Die Erfindung betrifft 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-dialkylphenylisocyanate) der allgemei¬ nen Formel

worin R\ eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 C- Atomen und R-2 Chlor oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 C-Atomen bedeutet, ein Verfahren zur Herstellung der genannten Polyisocyanate sowie die Verwendung der genannten Polyisocyanate in Polyurethan -(PU)-Systemen.

Unter PU-Systemen werden im folgenden Urethan- und / oder Harnstoffgruppen enthaltende Polyurethansysteme verstanden.

Massgebliche Bedeutung als Polyisocyanatkomponenten bei der Herstellung von PU-Syste¬ men haben nach wie vor das Toluol-2,4-diisocyanat und / oder das Toluol-2,6-diisocyanat, kurz als TDI bezeichnet oder das Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, kurz als MDI bezeichnet.

Ein grosser Nachteil von TDI ist seine hohe Toxizität. Obwohl die Verbindung im industriellen Massstab mit grösstmöglicher Sicherheitsvorkehrungen gehandhabt wird, birgt sie ein erhebliches Risikopotential.

Ein vollständiges Ausweichen auf das weniger toxische MDI ist auch nur bedingt möglich, da MDI aufgrund seiner hohen Reaktivität wohl mit Polyolen, nicht aber mit aromatischen Poly- aminen verarbeitbar ist.

Die auf TDI und MDI basierenden PU-Systeme sind ausserdem bezüglich ihrer Anwendungs¬ temperatur bei maximal 100 °C limitiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand folglich darin, Polyisocyanate zu entwickeln, die keine hohe Toxizität aufweisen, bezüglich ihrer Reaktivität tiefer als MDI liegen und mit dem klassischen und eingeführten PU-Verarbeitungsverfahren verarbeitbar sind. Mit der Aufgabenstellung verbunden war das Ziel, chemisch beständige PU-Systeme zu entwickeln, die bei Temperaturen über 100 °C angewendet werden können.

Die Aufgabe konnte gelöst werden mit den erfindungsgemässen Polyisocyanaten der genannten allgemeinen Formel I.

R\ und R2 in der Bedeutung als Ci-Cg-Alkylgruppe können gleichbedeutend oder verschieden sein und zweckmässig für Methyl, Ethyl, n- oder i-Propyl, n-, i- oder t-Butyl, Pentyl und seine Isomeren und Hexyl und seine Isomeren stehen. Bevorzugt sind R\ und R2 gleichbedeutend und stehen für eine der genannten Cι-C4-Alkylgruppen.

Bevorzugtes Polyisocyanat ist das 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylphenylisocyanat) mit der Bedeutung von R\ und R2 = Ethyl.

Die Herstellung der erfindungsgemässen Polyisocyanate erfolgt auf bekannte Weise durch

Umsetzung des entsprechenden Polyamins mit Phosgen oder einer Phosgen-freisetzenden

Verbindung wie z. B. Di- oder Triphosgen (vgl. z. B. Ullmanns Encykl. d. techn. Chemie, 4.

Aufl., Bd. 13, S. 351ff.).

Die entsprechenden Polyamine sind in der europäischen Anmeldung EP-A 0 220 641 beschrieben. Bevorzugtes Polyamin ist das 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) (M-

CDEA).

Die Phosgenierung erfolgt zweckmässig in Gegenwart eines inerten Lösungsmittels wie z. B.

Toluol oder Chlorbenzol bei erhöhter Temperatur. Die Umsetzung verläuft in der Regel praktisch quantitativ.

Die resultierenden Polyisocyanate zeichnen sich durch eine hohe Reinheit aus.

Die Verarbeitung der erfindungsgemässen Polyisocyanaten zu PU-Systemen erfolgt grundsätzlich auf bekannte Weise durch Umsetzung mit Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Polyisocyanaten aktiven Wasserstoffatomen und gegebenenfalls Kettenverlänge¬ rungsmitteln und gegebenenfalls in Gegenwart der üblichen Katalysatoren und gegebenenfalls weiteren Zusätzen (vgl. Saechtling, Kunststoff Taschenbuch, 24. Ausgabe, erschienen in Carl Hauser Verlag, München 1989, S. 429ff.).

Es ist ebenso möglich, Mischungen der erfindungsgemässen Polyisocyanate mit anderen aliphatischen oder aromatischen Polyisocyanaten oder Prepolymere der Polyisocyanate bzw. Prepolymere basierend auf Mischungen der Polyisocyanaten mit aliphatischen oder aroma¬ tischen Polyisocyanaten einzusetzen.

Geeignete Vertreter von Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Polyisocyanaten akti¬ ven Wasserstoffatomen sind insbesondere Polyole wie z. B. Polyetherpolyole, Polyester¬ polyole oder sonstige Polyole (z. B. Polycaprolactone). Geeignete Vertreter von Kettenver¬ längerungsmitteln sind Polyamine wie z. B. die aromatischen Diamine MOCA, M-CDEA, Gemische von M-CDEA mit aromatischen oder aliphatischen Diaminen oder Polyolen oder Isomerengemische von Dimethylthiotoluoldiamin (ibid. S. 430 oder EP-A 220 641).

Ausserdem sind alle üblichen Katalysatoren wie Tetramethylbutandiamin (TMBDA), Diaza- bicyclooctan (DABCO), Dibutylzinndilaurat (DBTC) oder organische Schwermetall Verbin¬ dungen einzeln oder in Kombination mit Zusätzen wie z. B. Weichmacher, Stabilisatoren, Flammschutzmitteln, Treibmitteln oder Füllstoffen anwendbar (ibid. S. 430).

Ein grosser Vorteil der erfindungsgemässen Polyisocyanate besteht in deren Verarbeitbarkeit in den gängigen PU- Verarbeitungsverfahren wie z. B. dem one-shot RIM- Verfahren, dem two-shot Prepolymerverfahren oder dem two-shot Direktverfahren.

Der bevorzugten Anwendung der Polisocyanate im PU-Elastomer Sektor oder insbesondere im PU-Giesselastomer Sektor entsprechend, wird dem Prepolymerverfahren den Vorzug gegeben.

Die erfindungsgemässen Polyisocyanate werden zweckmässig eingesetzt in ein Polyurethan- System, das herstellbar ist durch Umsetzung von einem

a) 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-dialkylphenylisocyanat) der allgemeinen Formel I mit b) Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Isocyanaten aktiven Wasserstoffatomen und gegebenenfalls c) Kettenverlängerungsmitteln gegebenenfalls in Gegenwart der üblichen Katalysatoren und gegebenenfalls weiteren Zusätzen.

Bevorzugt ist ein Polyurethansystem, das herstellbar ist durch Umsetzung von einem

a) 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-dialkylphenylisocyanat) der allgemeinen Formel I mit b) Verbindungen mit mindestens zwei gegenüber Isocyanaten aktiven Wasserstoffatomen, bevorzugt die zuvor beschriebenen und c) einem aromatischen Diamin als Kettenverlängerer in Gegenwart der genannten üblichen Zusätze.

Besonders bevorzugt wird als aromatisches Diamin ein 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6- dialkylanilin), speziell das 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin), entweder einzeln oder als Bestandteil eines Gemisches mit weiteren aromatischen oder aliphatischen Diaminen oder mit Polyolen und als Komponente a) das 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylphenyl- isocyanat) angewendet.

Die auf Basis der neuen und erfindungsgemässen Polyisocyanate hergestellten PU-Systeme zeichnen sich aus durch eine, im Vergleich zu bekannten PU-Systemen nicht erwartete hohe chemische Beständigkeit und durch eine Anwendungstemperatur bis 180 °C.

Diese erfindungsgemässen PU-Systeme werden daher vor allem im PU-Elastomer - insbeson¬ dere im Giesselastomer-Sektor zur Herstellung von z. B. Rollen, Rädern, Walzenbezügen, Isolatoren, Dichtungen oder Vergussmassen verwendet. Es ist aber durchaus möglich die PU- Systeme für das Spraycoating oder für PU-Schäume einzusetzen.

Beispiele

Beispiel la

Herstellung von 4,4*-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylphenylisocyanat)

100 g (0,26 mol) 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) wurden bei Raumtemperatur in 1000 g Dichlorbenzol im Autoklaven vorgelegt. In dieser Lösung wurden 57 g (0,58 mol) Phosgen währen 30 Minuten eingeleitet. Das Reaktionsgemisch wurde darauf im geschlos¬ senen Autoklaven bei 80 °C während 1 Stunde gerührt. Dann wurde entspannt und der ent¬ standene Chlorwasserstoff, das überschüssige Phosgen und das Lösungsmittel entfernt. Dabei resultierte das Titelprodukt in einer Ausbeute von 110 g (98% der Theorie).

IR (KBr): 2288.1 cm 1

¹ H-NMR (CDCI3, 400 MHz) in ppm: 6,69 s, 2H;

4,12 s, 2H;

2,91 q, 4H, J= 7,5 Hz; 2,59 q, 4H, J= 7,6 Hz; l,20 t, 6H, J= 7,6 Hz; l,15 t, 6H, J= 7,5 Hz.

Beispiel lh

In Analogie zu Beispiel la, aber mit dem Lösungsmittel Toluol, wurde das Titelprodukt in einer Ausbeute von 109 g erhalten.

Prüfling von 4.4'-Methylen-his-π-chlor-2.6-diethvlphenyiisocvanari im Vergleich mit Isocyanaten aus dem Stand der Technik in PU-Svstemen.

1. Eingesetzte Isocyanat?

MCDE-I 4,4'-Methylen-bis-(3-chIor-2,6-diethylphenylisocyanat) = erfindungsgemässe Verbindung

MDE-I 4,4'-Methylen-bis-(2,6-diethylphenylisocyanat) = Vergleichssubstanz

MDI 4,4'-Methylen-bis-phenylisocyanat = Vergleichssubstanz

2. Herstellung der Prepolymere ^Komponente AI

Prepolvmer 1 rErfindungl

Prepolymer auf Basis Polytetramethylenetherglykol (PTMG; Tetrathane 650, Du Pont) mit

Mol. Gew. 650 und MCDE-I.

1850 g = 4 mol 94%iges MCDE-I wurden unter Stickstoff^) bei 80 °C aufgeschmolzen, im Reaktionskolben vorgelegt und unter Rühren mit 1300 g PTMG = 2 mol innert 30 Minuten versetzt. Das PTMG ist linear und wurde vor der Zugabe zum Isocyanat 1 Stunde bei 100 °C und einem Vakuum von 2500 Pa entwässert. Nach der vollständigen Zugabe des PTMG wurde noch anschliessend 2 Stunden bei 90 °C unter N2 gerührt.

Man erhielt so ein Prepolymer mit einem Gehalt von 5,2% an freien NCO-Gruppen. Wir bezeichnen dieses Prepolymer als "PTMG 650-MCDE-I".

Prepolymer auf Basis Polytetramethylenetherglykol (PTMG; Terathane 2000, Du Pont) mit

Mol. Gew. 2000 und MCDE-I.

1234 g = 2,67 mol 95%iges MCDE-I wurden unter N2 bei 80 °C aufgeschmolzen, im Reaktionskolben vorgelegt und unter Rühren mit 2133 g = 1,066 mol PTMG innert 30 Minuten versetzt. Das PTMG ist linear und wurde vor der Zugabe zum Isocyanat 1 Stunde bei 100 °C und einem Vakuum von 2500 Pa entwässert. Nach der vollständigen Zugabe des PTMG wurde noch anschliessend 2 Stunden bei 90 °C unter N2 gerührt.

Man erhielt so ein Prepolymer mit einem Gehalt von 3,96% an freien NCO-Gruppen. Wir bezeichnen dieses Prepolymer als "PTMG 2000-MCDE-I".

Prepolvmer 3 fErfindung^

Prepolymer auf Basis Polycaprolactonglykol (PCL; CAPA 220, Interox) mit Mol. Gew. 2000 und MCDE-I.

1245 g = 2,7 mol 94%iges MCDE-I wurden unter N2 bei 80 °C aufgeschmolzen, im Reaktionskolben vorgelegt und unter Rühren mit 2133 g = 1,066 mol PCL innert 30 Minuten versetzt. Das PCL ist linear und wurde vor der Zugabe zum Isocyanat 1 Stunde bei 100 °C und einem Vakuum von 2500 Pa entwässert. Nach der vollständigen Zugabe des PCL wurde noch anschliessend 2 Stunden bei 90 °C unter N2 gerührt.

Man erhielt so ein Prepolymer mit einem Gehalt von 3,92% an freien NCO-Gruppen. Wir bezeichnen so ein Prepolymer als "PCL 2000-MCDE-I".

Prepolvmer 4 ("Vergleicht

Prepolymer auf Basis PTMG (Terathane 2000, Du Pont) mit Mol. Gew. 2000 und MDE-I.

1158 g = 3 mol 94%iges MDE-I wurden unter N2 bei 80 °C aufgeschmolzen im Reaktions¬ kolben vorgelegt und unter Rühren mit 2400 g = 1,2 mol PTMG innert 30 Minuten versetzt. Das PTMG ist linear und wurde vor der Zugabe zum Isocyanat 1 Stunde bei 100 °C und einem Vakuum von 2500 Pa entwässert. Nach der vollständigen Zugabe des PTMG wurde noch anschliessend 2 Stunden bei 90 °C unter N2 gerührt.

Man erhielt so ein Prepolymer mit einem Gehalt von 4,32% an freien NCO-Gruppen. Wir bezeichnen dieses Prepolymer als "PTMG 2000-MDE-I".

Prepolvmer 5 fVergleicrΛ

Prepolymer auf Basis PCL (CAPA 220, Interox) mit Mol. Gew. 2000 und MDE-I.

Ersetzt man in Prepolymer 4 das PTMG durch die gleiche Menge PCL, so erhält man bei sonst identischen Bedingungen ein Prepolymer mit einem Gehalt von 4,23% an freien NCO- Gruppen. Wir bezeichnen dieses Prepolymer als "PCL 2000-MDE-I".

Prepolvmer 6

Prepolymer auf Basis PCL (CAPA 220, Interox) mit Mol. Gew. 2000 und MDI.

400 g = 1 ,6 mol MDI wurden unter N2 bei 60 °C aufgeschmolzen, im Reaktionskolben vorgelegt, auf 80 °C erhitzt und unter Rühren mit 1000 g = 0,5 mol PCL innert 10 Minuten

versetzt. Das PCL ist linear und wurde vor der Zugabe zum Isocyanat 1 Stunden bei 100 °C und einem Vakuum von 2500 Pa entwässert. Nach der vollständigen Zugabe des PCL wurde noch anschliessend 2 Stunden bei 80 °C unter N2 gerührt.

Man erhielt ein Prepolymer mit einem Gehalt von 6,6% an freien NCO-Gruppen.

Wir bezeichnen dieses Prepolymer als "PCL 2000-MDI".

3. Komponente B

Die Komponente B ist entweder das geschmolzene Diamin* oder die klare entgaste, auf Verarbeitungstemperatur (80 °C) abgekühlte Lösung des betreffenden Diamins bzw. Diamingemisches im entsprechenden Polyol. Die Lösungen im Polyol enthalten zudem bezogen auf das Gesamtsystem (Komponente A + B) 0,3% einer organischen Wismuthverbindung (Coscat® 83 Catalyst der CasChem. Inc., New Jersey).

* I 4,4 ^* -Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) M-CDEA

II Diamingemisch, Luvocure MUT-HT, Lehmann & Voss

III Gemisch der 2,4 und 2,6 Isomere von Dimethylthiotoluoldiamin, Ethacure 300, Albemarle Inc.

4. Bereitung der Prüfkörper

Das Prepolymer (Komponente A) und die Diamine (Kettenverlängerer; Komponente B) wur¬ den im molaren Verhältnis 1 :0,95, d. h. NCO-Gruppen zur Summe von freien OH- und NH2- Gruppen, bei 80 °C während 30 Sekunden innig vermischt, in eine auf 1 10 °C vorgewärmte Metallform mit den Innenmassen von 200*200*2 (in mm) gegossen und schliesslich beim Beginn des Gelierens (Topfzeit) in einer Presse bei 200 bar und 110 °C gepresst. Nach vollständiger Durchhärtung (Entformzeit) wurde entformt und bei 110 °C 16 Stunden nachgetempert. Aus den gehärteten Elastomeren wurden Prüfkörper herausgestanzt.

5. Prüfparameter;

Härte Shore A und Shore D DIN 53505

Weiterreisswiderstand [N/mm] DIN 53515

Zugfestigkeit [N/mm ² ] DIN 53504

Spannung bei 100 % Dehnung DIN 53504

Bruchdehnung % DIN 53504

Tabelle 2 Ergebnisse mit dem Diaminogemisch Luvocure MUT-HT ex Lehmann & Voss (II)

Prepo Nr. Gewichts¬ Topfzeit Entformzeit Härte/RT Härte / Weiter¬ Zugfestig¬ Spann, bei Bruch- verhältnis 175 °C reisswider¬ keit 100% Dehnung %

Prep: ShA stand [N/mm ² ] Dehnung Komp. B [N/mm] [N/mm ² ]

ShA ShD

2 (Erf.) 100:20,5 2' 00" 40' 97 46 95 60,9 17,2 9,1 510

4 (Vergl) 100:22,0 4' 30" 45' 97 40 93 50,2 13,9 7,0 754

3 (Erf.) 100:19,0 2' 40" 40' 98 47 95 76,8 20,7 9,7 464

5 (Vergl.) 100:22,5 5' 20" 60' 97 46 95 60,9 17,2 9,1 510

Tabelle 3 Ergebnisse mit dem Diaminisomerengemisch Ethacure 300 (2,4 und 2,6 Isomere von Dimethylthiotoluol- diamin) ex Albemarle Inc. USA

Prepo Nr. Gewichts¬ Topfzeit Entformzeit Härte/RT Härte / Weiter¬ Zugfestig¬ Spann, bei Bruch- verhältnis 175 °C reisswider¬ keit 100% Dehnung %

Prep: ShA stand [N/mm ² ] Dehnung Komp. B [N/mm] [N/mm ² ]

ShA ShD

1 (Erf.) 100:12,0 T 30" 13* 99 67 95 100,5 32,0 26,1 165

2 (Erf.) 100:9,6 3' 30" 20' 95 41 48,8 35,4 7,4 525

4 (Vergl.) 100:10,2 6' 20" 45' 93 33 31,6 13,1 5,9 658

3 (Erf.) 100:9,0 4' 00" 20' 95 40 66,6 42,4 8,2 479

5 (Vergl.) 100:10,5 6' 20" 60' 94 36 45,0 18,1 6,9 571