DE2703271C3 - Preparation of aqueous isocyanate emulsions - Google Patents
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Description
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3030th
3535
Die Verwendungen von Isocyanaten als Spanplattenbindemiliel ist bekannt (vgl. z.B. H.-J. D ep pe und K.. E r η s t, Holz als Roh- und Werkstoff, Jahrg. 29, S. 45, 1971). Besonders bekannt sind Bindemittel auf der Grundlage von Diphenylmelhan-4,4'-diisocyanat. Als lösungsmitlelfreie flüssige Produkte kann man sie in den in der Holzindustrie üblichen Verarbeitungsanlagen einsetzen.The uses of isocyanates as a chipboard binder is known (see e.g. H.-J. D ep pe and K .. E r η s t, Holz als Roh- und Material, Volume 29, p. 45, 1971). Binders based on diphenylmelhan-4,4'-diisocyanate are particularly known. as Solvent-free liquid products can be used in the processing plants commonly used in the wood industry insert.
Es ist jedoch ein Nachteil, insbesondere bei niedrigen Dosierungen, daß sich Bindemittel auf der Grundlage von Isocyanaten nur schwer auf dem Spanmaterial gleichmäßig verteilen lassen. Dadurch können die technologischen Eigenschaften der fertigen Spanplatte hinsichtlich der Festigkeil verschlechtert werden. Auch ist nachteilig, daß sich mit Isocyanat verunreinigte Geräte bzw. Maschinenteile mit Wasser nicht ohne weiteres reinigen lassen. Es ist zwar bekannt, zur Verdünnung von Isocyanaten organische Lösungsmittel anzuwenden. Geeignete Lösungsmittel, wie Dichlormethan u.a., sind aber aus toxikologischen Gründen, andere Lösungsmittel, w.e Acetale, wegen der Feuergefährlichkeit praktisch nicht anwendbar.However, it is a disadvantage, especially at low dosages, that binders are based Difficult to distribute isocyanates evenly on the chip material. This allows the technological properties of the finished chipboard are worsened in terms of the strength wedge. Even It is disadvantageous that devices or machine parts contaminated with isocyanate cannot easily be treated with water let it clean. It is known to use organic solvents to dilute isocyanates. Suitable solvents, such as dichloromethane and others, are, however, others for toxicological reasons Solvents, such as acetals, are practically inapplicable due to their flammability.
Es ist.daher in der DE-OS 26 10 552 der Vorschlag gemacht worden, Isocyanate, die als Bindemittel (Klebstoffe) für lignocellulosehaltige Partikeln in Frage kommen, als wäßrige Emulsion zu verwenden.It ist.there in DE-OS 26 10 552 the proposal has been made to use isocyanates as binders (adhesives) for lignocellulose-containing particles come into question to use as an aqueous emulsion.
Allerdings müssen dabei - so das Ergebnis der in der DE-OS abgehandelten Experimente — an die Isocyanate selbst und an die Emulgierhilfsstoffe besondere Anforderungen gestellt werden. Als (Poly)-isocyanate werden bevorzugt Präpolymere, d. h. Umsetzungsprocliikte von eigentlichen Polyisocyanaten mit Polyesterbzw. Polyälherpolyolen, die noch Isocyanatendgruppen aufweisen, verwendet. Als Emulgatoren bzw. oberflächenaktive Mittel werden nichtionogene Produkte verwendet, die außerdem frei sein sollen von Hydroxyl-, Amino- oder Carbonsäureresten.However - according to the result of the experiments dealt with in the DE-OS - the isocyanates must be used themselves and the emulsifying auxiliaries are subject to special requirements. As (poly) isocyanates prepolymers are preferred, i. H. Implementation projects of actual polyisocyanates with polyester or Polyether polyols that still have isocyanate end groups have used. Nonionic products are used as emulsifiers or surface-active agents used, which should also be free of hydroxyl, amino or carboxylic acid residues.
Wie die DE-OS zugibt, ist es aber auch durch die Verwendung beträchtlicher Mengen spezieller hydrophober Polyole, die zur Herstellung der o.g. Präpolymeren eingesetzt werden, nicht möglich. Emulsionen zu erhalten, die eine genügende Haltbarkeit aufweisen; aus dem Beispiel 2 der DE-OS ergibt sich vielmehr, daß der Verlust an Isocyanatgruppen in der Emulsion im Verlaufe von jeweils zwei Stunden bei Raumtemperatur im günstigsten Falle etwa 14 bis 17%, in ungünstigeren Fällen über 50% beträgt.As the DE-OS admits, it is also specially hydrophobic due to the use of considerable amounts Polyols that are used to produce the above-mentioned prepolymers are not possible. To obtain emulsions, which have a sufficient shelf life; from Example 2 of DE-OS it rather follows that the loss of isocyanate groups in the emulsion in the course of two hours at room temperature in the most favorable Fall about 14 to 17%, in less favorable cases over 50%.
Für den Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Holzwerkstoffen ergibt sich daraus, daß ein solches Bindemittel ohne praktischen Wert ist, weil die tech-For those skilled in the field of the production of wood-based materials it follows that such a Binder is of no practical value because the tech-
5050
5555
60 nisch notwendigen Wartezeiten zwischen dem Ansetzen einer Emulsion und dem Verpressen, die durch die Kapazität der Vorratsbehälter für Leim und beleimtes Spänegut gegeben sind, nicht erreicht werden. 60 nisch necessary waiting times between the preparation of an emulsion and the pressing, which are given by the capacity of the storage container for glue and glued chips, cannot be achieved.
Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung von Isocyanatemulsionen, die die erwähnten Nachteile nicht oder in wesentlich geringerem Maße besitzen, d. h. die Schaffung lagerfähiger wäßriger Emulsionen von Polyisocyanaten.It is therefore the object of the invention to provide isocyanate emulsions of the type mentioned Do not have disadvantages or to a much lesser extent, d. H. the creation of storable aqueous Polyisocyanate emulsions.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ΛväßΓiger ausreichend lagerfähiger Polyisocyanatemulsionen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Polyisocyanate in Gegenwart eines Emulgators auf der Grundlage eines Polyglykols mit einem Molekulargewicht von etwa 4000 bis 20 000 in Wasser dispergiert bzw. emulgiert, wobei die OH-Gruppen im Emulgator 10 bis 40% der NCO Gruppen ausmachen.The invention relates to a process for the production of aqueous polyisocyanate emulsions which are sufficiently storable, which is characterized in that the polyisocyanates in the presence of an emulsifier on the Based on a polyglycol with a molecular weight of about 4,000 to 20,000 dispersed in water or emulsified, the OH groups in the emulsifier making up 10 to 40% of the NCO groups.
Das Ergebnis der Erfindung ist überraschend, da — nicht zuletzt aus der genannten DE-OS — bekannt ist, daß gerade aromatische Isocyanate mit Wasser schnell reagieren; lagerfähige reine Isocyanatemulsionen sind bisher nicht beschrieben worden.The result of the invention is surprising because - not least from the DE-OS mentioned - it is known that especially aromatic isocyanates react quickly with water; are storable pure isocyanate emulsions has not yet been described.
Beispiele von organischen Polyisocyanaten, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind aromatische Isocyanate, insbesondere Diisocyanate, wie m- oder p-Phenylendiisocyanat, Toluylen-2,4- bzw. -2,6-diisocyanate, Diphenylmethan-4,4'-diisoeyanat, Chlorphenylen-2,4-diisocyanat, Naphthylen-1,5-diisocyanat, Diphenylen-4,4'-diisocyanat. 4,4 -Diisocyanal-S^'-dimethyldiphenyl, 3-Methyldiphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Diphenylälherdiisocyanat, oder Triisocyanate, wie 2,4,6-Triisocyanatotoluol oder 2,4,4'-Triisocyanalodiphenyläther. Sie werden durch Phosgenierung entsprechender Amine in bekannter Weise erhalten. Mischungen von Isocyanaten sind beispielsweise die im Handel verfügbaren Mischungen von 2,4- bzw. 2,6-Isomeren des Toluylendiisocyanats, sowie die Mischungeii von Di- und höheren Polyisocyanaten, welche durch Phosgenierung von Anilin-Formaldehyd-Kondensalen hergestellt worden sind. Solche Mischungen sind in der Praxis allgemein bekannt, und sie schließen die rohen Phosgenierungsprodukte ein, welche Mischungen von Methylenbrücken aufweisenden PoIyphenylpolyisocyanaten, einschließlich Diisocyanat, Triisocyanat und höhere Polyisocyanate zusammen mit den Phosgenierungsnebenprodukten enthalten.Examples of organic polyisocyanates which are used in the process of the invention are aromatic isocyanates, especially diisocyanates such as m- or p-phenylene diisocyanate, Toluylene-2,4- or -2,6-diisocyanate, diphenylmethane-4,4'-diisoeyanate, Chlorophenylene-2,4-diisocyanate, naphthylene-1,5-diisocyanate, diphenylene-4,4'-diisocyanate. 4,4-diisocyanal-S ^ '- dimethyldiphenyl, 3-methyldiphenylmethane-4,4'-diisocyanate, Diphenylether diisocyanate, or triisocyanates, such as 2,4,6-triisocyanatotoluene or 2,4,4'-triisocyanalodiphenyl ether. They are known by phosgenation of appropriate amines Way received. Mixtures of isocyanates are, for example, the commercially available mixtures of 2,4- or 2,6-isomers of toluene diisocyanate, as well as the mixture of di- and higher polyisocyanates, which have been produced by phosgenation of aniline-formaldehyde condensals. Such mixtures are well known in practice and they include the crude phosgenation products, which mixtures of polyphenyl polyisocyanates containing methylene bridges, including diisocyanate, triisocyanate and contain higher polyisocyanates along with the phosgenation by-products.
Bevorzugte Polyisocyanate, welche erfindungsgemäß emulgiert werden können, sind diejenigen, worin das Isocyanat ein aromatisches Diisocyanat oder P'olyisocyanat mit höherer Funktionalität ist, insbesondere rohe Mischungen von Methylenbrücken aufweisenden Polyphenylpolyisocyanaten, welche Diisocyanate, Triisocyanate oder Polyisocyanate mit höherer Funktionalität enthalten. Methylenbrücken weisende Polyphenylpolyisocyanate sind allgemein bekannt, und sie besitzen die allgemeine FormelPreferred polyisocyanates which can be emulsified according to the invention are those in which the Isocyanate an aromatic diisocyanate or polyisocyanate with higher functionality, especially crude mixtures of methylene bridges Polyphenyl polyisocyanates, which are diisocyanates, triisocyanates or polyisocyanates with higher functionality contain. Polyphenyl polyisocyanates having methylene bridges are generally known, and they have the general formula
CH,CH,
W CH2- W CH 2 -
NCONCO
NCONCO
NCONCO
11 -11 -
worin η mehr als 1 ist und im Falle von rohen Mischungen ein Mittel von mehr als 1 darstellt. Diese Verbindungen werden in bekannter Weise hergestellt durchwhere η is more than 1 and, in the case of crude mixtures, is an average of more than 1. These compounds are made in a known manner by
Phosgenieren von entsprechenden Mischungen von Polyaminen, die durch Kondensation von Anilin und Formaldehyd erhalten worden sind. Es ist üblich, rohe Mischungen von Methylenbrücken aufweisenden PoIyphenylpolyisocyanaten, welche Diisocyanat, Tnisocyanat und Polyisocyanate mit höherer Funktionalität enthalten, als MDl zu bezeichnen.Phosgenation of appropriate mixtures of polyamines produced by condensation of aniline and Formaldehyde. It is common to be raw Mixtures of polyphenyl polyisocyanates containing methylene bridges, which diisocyanate, tnisocyanate and polyisocyanates with higher functionality included, to be referred to as MDl.
Weniger geeignete organische Isocyanate, welche erfindungsgemäß emulgiert werden können, sind Isocyanatreste aufweisende Vorpolymere, die hergestellt sind durch Umsetzen eines Überschusses von Diisocyanat oder einem Polyisocyanat mit höherer Funktionalität mit einem Hydroxylenden aufweisenden Polyester oder Hydroxylenden aufweisenden Polyether, sowie Produkte, weiche durch Umsetzen eines Oberschusses von Diisocyanat oder Polyisocyanat höherer Funktionalität mit monomeren! Polyol oder einer Mischung von monomeren Polyolen, wie Äthylenglykol, Trimethylolpropan und Butandiol, erhalten worden sind.Less suitable organic isocyanates which can be emulsified according to the invention are isocyanate radicals comprising prepolymers made by reacting an excess of diisocyanate or a higher functionality polyisocyanate with a hydroxyl terminated polyester or hydroxyl-terminated polyethers, as well as products that are soft by reacting an excess of diisocyanate or polyisocyanate of higher functionality with monomeric! Polyol or a mixture from monomeric polyols such as ethylene glycol, trimethylolpropane and butanediol are.
Es ist allerdings möglich, daß sich solche Vorpolymere (Präpolymere) im Verlauf des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in geringen Mengen bilden.However, it is possible that such prepolymers (prepolymers) in the course of the invention Forming manufacturing process in small quantities.
Höhermolekulare Polyglykole, insbesondere PoIyäthylenglykole, Polypropylenglykole, sowie gemischte Glykole mit Molekulargewichten zwischen 4000 und 20 000, vorzugsweise zwischen 6000 und 12 000, sind geeignete Emulgatoren zur Herstellung von Emulsionen von Polyisocyanaten. Die hergestellten Emulsionen sind über einen Lagerzeitraum von z. B. 1 bis 10 Stunden als stabil anzusehen. Die Emulsionen enthalten z. B. 5 bis 70 Prozent Polyisocyanat, 2 bis 20 Prozent Emulgator und im übrigen Wasser. Sie werden in der für Emulsionen üblichen Weise durch Verrühren der Bestandteile mit geeigneten Vorrichtungen erhalten.Higher molecular weight polyglycols, especially polyethylene glycols, Polypropylene glycols, as well as mixed glycols with molecular weights between 4000 and 20,000, preferably between 6,000 and 12,000, are suitable emulsifiers for the production of emulsions of polyisocyanates. The emulsions produced are over a storage period of z. B. 1 to 10 hours to be regarded as stable. The emulsions contain e.g. B. 5 to 70 percent polyisocyanate, 2 to 20 percent emulsifier and the rest water. You will be in the for Emulsions are obtained in the customary manner by stirring the constituents with suitable devices.
Zur Unterscheidung der Erfindung von dem, was schon bekannt ist, muß aber im Zusammenhang mit der Herstellung der Emulsionen auf folgendes hingewiesen werden:To distinguish the invention from what is already known, it must be in connection with the In the preparation of the emulsions, the following should be noted:
Es ist danach anzunehmen, daß die fertigen Emulsionen zwar das Polyglykol mindestens teilweise als Reaktionsprodukt mil Teilen des Isocyanats enthalten, jedoch die emulgierten Partikel dann gegen den Einfluß z. B. der Hydrolyse durch Wasser relativ geschützt sind.It can therefore be assumed that the finished emulsions contain at least some of the polyglycol as a reaction product Mil parts of the isocyanate contain, but the emulsified particles then counteract the influence z. B. the hydrolysis are relatively protected by water.
Eine typische Emulsion wird aus 30 Teilen Diphenylmethan-4,4'-dii';ocyanat, 10 Teilen Polyäthylenglykol und 60 Teilen Wasser in folgender Weise erhalten:A typical emulsion is made from 30 parts of diphenylmethane-4,4'-dii '; ocyanate, 10 parts of polyethylene glycol and 60 parts of water are obtained in the following way:
Das Polyäthylenglykol (mittleres Molekulargewicht 9000) wird in 60 Teilen Wasser gelöst und in die gerührte Lösung Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat eingerührt. Das Emulgieren mittels eines hochtourigen Rührwerks erfordert ca. 10 bis 30 Sekunden.The polyethylene glycol (average molecular weight 9000) is dissolved in 60 parts of water and stirred into the Diphenylmethane-4,4'-diisocyanate solution is stirred in. The emulsification by means of a high-speed stirrer takes about 10 to 30 seconds.
Die Stabilität der Isocyanatemulsion kann nach bekannten Verfahren, z. B. durch Titration gegen Bromphenolblau gemessen werden. Hierzu werden in bestimmten Zeitabständen Proben der Emulsion entnommen, mit überschüssiger Dibutylaminlösung versetzt und nicht verbrauchtes Amin mit methanolischer Salzsäure zurücktitriert. Als Kennzahl »R« wird das Verhältnis mval Dibutylamin/g Diisocyanat gewählt.The stability of the isocyanate emulsion can be determined by known methods, e.g. B. measured by titration against bromophenol blue. For this purpose, samples of the emulsion are taken at certain time intervals, excess dibutylamine solution is added and the amine that has not been consumed is back-titrated with methanolic hydrochloric acid. The ratio mval dibutylamine / g diisocyanate is selected as the index »R«.
Die R-Werte der wäßrigen Isocyanatemulsion werden laufend gemessen und die Abnahme jeweils gemittelter /?-Werte (in % vom Anfangswert) als Ordinate gegen die Zeit als Abszisse aufgetragen.The R values of the aqueous isocyanate emulsion are measured continuously and the decrease in the mean /? Values (in% of the initial value) is plotted as the ordinate against the time as the abscissa.
Λ-Werte R Λ-values R
Zeit (Stdn.)Time (hours)
IsocyanatIsocyanate
,. , . _ mval Dibutylamin,. ,. _ mval dibutylamine
Kennzahl R = ^— .Code R = ^ -.
g Diisocyanatg diisocyanate
Zur Auswertung der Stabilität wird der /?-Wert von reinem Isocyanat bestimmt und gleich 100% gesetzt.To evaluate the stability, the /? Value of pure isocyanate is determined and set equal to 100%.
R0 R 0
Ro.2SRo.2S
R 1.25
20 R 1.25
20th
7,162
7,190
7,1297.162
7.190
7.129
7,249
7,072
7,1557.249
7,072
7.155
7,194
7,196
7,269
6,997
7,048
7,0707.194
7.196
7.269
6,997
7.048
7.070
6,959
6,971
6,976
6,959
7,033
6,9996,959
6,971
6.976
6,959
7.033
6,999
6,930
6,871
6,8896,930
6.871
6.889
7,160
7,159
7,220
7,038
6,969
6,997
6,8977.160
7.159
7.220
7.038
6,969
6,997
6.897
0,250.25
1,251.25
2,002.00
3,003.00
4,004.00
5,005.00
100 99,99100 99.99
100,84 98,30 97,33 97,72 96,33100.84 98.30 97.33 97.72 96.33
Abbildung und Tabelle zeigen die Abnahme des Isocyanatgehaltes bei einer Temperatur von 23°C in Abhängigkeit von der Zeit (0 bis 5 Stunden). Zwischen dem Isocyanatgehalt und der Lagerzeit besteht danach folgender empirischer Zusammenhang:The figure and table show the decrease in isocyanate content at a temperature of 23 ° C as a function of time (0 to 5 hours). Between the Isocyanate content and storage time, there is the following empirical relationship:
K= 100 - 0,793 · Zeit (in Stunden) %K = 100 - 0.793 time (in hours)%
Pro Stunde nimmt der Isocyanatgehalt also nur um durchschnittlich 0,793% ab. Der schraffierte Bereich um die Regressionsgrade gibt deren Vertrauensbereich für 95% Aussagesicherheit an. Die beiden außenliegenden Kurven schließen 95% Streubereich der Einzelmessungen ein.The isocyanate content only decreases by an average of 0.793% per hour. The hatched area around the regression degrees indicates their confidence level for 95% reliability. The two outside Curves enclose 95% scatter of the individual measurements.
Diese Untersuchung belegt eine innerhalb der praxisnahen Verarbeitungszeiten ausreichende Lagerstabilität der Emulsion.This investigation proves sufficient storage stability within the practical processing times the emulsion.
Mit der Polyisocyanatemulsion wurden Spanplatten hergestellt und ihre technologische Anwendung geprüft. Chipboard was manufactured with the polyisocyanate emulsion and its technological application was tested.
Anwer.dungsbeispieleApplication examples
Fichtenspäne, die unter Technikumsbedingungen hergestellt wurden und einen Feuchtigkeitsgehall von ca. 4% haben, werden in einer üblichen Beleimungsvorrichtung mit den in den nachfolgenden Beispielen genannten Klebstoffmischungen behandelt. Als Hydrophobiermittel dient eine 50%ige Paraffinemulsion, die Menge beträgt in allen Fällen 1% Festwachs auf absolut trockene Späne. Zur Einstellung eines Feuchtigkeitsgehaltes der beharzten Späne von ca. 12% wird die notwendige Menge an Wasser vor der Beharzung auf die Späne gesprüht.Spruce chips that have been produced under pilot plant conditions and have a humidity level of approx. 4% are in a conventional gluing device with those mentioned in the following examples Adhesive mixtures treated. A 50% paraffin emulsion is used as a water repellent In all cases, the amount is 1% solid wax on absolutely dry chips. For setting a moisture content of the resinified shavings of approx. 12% is the necessary amount of water before the resination on the chips sprayed.
Die Zubereitung der Klebstoffemulsion erfolgt nachThe preparation of the adhesive emulsion takes place after
dem im Beispiel beschriebenen Verfahren. Die Klebstoffemulsion wird mittels eines Mischers so auf den Spänen verteilt, daß 2 bis 4% Isocyanat auf atro Holz gelangen. Als Vergleich wird der Versuch mit nichlemulgierlem Isocyanat durchgeführt.the procedure described in the example. The adhesive emulsion is distributed on the chips by means of a mixer so that 2 to 4% isocyanate on absolutely dry wood reach. As a comparison, the experiment with nichlemulgierlem Isocyanate carried out.
Die so vorbehandelten Späne werden in einer Versuchsschüttanlage zu einem Spankuchen geformt. Die Preßtemperatur beträgt 165°C bei einer Preßzeit vonThe chips pretreated in this way are shaped into a chip cake in a test pouring system. the Press temperature is 165 ° C with a press time of
4 Minuten und einem spezifischen Druck von 2,5 N/mm2. Wegen der Klebneigung der Isocyanate wird mit Trennpapieren gearbeitet. Die Dicke der gefertigten Spanplatten beträgt 18,5 mm, die Dichte ca. 610kg/m3.4 minutes and a specific pressure of 2.5 N / mm 2 . Because of the tendency of the isocyanates to stick, release papers are used. The thickness of the manufactured chipboard is 18.5 mm, the density approx. 610 kg / m3.
Die Prüfung der Platten geschieht nach DIN 52 360-65.The panels are tested in accordance with DIN 52 360-65.
Die Ergebnisse zeigen, daß bei gleichem Klebsloffeinsatz durch die der Erfindung zugrundeliegenden Maßnahmen eine bessere mechanische Festigkeit erzielt wird und die Empfindlichkeit gegen Wasser deutlich abnimmt.The results show that, with the same amount of glue used, the measures on which the invention is based a better mechanical strength is achieved and the sensitivity to water is significantly reduced.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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