigem Durchmesser aus bestimmten
Polymerisatlösungen,.wozu auch Lösungen von Polyurethanen
gehören, sind dabei bestimmte Schwierigkeiten aufgetreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Polyurethanes
harz bereitzustellen, das sich besonders für die Verwendung beim elektrostatischen Erspinnen von feinen Kunstfasern
eignet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Polyurethanharzes
zu schaffen. Diese Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst.
Gegenstand der Erfindung sind demnach Polyurethanharze,
die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie hergestellt wurden durch
a) Umsetzen eines Polyätherglykols mit einem Diisocyanat
in einem organischen Lösungsmittel in einem Molverhältnis von etwa 1:2 zu einem Vorpolymerisat,
b) Umsetzen des Vorpolymerisats mit weiterem Diisocyanat und einem Diol-Extender in einem organischen Lösungsmittel
zu einem Polyurethanharz, wobei die endgültigen MolVerhältnisse von Polyätherglykol, Diisocyanat und
Diol etwa 1:3,7:2,5 betragen, und
c) Fortführen der Umsetzung mit weiteren Zugaben von organischem Lösungsmittel, bis eine Lösung des PoIyurethanharzes
mit einem Fest stoff gehalt von 25 "bis 30
Gewichtsprozent und einer inhärenten Viskosität von
L J
r etwa 2,0 bis 2,4 erreicht ist" und
d) Beenden der Umsetzung durch Zugabe eines Alkohols.
Die Polyurethanharze der Erfindung werden durch Lösungspolymerisation
in einem Zweistufenverfahren hergestellt, wobei zunächst ein Polyätherglykol, wie Polytetramethylenglykol
(PMEG) mit einem Diisocyanat, wie üiph.enylmethandiisocyanat
(MDI) in einem Molverhältnis von etwa 1:2 und in einem organischen Lösungsmittel zu einem Vorpolymerisat
umgesetzt wird. Das Vorpolymerisat wird anschließend durch Umsetzung mit einem Diol, wie Butandiol (BD) und zusätzliehern
Diisocyanat in einem Molverhältnis von etwa 2,5 bzw. 1,6 (bezogen auf Glykol) ausgedehnt. Die Polymerisation
wird mit steigenden Zusätzen von organischem Lösungsmittel fortgesetzt, bis eine 25- bis 30gewichtsprozentige
Polymerisatlösung mit einer inhärenten Viskosität von etwa 2,0 bis 2,4· erhalten wird. An diesem Punkt wird die Umsetzung
durch Zusatz einer geringen Menge eines Alkohols, wie Methanol beendet.
Die erhaltene Polyurethanharzlösung kann mit einem flüchtigen
organischen Lösungsmittel auf einen Feststoffgehalt von etwa 15% verdünnt und dann nach dem elektrostatischen
Verspinnverfahren zu feinen Fasern mit gleichmäßigem Durchmesser versponnen werden. Die erhaltene poröse fasrige
Matte in Form einer Platte oder eines Rohrs weist zahlreiehe günstige Eigenschaften auf, wie Gleichmäßigkeit der
Fasern und Porengrüße.
Das Verfahren der Erfindung wird nachstehend anhand der
bevorzugt verwendeten Stoffe PMEG, MDI und BD erläutert. Es ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Das bevorzugte Molverhältnis von PMEG zu MDl beträgt in
der ersten Umsetzungsstufe zur Herstellung des Vorpolymerisats 1:2. Es ist wichtig, daß der molare Überschuß von MDI
in dieser Umsetzung nicht höher als 5% ist, wobei die be-
vorzugten Grenzen von 90 bis 10^/6 reichen und ein Bereich
von etwa 96 bis 100% besonders günstig ist. Im nächstehenden
Beispiel beträgt der molare Anteil von MDI 2,08, was einem 4-prozentigen
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Überschuß über die bevorzugte molare Menge entspricht.
Durch derartige Begrenzung der Menge an freiem MDI während der Herstellung des Vorpolymerisats und durch Ausführung
der Umsetzung bei der verhältnismäßig niedrigen Temperatur von 4-50C wird die Möglichkeit einer Quervernetzung
im Vorpolymerisat weitgehend eingeschränkt. Dies führt zu den verbesserten Eigenschaften beim elektrostatischen Verspinnen,
die' an den Polymerisaten der Erfindung beobachtet werden.
Die endgültigen Molverhältnisse von PMEG zu MDI zu BD im
Verfahren der Erfindung betragen vorzugsweise etwa 1:3,7:
2,5· Kleinere Änderungen in diesem Verhältnis in der Größenordnung von - 5% sind erlaubt ohne vom Wesen der Erfin-
15 dung abzuweichen.
Als Polyätherglykol wird im Verfahren der Erfindung vorzugsweise
PMEG mit einem Molekulargewicht im Bereich von 1500 bis 25ΟΟ, insbesondere von etwa 2000 eingesetzt. Es
kann jedoch auch PMEG mit höherem oder niedrigerem Molekulargewicht verwendet werden. Andere Polyätherglykole,
die sich zur Herstellung der faserbildenden Polyurethane eignen und ebenfalls in Verfahren der Erfindung verwendet
werden können, sind Polyäthylenätherglykol, Polypropylenätherglykol,
1,2-Polydimethylenätherglykol und Polydecamethylenätherglykol,
Die im Verfahren der Erfindung geeigneten Diisocyanate sind die Stoffe, deren Eignung zur Herstellung von faserbildenden
Polyurethanen bekannt ist. Die am meisten verwendete Verbindung ist MDI, das auch im nachstehenden Beispiel
eingesetzt wird. Auch andere organische Diisocyanate können mit guten Ergebnissen verwendet werden, und zwar
aromatische, aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate. Spezielle Beispiele sind 2,4—Toluoldiisocyanat,
m-Phenylendiisocyanat, 4—Chlor-1,5-phenylendiisocyanat,
L- J
^,V-Biphenylendiisocyanat, 1,5~Naphthylendiisocyanat,
I^-Tetramethylendüsocyanat, "!,ö-Hexamethylendüsocyanat,
1,10-Decamethylendiisocyanat, 1,^--Cyclohexylendiisocyanat,
4,4-'-Methylen-bis-(cyclohexylisocyanat) und 1,5-^etrahydro
naphthylendiisooyanat. Bevorzugt sind Arylendiisocyanate,
d.h. Verbindungen, in denen beide Isocyanatgruppen direkt
an einen aromatischen Ring gebunden sind.
d.h. Verbindungen, in denen beide Isocyanatgruppen direkt
an einen aromatischen Ring gebunden sind.
Die im Verfahren der Erfindung verwendeten Diol-Streckmittel
(Extender), die in dem vorstehend angegebenen Molverhältnis eingesetzt werden, sind ebenfalls die üblicherweise
bei der Polyurethanherstellung verwendeten Extender. Die am häufigsten verwendete Verbindung ist 1,4-Butandiol,
die auch im nachstehenden Beispiel eingesetzt wird. Es
1S können jedoch auch andere bekannte Diol-Extender mit guten Ergebnissen verwendet werden.
1S können jedoch auch andere bekannte Diol-Extender mit guten Ergebnissen verwendet werden.
Die erste Stufe der Umsetzung von Polyätherglykol und Diisocyanat
wird in einer Lösung von etwa 75% Feststoffge-
halt durchgeführt. Die zweite Stufe der Umsetzung zur Herstellung
des Polyurethanharzes wird mit zusätzlichem Lösungsmittel zur Verminderung des Feststoffgehalts auf etwa
50 Gewichtsprozent begonnen. Im Verlaufe der zweiten Stufe der Umsetzung nimmt die Viskosität zu. Das kann an der relativen
Abnahme der Rührgeschwindigkeit oder als Anstieg
der erforderlichen Kraft beobachtet werden. Es wird zusätzliches Lösungsmittel in Absätzen zugegeben, um die
Viskosität unter etwa 400 bis 500 Poise zu halten, bis der Feststoffgehalt auf etwa 25 bis 30 Gewichtsprozent abge-
der erforderlichen Kraft beobachtet werden. Es wird zusätzliches Lösungsmittel in Absätzen zugegeben, um die
Viskosität unter etwa 400 bis 500 Poise zu halten, bis der Feststoffgehalt auf etwa 25 bis 30 Gewichtsprozent abge-
nommen hat. Dann läßt man die Umsetzung weiterlaufen, wobei
die Viskosität durch Probenentnahme aus dem Reaktionsgefäß überwacht wird, bis das Polymerisat eine inhärente
Viskosität von etwa 2,0 bis 2,4-, vorzugsweise von etwa 2,2
Viskosität von etwa 2,0 bis 2,4-, vorzugsweise von etwa 2,2
erreicht hat.
35
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r _ 9 _ π
Als organisches Lösungsmittel wird im Polymerisationsverfahren der Erfindung vorzugsweise DMF verwendet. Andere
flüchtige organische Lösungsmittel, wie Dimethylacetamid (DMAc) oder Methyläthylketon (MEK) sind auch geeignet. Die
Verwendung von MEK als Verdünnungsmittel in der endgültigen Spinnlösung bewirkt einen günstigen Anstieg der Flüchtigkeit
des Lösungsmittels und sichert somit dessen rasche Verdampfung während der Entstehung der Fasern. Die Spinnbedingungen,
insbesondere Temperatur und Luftströmung müssen gegebenenfalls zur Förderung der Verdampfung des Lösungsmittels
erhöht werden, wenn Lösungsmittel mit höherem Siedepunkt, wie DMAc verwendet werden. Einzelheiten des
elektrostatischen Verspinnverfahrens sind in der US-PS H. 04-3 331, insbesondere im Beispiel 5 beschrieben, das das
Verspinnen einer Lösung eines technischen Polyurethanharzes betrifft.
Das Beispiel erläutert die Erfindung.
150 g (0,075 m) Polytetramethylenglykol (PMEG — Molekulargewicht
2000) werden im geschmolzenen Zustand in ein mit Heizvorrichtung, Rührer und Thermometer ausgerüstetes
Reaktionsgefäß eingespeist. Das geschmolzene PMEG wird zur Entfernung von Feuchtigkeit 90 Minuten unter vermindertem
Druck von I50 mm Hg bei einer Temperatur von 100 bis 1500G
heftig gerührt und dann unter trockenem Stickstoff auf 600C abkühlen gelassen.
39 g (0,156 m) plättchenförmiges Diphenylmethandiisocyanat
(MDI) werden rasch in das Reaktionsgefäß eingebracht, gefolgt von 60 g frisch destilliertes Dimethylformamid
(DMF). Danach wird das Gemisch kontinuierlich etwa 2 Stunden unter einer Atmosphäre aus trockenem Stickstoff bei
45 - 2°C gerührt. Es wird ein Vorpolymerisat erhalten.
Unter Rühren werden rasch 30,61 g (0,122 m) HDI, 16,88 g
(0,1875 m) wasserfreies Butandiol (BD) und 180 g DMF zu dem Vorpolymerisat gegeben, wobei alle Maßnahmen zum Ausschluß
von Feuchtigkeit ergriffen werden. Sodann wird die Umsetzung unter trockenem Stickstoff bei 45 - 2°C mit andauerndem
Rühren fortgeführt. Wenn die Viskosität der Lösung
auf 400 bis 500 Poise ansteigt, werden weitere 115 g
DMF zugegeben. Diese Maßnahme wird dreimal wiederholt, so daß eine Polymerisatlösung mit einem Feststoffgehalt
von 28,8% erhalten wird. Nach der letzten DMF-Zugabe wird die Umsetzung fortgeführt, bis eine Viskosität von 600
Poise bei 4-50C erreicht ist. An diesem Punkt wird die Umsetzung
durch Zugabe von 2 ml Methanol beendet. Die inhärente Viskosität des Polymerisats in HFIP bei einer Konzentration
von 0,1 g/dl hat den Wert 2,16. Das gesamte Verfahren dauert etwa 12 Stunden.
Zur Herstellung eines Polymerisatharzes zum elektrostatischen Verspinnen wird die Polymerisatlösung mit einem
Feststoffgehalt von 28,8% mit Methyläthylketon zu einer
fertigen Spinnlösung mit einem Feststoffgehalt von etwa 15% verdünnt.
L. J
Claims (14)
- VOSSIUS - VOSSIUS ■TAUC-HN'ER1· f+ £:U N"EM:A N N · RAUHPATENTANWÄLTE """SIEBERTSTRASSE * ■ 8OOO MÜNCHEN ββ · PHONE: (Ο89) 4-7 4O CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN · TELEX (5-29*63 VOPAT Du.Z.: R 851 (Ra/H) 5. 8. 1982Case: SPEG-I78 RMETHICON, Inc. Somerville, N.J., V,ST.A. undTHE UNIVERSITY OF LIVERPOOL Liverpool, England"Polyurethanharz zum elektrostatischen Erspinnen von Kunstfasern und Verfahren zu seiner Herstellung"Patentansprüche 20(^k) Polyurethanharz ,dadurch gekennzeichnet, daß es hergestellt wurde durcha) Umsetzen eines Polyätherglykols mit einem Diisocyanat in einem organischen Lösungsmittel in einemMolverhältnis von etwa 1:2 zu einem Vorpolymerisat,b) Umsetzen des Vorpolymerisats mit weiterem Diisocyanat und einem Diol-Extender in einem organischen Lösungsmittel zu einem Polyurethanharz, wobei dieendgültigen Molverhältnisse von Polyatherglykol, Diisocyanat und Diol etwa 1:3,7:2,5 betragen, undc) Fortführen der Umsetzung mit weiteren Zugaben von organischem Lösungsmittel, bis eine Lösung des Polyurethanharzes mit einem Feststoffgehalt von 25 bis30 Gewichtsprozent und einer inhärenten Viskositätvon etwa 2,0 bis 2,4 erreicht ist, undd) Beenden der Umsetzung durch Zugabe eines Alkohols.
- 2. Verfahren zur Herstellung des Polyurethanharzes nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man a) in einem organischen Lösungsmittel ein Polyatherglykol und ein Diisocyanat in einem Molverhältnis von etwa 1:2 zu einem Vorpolymerisat umsetzt,b) das Vorpolymerisat mit weiterem Diisocyanat und einem Diol-Extender in einem organischen Lösungsmittel zu einem Polyurethanharz umsetzt, wobei die endgültigen Molverhältnisse von Polyatherglykol, Diisocyanat und Diol etwa 1:3,7:2,5 betragen,c) die Umsetzung mit weiteren Zugaben von organischem Lösungsmittel weiterführt, bis eine Lösung des PoIyurethanharzes mit einem Feststoffgehalt von 25 bis 30 Gewichtsprozent und einer inhärenten Viskosität von etwa 2,0 bis 2,4- erhalten wird, undd) die Umsetzung durch Zugabe eines Alkohols beendet.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die erhaltene Polyurethanharzlösunge) mit einem zweiten organischen Lösungsmittel auf einen Feststoffgehalt von etwa 15% verdünnt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzungen bei einer Temperatur von 45 - 2°C durchführt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polyatherglykol Polytetramethylenätherglykol verwendet.
- 6. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Diisocyanat Diphenylmethandiisocyanat verwendet..,"I"' :.■■..·■■■■.:■.■.:.
- 7. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Diol-Extender 1,4—Butandiol verwendet.
- 8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als organisches Lösungsmittel Dimethylformamid verwendet .
- 9- Verfahren nach Anspruch 3 und 8,dadurch gekennzeichnet,daß man als zweites organisches Lösungsmittel Dimethylformamid verwendet.
- 10. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man als zweites organisches Lösungsmittel Methyläthyl-keton verwendet.
15 - 11. Verfahren nach Anspruch 2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß man das Diisocyanat zur Herstellung des Vorpolymerisats in einer Menge von etwa 90 bis höchstens 105%, bezogen auf das MoIverhaltnis von 1:2, -einsetzt.
- 12. Verfahren nach Anspruch 2 und 3> dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion von Polyätherglykol und Diisocyanat in einer Lösang mit einem Feststoffgehalt von etwa 75 Gewichtsprozent durchführt.
- 13. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung des Vorpolymerisats in einer Lösung mit einem Feststoffgehalt von etwa 50 Gewichtsprozent beginnt.
- 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man im Verlaufe der Umsetzung nach und nach Lösungsmittel zusetzt, um die Viskosität der Lösung unter etwa 500 Poise zu halten, bis der Feststoffgehalt auf etwa 25 "bis 30 Gewichtsprozent zurückgegangen ist, und dann die Reaktion zu Ende gehen läßt.L -I
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8128 | New person/name/address of the agent |
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