DE4030831A1 - Polyol-polyether mit hohem gehalt an ethylenoxid und niedriger viskositaet - Google Patents
Polyol-polyether mit hohem gehalt an ethylenoxid und niedriger viskositaetInfo
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Description
Polyole oder mehrwertige Alkohole sind chemische
Verbindungen, die mehrere Hydroxyl- bzw. Hydroxygruppen
(-OH) enthalten. Sie sind als Polyalkohole bekannt und
werden abgekürzt als Polyole bezeichnet. Diese Polyole
sind in der industriellen Herstellung von
Polyurethanschäumen von Bedeutung und werden in
Abhängigkeit von ihren jeweiligen Eigenschaften, wie
Funktionalität, Hydroxyl-Zahl und Molekulargewicht, in
der Herstellung dieser Schäume verwendet, um denselben
Flexibilität, Steifigkeit, Elastizität etc. zu verleihen.
Um Polyole (Polyol-polyether) industriell herzustellen,
ist es notwendig, von einem Alkohol mit einer vorgegebenen
Zahl von Oxhydrylgruppen pro Mol auszugehen. Der Alkohol
wird mit einem Alkylenoxid unter festgelegten
katalytischen Bedingungen, bei einer bestimmten
Temperatur, Druck und Zeit umgesetzt. Um darüber hinaus
steife Polyurethanschäume herzustellen, ist es notwendig,
ein Polyol mit einer Funktionalität größer als 3
einzusetzen. Es sollen die verwendeten Alkohole (zur
Herstellung von Polyol-polyethern) eine hohe
Funktionalität haben, damit sie sich mit den Alkylenoxiden
mischen und mit diesen reagieren.
Einige der am meisten verwendeten polyfunktionellen
Alkohole aber sind bei Raumtemperatur bis zu den
Reaktionstemperaturen (zwischen 80 und 130oC) fest.
Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit, Saccharose etc.
sollen für diese Alkohole beispielhaft angeführt werden.
Bei Bedarf nach einer höheren Funktionalität, ist es
notwendig, Materialien, wie Sorbit und Saccharose,
einzusetzen. Die Schmelztemperatur dieser Materialien ist
sehr hoch und liegt normalerweise sehr nahe an deren
Zersetzungstemperatur, wodurch die Handhabung dieser
Materialien schwierig ist.
Vor einiger Zeit sind Verfahren zur Herstellung von
Polyether aus Polyolen durch Umsetzen von Alkylenoxid mit
Saccharose entwickelt worden. Das Hauptmerkmal solcher
Verfahren liegt in der Handhabung der Saccharose, wie sie
während des Verfahrens zur Herstellung des Polyols
(Polyol-polyethers) verwendet wird.
Einige Verfahren sind in der Literatur bekannt, die die
Reaktion der Saccharose mit Alkylenoxid im Batch
durchführen. Diese Reaktion hat den Vorteil, daß Produkte
mit hoher Funktionalität (7 bis 8) erhalten werden und
daß die Reaktionszeit kurz ist. Dadurch wird die
Saccharose im Alkylenoxid suspendiert. Dadurch erhält man
aber Polyole (Polyol-polyether-Verbindungen) mit hoher
Viskosität, üblicherweise zwischen 40 000 und 400 000 cps
bei Raumtemperatur. Aufgrund der Probleme bei der
Handhabung dieser Polyole (Polyol-polyether) in
herkömmlichen Schäumungsvorrichtungen erweisen sich diese
als nachteilig. Beim Handhaben von großen Mengen von
Alkylenoxid in den Reaktionsgefäßen bei der notwendigen
Reaktionstemperatur entstehen auch hohe Dampfdrücke, die
zur Explosionsgefahr führen.
Es sind auch andere Verfahren bekannt, bei denen inerte
Lösungsmittel, wie Toluol, Xylol oder Benzol, verwendet
werden, die die Saccharose lösen und deren Oxyalkylierung
fördern. Aufgrund der Verwendung von 10 bis 40% des
Lösungsmittels wird dadurch die Ausbeute reduziert.
Es ist auch ein Verfahren beschrieben, nach dem die
Saccharose in Alkoholen verdünnt wird, die zur selben Zeit
mit den Alkylenoxiden reagieren. Der herkömmlichste dabei
ist Wasser, das chemisch unter Bildung von
Oxyalkylverbindungen mit einer Funktionalität von 2
regiert und das sich bei der Herstellung von festen
Polyurethanen als schädlich erweist. Beispiele für andere
verwendete Alkohole sind Monoethylenglykol,
Monopropylenglykol, Triethanolamin, Glyzerin und
Ethylendiamin.
Bei all den bekannten Verfahren werden Alkylenoxide
verwendet. Propylenoxid wird dabei am meisten verwendet,
nur bei einigen wenigen Verfahren wird Ethylenoxid in
Mengen bis zu 40% verwendet.
US-PS 31 53 002 führt Beispiele an, worin der Gehalt an
Ethylenoxid bis zu 65% beträgt, Wasser zur Verdünnung der
Saccharose verwendet wird und die Reaktion bei einer sehr
niedrigen Temperatur, nämlich bis zu 43oC, ausgeführt wird.
US-PS 29 02 478 führt Beispiele an, worin der Gehalt an
Ethylenoxid bis zu 47% beträgt, die Reaktion in Masse
initiiert wird und bei einem Druck von 10,85 bar
(155 psig) durchgeführt wird, also unter sehr gefährlichen
Bedingungen. Dies führt auch zu einer hohen Viskosität,
was unerwünscht ist.
Aus dem Vorerwähnten ergibt sich, daß es einen Bedarf für
ein praktikables, effizientes und zufriedenstellendes
Produkt mit niedriger Viskosität und hohem Gehalt an
Ethylenoxid gibt, welches aber nicht die vorerwähnten
Nachteile beinhaltet.
In der Herstellung von steifen Polyurethanschäumen werden
Polyol-polyether mit hoher Funktionalität und
Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFCs), letztere oft als
Schäumungsmittel, verwendet. Polyol-polyether sind
Produkte, die man aus der Reaktion zwischen
polyfunktionellen Alkoholen, wie Glycerin,
Trimethylolpropan, Ethylendiamin, Triethylanolamin,
Pentaerythrit, Sorbit, Saccharin etc. und Alkylenoxiden,
hauptsächlich Propylenoxid, erhält. Diese Produkte haben
üblicherweise Oxidzahlen zwischen 300 und 550 und eine
Viskosität zwischen 7000 und 100 000 mPa · s bei 25oC. Für
herkömmliche Verfahren und Ausrüstungen zur Herstellung
von steifen Polyurethanschäumen erweisen sich diese
Viskositäten als sehr hoch. Durch deren Vermischen in
Konzentrationen bis zu 40% CFCs werden die Viskositäten
auf einen Bereich zwischen 500 und 3500 mPa · s bei 25oC
verringert, wodurch deren Handhabung im Verfahren unter
Verwendung der Ausrüstung zur Herstellung steifer
Polyurethane leichter wird und man zusätzlich vorteilhafte
Eigenschaften des Produktes erhält.
Bekanntermaßen gibt es aber eine weltweite Bewegung, die
Verwendung von CFCs zu verringern oder gänzlich zu
vermeiden. Deshalb ist die Industrie mit dem Problem
konfrontiert, kurzfristig eine Lösung dafür zu finden.
Eine Lösung dieser Aufgabe liegt in der Verwendung von
Ersatzstoffen, wie HCFC-123B und HCF-141. Diese
Materialien sind jedoch nicht für den industriellen
Maßstab erhältlich und die toxikologischen Untersuchungen
über diese Substanzen sind noch nicht abgeschlossen.
Außerdem wirft die Verwendung dieser Materialien
technische Probleme auf, und sie sind teuer.
Eine zweite Lösung dieser Aufgabe wurde mit der Verwendung
von Wasser als das Schäumungsmittel versucht. Wenn Wasser
mit dem Isocyanat reagiert, wird Kohlendioxid freigesetzt.
Trotzdem sollte Wasser nicht in Mengen größer als 5% in
bezug auf die Polyolmenge verwendet werden, da der
übermäßige Bedarf an Isocyanat zur Bildung von
Polyharnstoffen führt. Eine Mischung von Wasser und
Polyol-polyether würde daher bei der Handhabung in
herkömmlichen Verfahren und Ausrüstungen zu
Schwierigkeiten führen, da die Viskosität zwischen 7000
und 40 000 mPa · s bei 25oC liegen würde. Polyol-polyether mit
einem hohen Gehalt an Propylenoxid haben auch geringe
Löslichkeit in Wasser.
Aus dem Vorerwähnten folgt, daß es die Notwendigkeit zur
Entwicklung von Polyol-polyether mit niedriger Viskosität
und hoher Löslichkeit in Wasser gibt, um deren Handhabung
in herkömmlichen Verfahren und Ausrüstungen bei der
Herstellung von steifen Polyurethanen zu erleichtern. Die
Polyol-polyether mit niedriger Viskosität und hohem Gehalt
an Ethylenoxid gemäß der vorliegenden Erfindung haben
ähnliche Eigenschaften, bei deren Verwendung, wie
diejenigen, wie sie herkömmlich hergestellt werden, aber
mit dem zusätzlichen Vorteil, daß sie mit Wasser
handhabbar sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Polyol-polyether zur Verfügung zu stellen, wobei von
Saccharose mit einem sehr hohen Gehalt an Ethylenoxid
ausgegangen wird, und ein besonders effektives und
empfehlenswertes Verfahren zu dessen Herstellung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
einen niedrigviskosen Polyol-polyether zur Verfügung zu
stellen, wobei man von Saccharose ausgeht.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
einen Polyol-polyether, der in der Herstellung von steifen
Polyurethanen verwendet werden kann. Dieses neue Polyol
hat hohe Qualität und einen niedrigen Preis, dank seines
hohen Gehaltes an Ethylenoxid. Er hat niedrige Viskosität
und ist bei der Handhabung in Schäumungsvorrichtungen
vorteilhaft.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die nachstehende Beschreibung offenbart.
Im folgenden soll die Erfindung im Detail beschrieben
werden, insbesondere, wie das neue Produkt in einem
Reaktionsgefäß hergestellt wird, das mit einem Triol,
beispielsweise Glycerin, Trimethylolpropan oder
Triethanolamin, beschickt wird. Wenn Glycerin oder
Triethanol verwendet wird, wird das Beschicken des
Reaktionsgefäßes bei einer Temperatur von etwa 10 bis
30oC ausgeführt, wenn Trimethylolpropan verwendet wird,
bei einer Temperatur von 70oC.
Nach dem Beschicken des Reaktionsgefäßes mit dem Triol
wird mit dem Rühren des Inhaltes begonnen.
Danach wird das Reaktionsgefäß mit Saccharose beschickt,
was bei einer Temperatur zwischen etwa 20 und 70oC
durchgeführt werden kann. Die Beschickung kann mechanisch
oder von Hand erfolgen.
Unmittelbar danach wird der Katalysator zugegeben. Der
Katalysator ist vorzugsweise Natriumhydroxid,
Kaliumhydroxid oder ein Alkylamin, z. B. Trimethylamin,
Triethylamin oder Tributylamin.
Die gesamte Mischung, wie sie nun im Reaktionsgefäß
vorliegt, wird für einen Zeitraum von 30 Minuten bis 2
Stunden gerührt, währenddessen das Aufheizen bei einer
Temperatur zwischen 85 und 135oC beginnt. Dadurch erhält
man eine homogene Mischung, die leicht oxyalkyliert werden
kann.
Dann beginnt die Zugabe von Propylenoxid bei einem
Anfangsdruck von 0,70-0 bar (10-0 psig) und einer
Temperatur zwischen etwa 100 und 120oC.
Nach Beendigung der Zugabe wird die Reaktion für einen
ungefähren Zeitraum von 2 bis 3 Stunden bei einer
Temperatur zwischen 85 und 135oC fortgesetzt.
Das Produkt wird sodann auf etwa 60oC abgekühlt. Es folgt
die Zugabe des zweiten Teils der Saccharose, wobei das
Reaktionsgefäß leicht bewegt wird. Die Mischung wird für
einen Zeitraum von etwa 1 bis 4 Stunden gerührt, während
sie auf eine Temperatur zwischen 105 und 140oC erhitzt
wird. Solchermaßen dient der erste Anteil an Saccharose,
der oxypropyliert wird, als Medium zum Auflösen des
zweiten Anteils an Saccharose, wodurch die Oxyethylierung
gefördert wird.
Im Anschluß daran beginnt die Zugabe von Ethylenoxid, die
über einen Zeitraum zwischen 8 und 14 Stunden bei einer
Temperatur zwischen 120 und 130oC und einem
Stickstoffdruck zwischen 2,38 und 6,30 bar (34 und 90 psi)
innerhalb des Reaktionsgefäßes durchgeführt wird. Nach
Abschluß der Zugabe von Ethylenoxid wird die Reaktion für
einen Zeitraum von 2 bis 4 Stunden bei einer Temperatur
zwischen etwa 105 und 140oC fortgesetzt. Das so erhaltene
Material ist im wesentlichen frei von fester Saccharose.
Schließlich wird der Katalysator in dem Produkt durch die
Zugabe einer Säure, vorzugsweise Phosphorsäure,
Schwefelsäure, Essigsäure etc., in wäßriger Lösung bei
einer Konzentration zwischen 25 und 10% neutralisiert.
Der Katalysator kann auch durch Ionenaustausch mit
Magnesiumsilikat und durch nachfolgendes Filtrieren des
Produktes entfernt werden, wodurch Salze und enthaltene
Feststoffe entfernt werden.
Im folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand von
Beispielen erläutert werden.
Ein Reaktionsgefäß, das mit einem Heizsystem, einem
Kühler und Aggitator und anderen notwendigen Einrichtungen
versehen war, wurde mit 73 g Triethanolamin bei einer
Temperatur von etwa 25oC beschickt, es wurde mit dem
Rühren mit etwa 80 Upm begonnen.
Danach wurden 500 g Saccharose und 23,4 g Tributylamin
zugegeben. Das Rektionsgefäß wurde verschlossen und die
darin enthaltene Luft durch Stickstoff ersetzt. Das
Reaktionsgefäß wurde auf 100oC erhitzt und es wurden
1080 g Propylenoxid zugegeben. Es entwickelte sich ein
maximaler Druck von 2,38 bar (34 psig) ohne wesentliches
äußeres Heizen oder Kühlen. Nach Beendigung der Zugabe
wurde das vorliegende Propylenoxid solange umgesetzt, als
keine wesentliche Änderung des Anfangsdruckes im
Reaktionsgefäß auftrat. Die Mischung wurde auf 60oC
abgekühlt und es wurden 1524 g Saccharose und 737 g
Triethanolamin dem Reaktionsgefäß unter ständigem Rühren
zugeführt. Das Reaktionsgefäß wurde verschlossen und auf
eine Temperatur von 120oC erhitzt, wobei diese Temperatur
während eines Zeitraums von 2 Stunden erreicht wurde. Der
Druck wurde auf etwa 2,38 bar (34 psig) mit Stickstoff
eingestellt. Es wurden 4260 g Ethylenoxid über einen
Zeitraum von 10 Stunden bei einem Druck von weniger als
etwa 6,30 bar (90 psig) zugegeben. Nach Beendigung der
Zugabe wurde die Reaktion bei 125oC für 1,5 Stunden
fortgesetzt, wobei das in der Mischung vorliegende
Ethylenoxid umgesetzt wurde.
Dadurch erhielt man einen Polyol-polyether, dessen Analyse
folgende Werte ergab:
Gardner-Färbung | |
40 | |
pH | 10 |
% HO | 0,055 |
OH-Zahl | 525 |
Viskosität (mPa · s) bei 25°C | 2500 |
% Ethylenoxid | 47,3 |
Funktionalität | 4,5 |
Ein Reaktionsgefäß, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde
mit 313 g Glyzerin, 316 g Saccharose und einer 50-%-igen
Lösung von Kaliumhydroxid beschickt. Die Mischung wurde
für 2 Stunden gerührt. Währenddessen wurde die Mischung
auf eine Temperatur von 112oC erhitzt und die Luft wurde
durch Stickstoff ersetzt, wobei ein Stickstoffdruck von
0,14 bar (2 psig) verblieb. Danach wurden 900 g
Propylenoxid während 4 Stunden bei einer Temperatur von
112oC zugegeben. Als maximaler Druck wurden 6,30 bar
(90 psig) erreicht und es wurde das Aufheizen und Rühren
nach Beendigung der Zugabe für einen Zeitraum von 2
Stunden fortgesetzt. Danach wurde die Mischung auf 60oC
gekühlt und es wurden 957 g Saccharose und 311 g Glycerin
zugegeben. Das Reaktionsgefäß wurde geschlossen und die
Luft durch Stickstoff ersetzt und die Mischung wurde auf
120oC erhitzt, welche Temperatur innerhalb eines
Zeitraumes von 2 Stunden erreicht wurde und der Druck
wurde auf etwa 2,38 bar (34 psig) eingestellt. Es wurden
6781 g Methylenoxid während eines Zeitraumes von 12
Stunden zugegeben, wobei der Druck nicht größer als etwa
6,30 bar (90 psig) war. Nach Beendigung der Zugabe wurde
die Reaktion für einen Zeitraum fortgesetzt, bis keine
signifikante Änderung im Inneren des Reaktionsgefäßes
auftrat. Danach wurde das Produkt mit Magnesiumsilikat
behandelt und für 2 Stunden bei einer Temperatur von 90oC
filtriert und durch ein Filtersieb bei einem Druck von
etwa 2,03 bar (29 psig) filtriert.
Nach dem Abtrennen der festen Bestandteile vom Produkt
wurden die flüchtigen Produkte und Feuchtigkeit bei einer
Temperatur von etwa 100oC unter Vakuum entfernt.
In dieser Weise erhielt man einen Polyol-polyether, dessen
Analyse die folgenden Werte ergab:
Gardner-Färbung | |
10 | |
pH | 9,0 |
% HO | 0,011 |
OH-Zahl | 310 |
Viskosität (mPa · s) bei 25°C | 630 |
% Ethylenoxid | 70 |
Funktionalität | 4,4 |
Die vorstehend angeführten Beispiele veranschaulichen die
vorliegende Erfindung, sie beschränken sie aber nicht
darauf. Darüber hinaus wird der Fachmann in der Lage sein,
geeignete Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden
Erfindung durchzuführen, ohne vom Erfindungsgedanken
abzuweichen.
Claims (12)
1. Polyol-polyether mit einem Molekulargewicht zwischen
400 und 900, einer Viskosität zwischen 500 und
3500 mPa · s bei 25oC und einem Gehalt an Ethylenoxid
zwischen 40 und 75 Gew.%, erhältlich durch ein
Verfahren, das die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Herstellen einer Suspension von Saccharose in einem Triol;
- b) Umsetzen der im vorerwähnten Schritt erhaltenen Mischung mit Propylenoxid in Anwesenheit eines Katalysators;
- c) Suspendieren von Saccharose in die nach dem vorerwähnten Schritt erhaltene Mischung;
- d) Oxyethylieren der aus (c) erhaltenen Mischung; und
- e) Entfernen der flüchtigen Bestandteile und des Katalysators aus der Mischung unter Erhalt des gewünschten Polyol-polyethers.
2. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin das Triol
Glycerin, Trimethylolpropan und/oder Triethanolamin
ist.
3. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der
Katalysator Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und/oder
ein Alkylamin ist.
4. Polyol-polyether gemäß Anspruch 3, worin das
Alkylamin Triethylamin, Trimethylamin und/oder
Tributylamin ist.
5. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(a) durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 85
und 135oC unter Rühren und während eines Zeitraumes
von 0,5 bis 2 Stunden ausgeführt wird.
6. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(b) mit einem Anfangsdruck von Stickstoff zwischen
0,70 und 0 bar (10 und 0 psig) und bei einer
Temperatur zwischen 110 und 120oC während eines
Zeitraums von 3 bis 4,5 Stunden ausgeführt wird.
7. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(c) bei einer Temperatur zwischen 105 und 140oC
ausgeführt wird.
8. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(c) durch die Zugabe von Ethylenoxid bei einer
Temperatur zwischen 120 und 130oC bei einem
Stickstoffdruck zwischen 2,38 und 6,40 bar (34 und
90 psig) während eines Zeitraums von 8 bis 14 Stunden
ausgeführt wird.
9. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(e) durch Neutralisieren des Katalysators durch
Zugabe einer Säure in wäßriger Lösung bei einer
Konzentration zwischen 25 und 100 Gew.% ausgeführt
wird.
10. Polyol-polyether gemäß Anspruch 9, worin die Säure
Phosphorsäure, Schwefelsäure oder Essigsäure ist.
11. Polyol-polyether gemäß Anspruch 1, worin der Schritt
(e) durch Ionenaustausch des Katalysators mit einem
Magnesiumsilikat und darauffolgende Filtration des
Produktes zum Entfernen von Salzen und darin
enthaltenen festen Bestandteilen ausgeführt wird.
12. Polyol-polyether mit einem Molekulargewicht zwischen
400 und 900, einer Viskosität zwischen 500 und
3500 mPa · s bei 25oC und einem Gehalt an Ethylenoxid
zwischen 40 und 75 Gew.%.
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