DE4443885A1 - Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanaten

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanaten durch katalytische Um­ setzung von aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Diiso­ cyanaten mit einem Biuretisierungsmittel, wobei erfindungsgemäß als Biuretisierungsmittel Wasser in feindisperser Form eingesetzt wird und die Reaktion im Beisein von OH-aciden Verbindungen er­ folgt.
Biuretgruppen enthaltende aliphatische und cycloaliphatische Polyisocyanate werden unter anderem in hochwertigen licht- und wetterbeständigen Zweikomponenten-Polyurethanlacken eingesetzt.
Die Herstellung von Polyisocyanaten mit Biuretstruktur ist seit langem bekannt. Sie erfolgt üblicherweise durch Umsetzung von Diisocyanaten mit einem Biuretisierungsmittel, wie beispielsweise Wasser oder wasserabspaltende Substanzen, bei höheren Temperatu­ ren und anschließendem Abtrennen von überschüssigem Monomer durch ein- oder mehrstufige Destillation.
So wird bei Verwendung von wasserabspaltenden Substanzen, wie beispielsweise tert.Butanol, als Biuretisierungsmittel unter Säurekatalyse Wasser in situ erzeugt. Dazu sind jedoch meist hohe Reaktionstemperaturen von mehr als 140°C notwendig, wodurch sich die Reaktionsprodukte gelb färben. Aus anwendungstechnischen Gründen, z. B. für den Einsatz als Klarlack, möchte man jedoch nach Möglichkeit farblose Produkte haben. Des weiteren wird durch die Verwendung eines wasserabspaltenden, in der Regel OH-Gruppen haltigen, Biuretisierungsmittels die Bildung von Nebenprodukten gefördert, die keine Biuretstruktur haben. Diese Nebenprodukte können sich ebenfalls anwendungstechnisch ungünstig auswirken oder die Lagerstabilität des Wertproduktes beeinträchtigen oder verfahrenstechnische Probleme bewirken.
Aus diesem Grund wäre die Verwendung von Wasser als Biuretisie­ rungsmittel ideal. Bei Einsatz von Wasser ohne Zusätze ergeben sich jedoch zwei gravierende Nachteile:
  • 1. Die Bildung von unlöslichen Polyharnstoffen in der Reaktion läßt sich in der Regel nicht vermeiden.
  • 2. Die erhaltenen Produkt weisen eine schlechte Lagerstabilität bezüglich Monomerrückspaltung auf, wodurch der kennzeich­ nungspflichtige Grenzwert von 0,5% schnell überschritten wird, insbesondere bei Lagerung oberhalb Raumtemperatur.
Es wurde versucht, diese Probleme durch eine modifizierte Fahr­ weise zu umgehen. In der Patentliteratur sind eine Vielzahl von Varianten zur Herstellung von Polyisocyanaten mit Biuretstruktur, bei denen Wasser als Biuretisierungsmittel eingesetzt wird, ge­ nannt.
So wird beispielsweise bereits in US-A-4 028 392 die Umsetzung von Isocyanaten mit Wasser im Beisein hydrophiler organischer Lösungsmittel, wie beispielsweise Trialkylphosphate und Ethylen­ glycolmonomethylacetat, beschrieben. Nach EP-B-259 233 wird die Reaktion in Gegenwart wenigstens einer Carbonsäure und/oder eines Carbonsäureanhydrids durchgeführt. Außerdem ist die Mitverwendung von Methyl- und/oder Ethylestern der Phosphorsäure sowie von Alk­ oxyalkylcarboxylaten als Lösungsvermittler vorgesehen. Nachteilig ist hierbei, daß durch die Verwendung eines Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches in den benötigten Mengen eine geringere Raum-Zeit-Ausbeute an Polyisocyanat erreicht wird als ohne Lö­ sungsmitteleinsatz. Ferner muß eine aufwendigere Destillation mit eventueller Lösungsmittelauftrennung erfolgen.
Gemäß EP-B-251 952 werden organische Polyisocyanate mit Biuret­ struktur aus Diisocyanaten und Wasser unter einem Gesamtdruck von mindestens 1,2 bar, bei einem Partialdruck des Kohlendioxids von mindestens 0,2 bar, hergestellt. Diese Fahrweise unter Kohlendio­ xid bei erhöhtem Druck erfordert aber spezielle Bedingungen und ist deshalb in der Handhabung sehr aufwendig.
Nach DE-C-29 18 739 wird ein Verfahren zur Herstellung von Poly­ isocyanaten mit Biuretstruktur durch Umsetzung von Hexamethylen­ diisocyanat (HDI) mit Wasser beschrieben, in dem man das Wasser in Form von Dämpfen im Gemisch mit Luft bzw. einem Inertgas bei einem Feuchtigkeitsgehalt des Gemisches von 0,1 bis 2,0 kg/kg einem bei 110 bis 130°C gehaltenen Reaktionsgemisch zuführt und die Umsetzung bei einer Temperatur von 150 bis 170°C durchführt. Nachteilig hierbei ist, daß bei dieser Reaktion viele unlösliche Polyharnstoffe entstehen. Dies kann dazu führen, daß sich Anla­ genteile, insbesondere Leitungen, zusetzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfah­ ren zu entwickeln, das die Probleme der bekannten Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Isocyanaten löst. Ins­ besondere sollen die Polyharnstoffbildung zumindest weitgehend vermieden sowie eine gute Lagerstabilität bezüglich der Restmono­ merenrückspaltung und möglichst farblose Oligobiurete gewährlei­ stet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Biure­ tisierungsmittel Wasser in feindisperser Form eingesetzt wird und die Reaktion im Beisein von OH-aciden Verbindungen erfolgt.
Gegenstand der Erfindung ist damit ein Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanaten durch katalytische Umsetzung von aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Diiso­ cyanaten mit einem Biuretisierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß als Biuretisierungsmittel Wasser in feindisperser Form einge­ setzt wird und die Reaktion im Beisein von OH-aciden Verbindungen erfolgt.
Die so hergestellten Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanate sind nahezu farblos und weisen einen niedrigen Restmonomeren­ gehalt auf, der auch bei Lagertemperaturen oberhalb Raumtempera­ tur nur langsam ansteigt und damit auch unter diesen Bedingungen den Arbeitsschutzanforderungen genügt. Sie werden insbesondere in Ein- oder Zweikomponenten-Polyurethan-Lacken, -Klebstoffen und Polyurethandispersionen eingesetzt.
Als Ausgangsprodukte für die Herstellung der Biuretgruppen ent­ haltenden Polyisocyanate kommen die an sich bekannten aliphati­ schen und/oder cycloaliphatischen Diisocyanate allein oder in Mischungen untereinander in Betracht, wie beispielsweise Alkylen­ diisocyanate mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen im Alkylenrest, wie 1,12-Dodecan-diisocyanat, 2-Ethyl-tetramethylen-diisocyanat-1,4, 2-Methyl-pentamethylen-diisocyanat-1,5, Tetramethylen-diisocya­ nat-1,4 und Hexamethyleri-diisocyanat-1,6 (HDI); cycloaliphatische Diisocyanate, wie Cyclohexan-1,3- und -1,4-diisocyanat sowie be­ liebige Gemische dieser Isomeren. Vorzugsweise eingesetzt werden 2-Butyl-2-ethyl-pentamethylen-diisocyanat, 2-Methylpentamethylen­ diisocyanat, Isophorondiisocyanat (IPDI) und HDI. Besonders be­ vorzugt wird phosgenfrei hergestelltes HDI.
Als Biuretisierungsmittel findet Wasser in feindisperser Form Verwendung. Die feinteilige Einbringung kann durch den Einsatz bekannter geeigneter Vorrichtungen und Reaktoren mit Rührwerk er­ folgen. Zur möglichst feindispersen Einbringung von Wasser in das Diisocyanat wird das Wasser vorzugsweise in Form von Wasserdampf eingesetzt.
Wird der Wasserdampfstrom durch ein Inertgas verdünnt, läßt sich der Prozeß noch besser kontrollieren und steuern. Als Inertgas werden erfindungsgemäß vorzugsweise Stickstoff und/oder Kohlen­ dioxid eingesetzt. Der Wasserdampf kann durch Inertgas so ver­ dünnt werden, daß in dem Gasstrom 10 bis 95 Vol.-% Inertgas vor­ liegt.
Zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften, wie der erforderli­ chen Lagerstabilität der Produkte, wird die Biuretisierung der Diisocyanate erfindungsgemäß durch die feindisperse Einbringung von Wasser bzw. Wasserdampf in Verbindung mit OH-aciden Verbindungen durchgeführt. Durch den Einsatz der OH-aciden Verbindungen wird die Biuretbildung beschleunigt und die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten herabgesetzt.
Als OH-acide Verbindungen kommen erfindungsgemäß insbesondere Protonensäuren in Betracht. Beispielsweise können eingesetzt wer­ den und haben sich besonders bewährt: Phosphorsäuren und/oder deren Mono- und/oder Dialkyl(aryl)ester und/oder Hydrogensulfate. Verwendung finden vorzugsweise Mono- und/oder Dialkyl(aryl)ester der Phosphorsäure, deren aliphatische, verzweigt aliphatische, araliphatische oder aromatische Reste 1 bis 30, vorzugsweise 4 bis 20, Kohlenstoffatome aufweisen. Beispielsweise kommen Di-(2-ethylhexyl)phosphat und Di-hexadecylphosphat zur Anwendung. Als Hydrogensulfate kommen insbesondere Tetralkylammoniumhydro­ gensulfate in Betracht, deren aliphatische, verzweigt alipha­ tische oder araliphatische Reste 1 bis 30, vorzugsweise 4 bis 20, Kohlenstoffatome aufweisen. Insbesondere in Frage kommen Dibutylphosphat und Di-iso-propylphosphat. Bevorzugt wird Di-(2-ethylhexyl)-phosphat. Die beispielsweise in EP-A-259 233 beschriebenen (ar)aliphatischen Carbonsäuren erweisen sich als weniger wirksam.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden OH-aciden Verbindungen haben den Vorteil, daß sie schwerflüchtig sind und deshalb, gegebenen­ falls als Salze, aus dem Produktgemisch abfiltriert werden können oder als nicht störende Verbindungen im Endprodukt verbleiben oder während der Reaktion ebenfalls nicht störende Zersetzungs- oder Nebenprodukte bilden. Ein weiterer Vorteil ist die gute ka­ talytische Aktivität der Säuren.
Die OH-aciden Verbindungen werden sinnvollerweise in Mengen von 0,01 bis 2 mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mol-%, bezogen auf das eingesetzte Diisocyanat, eingesetzt.
Um die Bildung von unlöslichen Polyharnstoffen noch besser zu un­ terdrücken, können zusätzlich Lösungsmittel als Lösungsvermittler verwendet werden. Hierfür geeignet sind beispielsweise Alkoxyal­ kylcarboxylate und/oder Trialkylphosphate. Erfindungsgemäß bevor­ zugt eingesetzt werden Methoxypropylacetat, Trimethylphosphat und Triethylphosphat oder beliebige Mischungen dieser Verbindungen.
Die Umsetzung des Diisocyanates mit dem Biuretisierungsmittel wird bei Reaktionstemperaturen von 60 bis 200°C, vorzugsweise bei 100 bis 150°C, durchgeführt.
Die Erfindung wird an nachfolgenden Beispielen erläutert.
Beispiele 1 bis 5 - erfindungsgemäß (siehe Tabelle 1)
In einem mit Rückflußkühler, Glasrohr mit Fritte und Rührer aus­ gestatteten Rührkolben wurden 500 g HDI (2,97 mol) vorgelegt. Das Glasrohr mit Fritte war mit einer Apparatur zur Erzeugung von Wasserdampf (ein beheizter Rundkolben mit Tropftrichter, aus dem Wasser langsam in den heißen Kolben dosiert werden kann) und einer Stickstoffleitung verbunden.
Das HDI wurde mit der in der Tabelle angegebenen Art und Menge an OH-aciden Verbindungen (mol-% bezogen auf HDI) versetzt und unter Durchperlung von Stickstoff auf 130°C vorgeheizt. Danach wurde mit Stickstoff (20 l/h) verdünnter Wasserdampf über die Glasfritte eingeleitet und der Verlauf der Reaktion über die Ab­ nahme des NCO-Gehaltes verfolgt. Bei einem NCO-Gehalt von 40-43% wurde die Wasserdampfzufuhr (nach ca. 60-75 min) abgestellt und das Reaktionsgemisch für weitere 30 min unter Stickstoff bei 130°C nachgerührt. Danach wurde überschüssiges HDI durch Destillation in einem Dünnschichtverdampfer abgetrennt. Das erhaltene klare und nahezu farblose Sumpfprodukt mit niedrigem Rest-HDI-Gehalt wurde anschließend bei 50°C im Trockenschrank gelagert und der Restmonomerenanstieg nach 6 Wochen gemessen (siehe Tabelle 1).
Beispiel 6 - Vergleich (siehe Tabelle 1)
Es wurde so wie in den Beispielen 1 bis 5 beschrieben verfahren, jedoch ohne Zusatz von OH-aciden Verbindungen gearbeitet. Die Re­ aktion war deutlich langsamer und es bildeten sich je nach der zugefahrenen Wasserdampfmenge pro Zeiteinheit mehr oder weniger große Mengen unlöslicher Polyharnstoffe in der Reaktionsmischung (0,01-0,5 Gew.-% Polyharnstoff, bezogen auf eingesetztes HDI).
Beispiele 7 und 8 - erfindungsgemäß (siehe Tabelle 2)
In einem mit Rückflußkühler und Rührer ausgestatteten Rührkolben wurden 500 g HDI (2,97 mol), 250 g Triethylphosphat und die ange­ gebene Art und Menge an OH-aciden Verbindungen (mol-% bezogen auf HDI) vorgelegt und auf 130°C vorgeheizt. Danach wurden unter hef­ tigem Rühren unter einer Stickstoffatmosphäre 6,4 g Wasser zuge­ tropft. Unter heftiger CO₂-Entwicklung reagierte das Gemisch bei 130°C innerhalb von 3 Stunden auf einen NCO-Gehalt von 40-42% (rückgerechnet auflösungsmittelfreie Mischung). Danach wurde überschüssiges HDI und Lösungsmittel durch Destillation in einem Dünnschichtverdampfer abgetrennt. Das erhaltene klare und nahezu farblose Sumpfprodukt mit niedrigem Rest-HDI-Gehalt wurde an­ schließend bei 50°C im Trockenschrank gelagert und der Restmonomer­ anstieg nach 6 Wochen gemessen.
Beispiel 9 (Vergleich (siehe Tabelle 2)
Es wurde so wie in den Beispielen 7 und 8 verfahren, jedoch ohne Zusatz von OH-aciden Verbindungen gearbeitet. Die Reaktion war deutlich langsamer und im über der Reaktion befindlichen Gasraum bildeten sich unlösliche Harnstoffe, die sich an nicht beheizten Stellen der Reaktionsapparatur niederschlugen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Biuretgruppen enthaltenden Polyisocyanaten durch katalytische Umsetzung von aliphati­ schen und/oder cycloaliphatischen Diisocyanaten mit einem Biuretisierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß als Biu­ retisierungsmittel Wasser in feindisperser Form eingesetzt wird und die Reaktion im Beisein von OH-aciden Verbindungen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Biuretisierungsmittel Wasserdampf eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Biuretisierungsmittel Wasserdampf in Verbindung mit einem Inertgas eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als OH-acide Verbindungen Phosphorsäuren und/ oder deren Mono- und/oder Dialkyl(aryl)ester eingesetzt wer­ den.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als OH-acide Verbindungen Hydrogensulfate ein­ gesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als OH-acide Verbindungen Tetraalkylammoniumhydrogensulfate ein­ gesetzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich Methoxypropylacetat und/oder Trime­ thylphosphat und/oder Triethylphosphat als Lösungsvermittler eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Diisocyanat Hexamethylendiisocyanat verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Diisocyanat Isophorondiisocyanat eingesetzt wird.
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