DE1270810B

DE1270810B - Verfahren zur Herstellung von physiologisch unbedenklichen Urethanisocyanaten

Info

Publication number: DE1270810B
Application number: DE19631270810
Authority: DE
Inventors: Dr Dietrich Liebsch; Dr Wilhelm Altner
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1963-10-17
Filing date: 1963-10-17
Publication date: 1968-06-20

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C08g

Deutsche Kl.: 39 c-6

Nummer: 1 270 810

Aktenzeichen: P 12 70 810.0-44

Anmeldetag: 17. Oktober 1963

Auslegetag: 20. Juni 1968

Polyisocyanate spielen in der Kunststoffchemie eine bedeutende Rolle, besonders auf dem Lack- und Klebstoffsektor, wenn sie keine flüchtigen, niedermolekularen Isocyanatanteile mehr enthalten.

Nach der deutschen Patentschrift 870 400 werden dazu niedermolekulare Isocyanate mit zwei- und mehrwertigen Polyhydroxyverbindungen umgesetzt. Dabei wird pro Hydroxylgruppe des mehrwertigen Alkohols mindestens 1 Mol eines Diisocyanates eingesetzt, und man erhält so nichtfiüchtige Urethanisocyanate. Das entstandene Umsetzungsprodukt reagiert mit noch vorhandenem freiem Alkohol weiter und bildet dabei größere Molekülverbände, wobei wegen dieser unerwünschten Nebenreaktion nicht alles vorhandene Diisocyanat verbraucht wird, also in der monomeren, leicht flüchtigen Form im Reaktionsprodukt bleibt.

Selbst nach dem verbesserten Verfahren der deutschen Patentschrift 953 012, bei dem auf eine Hydroxylgruppe mehr als eine, jedoch weniger als zwei Isocyanatgruppen entfallen, kann der Gehalt an flüchtigen monomeren Diisocyanaten nicht auf erträgliche Gehalte gesenkt werden.

Alle Verfahren zur Herstellung solcher Urethanisocyanate reinigen deshalb zusätzlich. Dabei wird das aus Polyalkoholen und einem großen Überschuß an Diisocyanaten erhaltene Reaktionsgemisch in das physiologisch einwandfreie Urethanisocyanat und das flüchtige monomere Diisocyanat getrennt. Dazu werden in der deutschen Patentschrift 1079 625 eine Extraktion, in der deutschen Patentschrift 1 090 196 eine Destillation beschrieben.

Es wurde gefunden, daß man auch ohne so aufwendige Reinigungen physiologisch einwandfreie Urethanisocyanate mit guten Eigenschaften erhält, wenn man die flüchtigen Monomeren, die neben den Urethanisocyanaten noch im Reaktionsgemisch sind, polymerisiert und sie dadurch in höhermolekulare nichtfiüchtige Produkte überführt. Das war bisher deshalb unmöglich, weil auch das höhermolekulare Urethanisocyanat an jeder weiteren Reaktion mit seinen freien Isocyanatgruppen teilnimmt, wobei zu große Moleküle entstehen, so daß die Reaktionsprodukte nicht mehr genügend löslich und deshalb als Lackrohstoffe nicht verwendbar sind.

Das beanspruchte Verfahren zur Herstellung von physiologisch unbedenklichen Urethanisocyanaten durch Umsetzung von niedermolekularen Verbindungen, die eine oder mehrere mit NCO-Gruppen reagierende Hydroxylgruppen enthalten, oder deren Gemischen mit Toluylendiisocyanat ist dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Umsetzung die verbleibenden monomeren Diisocyanatanteile durch Zusatz von Verfahren zur Herstellung von physiologisch
unbedenklichen Urethanisocyanaten

Anmelder:

Farbenfabriken Bayer Aktiengesellschaft,

5090 Leverkusen

Als Erfinder benannt:

Dr. Dietrich Liebsch, 5090 Leverkusen;

Dr. Wilhelm Altner, 5673 Burscheid

bekannten Polymerisationskatalysatoren für Isocyanatgruppen bei Temperaturen unter 6O⁰C trimerisiert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren nimmt der Gehalt an Isocyanatgruppen im Ansatz bei dieser Nachreaktion nur um den durch die Polymerisation der monomeren Anteile zu erwartenden Betrag oder wenig mehr ab.

Das beweist, daß die gebildeten Urethanisocyanate nicht oder nur unwesentlich trimerisiert werden. Die erhaltenen Produkte sind Gemische verschiedener chemischer Verbindungen, in deren IR-Spektren neben den Urethan- und Isocyanatbanden auch die für Cyanatstrukturen sichtbar sind.

Niedermolekulare Verbindungen mit Hydroxylgruppen sind Butanol, Hexanol, Cyclohexanol, Äthylenglykol, Glycerin, Butylenglykol, Hexandiol, Methylhexandiol, Diäthylenglykol, 1,1,1-Trimetyloläthan, 1,1,1 - Trimethylolpropan, 1,2,4 - Trioxybutan, Pentaerythrit, Triäthanolamin, 1,4-Cyclohexandiol, sowie hydroxylgruppenhaltige Ester und Äther, wie Adipinsäurebisäthylenglykolester, Polypropylenglykole.

Unter Toluylendiisocyanat sind 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat und deren technische Isomerengemische zu verstehen.

Das Umsetzungsverhältnis von Isocyanat- zu Hydroxylgruppen schwankt in weiten Grenzen. Für

809 560/476

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Reaktionsprodukte mit hohen Isocyanatgehalten und werden, mit Vorteil wendet man jedoch bei der Reakniedriger Viskosität wird man NCO-OH-Verhältnisse tion bereits das für die Konfektionierung der Produkte über 2, bevorzugt zwischen 2 und 4 wählen. Reaktions- brauchbare Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch

gemische mit einem NCO-OH-Verhältnis unter 2 er- an.

geben bei anschließender Anwendung des erfindungs- 5 Die reinen oder lösungsmittelhaltigen Formen der

gemäßen Verfahrens Stoffe mit relativ niedrigen Produkte können auch in ihre »Abspalterform«, d. h.

NCO-Gehalten, die sich besonders als lufttrocknende in die Form ihrer Reaktionsprodukte mit Phenolen,

Einkomponentenlacke eignen. Acetessigestern, Malonsäureestern, Diphenylaminab-

AIs Polymerisationskatalysatoren für das erfindungs- kömmlingen und Cyanwasserstoff übergeführt werden,

gemäße Verfahren sind tertiäre Amine und tertiäre io Diese Abspalter verhalten sich bei höheren Tempe-

Phosphine der aliphatischen Reihe besonders geeignet. raturen wie die freien Isocyanate und werden vorteil-

Jedoch wird die Reaktion auch durch aromatische haft immer dann eingesetzt, wenn in Zweikompo-

oder gemischt aliphatisch-aromatische Amine, Phos- nentenlacklösungen in Gegenwart hydroxylgruppen-

phine und Phosphinoxide sowie von vielen basisch haltiger Verbindungen, z. B. von Polyestern oder PoIy-

wirkenden Verbindungen katalysiert, so von den 15 äthern, lange Standzeiten erwünscht sind.

Metallsalzen organischer Säuren wie Natriumacetat, Alle Produkte bedürfen keiner weiteren extraktiven

Natriumbicarbonat, Natriumbenzoat, Zinknaphthenat, oder destillativen Reinigung. Flüchtige, monomere

Blei-2-äthylhexoat sowie von Phenolaten, Enolaten Isocyanate sind nur noch in Spuren enthalten, so daß

und Alkoholaten entsprechender Metalle, wie der die MAK-Werte beim Arbeiten mit den Produkten

Alkali- und Erdalkalimetalle oder des Zinks, Bleis, 20 auch bei geringer Lüftung nicht überschritten werden

Kobalts, Mangans. können. Sie werden als Klebstoffe, als Härter für

Die Wirksamkeit der Katalysatoren ist unterschied- Harze und für Polyäther- und Polyesterlacke, als Ein-

lich. Die tertiären Amine und Phosphine der alipha- komponentenlacke sowie zur Herstellung von Elasto-

tischen Reihe werden bereits bei Zimmertemperatur meren und Schaumstoffen verwendet,

wirksam, und man erreicht optimale Verhältnisse von 25
NCO-Gehalt zu Restgehalt von monomerem Isocyanat bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.

Andere Katalysatoren erfordern höhere Temperaturen Beispiel 1
oder größere Katalysatormengen.

Katalysatormengen und Reaktionstemperatur hän- 30 _a) Herstellung des Urethandiisocyanats für das
gen also wesentlich von der Art des Katalysators ab, beanspruchte Verfahren
im allgemeinen braucht man 0,01 bis 10% des lösungsmittelfreien Produktes. Bei Verwendung aktiver Ka- Zu einer Lösung aus 1274 g Toluylendiisocyanat talysatoren sind 0,1 bis 1 °/o ausreichend. Auch die (65 % 2,4-, 35 % 2,6-Isomeres) in 500 g Butylacetat Reaktionstemperaturen können in weiten Grenzen 35 wird bei 50° C unter Rühren ein angewärmtes Gemisch schwanken. Bei einer Reihe von Katalysatoren genügt aus 160 g 1,1,1-Trimethylolpropan und 66 g 1,3-Butan-Raumtemperatur, sonst arbeitet man unter 6O⁰C. Bei diol innerhalb einer Stunde zugetropft (NCO-OH-Verhöheren Temperaturen werden die Urethanisocyanate hältnis 2,94). Die Reaktion wird durch 5stündiges in steigendem Maße in die Polymerisation einbezogen. Nachrühren bei 50 bis 60°C beendet, und der Ansatz Nach erfolgter Bildung des Urethanisocyanats setzt 40 wird durch Zugabe von weiteren 1000 g Butylacetat man den Polymerisationskatalysator bei der ge- verdünnt. Der NCO-Gehalt der Reaktionsmischung wünschten Temperatur in gewünschter Menge zu und beträgt etwa 13,1 %> der Gehalt an monomerem, überläßt das Gemisch, gegebenenfalls unter Rühien, flüchtigem Toluylendiisocyanat etwa 12,5%·
sich selbst. Durch Kontrolle des NCO-Gehalts wird
der Zeitpunkt der Beendigung der Polymerisation 45
bestimmt. b) Beanspruchtes Verfahren

Will man die Umsetzung beenden (zwecks Erhaltung

eines hohen Isocyanatgehaltes und zur Erzielung In diese dünnflüssige Lösung tropft man bei Zimmerstabiler Verfahrensprodukte mit langer Haltbarkeit), temperatur 9 g Tri-n-butylphosphin ein und rührt den so kann die Reaktion durch geeignete Reagenzien 50 Ansatz, wobei sich das Fortschreiten der Reaktion abgebrochen werden. Als solche Abstopper kommen durch Zunahme der Viskosität in der Lösung bemerkvorzugsweise Alkylierungsmittel wie Dimethylsulfat bar macht. Der Gehalt an flüchtigem Monomeren ist oder Toluolsulfonsäureester und Acylierungsmittel nach 6 bis 7 Tagen auf 0,2 bis 0,3 %> der NCO-Gehalt wie Benzoylchlorid oder N-Phenyl-N-methylcarbamin- auf 7,2 bis 7,5 % abgesunken. Die Reaktion wird durch säurechlorid in Frage. Säuren allein sind als Abstopper 55 Zugabe von 18 g Benzoylchlorid abgebrochen und die weniger geeignet und nur für die Desaktivierung der Lösung so stabilisiert.

auf Grund ihrer Alkalität wirksamen Metallsalz- Durch Vermischen mit geeigneten hydroxylgruppenkatalysatoren wirksam. haltigen Komponenten wie Polyestern oder PoIy-Die Produkte sind nichtflüchtige, feste Stoffe mit äthern werden Lacklösungen erhalten, die sich durch freien Isocyanatgruppen, die sich auch in der Kälte 60 hohe Trocknungsgeschwindigkeit sowie gute Schleifgut in einer Reihe organischer Lösungsmittel lösen, barkeit und mechanische Eigenschaften der erhaltenen z. B. in Estern^wie Methylacetat, Äthylacetat, Methyl- Lackschichten auszeichnen.

glykolacetat, Äthylglykolacetat, Butylacetat, ferner in Die folgende Analysentabelle zeigt, wie bei steigen-

Ketonen wie Aceton, Methyläthylketon, Diäthylketon, der Reaktionstemperatur die Urethanisocyanate an

Cyclohexanon sowie Chlorkohlenwasserstoffen wie 65 der Reaktion teilnehmen, so daß bei gleichzeitiger

Methylenchlorid, Chloroform und Chlorbenzol und Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit die NCO-Ge-

Gemischen davon. Das erfindungsgemäße Verfahren halte der Reaktionslösungen schneller abnehmen als

kann zu Beginn ohne Lösungsmittel durchgeführt die Gehalte an flüchtigem Toluylendiisocyanat.

Produkt

10⁰C

25⁰C Reaktionstemperatur
I 50°C

100° C

Nach 1 Tag
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 2 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt ,

Nach 3 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 4 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 5 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 6 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 11 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

Nach 25 Tagen
NCO-Gehalt
TDI-Gehalt

8,5% 1,0%

7,3 ·/« 0,2%

10,4% 4,9%

9,1% 2,3%

8,5 % 1,3%

7,9% 0,9%

7,5% 0,5 %

7,2% 0,25%

Ansatz wurde nach 8 Tagen bei 6,9% NCO und 0,09% TDI abgestoppt 10,1%
5,0%

9,0%
2,5 %

8,6%
1,5%

8,3%
1,1%

8,1%
0,9%

Ansatz wurde nach
8 Tagen bei 7,2%NCO
und 0,7% TDI abgestoppt

10,6% 4,5%

9,1% 3,1%

8,0% 2,4%

Ansatz wurde nach

3 Tagen 6 Stunden

bei 7,6% NCO und

2,2% TDI abgestoppt

Beispiel 2

150 g des nach Beispiel 1 gewonnenen Reaktionsgemisches aus Toluylendiisocyanat mit Butandiol und Trimethylolpropan werden bei Zimmertemperatur mit 0,5 g Pentamethyldiäthylentriamin versetzt und gerührt. Nach 48 Stunden zeigt die hochviskose Lösung einen NCO-Gehalt von 7,2% und einen Gehalt von 0,3 % ^an nicht umgesetztem Toluylendiisocyanat. Der Reaktionsansatz wird durch Zugabe von 1 g p-Toluolsulfonsäuremethylester stabilisiert.

Verwendet man als Katalysator 0,2 g feingepulvertes, wasserfreies Natriumacetat, so wird bereits nach 20 Stunden ein NCO-Gehalt von 7,3% bei einem Monomerengehalt von 0,4% erreicht. Die Reaktion wird durch Zugabe von 0,5 g mit Chlorwasserstoff gesättigtem Äthylacetat abgebrochen.

0,5 g des Bleisalzes der 2-Äthylhexansäure als Katalysator liefert bei gleichen Reaktionsbedingungen nach 72 Stunden eine Lösung mit einem NCO-Gehalt von 8,2% mit noch 2,1% Monomerem.

B e i s ρ i e 1 3

a) Herstellung des Urethanisocyanates für das beanspruchte Verfahren

Zu einer Lösung von 624 g Toluylendiisocyanat (65% 2,4- und 35% 2,6-Isomeres) in 200 g Äthylglykolacetat und 404 g Xylol wird bei 50° C innerhalb einer Stunde eine Lösung von 430 g Polypropylenglykol (Molekulargewicht 1000, OH-Zahl 112), 40 g 1,3-Butandiol und 116 g Trimethylolpropan in 204 g Äthylglykolacetat unter Rühren eingetropft (NCO-OH-Verhältnis 1,66). Der Ansatz wird weitere 3 Stunden auf 9O⁰C erhitzt und zeigt dann einen NCO-Gehalt von 5,8 % bei einem Monomerengehalt von 2,1 %·

b) Beanspruchtes Verfahren

Nach Abkühlen und Verdünnen mit 202 g Äthylglykolacetat und 202 g Xylol werden in 200 g dieses Ansatzes 0,1 g Tri-n-butylphosphin eingerührt und der Ansatz sich selbst überlassen. Nach 5 Tagen ist der Monomerengehalt auf 0,08%, der NCO-Gehalt auf 3,5% abgesunken. Man stoppt die Reaktion durch Zusatz von 0,2 g Benzoylchlorid.

Die erhaltene Lösung bildet einen mit der Feuchtigkeit der Luft trocknenden Einkomponentenlack mit guten Eigenschaften.

Beispiel 4

a) Herstellung des Urethanisocyanates für das beanspruchte Verfahren

Zu einer Lösung aus 261 g Toluylendiisocyanat (Verhältnis von 2,4- und 2,6-Isomeren = 65: 35) in 586 g Essigsäurebutylester wird bei 70° C ein Gemisch aus 250 g eines linearen Polypropylenglykols (Molekulargewicht 950, OH-Zahl 118) und 75 g eines trifunktionellen Polypropylenglykols (aus 1 Mol 1,1,1-Trimethylolpropan und 6 Mol Propylenoxid, Molekulargewicht 450, OH-Zahl 375) eingetropft. Die Polyurethanbildung ist nach 3stündigem Nachrühren bei 7O⁰C abgeschlossen, der NCO-Wert liegt bei 7,0%, der Gehalt an ungebundenem Toluylendiisocyanat beträgt noch 6,8%.

b) Beanspruchtes Verfahren

Nach dem Abkühlen wird polymerisiert durch Zugabe von 1,2 g Tri-n-butylphosphin, was nach 5 Tagen durch Zugabe von 1,5 g p-Toluolsulfonsäuremethylester und kurzes Anheizen des Reaktionsproduktes auf 80°C unterbrochen wird. Bei einem

NCO-Wert von 3,8% zeigt das Endprodukt eine Viskosität von 8 P₂₀ ⁰; der Gehalt an ungebundenem Toluylendiisocyanat liegt unter 0,3 %·

Die erhaltene Lösung bildet ebenso wie die im Beispiel 3 erhaltene einen mit der Feuchtigkeit der Luft trocknenden Einkomponentenlack, der schnell trocknet und Lackfilme hoher Elastizität bildet.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von physiologisch unbedenklichen Urethanisocyanaten durch Umsetzung von niedermolekularen Verbindungen, die

eine oder mehrere mit NCO-Gruppen reagierende Hydroxylgruppen enthalten, oder deren Gemischen mit Toluylendiisocyanat, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Umsetzung die verbleibenden monomeren Diisocyanatanteile durch Zusatz von bekannten Polymerisationskatalysatoren für Isocyanatgruppen bei Temperaturen unter 60⁰C trimerisiert werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1106 767,1 013 869; USA.-Patentschrift Nr. 2 801 244.

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