DE2730514A1 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF WATER-SOLUBLE POLYURETHANES - Google Patents
PROCESS FOR THE PRODUCTION OF WATER-SOLUBLE POLYURETHANESInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von in Wasser löslichen PolyurethanenProcess for the production of water-soluble polyurethanes
Wäßrige Lösungen von Polyurethanen oder Polyurethanharnstoffen sind seit langem bekannt (vgl. z.B. Angewandte Chemie, 82, (1970) Seiten 53 bis 55, dort Lit.Zit. 4-8, 1Oa).Aqueous solutions of polyurethanes or polyurethane ureas have long been known (see e.g. Angewandte Chemie, 82, (1970) pages 53 to 55, there reference cit. 4-8, 10a).
Die in den bekannten, in Wasser löslichen Polyurethanen bzw. Polyurethanharnstoffen eingebauten hydrophilen Zentren können sowohl salzartige, d.h. ionische Gruppen als auch hydrophile nichtionische Gruppen darstellen.The hydrophilic centers built into the known, water-soluble polyurethanes or polyurethane ureas can represent both salt-like, i.e. ionic groups and hydrophilic non-ionic groups.
Zu den erstgenannten "Polyurethanionomeren" gehören sowohl chemisch fixierte Kationen, d.h. insbesondere chemisch eingebaute Ammoniumionen aufweisende Polyurethane als auch chemisch fixierte Anionen, d.h. insbesondere chemisch eingebaute SuIfonat- oder Carboxylatgruppen aufweisende Polyurethane. Zu den letztgenannten nichtionischen, in Wasser löslichen Polyurethanen gehören insbesondere die Polyäthylenoxidketten aufweisenden Polyurethane bzw. Polyurethanharnstoffe.The first-mentioned "polyurethane ionomers" include both chemically fixed cations, i.e. in particular chemically incorporated cations Polyurethanes containing ammonium ions as well as chemically fixed anions, i.e. in particular chemically built-in anions Polyurethanes containing sulfonate or carboxylate groups. The latter are nonionic, soluble in water Polyurethanes include, in particular, the polyurethanes or polyurethane ureas containing polyethylene oxide chains.
Die Lösungen dieser Polyurethane besitzen je nach Art des hydrophilen Zentrums verschiedene, charakteristische Eigenschaftsbilder. So sind Polyurethanionomerlösungen, da dieThe solutions of these polyurethanes have different, characteristic sets of properties depending on the type of hydrophilic center. So are polyurethane ionomer solutions because the
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£09883/0361£ 09883/0361
27305U27305U
in ihnen enthaltenen Salzgruppen in ihrer Löslichkeit praktisch nicht temperaturabhängig sind, gegen Erhitzen bis zum Sieden stabil, nichtionische Lösungen koagulieren dagegen beim Erhitzen (bei ca. 600C), da die Polyäthylenoxid-Ketten bei höherer Temperatur ihre Löslichkeit in Wasser allmählich verlieren. Im Gegensatz zu Ionomeren sind diese Lösungen aber gegen den Zusatz praktisch unbegrenzter Mengen an Elektrolyten beständig und auch nach dem Gefrieren und Auftauen stabil.contained in them salt groups are in their solubility practically not dependent on temperature, to heating to boiling stable, non-ionic solutions, however, coagulate on heating (at about 60 0 C), as the polyethylene oxide chain at a higher temperature gradually lose their solubility in water. In contrast to ionomers, however, these solutions are resistant to the addition of practically unlimited amounts of electrolytes and are also stable after freezing and thawing.
Die Empfindlichkeit gegenüber Elektrolyten ist bei Lösungen kationischer Polyurethane besonders groß, aber auch Lösungen von Polyurethan-Polycarboxylaten sind empfindlich. Geringe Mengen von wäßrigen Elektrolytlösungen verursachen Trübungen, größere Mengen führen zu schleimigen oder käsigen Abscheidungen. Auch dann, wenn Ausflockungen nicht auftreten, ändert sich doch der kolloidchemische Zustand, was sich beispielsweise in veränderter Viskosität und Rheologie bemerkbar macht.The sensitivity to electrolytes is with solutions cationic polyurethanes are particularly large, but solutions of polyurethane polycarboxylates are also sensitive. Low Quantities of aqueous electrolyte solutions cause turbidity, larger quantities lead to slimy or cheesy deposits. Even if flocculation does not occur, the colloid chemical state changes, which for example noticeable in changed viscosity and rheology.
Diese Elektrolytinstabilität ist in vielen Fällen außerordentlich nachteilig und erschwert oder hemmt sogar den praktischen Einsatz der Produkte. So ist z.B. für die Verwendung von Polyurethan-Ionomerlösungen zur Herstellung von Pigmentpasten, zur Oberflachenbeschichtung von anorganischen Substraten wie Füllstoffen und Fasern, als Färbereihilfsmittel eine gewisse Beständigkeit gegenüber Elektrolyten erforderlich.This electrolyte instability is extremely disadvantageous in many cases and makes it difficult or even inhibits the practical use of the products. For example, the use of polyurethane ionomer solutions for the production of Pigment pastes for the surface coating of inorganic Substrates such as fillers and fibers, as dyeing auxiliaries, have a certain resistance to electrolytes necessary.
Durch die vorliegende Erfindung werden nunmehr neue in Wasser lösliche Polyurethane zur Verfügung gestellt, die in FormThe present invention now provides new water-soluble polyurethanes available in the form
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80 9 883/036180 9 883/0361
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ihrer wäßrigen Lösung sowohl den Vorteil einer ausgezeichneten Prost- und Elektrolytbeständigkeit als auch den Vorteil einer sehr guten Temperaturbeständigkeit aufweisen. Wie nämlich überraschend gefunden wurde, gelingt die Herstellung derartiger in Wasser löslicher Polyurethane dann, wenn in das Polyurethan sowohl Äthylenoxid-Einheiten aufweisende hydrophile Segmente als auch ionische Gruppen eingebaut werden. Dies ist durchaus überraschend, da sich herausstellte, daß Mischungen von wäßrigen Lösungen ionischer und nichtionischer Polyurethane keineswegs eine derartige Kombination erstrebenswerter Eigenschaften aufweisen. Derartige Mischungen weisen vielmehr vor allem die Nachteile der Einzelbestandteile auf.their aqueous solution both the advantage of excellent prostate and electrolyte resistance and the advantage have a very good temperature resistance. As was surprisingly found, the production succeeds such water-soluble polyurethanes if both ethylene oxide units are present in the polyurethane hydrophilic segments as well as ionic groups are incorporated. This is quite surprising, since it turned out that mixtures of aqueous solutions of ionic and nonionic polyurethanes are by no means such Have a combination of desirable properties. Rather, such mixtures primarily have the disadvantages of the individual components.
Durch den Einbau hydrophiler Polyäthersegmente, entweder innerhalb der Polymer-Hauptkette oder an deren Enden oder auch in Form von seitenständigen Ketten wird ein überraschend wirksamer Schutz von Polyurethanen welcheBy incorporating hydrophilic polyether segments, either within the main polymer chain or at its ends or Polyurethanes also provide surprisingly effective protection in the form of pendant chains
1 + + θ
-N- , -S- oder COO -Gruppen 1 + + θ
-N-, -S- or COO groups
I II I
aufweisen, gegenüber der Einwirkung von Elektrolyten erzielt. Selbst bei hohem Gehalt an kationischen Zentren, z.B. mehr als 20 Milliäquivalenten pro 1OO g Polyurethan anhave achieved against the action of electrolytes. Even with a high content of cationic centers, e.g. more than 20 milliequivalents per 100 g of polyurethane
1+ +1+ +
-N- oder -S- -Gruppen-N- or -S- groups
I II I
werden die Lösungen durch verdünnte Natriumchloridlösung nicht mehr gefällt.the solutions are no longer precipitated by dilute sodium chloride solution.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit elektrolytstabile wäßrige Lösungen von Polyurethanionomeren mit im wesentlichen linearem Molekularaufbau, gekennzeichnet durchThe present invention thus relates to electrolyte-stable ones aqueous solutions of polyurethane ionomers with an essentially linear molecular structure, characterized by
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Ο 09883/0361Ο 09883/0361
a) hydrophile Polyalkylenoxid-Polyätherketten mit einem Gehalt an Äthylenoxid-Einheiten von 2 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Polyurethan unda) hydrophilic polyalkylene oxide polyether chains with an ethylene oxide unit content of 2 to 50% by weight, based on the entire polyurethane and
β) + θβ) + θ
b) einen Gehalt an =N =, -S- oder -COO -Gruppen von 16 bisb) a content of = N =, -S- or -COO groups from 16 to
■
250 Milliäquivalenten pro 100 g.■
250 milliequivalents per 100 grams.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist schließlich auch das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen in Wasser löslichen Polyurethane mit im wesentlichen linearer Molekülstruktur durch Umsetzung von organischen Diisocyanaten mit im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen endständige gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Wasserstoffatome aufweisenden organischen Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs 300 bis 6OOO unter Mitverwendung von die Löslichkeit der Polyurethane gewährleistenden Aufbaukomponenten mit hydrophilen Gruppen bzw. in derartige hydrophile Gruppen überführbaren Gruppen, wobei die zumindest teilweise Überführung der letztgenannten Gruppen in hydrophile Gruppen während oder anschließend an die Polyadditionsreaktion erfolgt, sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie an sich bekannten Kettenverlängerungsmittel eines unter 3OO liegenden Molekulargewichts sowie gegebenenfalls unter Mitverwendung der in der Polyurethanchemie üblichen Hilfsund Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufbaukomponenten mit hydrophilen Gruppen bzw. mit in hydrophile Gruppen überführbaren Gruppen sowohlFinally, the present invention also relates to the preferred process for the preparation of those according to the invention Polyurethanes which are soluble in water and have an essentially linear molecular structure through the conversion of organic Diisocyanates with terminal isocyanate groups which are difunctional in the sense of the isocyanate polyaddition reaction organic reactive hydrogen atoms Compounds with a molecular weight range from 300 to 600O using the solubility of the polyurethanes ensuring structural components with hydrophilic groups or groups which can be converted into such hydrophilic groups, the at least partial conversion of the latter Groups in hydrophilic groups takes place during or after the polyaddition reaction, and optionally using the chain extenders known per se in polyurethane chemistry, one below 300 Molecular weight and, if appropriate, using the auxiliaries customary in polyurethane chemistry Additives, characterized in that as structural components with hydrophilic groups or with in hydrophilic Groups convertible groups both
a) Mono- oder Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyantgruppen reaktionsfähigena) Mono- or diisocyanates and / or in terms of the isocyanate polyaddition reaction mono- or difunctional compounds with isocyanate-reactive groups
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009883/036 1009883/036 1
27305H27305H
Wasserstoffatomen mit Äthylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten als auchHaving hydrogen atoms with ethylene oxide units hydrophilic chains as well
b) Mono- oder Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanat-Polyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit ionischen Gruppen oder in ionische Gruppen überführbaren Gruppenb) mono- or diisocyanates and / or in the sense of the isocyanate polyaddition reaction mono- or difunctional compounds with isocyanate-reactive groups Hydrogen atoms with ionic groups or groups which can be converted into ionic groups
mitverwendet werden, wobei die Art und Menge bzw. Neutralisierungs- oder Quaternierungsgrad der Komponenten a) und b) so bemessen wird, daß im letztlich erhaltenen Polyurethan 2 bis 50 Gew.-% an Äthylenoxid-Einheiten und 16 bis 250 Milliäquivalent pro 100 g an ionischen Gruppen vorliegen.be used, whereby the type and amount or neutralization or the degree of quaternization of components a) and b) is such that in the polyurethane ultimately obtained 2 to 50% by weight of ethylene oxide units and 16 to 250 milliequivalents per 100 g of ionic groups are present.
Für das bevorzugte, obengenannte Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethanelastomeren geeignete organische Diisocyanate sind solche der allgemeinen Formel R(NCO)2» wobei R für einen organischen Rest steht, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem organischen Diisocyanat des Molekulargewichtsbereichs 112-1000, vorzugsweise 140-400, erhalten wird. Besonders bevorzugte für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Diisocyanate sind solche der angegebenen allgemeinen Formel, bei welchen R für einen zweiwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4-18 Kohlenstoffatomen, einen zweiwertigen cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 5-15 Kohlenstoffatomen, einen zweiwertigen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6-15 Kohlenstoffatomen oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7-15 Kohlenstoffatomen steht. Typische Vertreter von für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt geeigneten organischen Diisocyanaten sind z.B. Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, Dodeca-Organic suitable for the preferred, abovementioned process for the preparation of the polyurethane elastomers according to the invention Diisocyanates are those of the general formula R (NCO) 2 »where R stands for an organic radical like him by removing the isocyanate groups from an organic diisocyanate of the molecular weight range 112-1000, preferably 140-400. Particularly preferred diisocyanates suitable for the process according to the invention are those of the general formula given, in which R is a divalent aliphatic hydrocarbon radical with 4-18 carbon atoms, a divalent cycloaliphatic Hydrocarbon radical with 5-15 carbon atoms, a divalent aromatic hydrocarbon radical with 6-15 carbon atoms or an araliphatic hydrocarbon radical with 7-15 carbon atoms. Typical Representatives of organic diisocyanates which are preferred for the process according to the invention are e.g. Tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, dodeca-
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methylendiisocyanat, Cyclohexan-1,3- und -1,4-diisocyanat, 1-Isocyanato-S-isocyanatomethyl-S,5,5-trimethylcyclohexan, 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan oder auch aromatische Diisocyanate, wie 2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, aus diesen Isomeren bestehende Gemische, 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan, 1,5-Diisocyanatonaphthalin usw.methylene diisocyanate, cyclohexane-1,3- and 1,4-diisocyanate, 1-isocyanato-S-isocyanatomethyl-S, 5,5-trimethylcyclohexane, 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethane or aromatic ones Diisocyanates, such as 2,4-diisocyanatotoluene, 2,6-diisocyanatotoluene, Mixtures consisting of these isomers, 4,4'-diisocyanatodiphenylmethane, 1,5-diisocyanatonaphthalene, etc.
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete, im Sinne der Isocyanat-Polyaddition difunktionelle endständige, gegenüber Isocyanat reaktionsfähige Gruppen aufweisende Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs 300-6000, vorzugsweise 500-3000, sind insbesondereSuitable for the process according to the invention, in the sense of Isocyanate polyaddition compounds having difunctional terminal compounds which are reactive toward isocyanate of the molecular weight range 300-6000, preferably 500-3000, are in particular
1. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Dihydroxypolyester aus Dicarbonsäuren, wie Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Tetrahydrophthalsäure usw. und Diolen, wie z.B. Äthylenglykol, Propylenglykol-1,2, Propylenglykol-1,3, Diäthylenglykol, Butandiol-1,4, Hexandiol-1,6, Octandiol-1,8, Neopentylglykol, 2-Methypropandiol-1,3, oder die verschiedenen isomeren Bishydroxymethylcyclohexane;1. the dihydroxy polyesters known per se in polyurethane chemistry from dicarboxylic acids, such as succinic acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, Isophthalic acid, terephthalic acid, tetrahydrophthalic acid, etc. and diols such as ethylene glycol, propylene glycol-1,2, 1,3-propylene glycol, diethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, neopentyl glycol, 2-methypropanediol-1,3, or the various isomers Bishydroxymethylcyclohexane;
2. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polylactone, wie z.B. die auf den oben genannten zweiwertigen Alkoholen gestartete Polymerisate des f-Caprolactons ;2. the polylactones known per se in polyurethane chemistry, such as those based on the divalent ones mentioned above Alcohol-initiated polymers of f-caprolactone;
3. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polycarbonate, wie sie durch Umsetzung beispielsweise der oben genannten Diole mit Diarylcarbonaten oder Phosgen zugänglich sind;3. The polycarbonates known per se in polyurethane chemistry, such as those obtained by reacting, for example, the above-mentioned diols with diaryl carbonates or phosgene are accessible;
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4. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten PoIyäther, wie z.B. die unter Verwendung von zweiwertigen Startermolekülen, wie Wasser, den oben genannten Diolen oder 2 N-H-Bindungen aufweisende Amine hergestellten Polymerisate bzw. Mischpolymerisate des Styroloxids, Propylenoxids, Tetrahydrofurans, Butylenoxids oder Epichlorhydrins; Auch Äthylenoxid kann anteilmäßig mitverwendet werden mit der Maßgabe, daß der verwendete Polyäther maximal ca. 10 Gewichtsprozente an Äthylenoxid enthält. Im allgemeinen werden Jedoch solche Polyäther eingesetzt, die ohne. Mitverwendung von Äthylenoxid erhalten wurden;4. the polyethers known per se in polyurethane chemistry, such as those using divalent starter molecules such as water, the above-mentioned diols or polymers or copolymers of styrene oxide produced by amines containing 2 N-H bonds, Propylene oxide, tetrahydrofuran, butylene oxide or epichlorohydrins; Ethylene oxide can also be used proportionally with the proviso that the polyether used is a maximum of about 10 percent by weight of ethylene oxide contains. In general, however, those polyethers are used without. Use of ethylene oxide were obtained;
5. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten PoIythioäther, Polythiomischäther, Polythioätherester*,5. the polyethioethers known per se in polyurethane chemistry, Polythio mixed ethers, polythioether esters *,
6. die in der Polyurethan-Chemie an sich bekannten Polyacetale, beispielsweise aus den oben genannten Diolen und Formaldehyd; sowie6. The polyacetals known per se in polyurethane chemistry, for example from the diols mentioned above and formaldehyde; as
7. difunktionelle endständige, gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen aufweisende Polyätherester.7. Bifunctional terminal polyether esters which are reactive toward isocyanate groups.
Bevorzugt werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Dihydroxypolyester, Dihydroxypolylactone, Dihydroxypolyäther und Dihydroxypolycarbonate eingesetzt.In the process according to the invention, preference is given to dihydroxy polyesters, Dihydroxypolylactones, dihydroxypolyethers and dihydroxypolycarbonates are used.
Grundsätzlich könnten die erfindungsgemäßen Verbindungen jedoch auch ohne Mitverwendung von höhermolekularen Polyhydroxy !verbindungen, d.h. ausschließlich unter Verwendung von Diisocyanaten und niedermolekularen Reaktionspartnern (Molgewicht -c300) hergestellt werden.In principle, however, the compounds according to the invention could even without the use of higher molecular weight polyhydroxy compounds, i.e. exclusively with use of diisocyanates and low molecular weight reactants (molecular weight -c300).
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Als beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der wasserlöslichen Polyurethane mitzuverwendende Kettenverlängerer eines unter 300 liegenden Molekulargewichts kommen beispielsweise die bei der Herstellung der Dihydroxypolyester beschriebenen niedermolekularen Diole oder auch Diamine, wie Diaminoäthan, 1,6-Diaminohexan, Piperazin, 2,5-Dimethylpiperazin, 1-Amino-3-aminomethy1-3,5,5-trimethylcyclohexan, 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan, 1,4-Diaminocyclohexan, 1,2-Propylendiamin oder auch Hydrazin, Aminosäurehydrazide, Hydrazide von Semicarbazidocarbonsäuren, Bis-hydrazide und Bis-semicarbazide in Betracht.As in the process of the invention for producing the chain extenders with a molecular weight below 300 to be used for water-soluble polyurethanes for example the low molecular weight diols described in the production of the dihydroxy polyesters or else Diamines, such as diaminoethane, 1,6-diaminohexane, piperazine, 2,5-dimethylpiperazine, 1-amino-3-aminomethy1-3,5,5-trimethylcyclohexane, 4,4'-diaminodicyclohexylmethane, 1,4-diaminocyclohexane, 1,2-propylenediamine or hydrazine, amino acid hydrazides, hydrazides of semicarbazidocarboxylic acids, Bis-hydrazide and bis-semicarbazide can be considered.
Geeignete Aufbaukomponenten sind auch z.B. Oleyldiäthanolamin, Stearyldiäthanolamin, Addukte langkettiger Alkylisocyanate an Diäthanolamin oder andere Aminoalkohole, Veresterungsprodukte langkettiger Fettsäuren mit Glycerin oder Trimethylolpropan, Addukte von 6-24 C-Atome aufweisenden Aminen oder Phenolen an Glycid oder 3-Äthyl-3-hydroxymethy1-oxetan. Suitable components are also e.g. oleyl diethanolamine, Stearyl diethanolamine, adducts of long-chain alkyl isocyanates of diethanolamine or other amino alcohols, esterification products of long-chain fatty acids with glycerine or trimethylolpropane, adducts of 6-24 carbon atoms or amines or phenols with glycide or 3-ethyl-3-hydroxymethyl-oxetane.
Neben den genannten im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion difunktionellen Aufbaukomponenten können in besonderen Fällen, in welchen eine geringe Verzweigung der Polyurethane erwünscht ist, auch die in der Polyurethanchemie an sich bekannten tri- und höherfunktionellen Aufbaukomponenten in geringen Anteilen mitverwendet werden. Vorzugsweise werden die Aus-angskomponenten jedoch so gewählt, daß die Funktionalität im Mittel 2,1 nicht überschreitet.In addition to the above-mentioned structural components which are difunctional in the sense of the isocyanate polyaddition reaction, special Cases in which a low degree of branching of the polyurethanes is desired, including those in polyurethane chemistry Trifunctional and higher-functional structural components known per se can also be used in small proportions. However, the starting components are preferably chosen so that the functionality is not on average 2.1 exceeds.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können:In the method according to the invention:
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a) beliebige Mono- oder Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgrup pen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit Äthylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten unda) Any mono- or diisocyanates and / or mono- or difunctional in the sense of the isocyanate polyaddition reaction Compounds with isocyanate groups reactive hydrogen atoms with ethylene oxide units having hydrophilic chains and
b) beliebige Mono- oder Diisocyanate und/oder im Sinne der Isocyanatpolyadditonsreaktion mono- oder difunktionelle Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Wasserstoffatomen mit ionischen Grup pen oder in ionische Gruppen überführbaren Gruppen mitverwendet werden.b) any mono- or diisocyanates and / or mono- or difunctional in the sense of the isocyanate polyaddition reaction Compounds with opposite isocyanate groups reactive hydrogen atoms with ionic groups or groups which can be converted into ionic groups can also be used.
Zu den bevorzugten hydrophilen Aufbaukomponenten mit seitenständigen Äthylenoxid-Einheiten aufweisenden hydrophilen Ketten gehören sowohl Verbindungen der FormelThe preferred hydrophilic structural components with lateral ethylene oxide units having hydrophilic ones Chains belong to both compounds of the formula
R1 R1 R 1 R 1
ι ιι ι
und/oder Verbindungen der Formeland / or compounds of the formula
COCO
Z-X-Y-R"Z-X-Y-R "
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Besonders bevorzugte Aufbaukomponente a) sind solche der erstgenannten Formel (I).Particularly preferred structural components a) are those of the first-mentioned formula (I).
In obigen Formeln (I) und (II) stehenIn the above formulas (I) and (II) stand
R für einen zweiwertigen Rest, wie er durch Entfernung der Isocyanatgruppen aus einem Diisocyanat der Formel R(NCO)2 der vorstehend genannten Art erhalten wird,R for a divalent radical, as obtained by removing the isocyanate groups from a diisocyanate of the formula R (NCO) 2 of the type mentioned above,
R1 für Wasserstoff oder einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise für
Wasserstoff oder eine Methylgruppe,R 1 represents hydrogen or a monovalent hydrocarbon radical having 1 to 8 carbon atoms, preferably for
Hydrogen or a methyl group,
R" für einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis Kohlenstoffatomen, vorzugsweise einen unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen,R "for a monovalent hydrocarbon radical with 1 to Carbon atoms, preferably an unsubstituted alkyl radical with 1 to 4 carbon atoms,
X für den Rest, wie er durch Enfernen des endständigen
Sauerstoffatoms aus einer Polyalkylenoxidkette mit 5
bis 90, vorzugsweise 20 bis 70 Kettengliedern erhalten wird, welche Kettenglieder zumindest zu 40 %, vorzugsweise
zumindest zu 65 % aus Äthylenoxid-Einheiten bestehen und die neben Äthylenoxid-Einheiten auch Propylenoxid-,
Butylenoxid- oder Styroloxid-Einheiten darstellen können, wobei unter den letztgenannten Einheiten Propylenoxid-Einheiten
bevorzugt sind,X for the remainder as obtained by removing the terminal one
Oxygen atom from a polyalkylene oxide chain with 5
to 90, preferably 20 to 70 chain links is obtained, which chain links consist of at least 40%, preferably at least 65% of ethylene oxide units and which, in addition to ethylene oxide units, can also represent propylene oxide, butylene oxide or styrene oxide units, with the the latter units propylene oxide units are preferred,
inin
Y für Sauerstoff oder -NR -, wobei Rm bezüglich seinerY for oxygen or -NR -, where R m with respect to its
Definition R" entspricht,
Z für einen Rest, der in seiner Bedeutung der Definition von Y entspricht.Definition R "corresponds,
Z stands for a residue that corresponds to the definition of Y in its meaning.
Die Herstellung der Verbindungen der obengenannten Formeln (I) und (II) kann gemäß den Verfahrensweisen der DT-OS
314 512 bzw. 2 314 513 erfolgen, wobei in Ergänzung derThe compounds of the abovementioned formulas (I) and (II) can be prepared according to the procedures of the DT-OS
314 512 or 2 314 513, with the addition of the
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dort gemachten Offenbarung darauf hingewiesen wird, daß anstelle der dort als Ausgangsmaterial erwähnten Polyätheralkohole auch solche eingesetzt werden können, deren PoIyäthersegment außer Äthylenoxid-Einheiten auch bis zu 60 Gew.-%, bezogen auf Polyäthersegment an Propylenoxid-, Butylenoxid- oder Styroloxid-, vorzugsweise Propylenoxid-Einheiten aufweisen. Der Anteil derartiger "gemischter PoIy äthersegmente" kann in speziellen Fällen spezifische Vortei le mit sich bringen.It is pointed out that the disclosure made there that instead of the polyether alcohols mentioned there as starting material it is also possible to use those whose polyether segment, in addition to ethylene oxide units, also has up to 60 % By weight, based on the polyether segment, of propylene oxide, butylene oxide or styrene oxide, preferably propylene oxide, units exhibit. The proportion of such "mixed poly ether segments" can have specific advantages in special cases le bring with them.
Auch Äthylenoxideinheiten aufweisende DihydroxypoIyäther des Molekulargewichtsbereichs 300-6000, vorzugsweise 500-3000, können als hydrophile Aufbaukomponente beim erfindungsgemäßen Verfahren mitverwendet werden. Auch hydrophile Äthergruppen, d.h. Polyäthylenoxid-Einheiten aufweisende Dihydroxypolycarbonate sind als hydrophile Aufbaukomponente geeignet.Dihydroxypolyethers also containing ethylene oxide units of the molecular weight range 300-6000, preferably 500-3000, can be used as a hydrophilic structural component in the invention Process can also be used. Also hydrophilic ether groups, i.e. containing polyethylene oxide units Dihydroxy polycarbonates are suitable as hydrophilic structural components.
Weitere besonders bevorzugte hydrophile Aufbaukomponenten zum Einbau endständiger oder seitenständiger hydrophiler Äthylenoxideinheiten aufweisender Ketten sind Verbindungen der FormelFurther particularly preferred hydrophilic structural components for incorporating terminal or lateral hydrophilic components Chains containing ethylene oxide units are compounds of the formula
HO-X-Y-R" oder HR1N-X-Y-R"HO-XYR "or HR 1 NXYR"
und/oder Verbindungen der Formeland / or compounds of the formula
OCN-R-N-CO-Z-X-Y-R"OCN-R-N-CO-Z-X-Y-R "
X, Y, Z, R, R" die oben erläuterte Bedeutung haben. X, Y, Z, R, R "have the meaning explained above.
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Erfindungswesentliche Aufbaukomponenten b) sind beispielsweise im Sinne der Isocyanatpolyadditionsreaktion mono- oder difunktionelle Vertreter der im US-Patent 3 479 310, Kolonne 4, Zeile 11 bis Kolonne 5, Zeile 46, beispielhaft erwähnten Verbindungen bzw. die entsprechenden durch einfache Neutralisation oder Quaternierung zugänglicher Verbindungen mit salzartigen Gruppen. Geeignete Neutralisations- oder Quaternierungsmittel sind beispielsweise die in dem genannten US-Patent in Kolonne 6, Zeilen 14 bis 39 genannten Verbindungen.Structural components b) essential to the invention are, for example in the sense of the isocyanate polyaddition reaction, monofunctional or difunctional representatives of the in US Pat. No. 3,479,310, Column 4, line 11 to column 5, line 46, by way of example compounds mentioned or the corresponding compounds accessible by simple neutralization or quaternization with salty groups. Suitable neutralizing or quaternizing agents are, for example compounds mentioned in column 6, lines 14 to 39 of said US patent.
Für den Einbau von tertiären Sulfoniumgruppen in das Polyurethan werden beispielsweise die in der US-Patentschrift 3 419 533, Kolonne 3, Zeile 75 bis Kolonne 4, Zeile 51 aufgeführten Verbindungen als Aufbaukomponenten eingesetzt.For the incorporation of tertiary sulfonium groups into the polyurethane Examples include those listed in US Pat. No. 3,419,533, column 3, line 75 to column 4, line 51 Connections used as structural components.
Grundsätzlich ist es ohne Belang auf welche Weise die kationischen Zentren in das Polyurethan eingebaut wurden. So kann man z.B. außer den in den beiden genannten Patentschriften aufgeführten Methoden auch ein Epoxigruppen tragendes Polyurethan oder NCO-Präpolymer herstellen und durch Umsetzung der Epoxigruppe mit einem primären oder sekundären Amin das basische Zentrum einführen, das anschließend durch eine anorganische oder organische Säure oder ein Alkylierungsmittel in die Salzform übergeführt wird.In principle, it does not matter in which way the cationic ones Centers built into the polyurethane. For example, in addition to the two patent specifications mentioned Methods listed also produce a polyurethane or NCO prepolymer bearing epoxy groups and by reaction of the epoxy group with a primary or secondary amine introduce the basic center, which is then replaced by a inorganic or organic acid or an alkylating agent is converted into the salt form.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Art und Menge der Komponenten a) so gewählt, daß in den erfindungsgemäßen Polyurethanen 2 bis 50, vorzugsweise 11 bis 20 Gew.-% an in den Äthersegmenten eingebauten Äthylenoxid-Einheiten -CH--CH--O-vorliegen. Die Art und Menge bzw. der Neutralisations- oderIn the method according to the invention, the type and amount of the components a) chosen so that in the polyurethanes according to the invention 2 to 50, preferably 11 to 20 wt .-% in the Ethersegments built-in ethylene oxide units -CH - CH - O- are present. The type and amount or the neutralization or
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Quarternierungsgrad der Komponenten b) wird beim erfindungsgemäßen Verfahren so gewählt, daß in den erfindungsgemäßen Polyurethanen 16 bis 250 Milliäquivalent pro 100 g, vorzugsweise 20 bis 100 Milliäquivalent pro 100 g an =N®=, -COO9 The degree of quaternization of components b) in the process according to the invention is chosen so that in the polyurethanes according to the invention 16 to 250 milliequivalents per 100 g, preferably 20 to 100 milliequivalents per 100 g of = N® =, -COO 9
Φ
oder -S - -Gruppen vorliegen. Vorzugsweise liegt die SummeΦ
or -S - groups are present. Preferably the sum is
der Anzahl der Milliäquivalente eingebauter ionischer Gruppenpro 100 g Polyurethan und der Anzahl an "Pseudomilliäquivalenten" an eingebauten Äthylenoxid-Einheiten pro 100 g Polyurethan bei 40 bis 300 und besonders bevorzugt zwischen 60 und 200.the number of milliequivalents of incorporated ionic groups per 100 g of polyurethane and the number of "pseudomilliequivalents" of built-in ethylene oxide units per 100 g of polyurethane at 40 to 300 and particularly preferably between 60 and 200.
Unter einem "Pseudomilliäquivalent" an eingebauten Äthylenoxid-Einheiten soll hierbei die Menge an innerhalb einer Polyalkylenoxid-Kette eingebauten Äthylenoxid-Einheiten verstanden werden, die zur Löslichkeit des Polyurethans in Wasser den gleichen Beitrag liefert wie ein Milliäquivalent an eingebauten ionischen Gruppen. (Die Wirksamkeit der obengenannten ionischen Gruppen bezüglich ihres Beitrags zur Löslichkeit des Polyurethans hängt ausschließlich von der Anzahl der Milliäquivalente ionischer Gruppen und nicht von der Art der ionischen Gruppen ab.) Bei den wäßrigen Polyurethanlösungen hängt die Löslichkeit von der Konzentration der eingebauten hydrophilen Zentren im Polyurethan ab. Wie sich aufgrund eingehender Studien der Anmelderin herausstellte, kann man in einem beliebigen, in Wasser löslichen, auschließlich ionisch modifiziertem Polyurethan bei ansonsten völlig analogem Molekülaufbau die ionischen Gruppen stets durch eine bestimmte Menge an innerhalb einer Polyätherkette angeordnetem Äthylenoxid zu ersetzen, daß ein entsprechendes ausschließlich nichtionisch modifiziertes Polyurethan erhalten wird, das in Wasser gleiche Löslichkeit aufweist, (wobei eine analoge Herstellungsweise der PolyurethanlösungenLess than a "pseudomilli equivalent" of built-in ethylene oxide units is to be understood here as the amount of ethylene oxide units built into a polyalkylene oxide chain which makes the same contribution to the solubility of the polyurethane in water as a milliequivalent of built-in ionic groups. (The effectiveness of the above ionic groups in terms of their contribution to solubility of the polyurethane depends solely on the number of milliequivalents of ionic groups and not on the type of the ionic groups.) In the case of the aqueous polyurethane solutions, the solubility depends on the concentration of the built-in hydrophilic centers in the polyurethane. As it turned out on the basis of in-depth studies by the applicant, can be used in any water-soluble, exclusively ionically modified polyurethane with otherwise completely analogous molecular structure the ionic groups always by a certain amount of arranged within a polyether chain To replace ethylene oxide that a corresponding exclusively nonionically modified polyurethane obtained which has the same solubility in water, (with an analogous method of preparation of the polyurethane solutions
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vorausgesetzt wird), wenn die im ionisch modifizierten Polyurethan vorliegenden Milliäquivalente an ionischen Gruppen durch die gleiche Anzahl an "Pseudomilliäquivalenten" an nicht ionischen Gruppen ersetzt werden. So entsprechen einem Milliäquivalent an eingebauten ionischen Gruppen 0,5 g an innerhalb einer Polyätherkette eingebauten Äthylenoxid-Einheiten. Unter einem "Pseudomilliäquivalent" an nichtionischen Gruppen sind demzufolge 0,5 g an innerhalb einer Polyätherkette eingebauten Äthylenoxid-Einheiten zu verstehen. Demzufolge weist ein ausschließlich ionisch modifiziertes Polyurethan mit einem Gehalt an 40 Milliäquivalent pro 100 g an einer der obengenannten ionischen Gruppen die gleiche Wasserlöslichkeit auf wie ein analog aufgebautes und hergestelltes auschließlich nichtionisch modifiziertes Polyurethan mit einem Gehalt an 20 g pro 100 g an innerhalb einer Polyätherkette eingebautem Äthylenoxid.is assumed) if the ionically modified polyurethane present milliequivalents of ionic groups by the same number of "pseudomilliequivalents" non-ionic groups are replaced. One milliequivalent of built-in ionic groups corresponds to 0.5 g Ethylene oxide units built into a polyether chain. Accordingly, under a "pseudomilli equivalent" of nonionic groups are 0.5 g of within one To understand polyether chain built-in ethylene oxide units. As a result, it has an exclusively ionically modified one Polyurethane with a content of 40 milliequivalents per 100 g of one of the abovementioned ionic groups the same water solubility as an exclusively nonionically modified one which is constructed and produced analogously Polyurethane with a content of 20 g per 100 g of ethylene oxide incorporated within a polyether chain.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der wasserlöslichen Polyurethane kann nach den an sich bekannten Methoden der Polyurethanchemie sowohl nach dem Einstufen- als auch dem Zweistufen-Verfahren (Präpolymer-Verfahren) erfolgen.Carrying out the process according to the invention for production the water-soluble polyurethanes can both by the methods of polyurethane chemistry known per se be carried out according to the one-step as well as the two-step process (prepolymer process).
Bei der Herstellung der wasserlöslichen Polyurethane kommen die Reaktionspartner in einem Äquivalentverhältnis von Isocyanatgruppen zu gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen von 0,8:1 bis 2,5:1, vorzugsweise 0,95:1 bis 1,5:1 zum Einsatz. Bei der Verwendung eines NCO-Oberschusses entstehen dabei naturgemäß NCO-Gruppen aufweisende Verbindungen, die bei ihrer überführung in eine wäßrige Lösung mit dem Wasser unter Kettenverlängerung zu dem Endprodukt weiterreagieren. Dementsprechend beinhaltet das obige Äquivalent-In the production of the water-soluble polyurethanes, the reactants come in an equivalent ratio of isocyanate groups to isocyanate-reactive groups of 0.8: 1 to 2.5: 1, preferably 0.95: 1 to 1.5: 1 for use. When using an excess of NCO, this naturally results in compounds containing NCO groups, which, when converted into an aqueous solution, react further with the water to form the end product with chain extension. Accordingly, the above equivalent includes
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verhältnis alle am Aufbau der erfindungsgemäßen Polyurethane beteiligten Komponenten inclusive dem gegebenenfalls in Form wäßriger Lösungen verwendeten Aminogruppen aufweisenden Kettenverlängerungsmittel, nicht jedoch den Anteil des zur Lösung der Polyurethane eingesetzten Wassers, welches mit gegebenenfalls vorliegenden NCO-Gruppen aufweisenden Verbindungen unter Kettenverlängerungsreaktion reagiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden im übrigen gegebenenfalls im Reaktionsgemisch vorliegende Carboxylgruppen (Komponente b)) nicht als gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen betrachtet, was sich angesichts der Reaktionsträgheit dieser Gruppen gegenüber Isocyanatgruppen rechtfertigt.ratio all in the structure of the polyurethanes according to the invention participating components including the amino groups optionally used in the form of aqueous solutions Chain extenders, but not the proportion of the water used to dissolve the polyurethanes, which with any compounds containing NCO groups which may be present reacts with a chain-lengthening reaction. in the In the context of the present invention, any carboxyl groups present in the reaction mixture are otherwise (Component b)) is not considered as isocyanate-reactive groups, which in view of the The inertia of these groups towards isocyanate groups justifies.
Sowohl bei der Durchführung des Einstufen- als auch des Zweistufen-Verfahrens kann in Gegenwart oder auch Abwesenheit von Lösungsmitteln gearbeitet werden. Geeignete Lösungsmittel, insbesondere wenn, wie unten beschrieben - während oder im Anschluß an die Polyurethanherstellung die überführung der Polyurethane in eine wäßrige Lösung beabsichtigt ist, sind beispielsweise mit Wasser mischbare, gegenüber Isocyanatgruppen indifferente Lösungsmittel mit einem unter 100 C liegenden Siedepunkt wie z.B. Aceton oder Methyläthylketon. Both the one-step and the two-step process can be carried out in the presence or absence be worked by solvents. Suitable solvents, especially when, as described below - during or the intention is to convert the polyurethanes into an aqueous solution after the polyurethane has been produced is, for example, are water-miscible, isocyanate-indifferent solvents with a below 100 C boiling point such as acetone or methyl ethyl ketone.
Bei der Durchführung des Einstufenverfahrens werden bevorzugt die oben unter 1. bis 7. genannten difunktionellen endständige, gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähige Gruppen aufweisenden Verbindungen des Molekulargewichtsbereichs 5OO bis 60OO mit den hydrophilen Kettenverlängerern a) und b) sowie dem gegebenenfalls mitzuverwendenden KettenverlängererWhen carrying out the one-step process, preference is given to the difunctional terminal ends mentioned above under 1. to 7. compounds having groups which are reactive toward isocyanate groups and having a molecular weight range of 500 up to 60OO with the hydrophilic chain extenders a) and b) as well as the chain extender to be used if necessary
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eines unter 500 liegenden Molekulargewichts gemischt. Der so erhaltenen Mischung wird anschließend die Diisocyanatkomponente in Abwesenheit von Lösungsmitteln zugegeben, wonach das Reaktionsgemisch vorzugsweise bei 50 bis 150C liegenden Temperaturen, gegebenenfalls nach Zugabe der in der Polyurethanchemie an sich bekannten Katalysatoren zur Reaktion gebracht wird. Die Menge der Diisocyanatkomponenten wird hierbei so gewählt, daß ein NCO/OH-Verhältnis von 0,8 bis 1,05 vorliegt. Während der Reaktion steigt die Viskosität der Reaktionsmischung an, so daß der Mischung nach und nach eines der genannten Lösungsmittel zugegeben wird. Schließlich wird eine organische Lösung des aureagierten Polyurethans erhalten, deren Konzentration vorzugsweise auf 10 bis 70, insbesondere 15 bis 55, Gew.-% Feststoff eingestellt wird. Bei diesem Einstufen-Verfahren empfiehlt sich insbesondere die Verwendung von tertiären Aminen mit 2 alkoholischen Hydroxylgruppen als Komponente b). Falls als Komponente b) Verbindungen eingesetzt werden, welche in ionische Gruppen überführbare Gruppen aufweisen, empfiehlt sich diese überführung durch an sich bekannte Neutralisation oder Quaternierung im Anschluß an die Polyadditionsreaktion entweder in organischer Lösung oder dergestalt, daß das in organischer Lösung vorliegende Polyurethan während seiner überführung in eine wäßrige Lösung durch im Wasser vorliegende Neutralisationsmittel neutralisiert wird.a molecular weight below 500. The mixture thus obtained then becomes the diisocyanate component added in the absence of solvents, after which the reaction mixture is preferably at 50 to 150C lying temperatures, optionally after addition of the catalysts known per se in polyurethane chemistry for Reaction is brought. The amount of diisocyanate components is chosen so that there is an NCO / OH ratio of 0.8 to 1.05. The viscosity increases during the reaction of the reaction mixture, so that one of the solvents mentioned is gradually added to the mixture. Finally, an organic solution of the aureacted polyurethane is obtained, the concentration of which is preferably up 10 to 70, in particular 15 to 55, wt .-% solids is set. This one-step process is recommended in particular the use of tertiary amines with 2 alcoholic hydroxyl groups as component b). If as Component b) compounds are used which have groups convertible into ionic groups, recommends this conversion can be achieved by neutralization or quaternization, known per se, following the polyaddition reaction either in organic solution or in such a way that the polyurethane present in organic solution neutralized during its conversion into an aqueous solution by neutralizing agents present in the water will.
Die überführung der Polyurethane in eine wäßrige Lösung erfolgt zweckmäßigerweise durch Zugabe von Wasser zu der gerührten Lösung oder Schmelze. Nach destillativer Entfernung des gegebenenfalls vorhandenen Lösunasmittels bleibt eine rein wäßrige Lösung zurück.The conversion of the polyurethanes into an aqueous solution is expediently carried out by adding water to the stirred solution or melt. After removal by distillation a purely aqueous solution remains of any solvent present.
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Bei der Durchführung des Zweistufenverfahrens wird vorzugsweise zunächst in der Schmelze aus überschüssigem Diisocyanat, höhermolekularer Verbindung mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen der oben unter 1. bis 7. beispielhaft genannten Art sowie hydrophilem Kettenverlängerer a) und gegebenenfalls b) unter Einhaltung eines NCO/ OH-Verhältnisses von 1,1:1 bis 3,5:1, vorzugsweise 1,2:1 bis 2,5:1, in Abwesenheit von Lösungsmitteln oder auch bereits in Gegenwart von Lösungsmitteln ein NCO-Präpolymer hergestellt, welches bei Abwesenheit von Lösungsmitteln anschließend, beispielsweise in einem geeigneten Lösungsmittel aufgenommen wird. Die so erhaltene Lösung des Präpolymeren kann dann in an sich bekannter Weise mit dem Kettenverlängerungsmittel der oben beispielhaft aufgeführten Art eines unter 300 liegenden Molekulargewichts zur Reaktion gebracht werden. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethanlösungen empfiehlt sich eine besondere Variante des Zweistufenverfahrens, bei welcher die beschriebene Lösung des NCO-Präpolymeren mit der Lösung des Kettenverlängerungsmittels - hier werden bevorzugt die genannten Diamine bzw. Hydrazinderivate als Kettenverlängerer eingesetzt - in geringen Mengen Wasser oder einem Wasser/Lösungsmittelgemisch so versetzt, daß das NCO/NH-Verhältnis zwischen 2,5 und 1,05 liegt. Diese Umsetzung kann bei Raumtemperatur oder auch vorzugsweise bei 25-6O°C erfolgen. Durch nachträgliche Zugabe des restlichen Wassers und anschließender Entfernung des Lösungsmittels wird schließlich die wäßrige Polyurethanlösung erhalten. Es ist bei dieser Verfahrensvariante jedoch auch möglich, den Kettenverlängerer in der Gesamtmenge des in der Lösung schließlich vorliegenden Wassers (50-200 Gew.-%, bezogen auf festes Polyurethan) zuWhen performing the two-step process, preference is given to initially in the melt from excess diisocyanate, higher molecular weight compound with opposite isocyanate groups reactive groups of the above under 1. to 7. exemplified type and hydrophilic chain extender a) and optionally b) while maintaining an NCO / OH ratio from 1.1: 1 to 3.5: 1, preferably 1.2: 1 up to 2.5: 1, in the absence of solvents or even in the presence of solvents, an NCO prepolymer prepared, which in the absence of solvents then, for example in a suitable solvent is recorded. The solution of the prepolymer thus obtained can then be mixed with the chain extender in a manner known per se of the type exemplified above with a molecular weight below 300 reacted will. A special variant of the two-stage process is recommended for the production of the polyurethane solutions according to the invention, in which the solution of the NCO prepolymer described with the solution of the chain extender - here the diamines or hydrazine derivatives mentioned are preferably used as chain extenders - in small amounts Amounts of water or a water / solvent mixture added so that the NCO / NH ratio between 2.5 and 1.05. This reaction can take place at room temperature or, preferably, at 25-60 ° C. By subsequent Addition of the remaining water and subsequent removal of the solvent finally becomes the aqueous Obtained polyurethane solution. In this process variant, however, it is also possible to use the chain extender in the Total amount of water finally present in the solution (50-200% by weight, based on solid polyurethane)
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lösen. Bei der Durchführung des Zweistufenverfahrens ist es durchaus möglich und oft auch bevorzugt die Komponente b) nicht in das Präpolymer einzubauen, sondern vielmehr wäßrige Lösungen von Diaminocarboxylaten bei der beschriebenen Kettenverlängerungsreaktion anstelle oder in Kombination mit den vorstehend genannten Diaminen bzw. Hydrazinderivaten einzusetzen.to solve. When carrying out the two-stage process, it is entirely possible and often also preferred to use the component b) not to be incorporated into the prepolymer, but rather aqueous solutions of diaminocarboxylates in the case of the described Chain extension reaction instead of or in combination with the above-mentioned diamines or hydrazine derivatives to use.
Das beschriebene Zweistufenverfahren wird jedoch ohne größere Schwierigkeiten vorzugsweise lösungsmittelfrei durchgeführt und zwar dergestalt, daß man das beschriebene NCO-Präpolymer lösungsmittelfrei herstellt und als Schmelze in das Wasser einrührt, wobei auch hier die genannten Aminogruppen aufweisenden ionischen oder nichtionischen Kettenverlängerer in im Wasser gelöster Form vorliegen können.However, the two-stage process described is preferably carried out in a solvent-free manner without major difficulties in such a way that the NCO prepolymer described Manufactures solvent-free and stirred into the water as a melt, the amino groups mentioned here as well having ionic or nonionic chain extenders can be present in dissolved form in water.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, das Polyurethan wie bei festen Thermoplasten üblich, in der Schmelze aus den Komponenten aufzubauen, z.B. in einer Form, auf einem Stahlband oder in einer Schnecke, das feste Produkt zu zerkleinern und anschließend in Wasser zu lösen.Of course, it is also possible, as is customary with solid thermoplastics, to melt the polyurethane from the Build components, e.g. in a mold, on a steel belt or in a screw, to shred the solid product and then to dissolve in water.
Die erfindungsgemäßen in Wasser löslichen Polyurethane sind von überwiegend linearem Molekularaufbau und sind durch einen Gehalt an innerhalb einer Polyätherkette eingebautem Äthylenoxid von 2 bis 50, vorzugsweise 11 bis 20 Gew.-%The water-soluble polyurethanes of the invention are of predominantly linear molecular structure and are due to a content of built-in within a polyether chain Ethylene oxide from 2 to 50, preferably 11 to 20 wt .-%
Φ θ ffiΦ θ ffi
und einem Gehalt an =N =, -COO oder -S - -Gruppen vonand a content of = N =, -COO or -S - groups of
16 bis 250, vorzugsweise 20 bis 100 Milliäquivalent pro 100 g gekennzeichnet. Vorzugsweise ist die seitenständige Polyalkylenoxidkette, die die erfindungswesentlichen Äthylenoxid-Einheiten aufweist über Gruppierungen16 to 250, preferably 20 to 100 milliequivalents per 100 g. Preferably the pendent Polyalkylene oxide chain, the ethylene oxide units essential to the invention has over groupings
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i) der Formeli) the formula
-N-CO-NH-R-NH-CO-O-X-Y-R"-N-CO-NH-R-NH-CO-O-X-Y-R "
oderor
ii) der Formelii) the formula
-N-CO-Z-X-Y-R"-N-CO-Z-X-Y-R "
verbunden, wobeiconnected, where
R, R", R1", X, Y und Z die oben genannte Bedeutung haben.R, R ", R 1 ", X, Y and Z have the meanings given above.
Die vorstehend beschriebene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt lediglich einen bevorzugten, nicht jedoch den einzigen Weg zu den erfindungsgemäßen Polyurethanen dar. Ein weiterer Weg zu den erfindungsgemäßen Polyurethanen besteht beispielsweise in der Einführung der nichtionischen seitenständigen hydrophilen Gruppen in ein bereits ionische Gruppen oder in ionische Gruppen überführbare Gruppen aufweisendes, vorzugsweise lineares Polyurethanelastomer durch Umsetzung dieses Elastomeren mit hydrophilen Monoisocyanaten der FormelThe variant of the invention described above Process represents only a preferred, but not the only, route to the polyurethanes according to the invention. Another route to the polyurethanes according to the invention consists, for example, in the introduction of the nonionic ones lateral hydrophilic groups in a group which already has ionic groups or which can be converted into ionic groups, preferably linear polyurethane elastomer by reacting this elastomer with hydrophilic monoisocyanates the formula
OCN-R-NH-CO-O-X-Y-R"OCN-R-NH-CO-O-X-Y-R "
in welcherin which
R, X, Y, R" und R"1 die vorstehend genannte Bedeutung haben.R, X, Y, R ″ and R ″ 1 have the meanings given above.
Dio Herstellung derartiger hydrophiler Monoisocyanate geschieht in Analogie der in der DT-OS 2 314 512 beschriebenen Verfahrensweise wobei jedoch auch hier in Ergänzung der dort gemachtenDio production of such hydrophilic monoisocyanates happens in analogy to the procedure described in DT-OS 2 314 512 but also here in addition to what is made there
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Offenbarung darauf hingewiesen wird, daß anstelle der dort als Ausgangsmaterial erwähnten monofunktionelle Polyätheralkoholo auch solche eingesetzt werden können, deren Polyäthersegment außer Athylcnoxid-Einheiten auch bis zu 6O, vorzugsweise bis zu 35 Gev/.-'i, bezogen auf Polyüthersegmcnt an Propylenoxid-, Butyloxid- oder Styroloxid, vorzugsweise Propylenoxid-Einheiten aufv/eisen.Disclosure it is pointed out that instead of the monofunctional polyether alcohol mentioned there as starting material also those can be used whose polyether segment except Ethylene oxide units also up to 60, preferably up to 35 Gev /.- 'i, based on polyether segment on propylene oxide, butyloxide or Styrene oxide, preferably propylene oxide units.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane unter Verwendung dieser hydrophilen Monoisocyanate wird vorzugsweise aus den genannten Ausgangsmaterialien ein lineares Polyurethan hergestellt unter Verwendung eines Äquivalentverhältnisses Isocyanatgruppen : gegenüber Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Gruppen von vorzugsweise 1:1, welches ionische Gruppen bzv/. in ionische Gruppen überführbare Gruppen jedoch noch keine hydrophilen Polyäthersegmente aufweist. Dieses lineare Polyurethanelastorr.er wird dann in der Schmelze oder in einem geeigneten Lösungsmittel beispielsweise der obengenannten Art bei 50 bis 150°C mit den hydrophilen Monoisocyanaten umgesetzt, wobeiIn the production of the polyurethanes according to the invention under Use of these hydrophilic monoisocyanates is preferably a linear polyurethane from the starting materials mentioned produced using an equivalent ratio of isocyanate groups: isocyanate groups reactive Groups of preferably 1: 1, which ionic groups or /. groups which can be converted into ionic groups, however, are not yet hydrophilic Has polyether segments. This linear polyurethane elastomer is then in the melt or in a suitable Solvent, for example of the type mentioned above, reacted with the hydrophilic monoisocyanates at 50 to 150 ° C., with
vor allem eine Addition der Isocyanatgruppe des hydrophilen Monoisocyanats an die aktiven Wasserstoffatome der im linearen Polyurethan vorliegenden Urethan- und/oder Harnstoffgruppen eintritt. Gegebenenfalls vorliegende in ionische Gruppen überführbare Gruppen werden dann anschließend durch an sich bekannte Neu ti -«lisation- bzw. Quarternierung zumindest teilweise in die ct.tspr^ chenden ionischen Gruppen überführt. Bei dieser Ausf'Jh rungs form der Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane ist bei Verwendung von Carboxylgruppen aufweisenden Aufbaukomponenten, deren Carboxylgruppen anschließend durch Neutralisation in Carboxylatgruppen überführt werden sollen, darauf zu achten, daß nur solche Carboxylgruppen aufweisende Verbindungen mitverwendet werden, deren Carboxyic^ruppen gegenüber Isocyanatgruppen eine geringere Reaktivität gegenüber Isocyanatgruppen aufweisen als Urethan- oder Harnstoffgruppen.in particular an addition of the isocyanate group of the hydrophilic monoisocyanate to the active hydrogen atoms of the urethane and / or urea groups present in the linear polyurethane occurs. Any groups that can be converted into ionic groups are then at least partially converted into the ct. corresponding ionic groups transferred. In this embodiment of the production of the polyurethanes according to the invention, when using structural components containing carboxyl groups, the carboxyl groups of which are then to be converted into carboxylate groups by neutralization, care must be taken that only compounds containing carboxyl groups are used whose carboxyl groups are opposite to isocyanate groups have a lower reactivity towards isocyanate groups than urethane or urea groups.
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Ferner ist eine Arbeitsweise besonders bevorzugt, nach welcher ein Präpolymer mit endständigen NCO-Gruppen mit einem
monofunktionellen hydrophilen Polyäther umgesetzt wird, so daß ein polymeres Polyurethan mit endständigen hydrophilen
Polyäthersegmenten gebildet wird. Selbstverständlich kann
ein solches Produkt auch nach einem Einstufenverfahren erhalten werden, indem ein entsprechender hydrophiler monofunktioneller
Polyäther beim Aufbau des Polyurethans als
Aufbaukomponente mit eingesetzt wird. Schließlich kann man selbstverständlich auch ein Präpolymer mit endständigen
OH, SH, NH-, NHR oder COOH Gruppen mit einem hydrophilen
Monoisocyanat der FormelFurthermore, a mode of operation is particularly preferred in which a prepolymer with terminal NCO groups is reacted with a monofunctional hydrophilic polyether, so that a polymeric polyurethane with terminal hydrophilic polyether segments is formed. Of course you can
Such a product can also be obtained by a one-step process by using a corresponding hydrophilic monofunctional polyether in the construction of the polyurethane as
Structure component is also used. Finally, of course, you can also use a prepolymer terminated
OH, SH, NH, NHR or COOH groups with a hydrophilic
Monoisocyanate of the formula
OCN-R-NH-CO-O-X-Y-R"OCN-R-NH-CO-O-X-Y-R "
umsetzen. Hierbei haben R, X, Y, R" die vorstehend genannte Bedeutung.realize. Here, R, X, Y, R ″ have the meaning given above.
Diese Gruppe von erfindungsgemäßen Polyurethanen ist durch die GruppierungThis group of polyurethanes according to the invention is through the grouping
-U-R-NH-CO-O-X-Y-R" gekennzeichnet,-U-R-NH-CO-O-X-Y-R "marked,
U für -0-CO-NH-, -NH-CO-NH-, -NH-CO-, -S-CO-NH- stehtU stands for -0-CO-NH-, -NH-CO-NH-, -NH-CO-, -S-CO-NH-
und
R, X, Y, R" die vorstehend genannte Bedeutung haben.and
R, X, Y, R "have the meaning given above.
Sofern Polyurethane mit endständigen monofunktionellen hydrophilen
Polyäthern hergestellt werden, wird vorzugsweise für eine zumindest geringe Verzweigung dieser Produkte Sorge
getragen, z.B. durch anteilige Mitverwendung tri- oder
polyfunktioneller Aufbaukomponenten oder durch teilweise
Allophanatisierung, Trimerisierung oder Biuretisierung.If polyurethanes are produced with terminal monofunctional hydrophilic polyethers, care is preferably taken to ensure that these products are at least slightly branched, for example by using a proportion of tri- or
polyfunctional structural components or by partially
Allophanatization, trimerization or biuretization.
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Das so erhaltene als Schmelze oder als Lösung vorliegende erfindungsgemäße Polyurethan kann dann durch Vermischen mit Wasser und gegebenenfalls anschließendem Abdestillieren des Hilfslösungsmittels in eine wäßrige Lösung überführt werden. The polyurethane according to the invention thus obtained, which is present as a melt or as a solution, can then be mixed by mixing be converted into an aqueous solution with water and, if appropriate, subsequent distillation of the auxiliary solvent.
Die erfindungsgemäßen wäßrigen Polyurethanlösungen sind klar und zeigen auch beim Verdünnen auf einen Feststoffgehalt von z.B. 5-10 % keinen Tyndall-Effekt. Bei Raumtemperstur aus den Lösungen aufgetrocknete Schichten lösen sich wieder glatt und kar in Wasser.The aqueous polyurethane solutions according to the invention are clear and show no Tyndall effect even when diluted to a solids content of e.g. 5-10%. At room temperature Layers that have dried out from the solutions dissolve again smoothly and barely in water.
Die Lösungen sind trotz ihres relativ hohen Gehaltes an ionischen Gruppen weitgehend unempfindlich gegen Elektrolyte; dies erlaubt z.B. die sauer katalysierte Vernetzung mit Formaldehyd oder Formaldehydderivaten; ebenso ist ihre Pigmentierung mit elektrolyt-aktiven Pigmenten oder Farbstoffen möglich. Eine weitere Eigenschaft der erfindungsgemäßen Dispersionen ist ihre Verträglichkeit mit Alaunlösungen bei der Papierleimung.Despite their relatively high content of ionic groups, the solutions are largely insensitive to electrolytes; this allows, for example, acid-catalyzed crosslinking with formaldehyde or formaldehyde derivatives; so is hers Pigmentation with electrolyte-active pigments or dyes possible. Another property of the invention Dispersions are their compatibility with alum solutions in paper sizing.
Die Lösungen der Polyurethanmassen in Wasser sind stabil, lager- und versandfähig und können zu beliebig späteren Seitpunkt, z. B. foragebend, verarbeitet werden. Sie trocknen im allgemeinen unnittelbar zu formstabilen Kunststoffüberzügen auf, jedoch kann die Formgebung der Verfahrensprodukte auch in Gegenwart von an sich bekannten Vernetzungsmitteln erfolgen. Je nach der gewählten chemischen Zusammensetzung und dem Gehalt an Urethangruppen erhält man Polyurethane mit unterschiedlichen Eigenschaften. So können weiche klebrige Kassen, thermoplastische und gummlelastische Produkte derThe solutions of the polyurethane compounds in water are stable, Can be stored and shipped and can be used at any later point in time, e.g. B. foragebend be processed. They dry generally inevitable to form stable plastic coatings on, however, the shape of the process products also take place in the presence of crosslinking agents known per se. Depending on the chosen chemical composition and the content of urethane groups, polyurethanes with different properties are obtained. So can be soft sticky Cash registers, thermoplastic and rubber-elastic products of the
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verschiedensten Härtegrade bis zu glasharten Duroplasten erhalten werden. Eie Hydrophilie der Produkte kann ebenfalls in gewissen Grenzen schwanken. Die elastischen Produkte lassen sich bei höheren Tenperoturen,beispielsweise 1oo - 18o C, thermoplastisch verabeiten, sofern sie nicht chemisch vernetzt sindvarious degrees of hardness up to glass-hard thermosets can be obtained. The hydrophilicity of the products can also be fluctuate within certain limits. The elastic products can be used for higher tenperotures, for example 100 - 18o C, Process thermoplastically as long as they are not chemically cross-linked
Die Verfahrensprodukte sind zur Beschichtung bzw. zum überziehen und zum Imprägnieren von gewebten und nichtgewebten Textilien, Leder, Papier, Holz, Metallen, Keramik, Jtein, 3eton, Bitumen, Hartfaser, Stroh, Glas, Porzellan, Kunststoffen der verschiedensten Art, Glasfasern, zur antistatischen und knitterfreien Ausrüstung, als Binder für Vliese, Klebstoffs, Haftvermittler, Kaschierungsmittel, Hydrophobiermittel, Veichaacher, Bindemittel, z. B. für Kork- cder Holzmehl. Glasfasern, Asbest, papierartige Materialien, Plastikoder Cuaaiabfälle, keramische Materialien, als Hilfsmittel ic Zeugdruck und in der Papierindustrie, als Zusatz zu Polymerisaten, als Schlichtemittel, beispielsweise für Glasfasern, und zur Lederausriistung geeignet.The process products are to be coated or coated and for impregnating woven and non-woven Textiles, leather, paper, wood, metals, ceramics, jtein, 3eton, bitumen, hard fiber, straw, glass, porcelain, plastics of various types, glass fibers, for antistatic and crease-free finishing, as a binder for fleeces, Adhesives, adhesion promoters, lamination agents, water repellants, Veichaacher, binders, e.g. B. for cork or wood flour. Glass fibers, asbestos, paper-like materials, plastic or Cuaai waste, ceramic materials, as auxiliary materials ic stuff printing and in the paper industry, as an additive to polymers, Suitable as a sizing agent, for example for glass fibers, and for leather finishing.
Durch Mitverwendun.g von Viny!polymerisaten oder aktiver, bzw. inaktiven Füllstoffen kann man die Eigenschaften der Verfahrensprodukte abhandeln. Verwendbar sind beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylacetat, Äthylen-Vinylacetet-Copolyraerisate, die gegebenenfalls (teilweise) verseift ind/oder mit Vinylchlorid gepfropft sein können, Styrol-Butadien-Copolymerisate, Äthylen-(Pfropf)-Copolynerisate, Polyacrylate, Ruß, Kieselsäure, Asbest, Talkum, Kaolin, Titandioxid, Glos als Pulver oder in *orm von Fasern, Cellulose. Je nach gewünschtem Sigenschaftsbild und Verwendungszweck der 2ndprodukte können bis zu 7o £, bezogen auf Gesamttrockensubstanz, solcher Füllstoffe im Endprodukt enthalten sein.By using vinyl polymers or active or Inactive fillers, one can deal with the properties of the process products. Can be used, for example Polyethylene, polypropylene, polyvinyl acetate, ethylene-vinyl acetate copolyraerisate, which may be (partially) saponified and / or grafted with vinyl chloride, Styrene-butadiene copolymers, ethylene (graft) copolymers, Polyacrylates, carbon black, silica, asbestos, talc, kaolin, titanium dioxide, gloss as a powder or in the form of fibers, cellulose. Depending on Desired signature image and intended use of the 2nd products can be up to £ 7o, based on total dry matter, such fillers may be included in the final product.
Selbstverständlich können auch Farbstoffe, Füllstoffe, Pigmente, Weichmacher oder die Theologischen Eigenschaften beeinflussende Zusätze beigefügt werden, ebenso z.B. Polymerdisrersionen, RuIi- und Kresolsäure-Sole.Of course, dyes, fillers, pigments, plasticizers or theological properties can also be used Additives are added, as well as e.g. polymer dispersions, RuIi- and cresolic acid brine.
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Die Trocknung der nach verschiedenen Applikationstechniken erhaltenen Produkte kann bei Raumtemperatur oder bei erhöh ter Temperatur erfolgen.The drying of the products obtained by various application techniques can be carried out at room temperature or at elevated temperatures the temperature.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Zusammensetzung, Herstellung und einige physikalische Eigenschaften erläutern. The following examples are intended to explain the composition, production and some physical properties.
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262 g (0,444 Mol) eines auf Propylenglykol gestarteten PoIyäthylenoxid/Polypropylenoxid-Diols mit einem Anteil an Polyäthylenoxid von 70 Gew.-%, OHZ 190 werden zusammen mit 50 g (0,023 Mol) eines nichtionisch-hydrophilen Kettenverlängerers, der in Analogie zu der in US-PS 3 905 929 beschriebenen Arbeitsweise durch Umsetzung von äquivalenten Teilen262 g (0.444 mol) of a polyethylene oxide / polypropylene oxide diol started on propylene glycol with a proportion of polyethylene oxide of 70 wt .-%, OHZ 190 are together with 50 g (0.023 mol) of a nonionic-hydrophilic chain extender, which is carried out in analogy to the procedure described in US Pat. No. 3,905,929 by implementing equivalent parts
i) eines Polyäthermonoalkohols aus n-Butanol, Äthylenoxid und Propylenoxid (im Gewichtsverhältnis 83:17) der OHZ 30;i) a polyether monoalcohol made from n-butanol, ethylene oxide and propylene oxide (in a weight ratio of 83:17) with an OH number of 30;
ii) Hexandiisocyanat-1,6 undii) 1,6-hexane diisocyanate and
iii) Diethanolaminiii) diethanolamine
hergestellt wird und ein mittleres Molekulargewicht von 2140 aufweist, 1 Stunde bei 120°C und 15 Torr im Wasserstrahlpumpen-Vakuum entwässert. Man läßt auf 80°C abkühlen, fügt 102,3 g Hexandiisocyanat-1,6 zu und rührt 2 Stunden bei 120°C nach. Das erhaltene Prepolymer weist einen NCO-Gehalt von 2,07 % auf, es wird unter Kühlung mit 100 ml Aceton verdünnt, dann werden bei 60°C (Badtemperatur) 9,5 g (0,08 Mol) N-Methyldiäthanolamin zugegeben und 1 Stunde bei 60°C Außentemperatur verrührt. Man verdünnt bei konstanten Temperaturbedingungen mit weiteren 200 ml Aceton, fügt 1,6 g (0,022 Mol) 1 ,2-Diaminopropan in 50 ml Aceton gelöst zu, rührt eine Stunde nach und quaterniert dann eine Stunde mit 9,5 g (0,075 Mol) Dimethylsulfat. Die Ammoniumsalzbildung wird durch Zugabe von 8 g H3PO4 (85 %ig) gelöst in 50 ml Wasser vervollständigt, man rührt weiter bei 6O0C Außentemperatur bis sich IR-spektroskopisch kein NCO mehr nachweisen läßt (was im allgemeinen nach 1 Stunde der Fall ist) und verdünnt bei 500C mit 750 ml Wasser. Nach Abdestillation desis prepared and has an average molecular weight of 2140, dehydrated for 1 hour at 120 ° C and 15 Torr in a water jet pump vacuum. The mixture is allowed to cool to 80.degree. C., 102.3 g of 1,6-hexane diisocyanate are added and the mixture is stirred at 120.degree. C. for 2 hours. The prepolymer obtained has an NCO content of 2.07%, it is diluted with 100 ml of acetone while cooling, then 9.5 g (0.08 mol) of N-methyl diethanolamine are added at 60 ° C. (bath temperature) and 1 Stirred for an hour at an outside temperature of 60 ° C. The mixture is diluted with a further 200 ml of acetone under constant temperature conditions, 1.6 g (0.022 mol) of 1,2-diaminopropane, dissolved in 50 ml of acetone, are added, the mixture is stirred for one hour and then quaternized for one hour with 9.5 g (0.075 mol) Dimethyl sulfate. The ammonium salt formation is achieved by addition of 8 g H 3 PO 4 (85%) completed in 50 ml of water was further stirred at 6O 0 C external temperature until IR spectroscopy no more NCO can be detected (which, in general, after 1 hour of Case is) and diluted at 50 0 C with 750 ml of water. After distilling off the
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Acetons bei 50 C im Wasserstrahlpumpenvakuum verbleibt eine kationische Polyurethanlösung mit einem Feststoffgehalt von 37,5 Gew.-%, einer Viskosität von 700 cP bei 22 C, einem pH von 2,4 sowie bezogen auf 100 g Polyurethan 20 Milliäquivalenten an quatärem Stickstoff und 100 Pseudo-Milliäquivalenten an Äthylenoxid-Einheiten. 50 g dieser auf 10 % Feststoff eingestellten Polyurethanlösung können mit 10 g einer 10 %igen Kochsalzlösung vermischt werden, ohne daß Koagulation eintritt (s. allgemeine Vorschrift zur Bestimmung der Elektrolytstabilität ionischer PU-Lösungen). Acetone at 50 C in a water jet pump vacuum remains a cationic polyurethane solution with a solids content of 37.5% by weight, a viscosity of 700 cP at 22 ° C., a pH of 2.4 and based on 100 g of polyurethane 20 milliequivalents of quaternary nitrogen and 100 pseudo milliequivalents of ethylene oxide units. 50 g of this polyurethane solution adjusted to 10% solids can be mixed with 10 g of a 10% saline solution without coagulation occurring (see general instructions for determining the electrolyte stability of ionic PU solutions).
Allgemeine Vorschrift zur Bestimmung der Elektrolytstabilität ionischer PU-LösungenGeneral regulation for determining the electrolyte stability of ionic PU solutions
50 ml einer auf 10 % Feststoff eingestellten ionischen PU-Lösung werden in einem Erlenmeyerkolben vorgelegt und unter kräftigem Rühren mit einem Magnetrührer bei Raumtemperatur tropfenweise aus einer Vorratsbürette mit 10 %iger wäßriger NaCl-Lösung versetzt. Nach zunehmender Trübung tritt zumeist schlagartige Koagulation der Lösung ein, jedenfalls bei einem Verbrauch an Kochsalzlösung< 20 ml. Bei noch höherer Elektrolytstabilität bereitet die Endpunktbestimmung manchmal Schwierigkeiten, da die Koagulation nur zögernd unter teilweiser Ausflockung eintritt. In diesem Fall wird die Endpunktbestimmung erleichtert, wenn man die Kochsalzlösung in 5 ml-Portionen zusetzt, nach jeder Zugabe 5 Minuten nachrührt und dann die Beurteilung vornimmt.50 ml of an ionic PU solution adjusted to 10% solids are placed in an Erlenmeyer flask and taken under vigorous stirring with a magnetic stirrer at room temperature drop by drop from a storage burette with 10% aqueous NaCl solution added. As the cloudiness increases, the solution usually coagulates suddenly, at least in one of them Consumption of saline solution <20 ml. With even higher electrolyte stability the determination of the end point sometimes causes difficulties, since the coagulation is only hesitant under partial Flocculation occurs. In this case, the endpoint determination is made easier if the saline solution added in 5 ml portions, stirred for 5 minutes after each addition and then assessed.
Le A 18 233 - 26 -Le A 18 233 - 26 -
809883/0361809883/0361
27305K27305K
177 g (O, 300 Mol) eines auf Propylenglykol gestarteten Polyätherdiols gemäß Beispiel 1 sowie 175 g (0, 100 Mol) eines Polyesterdiols aus Adipinsäure, Phthalsäureanhydrid und Äthylenglykol sowie 107,5 g (0,050 Mol) des nichtionisch hydrophilen Kettenverlängerers gemäß Beispiel 1 wurden eine Stunde bei 120°C, 15 Torr entwässert, auf 80°C gekühlt und mit 109 g (0, 650 Mol) Hexandiisocyanat versetzt. Man läßt 2 Stunden bei 120 C rühren, wobei ein Prepolymer mit einem NCO-Gehalt von 2, 19 % resultiert. Unter Kühlung wird mit 200 ml Aceton verdünnt. Bei einer Badtemperatur von 60°C werden 11,9 g (0, 100 Mol) N-Methyldiäthanolamin zugefügt und 60 Min. bei 60 C verrührt. Bei gleicher Temperatur werden 3, 6 g (0, 050 Mol) 2-Diaminopropan zugegeben, mit weiteren 200 ml Aceton verdünnt 60 Min. gerührt und dann mit 11,9 g (0,094 Mol) Dimethylsulfat quaterniert. Eine Stunde später werden zur Entfernung von im IR-Spektrum noch nachweisbaren NCO-Gruppen 80 g Wasser zugegeben mit insgesamt weiteren 1200 ml Aceton verdünnt und die nach 3 Stunden NCO-freie acetonische Polyurethanlösung mit 8 g Phosphorsäure (85 %ig) versetzt. Bei 50 C wird mit 1,4 1 auf 50°C vorgewärmtem Wasser verdünnt und das Aceton im Wasserstrahlpumpen-Vakuum abdestilliert. Man erhält eine kationische, wäßrige Polyurethanlösung, die bei 22 C eine Viskosität von 4500 cP sowie einen Feststoffgehalt von 20, 5 % und einen pH-Wert von 2, 3 aufweist . 50 ml der auf 10 % Feststoff eingestellten Lösung können mit 25 ml einer 10 %igen Kochsalzlösung vermischt werden bevor die erste sichtbare Ausfällung eintritt.177 g (0.300 mol) of a polyether diol started on propylene glycol according to Example 1 and 175 g (0.100 mol) of a polyester diol from adipic acid, Phthalic anhydride and ethylene glycol and 107.5 g (0.050 mol) of the nonionic hydrophilic chain extender according to Example 1 were dehydrated for one hour at 120 ° C., 15 torr, cooled to 80 ° C. and admixed with 109 g (0.650 mol) of hexane diisocyanate. It is left for 2 hours Stir at 120 C, a prepolymer with an NCO content of 2.19% results. It is diluted with 200 ml of acetone while cooling. At a bath temperature of 60 ° C are 11.9 g (0.100 mol) of N-methyl diethanolamine added and stirred at 60 ° C. for 60 minutes. At the same temperature, 3.6 g (0.050 mol) of 2-diaminopropane are added, along with a further 200 ml of acetone diluted for 60 min. Stirred and then quaternized with 11.9 g (0.094 mol) of dimethyl sulfate. An hour later you will be able to remove it in the IR spectrum NCO groups still detectable 80 g of water are added and diluted with a total of a further 1200 ml of acetone and the NCO-free after 3 hours acetone polyurethane solution mixed with 8 g of phosphoric acid (85%). At 50 ° C., the mixture is diluted with 1.4 l of water preheated to 50 ° C. and the acetone is distilled off in a water jet pump vacuum. A cationic, aqueous polyurethane solution is obtained has a viscosity of 4500 cP and a solids content of 20.5% and a pH of 2.3. 50 ml of the to 10% solids The adjusted solution can be mixed with 25 ml of a 10% saline solution be mixed before the first visible precipitation occurs.
1) Bezogen auf 100 g Feststoff enthält die Lösung 17 Milliäquivalent N , sowie 68 Pseudo-Milliäquivalent Äthylenoxid-Einheiten.1) Based on 100 g of solid, the solution contains 17 milliequivalents N, as well as 68 pseudo-milliequivalent ethylene oxide units.
Le A 18 233 - 27 -Le A 18 233 - 27 -
809883/0361809883/0361
27305H 3<r 27305H 3 <r
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel) Example 3 (comparative example)
Als Vergleichsbeispiel zu Beispiel 2 wurde eine gleichartige Polyurethanlösung
ohne hydrophile Äthylenoxid-Einheiten hergestellt, wobei der Anteil an quartärem Stickstoff so erhöht wurde, daß er der Summe an Milliäquivalenten
quartärem Stickstoff und Pseudomilliäquivaienten Äthylenoxid gemäß Beispiel 2 entsprach.
Zusammensetzung:
175 g (0, 100 Mol) eines Polyesterdiols gemäß Beispiel 2 84 g (0,500 Mol) Hexandiisocyanat-1, 6As a comparative example to Example 2, a similar polyurethane solution without hydrophilic ethylene oxide units was prepared, the proportion of quaternary nitrogen being increased so that it corresponded to the sum of milliequivalents of quaternary nitrogen and pseudomilli-equivalent of ethylene oxide according to Example 2.
Composition:
175 g (0.100 mol) of a polyester diol according to Example 2, 84 g (0.500 mol) hexane diisocyanate-1,6
34 g (0,285 Mol) N-Methyldiäthanolamin 5, 7 g (0, 078 Mol) 1, 2-Diaminopropan34 grams (0.285 moles) of N-methyl diethanolamine 5.7 g (0.078 moles) of 1,2-diaminopropane
34 g (0,270 Mol) Dimethylsulfat34 g (0.270 moles) dimethyl sulfate
8 g o-Phosphorsäure (85 %ig)
800 ml Wasser (auf 50°C vorgewärmt)8 g o-phosphoric acid (85%)
800 ml water (preheated to 50 ° C)
Die Herstellung der wäßrigen Polyurethanlösung erfolgte gemäß Beispiel Die resultierende kationische Polyurethanlösung weist einen Feststoff gehlalt von 31 Gew.-%, eine Viskosität von 600 cP bei 22°C sowie einen pH-Wert von 1, 8 auf. Bezogen auf 100 g Feststoff enthält die Lösung 85 Milliäquivalent an quartärem Stickstoff. 50 ml der auf 10 % Feststoff eingestellten Lösung koagulieren bereits bei Zugabe von weniger als 1 ml einer 10 %igen Kochsalzlösung.The aqueous polyurethane solution was prepared according to the example The resulting cationic polyurethane solution has a solid content of 31% by weight, a viscosity of 600 cP at 22 ° C. and a pH value from 1, 8 up. Based on 100 g of solid, the solution contains 85 milliequivalents of quaternary nitrogen. 50 ml of the adjusted to 10% solids Solutions coagulate even if less than 1 ml of a 10% saline solution is added.
133 g (0,074 Mol) eines Polyesterdiols aus Adipinsäure und Tetraäthylenglykol mit einem mittleren Molgewicht von 1800 und 125 g (0,058 Mol) des nichtionisch-hydrophilen Ketten-133 g (0.074 mol) of a polyester diol made from adipic acid and tetraethylene glycol with an average molecular weight of 1,800 and 125 g (0.058 mol) of the nonionic hydrophilic chain
Le A 18 233 - 28 -Le A 18 233 - 28 -
809883/0 361809883/0 361
27305K27305K
verlängerers gemäß Beispiel 1 werden 30 Minuten bei 15 Rorr und 120°C entwässert, auf 800C gekühlt und 61,3 g Hexandiisocyanat-1. 6 hinzugefügt. Nach 2stündigem Rühren bei 120 C erhält man ein Präpolymer mit einem NCO-Gehalt von 5, 35 Gew. -0Jo. Unter Abkühlung wird mit 100 ml Aceton verdünnt, bei 60 C (Badtemperatur) werden 23,8 g (0,200 Mol) N-Methyldiäthanolamin mit 50 ml Aceton verdünnt zugefügt, eine Stunde bei 60°C gerührt, 0,25 g (0,003 Mol) 1, 2-Diaminopropan zugegeben und eine Stunde später bei gleicher Temperatur mit 23,8 g (0, 189 Mol) Dimethylsulfat quaterniert. 30 Minuten nach der Dimethylsulfatzugabe werden 20 ml Wasser zugefügt, dann wird bei 60 C Badtemperatur gerührt bis sich IR-spektroskopisch kein NCO mehr nachweisen läßt. Es werden 6 g 85 %ige Phosphorsäure und danach 900 ml Wasser zugegeben und das Aceton bei 50 C im Wasserstrahlvakuum entfernt. Die resultierende wäßrige Polyurethanlösung weist bei einem Feststoffgehalt von 30 Gew. -"J„ eine Viskosität von 67 cP bei 22°C und einen pH-Wert von 2, 3 auf. 100 g Feststoff enthalten 53 Milliäquivalent an quartärem Stickstoff sowie 50 Pseudomilliäquivalent an Äthylenoxid-Einheiten. 50 ml einer auf 10 % Feststoff eingestellten Probe dieser Lösung vertragen den Zusatz von 100 ml einer 10 %igen Kochsalzlösung, ohne daß Koagulation eintritt.extender according to Example 1 are drained for 30 minutes at 15 ° C and 120 Rorr, cooled to 80 0 C and 61.3 g of hexane diisocyanate -1. 6 added. After stirring for 2 hours at 120 C 35 wt obtain a prepolymer having an NCO content of 5, -. 0 Jo. While cooling, it is diluted with 100 ml of acetone, at 60 C (bath temperature) 23.8 g (0.200 mol) of N-methyldiethanolamine diluted with 50 ml of acetone are added, stirred for one hour at 60 ° C, 0.25 g (0.003 mol) 1,2-Diaminopropane was added and quaternized one hour later at the same temperature with 23.8 g (0.189 mol) of dimethyl sulfate. 30 minutes after the addition of dimethyl sulfate, 20 ml of water are added, and the mixture is then stirred at a bath temperature of 60 ° C. until NCO can no longer be detected by IR spectroscopy. 6 g of 85% phosphoric acid and then 900 ml of water are added and the acetone is removed at 50 ° C. in a water jet vacuum. The resulting aqueous polyurethane solution has a solids content of 30 wt -. "J" having a viscosity of 67 cP at 22 ° C and a pH value of 2, 3 to 100 g of solids containing 53 milliequivalents of the quaternary nitrogen and 50 pseudo milliequivalents of ethylene oxide. 50 ml of a sample of this solution adjusted to 10% solids tolerate the addition of 100 ml of a 10% saline solution without coagulation occurring.
230 g eines technischen Polyäthylenglykolgemisches mit einem mittleren Molekulargewicht von 230 (wie es bei der Destillation von Tetraäthylenglykol als Rückstand anfällt) und 119 g N-Methyldiäthanolamin werden mi».-230 g of a technical polyethylene glycol mixture with a medium Molecular weight of 230 (as it is obtained as a residue from the distillation of tetraethylene glycol) and 119 g of N-methyldiethanolamine are mixed ».-
Le A 18 233 - 29 - Le A 18 233 - 29 -
809883/0361809883/0361
27305K 3i 27305K 3i
einander vermischt und in die gerührte Mischung werden bei 80 C 262 g eines technischen Polyisocyanatgemisches, wie es als Destillationsrückstand bei der Produktion von Hexandiisocyanat-· 1, 6 anfällt (NCO-Gehalt ca. 32 Gew. -%) langsam eingetropft. 30 Minuten nach Beendigung des Zutropfens läßt sich IR-spektroskopisch kein NCO mehr nachweisen. Unter Kühlung werden nun gleichzeitig 173 g Phosphorsäure (85 %ig) und 1769 g Wasser zugegeben. Die resultierende dünnflüssige Polyurethanlösung hat bei einem Feststoffgehalt von 30 Gew. -% einen pH-Wert von 1, 6. 50 ml einer auf 10 % Feststoff eingestellten Probe dieser Dispersion vertragen 100 ml einer 10 %igen Kochsalzlösung ohne Koagulation.mixed together and in the stirred mixture at 80 C 262 g of a technical polyisocyanate mixture, as it is as a distillation residue incurred in the production of hexane diisocyanate-1, 6 (NCO content approx. 32% by weight) was slowly added dropwise. 30 minutes after the end of the dropwise addition, NCO can no longer be detected by IR spectroscopy. 173 g of phosphoric acid (85%) and 1769 g of water are then added simultaneously with cooling. The resulting low viscosity polyurethane solution With a solids content of 30% by weight, it has a pH of 1, 6. 50 ml of a sample of this dispersion adjusted to 10% solids tolerate 100 ml of a 10% saline solution without coagulation.
Le A 18 233 - 30 - Le A 18 233 - 30 -
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