[0001] Polyisocyanate mit Sulfonsäuregruppen sind bekannt (Deutsche Offenlegungsschriften
2 227 111, 2 359 614, 2 359 615, 2 524 476, 1 939 911). Ihre Herstellung ist dadurch
gekennzeichnet, daß man z.B. flüssige Mehrkomponentengemische aromatischer Polyisocyanate
mit Schwefeltrioxid oder einer äquivalenten Menge Oleum, Schwefelsäure bzw. Chlorsulfonsäure
vermischt und ausreagieren läßt.
[0002] Phosphonatgruppen enthaltende Polyisocyanate sind ebenfalls bekannt (DT-OS 1 127
583). Die Herstellung dieser Phosphor enthaltenden Isocyanate erfolgt z.B. dadurch,
daß man Polyisocyanate durch Einwirkung von Halogenwasserstoff in Carbaminsäurehalogenide
überführt und diese, bezogen auf die Carbaminsäurehalogenidgruppen, mit äquivalenten
Mengen an Trialkylphosphiten nach Art einer Arbusow-Reaktion umsetzt.
[0003] Polyisocyanate die Sulfonsäure- und Phosphonatgruppen enthalten, sind jedoch noch
nicht bekannt geworden. Daher ist man z.B. bei der Herstellung anorganisch-organischer
Kunststoffe gemäß DT-OS 2 227 147 gezwungen, die Flammfestigkeit der Kunststoffe durch
Zumischen nicht reaktionsfähiger, niedermolekularer Phosphorsäureester, wie z.B. Trichloräthylphosphat,
während des Herstellungsprozesses zu erhöhen. Das Verfahren hat jedoch insofern wesentliche
Nachteile, als einerseits zum Erzielen der gewünschten mechanischen Werte nur begrenzte
und damit für einen vollkommenen Flammschutz nicht ausreichende Mengen an diesen niedermolekularen
Verbindungen zugesetzt werden können und andererseits die zugesetzten niedermolekularen
Verbindungen wegen ihres niederen Molekulargewichts dazu neigen, wieder aus dem Kunststoff
herauszuwandern.
[0004] Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung neue Polyisocyanate zur Verfügung
zu stellen, welche sowohl Sulfonsäuregruppen als auch chemisch fixierten Phosphor
enthalten. Diese Aufgabe konnte durch das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren gelöst werden.
[0005] Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind bei Raumtemperatur flüssige Polyisocyanatgemische,
gekennzeichnet durch
a) einen Gehalt an aromatisch gebundenen, gegebenenfalls teilweise als Carbamidsäurechlorid
vorliegenden Isocyanatgruppen von 10 bis 42 Gew.-%,
b) einen Gehalt an in Form von gegebenenfalls zumindest teilweise neutralisierten
oder veresterten Sulfonsäuregruppen vorliegendem Schwefel von 0,5 - 5 Gew.-%,
c) einen Gehalt an in Form von Phosphonsäurealkylester-oder Phosphonsäurearalkylester-Gruppen
vorliegendem Phosphor von O,5 - 5 Gew.-% und
d) eine Viskosität von 10-50 000 cP bei 25oC.
[0006] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Polyisocyanatgemische, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man aromatische Polyisocyanate
bzw. Polyisocyanatgemische in Gegenwart eines gegebenenfalls halogensubstituierten
Trialkylphosphits oder Tris-(aralkyl)-phosphits mit Chlorsulfonsäure bei -10 bis +150°C
zur Reaktion bringt.
[0007] Geeignete Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemäße Verfahren sind alle beliebigen
organischen Verbindungen, welche mindestens 2 aromatisch gebundene Isocyanatgruppen
aufweisen, mindestens in einer o- oder p-Stellung zu einer aromatisch gebundenen Isocyanatgruppe
unsubstituiert sind, welche von den Isocyanatgruppen und den substituierbaren aromatischen
Ringen abgesehen unter den Reaktionsbedingungen inert sind und welche schließlich
einen unter 70 °C liegenden Schmelz- bzw. Erweichungspunkt aufweisen, sowie Gemische
derartiger Polyisocyanate mit einem unter 40 °C liegenden Schmelz- bzw. Erweichungspunkt,
wobei einzelne Komponenten des Gemischs auch einen über 70 °C liegenden Schmelz- bzw.
Erweichungspunkt aufweisen können. Beispiele geeigneter aromatischer Polyisocyanate
sind 3,3'- bzw. 2,2'-Dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethan, 2,5,2',5'-Tetramethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethan,
3,3'-Dimethoxy-4,4'-diisocyanato-diphenylmethan, 3,3'-Dichlor-4,4'-diisocyanato-diphenylmethan,
4,4'-Diisocyanato-diphenylsulfon, 4,4'-Diisocyanato-diphenyläther, 4,4'-Diisocyanat-3-3'-dibrom-
diphenylmethan, 4,4'-Diisocyanato-3,3'-diäthyl-diphenylmethan, 4,4'-Diisocyanato-diphenyl-sulfid,
1,3- und 1,4-Phenylendiisocyanat, 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat sowie beliebige
Gemische dieser Isomeren, Diphenylmethan-2,4'-und/oder -4,4'-diisocyanat, Naphthylen-1,5-diisocyanat,
Triphenylmethan-4,4'--4"-triisocyanat, Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanate, wie
sie durch Anilin-Formaldehyd-Kondensation und anschließende Phosgenierung erhalten
und z.B. in den britischen Patentschriften 874 430 und 848 671 beschrieben werden,
Carbodiimidgruppen aufweisende Polyisocyanate, wie sie in der deutschen Patentschrift
1 092 007 beschrieben werden, Diisocyanate, wie sie in der amerikanischen Patentschrift
3 492 330 beschrieben werden, Allophanatgruppen aufweisende Polyisocyanate, wie sie
z.B. in der britischen Patentschrift 994 890, der belgischen Patentschrift 761 626
und der veröffentlichten holländischen Patentanmeldung 7 102 524 beschrieben werden,
Isocyanuratgruppen aufweisende Polyisocyante, wie sie z.B. in den deutschen Patentschriften
1 022 789, 1 222 067 und 1 027 394, sowie in den deutschen Offenlegungsschriften 1
929 034 und 2 004 048 beschrieben werden, acylierte Harnstoffgruppen aufweisende Polyisocyanate
gemäß der deutschen Patentschrift 1 230 778, Biuretgruppen aufweisende Polyisocyanate,
wie sie z.B. in der deutschen Patentschrift 1 101 394, in der britischen Patentschrift,
889 050 und in der französischen Patentschrift 7 017 514 beschrieben werden. Es ist
auch möglich, die bei der technischen Isocyanatherstellung anfallenden Isocyanatgruppen
aufweisenden Destillationsrückstände, gegebenenfalls gelöst in einem oder mehreren
der vorgenannten Polyisocyanate, einzusetzen. Ferner ist es möglich, beliebige, der
o.g. Bedingung bezüglich des Schmelz- oder Erweichungspunktes entsprechende Mischungen
der vorgenannten Polyisocyanate zu verwenden.
[0008] Geeignet sind auch Phosgenierungsprodukte von Kondensaten von Anilin und Aldehyden
oder Ketonen, wie z.B. Acetaldehyd, Propionaldehyd, Butyraldehyd, Aceton, Methyläthylketon.
Ferner geeignet sind die Phosgenierungsprodukte von Kondensaten von am Kern Alkyl
substituierten Anilinen, insbesondere Toluidinen mit Aldehyden oder Ketonen, wie z.B.
Formaldehyd, Acetaldehyd, Butyraldehyd, Aceton, Methyläthylketon.
[0009] Weiterhin geeignet sind Umsetzungsprodukte der genannten aromatischen Polyisocyanatgemische
mit 0,2 bis 50 Äquivalent-% an Polyolen, vorausgesetzt, daß die Viskosität der so
erhaltenen Umsetzungsprodukte 30 000 cP bei 25
0C nicht überschreitet und der NCO-Gehalt der Umsetzungsprodukte mindestens 15 Gew.-%
beträgt.Geeignete Polyole zur Modifizierung der Ausgangsmaterialien sind insbesondere
die in der Polyurethanchemie bekannten Polyäther- und/oder Polyesterpolyole des Molekulargewichtsbereichs
200 bis 6000, vorzugsweise 300 bis 4000, sowie niedermolekulare Polyole des Molekulargewichtsbereichs
62 bis 200. Beispiele derartiger niedermolekularer Polyole sind Äthylenglykol, Propylenglykol,
Glyzerin, Trimethylolpropan, 1,4,6-Hexantriol.
[0010] Die erfindungsgemäß geeigneten aromatischen Polyisocyanate weisen im allgemeinen
einen NCO-Gehalt von 15-53, vorzugsweise 2
5-48 und besonders bevorzugt von 25-35 Gew.-%, auf.
[0011] Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind flüssige Mehrkomponentengemische
aromatischer Polyisocyaante eines NCO-Gehaltes von 20 bis 48, vorzugsweise 25 bis
35 Gew.-% und einer mittleren NCO-Funktionalitat 2,0.
[0012] Bevorzugt beim erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzende flüssige aromatische Polyisocyanatgemische
sind insbesondere die Phosgenierungsprodukte von Anilin/Formaldehyd-Kondensaten, welche
einen Gehalt an zweikernigen Diisocyanaten von 20 bis 90 Gew.-%, dreikernigen Triisocyanaten
von 3 bis 40 Gew.-%, vierkernigen Tetraisocyanaten von 1 bis 20 Gew.-% und höherkernigen
Polyisocyanaten von 1 bis 40 Gew.-% aufweisen.
[0013] Für das erindungsgemäße Verfahren weiterhin geeignet sind technische Toluylendiisocyanatgemische.
Weiterhin hervorragend geeignet sind technische Destillationsrückstände, wie sie bei
der Destillation von technischen Toluylendiisocyanatgemischen erhalten werden und
welche einen Gehalt an freien Toluylendiisocyant-Isomeren von unter 70 Gew.-% aufweisen.
Derartige Destillationsrückstände sind beispielsweise nach dem Verfahren der DT-OS
2 035 731 zugänglich. Geeignet sind insbesondere auch die in der DT-OS 2 123 183 beschriebenen
Destillationsrückstände, sowie deren ebenfalls in dieser letztgenannten deutschen
Patentanmeldung beschriebenen Lösungen in Phosgenierungsprodukten von Anilin/Formaldehyd-Kondensaten.
[0014] Neben den beispielhaft genannten aromatischen Polyisocyanaten und Chlorsulfonsäure
kommen beim erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls halogensubstituierte Trialkylphosphite
oder Tris-(aralkyl)-phosphite zum Einsatz, d.h. Verbindungen der Formel
in welcher
R für einen gegebenenfalls halogen- vorzugsweise chlorsubstituierten aliphatischen
Kohlenwasserstoffrest mit 1-18, vorzugsweise 1-4, Kohlenstoffatomen oder einen gegebenenfalls
halogen- vorzugsweise chlorsubstituierten araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit
insgesamt 7-15 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 7-8 Kohlenstoffatomen, steht.
[0015] Für das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls geeignet sind selbstverständlich solche
Phosphite der genannten Formel, welche unterschiedliche Reste R aufweisen. Beispiele
geeigneter Phosphite sind Trimethylphosphit, Triäthylphosphit,Tris-(2-chloräthyl)-phosphit,
Tributylphosphit, Trioctylphosphit, Tribenzylphosphit oder O,O'-Dimethyl-O"-(2-chloräthyl)-phosphit.
Bevorzugt werden die beispielhaft genannten Trialkylphosphite eingesetzt. Besonders
bevorzugt sind Tris-(halogenalkyl)-phosphite wie insbesondere Tris-(2-chloräthyl)-phosphit.
[0016] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beispielhaft genannten
Reaktionspartner vorzugsweise in solchen Mengen eingesetzt, daß pro Mol aromatisch
gebundener Isocyanatgruppen 0,01 bis 0,5, vorzugsweise 0,02 bis 0,3 und besonders
bevorzugt 0,03 bis 0,2 Mol Chlorsulfonsäure und 0,01 bis 0,5, vorzugsweise 0,02 bis
0,3 und insbesondere 0,03 bis 0,2 Mol Phosphit zur Umsetzung gelangen. Im allgemeinen
werden äquimolare Mengen Phosphit und Chlorsulfonsäure eingesetzt, jedoch ist es auch
möglich, Chlorsulfonsäure bzw. Phosphit in unterschiedlichen molaren Mengen einzusetzen.
[0017] Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Temperaturbereich zwischen
-10 bis +150°C, vorzugsweise zwischen O und 100°C.
[0018] Die erfindungsgemäße Umsetzung kann sowohl durch unmittelbare Vermischung der drei
Reaktionskomponenten als auch in einem Zweistufen-Prozeß durchgeführt werden, wobei
im letztgenannten Fall zunächst das Polyisocyanat mit der Chlorsulfonsäure zur Umsetzung
gebracht wird und anschließend die Umsetzung mit dem Phosphit erfolgt. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann sowohl in Anwesenheit als auch insbesondere bei Verwendung von niedrigviskosen
Ausgangsmaterialien in Abwesenheit von unter den Reaktionsbedingungen gegenüber den
Ausgangsmaterialien und Endprodukten des erfindungsgemäßen Verfahrens inerten Lösungsmitteln
durchgeführt werden. Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind Halogenkohlenwasserstoffe
wie z.B. Dichloräthan, Trichloräthan, Fluortrichlormethan, Methylenchlorid oder Chlorbenzol.
Die Lösungsmittel weisen vorzugsweise einen zwischen O und 140°C liegenden Siedepunkt
auf. Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Umsetzung auch unter Druck durchgeführt
werden. Im Falle der Mitverwendung von inerten Lösungsmitteln kann die Konzentration
der Reaktanten in diesem Lösungsmittel innerhalb weiter Bereiche schwanken, im allgemeinen
wird das Lösungsmittel in solchen Mengen eingesetzt, daß 20-100 gew.-%ige Lösungen
der Reaktionspartner während der erfindungsgemäßen Umsetzung vorliegen, wobei die
genannte Konzentration den Prozentsatz der Gewichtsmenge aller Reaktionspartner bezogen
auf das Gewicht der Gesamtlösung angeben.
[0019] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise das Polyisocyanat
mit dem Phosphit und dem gegebenenfalls mitzuverwendenden Lösungsmittel vermischt
und die Chlorsulfonsäure, welche ebenfalls in einem inerten Lösungsmittel gelöst sein
kann, zu diesem vorgelegten Gemisch innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Minuten
bis mehreren Stunden unter Rühren zugegeben. Vorzugsweise erfolgt hierbei die Zugabe
der Chlorsulfonsäure bei Raumtemperatur, wonach sich zur Vervollständigung der Reaktion
eine Erhitzung des Reaktionsgemisches auf 50-100°C anschließt.
[0020] Die beim erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden chemischen Reaktionen seien am Beispiel
der Umsetzung zwischen einem aromatischen Diisocyanat R' (NCO)2(R' steht für den aromatischen
Kohlenwasserstoffrest eines aromatischen Diisocyanats), Chlorsulfonsäure und einem
Phosphit P(OR)
3 (R hat die oben angegebene Bedeutung) erläutert:
[0021] Es wird vermutet, daß die Chlorsulfonsäure zu sulfonierten Carbamidsäurechloriden
reagiert, die anschließend im Sinne einer Arbusow-Reaktion zu den erfindungsgemäßen
Produkten reagieren. Überraschenderweise erfolgen die Umsetzungen unter den genannten
Bedingungen einheitlich, obwohl mit verschiedenen Nebenreaktionen zu rechnen ist,
die sich, wie dem Fachmann bekannt ist, aus der Kombination Phosphit/ Chlorsulfonsäure
ergeben (z.B. Houben Weyl, Vierte Auflage Band XII/2 1964, S. 79 ff).
[0022] Besonders überraschend ist, daß auch bei Verwendung von Toluylendiisocyanat sowie
Phosgenierungsprodukten der Anilin-Formaldehyd-Kondensation mit hohem Gehalt an 4,4'-Zweikern-Produkt
die erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte flüssig sind, insbesondere, wenn auf 1 NCO
Äquivalent nicht mehr als 0,2 Mol Chlorsulfonsäure und nicht mehr als 0,2 Mol organisches
Phosphit eingesetzt werden.
[0023] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen Sulfonsäure- und Phosphonatgruppen
aufweisenden, vzw. flüssigen Polyisocyanate sind gekennzeichnet durch
a) einen NCO-Gehalt von 10 bis 42 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 35 Gew.-%,
b) einen Schwefelgehalt von 0,5-5 Gew.-%,
c) einen Phosphorgehalt von 0,5-5 Gew.-% und
d) eine Viskosität von 10 bis 50 000, vorzugsweise 100 bis 20 000 cP bei 25°C.
[0024] Im Falle der Verwendung eines molaren Überschusses an Chlorsulfonsäure bezogen auf
das eingesetzte Phosphit liegen die Isocyanatgruppen in den erfindungsgemäßen Verfahrensprodukten
teilweise in Form von Carbamidsäurechlorid-Gruppen vor. Die genannten Zahlenwerte
bezüglich des NCO-Gehaltes der erfindungsgemäßen Produkte umfassen auch derartige
gegebenenfalls in Form von Carbamidsäurechlorid-Gruppen vorliegende NCO-Gruppen, wobei
bei der Berechnung der NCO-Gehalte auch in diesem Fall das Molekulargewicht der NCO-Gruppe
(42) zugrundegelegt wurde. Da die Sulfonsäuregruppen im Anschluß an die erfindungsgemäße
Umsetzung, wie weiter unten ausgeführt, ohne Schwierigkeiten zumindest teilweise neutralisiert
oder verestert werden könne, bezieht sich der angegebenen Schwefelgehalt auf die in
den Verfahrensprodukten vorliegenden gegebenenfalls zumindest teilweise neutralisierten
oder veresterten Sulfonsäuregruppen.
[0025] Die erfindungsgemäßen Sulfonsäure- und Phosphonatgruppen aufweisenden aromatischen
Polyisocyanate stellen wertvolle Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Formstoffen
und kompakten Kunststoffen dar. Sie lassen sich ohne Schwierigkeiten nach üblichen
Techniken, w:.e Gießverfahren, sowie über die üblichen Förder- und Dosiersysteme verarbeiten.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen aromatischen phosphonatisierten
Isocyanatosulfonsäuren können im Anschluß an ihre Herstellung durch eine Neutralisationsreaktion
ganz- oder teilweise in die entsprechenden Isocyanatosulfonate überführt werden. Geeignete
Neutralisationsmittel sind organische oder anorganische Basen, wie zum Beispiel Trimethylamin,
Triäthylamin, Tributylamin, Dimethylanilin, Urotropin, Natriumhydrogencarbonat, Natriumhydroxid,
Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumoxid,
Zinkoxid, Natriumphosphat. Dabei können anorganische Neutralisationsmittel, welche
selbst nicht stark basisch reagieren, wie Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Dolomit,
Kreide, Natriumphosphat, ohne weiteres auch in hohem Überschuß als Füllstoff eingesetzt
werden. Durch die Überführung der Sulfonsäuregruppen in die entsprechenden Sulfonatgruppen
wird die Hydrophilie und Reaktivität der erfindungsgemäßen Produkte gesteigert. Eine
Überführung der entsprechenden phosphonatisierten Isocyanatosulfonsäuren in die entsprechenden
Sulfonsäureester mit Epoxiden bzw. Oxatonen kann ebenfalls mit Erfolg zur Reduzierung
der sauren Anteile angewendet werden. Geeignete Epoxide sind z.B.: Äthylenoxid, Propylenoxid,
Epichlorhydrin.
[0026] Ausgangsmaterialien für die nachstehend beschriebenen Beispiele:
A1: Von rohem Phosgenierungsprodukt eines Anilin/Formaldehyd-Kondensats wird soviel
Diisocyanatodiphenylmethan abdestilliert, daß der Destillationsrückstand bei 25°C
eine Viskosität von 100 cP aufweist. (2-Kernanteil: 59,7 Gew.-%; 3-Kernanteil: 21,3
Gew.-%; Anteil an höherkernigen Polyisocyanaten: 19,0 Gew.-%). NCO-Gehalt: 31,5 Gew.-%.
A2: Entsprechend hergestelltes Polyisocyanat mit einer Viskosität bei 25°C von 200 cP.
(2-Kernanteil: 44,3 Gew.-%; 3-Kernanteil: 23,5 Gew.-%; Anteil an höherkernigen Polyisocyanaten:
32,2 Gew.-%). NCO-Gehalt: 31,1 Gew.-%.
A3: Entsprechend hergestelltes Polyisocyanat mit einer Viskosität bei 25°C von 400 cP.
(2-Kernanteil: 45,1 Gew.-%; 3-Kernanteil: 22,3 Gew.-%; Anteil an höherkernigen Polyisocyanaten:
32,6 Gew.-%). NCO-Gehalt: 30,9 Gew.-%.
A4: Gemisch aus Toluylen-2,4-diisocyanat und Toluylen-2,6-diisocyanat im Verhältnis
80:20. NCO-Gehalt: 48 Gew.-%.
A5: 40 %ige Lösung eines bei der Destillation von A4 anfallenden Destillationsrückstands in A4. NCO-Gehalt: 38,3 Gew.-%.
A6: Präpolymer aus 90 Gew.-% A2 und 10 Gew.-% eines auf Trimethylolpropan gestarteten Polyäthylenglykols der OH-Zahl
250, mit einer Viskosität bei 25°C von 21 000 cP. NCO-Gehalt: 26,2 Gew.-%
Beispiel 1
[0027] 1000 g Polyisocyanat A
3 und 78,5 g Tris-(2-chloräthyl)-phosphit werden vorgelegt. Bei 20-30°C läßt man innerhalb
von 2 Stunden 41,3 g Chlorsulfonsäure in 17 g Methylenchlorid zutropfen. Man läßt
1 Stunde bei 100°C nachrühren und erhält ein Produkt mit folgenden Werten:
[0028] Entsprechend hergestellte Produkte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Dichloräthan wurde
in einigen Beispielen als Lösungsmittel mitverwendet und nach Reaktionsende bei 50°C/
20 Torr abdestilliert.