专利名称：溶液中脲二酮的形成的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由膦催化的异氰酸酯在有机碳酸酯或腈存在下进行低聚化反应来制备脲二酮(uretdione)基团含量较高的多异氰酸酯的方法。
背景技术：
具有脲二酮基团的脂族多异氰酸酯是非常有价值的原料，尤其是用于生产聚氨酯涂料。基于任选的支链的、直链的脂族二异氰酸酯的产物具有特别低的粘度。基于脂环族二异氰酸酯的产物通常粘度高到形成固态物质，其可在涂料体系中被用作消除产物-游离的、内封端的交联剂。摘要见J.Prakt.Chem./Chem.Ztg.1994，336，185-200。
三(二烷基氨基)膦(DE-A3030513)如果适当地与助催化剂(DE-A 3437635)组合，则会对脲二酮基团的形成表现出良好的选择性(脲二酮选择性)。但是，它们所产生的如六甲基磷酰胺之类的磷氧化物的高致癌性是一个严重的问题，阻碍它们在工业中的使用。
尽管脲二酮的形成只有在特定的脂环族异氰酸酯如异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)存在下才会有选择性地进行，但是DE-A 3739549中揭示了使用4-二烷基氨基吡啶如4-二甲基氨基吡啶(DMAP)来进行催化NCO二聚化反应。当使用DMAP以及相关化合物时，直链型脂族异氰酸酯如1，6-己二异氰酸酯(HDI)以及支化的直链型脂族异氰酸酯如三甲基己烷二异氰酸酯(TMDI)和甲基戊烷二异氰酸酯(MPDI)主要生成颜色较深的、多相的反应产物。
DE-A 1670720中揭示了具有脲二酮基团的脂族多异氰酸酯的制备，至少有一个脂族取代基的叔磷以及三氟化硼和它的加合物作为催化剂。这里所述的脲二酮的选择性是取决于温度的，可以形成相当多的粘度上升的异氰酸酯三聚体(异氰脲酸酯和亚氨基噁二嗪二酮)，并且特别是在温度＞80℃的条件下，通常会生成一些其它的不利的副产物，诸如碳二亚胺或脲酮亚胺(uretonimine)。
提高脲二酮选择性且减少副产物形成的一种方法是使用特定的具有P键环烷基基团的大体积(bulkly)膦(EP-A 1 422 223，未公开的德国专利10354544)。对于给定膦催化剂，脲二酮的选择性可以通过加入添加剂或溶剂来改进这一事实已在经JP 11228524中得到证实。据此，Hildebrand溶解度参数大于7cal1/2cm-3/2的非芳族溶剂适用在膦催化剂存在下制备富含脲二酮基团的多异氰酸酯中。但是，如在本专利申请实施例中所示的一样，这也不总是可靠的(参考，氯仿；Hildebrand参数9.3cal1/2cm-3/2，与N-甲基吡咯烷酮相比，NMP；Hildebrand参数11.3cal1/2cm-3/2)。因此，关于什么溶剂是非常可靠的适用于提高脲二酮的选择性并且减少副产物的形成，本领域技术人员不能得出一般的结论，从JP11228524也不能得出。
另外，各种文献一般揭示了在溶剂存在下进行异氰酸酯低聚化反应，但是，却没有指出个别的化合物和/或具体指出能够提高脲二酮选择性和减少副产物形成的化合物。
已经发现，配对使用膦和有机碳酸酯和/或有机腈作为催化剂体系在生成脲二酮的选择性方面有着尤其有利的影响。
发明内容
因此，本发明提供有机碳酸酯和/或有机腈在膦催化下的、形成脲二酮的单异氰酸酯和/或多异氰酸酯低聚化反应中的应用，以使低聚化反应的选择性得以提高。
本发明还提供一种含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其中，多异氰酸酯在包括膦和有机碳酸酯和/或有机腈的催化剂体系存在下进行低聚化反应。
具体实施例方式
除非另有规定，在本文中的所有部分中所用的，包括用在实施例中的所有数字可作为前有字“约”来阅读，即使该术语没有明确的表示出来。而且，这里所述的任何数字范围旨在包括涵盖其内的所有子范围。
作为多异氰酸酯，可以使用本领域技术人员已知的、NCO官能度优选≥2的所有脂族、脂环族和/或芳脂族多异氰酸酯。这些多异氰酸酯是否用光气法或者是用非光气化法来制备是不重要的。如果需要的话，也可以同时使用少量的单异氰酸酯，但这不是优选的。
优选使用脂族和/或脂环族多异氰酸酯，它们单独使用或互相混合作为混合物使用。
合适的多异氰酸酯的例子是同分异构的戊烷二异氰酸酯、己烷二异氰酸酯、庚烷二异氰酸酯、辛烷二异氰酸酯、壬烷二异氰酸酯、癸烷二异氰酸酯、十一烷二异氰酸酯和十二烷二异氰酸酯，以及异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、双(异氰酸根络环己基)甲烷(H12MDI)、双(异氰酸根络甲基)苯(苯二亚甲基二异氰酸酯，XDI)和双(2-异氰酸根络丙-2-基)苯(四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯，TMXDI)。
特别优选使用1，6-己二异氰酸酯(HDI)、甲基戊烷二异氰酸酯(MPDI)、三甲基己烷二异氰酸酯(TMDI)、双(异氰酸根络甲基)环己烷(H6XDI)和降冰片烷二异氰酸酯(NBDI)作为多异氰酸酯，它们或者单独使用或相互混合作为混合物使用。
当然，基于上述多异氰酸酯并且含有异氰脲酸酯、脲二酮、亚氨基噁二嗪三酮、氨基甲酸乙酯、脲基甲酸酯和/或缩二脲结构的高分子量NCO官能反应产物也可以在本发明方法中用作多异氰酸酯。
作为膦，使用的是具有烷基和/或芳基作为取代基的叔膦，而这些取代基也可以再被取代。
优选的叔膦的例子是那些具有三个烷基取代基的叔膦，例如三甲基膦、三乙基膦、三丙基膦、三丁基膦、环戊基-二甲基膦、戊基二甲基膦、环戊基二乙基膦、戊基二乙基膦、环戊基二丙基膦、戊基二丙基膦、环戊基二丁基膦、戊基二丁基膦、环戊基二己基膦、戊基二己基膦、二环戊基乙基膦、二戊基甲基膦、二环戊基乙基膦、二戊基乙基膦、二环戊基丙基膦、二戊基丙基膦、二环戊基丁基膦、二戊基丁基膦、二环戊基戊基膦、二环戊基己基膦、二戊基己基膦、二环戊基辛基膦、二戊基辛基膦、三环戊基膦、三戊基膦、环己基二甲基膦、己基二甲基膦、环己基二乙基膦、己基二乙基膦、环己基二丙基膦、己基二丙基膦、环己基二丁基膦、己基二丁基膦、环己基二己基膦、环己基二辛基膦、二环己基甲基膦、二己基甲基膦、二环己基乙基膦、二己基乙基膦、二环己基丙基膦、二己基丙基膦、二环己基丁基膦、二己基丁基膦、二环己基己基膦、二环己基辛基膦、三环己基膦、三己基膦、三辛基膦、降冰片基二甲基膦、降冰片基二乙基膦、降冰片基二正丙基膦、降冰片基二异丙基膦、降冰片基二丁基膦、降冰片基二己基膦、降冰片基二辛基膦、二降冰片基甲基膦、二降冰片基乙基膦、二降冰片基正丙基膦、二降冰片基异丙基膦、二降冰片基丁基膦、二降冰片基己基膦、二降冰片基辛基膦、三降冰片基膦、二甲基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二乙基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二正丙基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二异丙基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二丁基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二己基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二辛基(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、甲基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、乙基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、丙基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、丁基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、己基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、辛基双(1，7，7-三甲基二环[2.2.1]庚-2-基)膦、二甲基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、二乙基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、二丙基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、二丁基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、二己基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、二辛基(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、甲基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、乙基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、丙基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、丁基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦、己基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦和辛基双(2，6，6-三甲基二环[3.1.1]庚-3-基)膦。
这些化合物可单独使用或相互混合作为混合物使用，或者与其它伯、仲和/或叔烷基膦、芳烷基膦和/或芳基膦混合使用，作为形成脲二酮的催化剂。
在本发明方法中，催化剂的使用量首先和最重要取决于所需的反应速率，以使用的异氰酸酯和催化剂的摩尔总量为基准计，为0.01摩尔％至5摩尔％。优选使用0.05摩尔％至3摩尔％的催化剂。
用在B)中的有机碳酸酯对应于通式(I)R1O-C(O)-OR2(I)其中，R1和R2各自独立为等同或不同的C1-C20基，该C1-C20基是直链、直化的的或形成环体系中一部分的，可含有杂原子。
此类碳酸酯的例子是碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、碳酸二戊酯、碳酸二己酯、碳酸二辛酯、碳酸二苯酯、碳酸二烯丙酯、碳酸二甲苯酯、苯基碳酸丁酯、1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚乙酯)、4-甲基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丙酯)、4-乙基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丁酯)、4-丙基-1，3-二氧戊环-2-酮、4-乙烯基-1，3-二氧戊环-2-酮、1，3-二噁烷-2-酮(碳酸三亚甲酯)、5-二甲基-1，3-二噁烷-2-酮(碳酸新亚戊酯)、4-甲氧基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮、4-乙氧基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮、4-苯氧基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮、4-乙酸基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮、赤藓醇双(碳酸)酯和2，5-二噁己酸酯。
优选使用的有机碳酸酯是具有环状结构的碳酸酯，诸如1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚乙酯)、4-甲基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丙酯)、4-乙基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丁酯)或碳酸甘油酯，其中环外-CH2OH基团中的O键合的氢原子已经被如任选取代的烷基、酰基、芳基或芳烷基之类的NCO-非活性取代基所取代。
依据本发明所使用的有机腈对应通式(I)R-CN (I)其中，R是任选取代的(特别是被其它的腈基团所取代)、任选含有杂原子的直链、支链或环状C1-C20基。
此类腈的例子是乙腈和取代的衍生物，例如，二苯基乙腈或氟苯基乙腈(或异构体)、丙烯腈、丙腈、丁腈、戊腈、己腈、庚腈、辛腈、丙二腈、戊二腈、丁二腈、己二腈、所有同分异构的三(氰基)己烷、苄氰、氰基氰、苯并二腈(所有同分异构体)、苯并三腈(所有同分异构体)、氰基乙酸酯如氰基乙酸甲酯、氰基乙酸乙酯等、N，N-二取代的氰基乙酰胺如N，N-二甲基-2-氰基乙酰胺或O-取代的羟腈如3-甲氧基丙腈。
优选的腈是乙腈、己二腈、丁二腈和1，3，5-三(氰基)己烷。
依据本发明，组分B)的使用量可在较宽的范围内变化，尽可能少的使用它在工业上是有利的，因为它会减少脲二酮多异氰酸酯的时空产率。
但是，在使用腈的情况中，经常会发生反应速度大大加快的现象，以至于上述的减少时空产率的缺点在使用这些添加剂时得到过度的补偿。
以要被低聚化的异氰酸酯的量为基准计，添加剂或组分B)的加入量优选为2重量％至50重量％，更佳的为5重量％至30重量％。
根据所选择的压力和组分B)化合物的沸点，进行本发明方法的温度范围为0℃-150℃，优选0℃至80℃，更优选0℃至60℃，更特别优选0℃至40℃。
本发明方法的进行应使NCO基团的转化率为5摩尔％至90摩尔％，优选10摩尔％至60摩尔％，更优选10摩尔％至50摩尔％。
在达到所需程度的转化率后，反应一般即停止。这原理上通过所有曾有描述的催化剂毒物(DE-A 1670667、1670720、1934763、1954093、3437635、US 4614785)来起作用，这些催化剂毒物比如烷基化剂(例如，硫酸二甲酯、甲苯磺酸甲酯)、有机或无机过氧化物、酰氯和硫，它们与催化剂反应，如果合适的话，还可以在提高温度下反应(变量A)。
在依据变量A使反应混合物失去活性后，未反应的单体、失活的催化剂和/或伴随使用的组分B)添加剂可以分离除去。
但是，该方法也可以在没有催化剂的化学失活作用下进行。在此情况下，将活性催化剂从反应混合物中分离除去，以防止在所需的转化已经实现后再进一步反应(变量B)。
在除去催化剂时或在除去催化剂后，未反应的剩余单体和/或添加剂可以从已经依据变量B进行过处理的反应混合物中分离除去。
在本发明方法中，所有已知的分离技术如蒸馏、萃取或结晶/过滤都可用来将未反应的单体、催化剂和/或伴随使用的添加剂以及任选的其它组分从反应混合物分离除去。
优选采用蒸馏的方法，如果合适的话，在特定的实施方式中使用薄膜蒸馏的方法。当然，也可以采用这些技术中两种或多种技术的组合。
为了依据变量B停止反应，催化剂优先通过蒸馏除去，未反应的单体和/或伴随使用的碳酸酯和/或腈同时被除去。
在依据变量A或B停止反应完成的情况下(work-up)，特别优选通过蒸馏除去存在的剩余单体和/或伴随使用的添加剂。
如果依据本发明制备的多异氰酸酯仍然含有游离的、未反应的单体，并且有兴趣例如进一步经过处理产生例如用在粉末涂料领域中的NCO封端产物或低NCO或不含NCO的聚脲二酮(polyuretdione)硬化剂，在反应停止后除去单体和/或除去伴随使用的碳酸酯和/或腈的步骤也可以被省略(变量A和B)。
在进行本发明方法的过程中，步骤是全部的或部分的间歇或连续进行是不重要的。
而且，常用在多异氰酸酯化学中的添加剂和稳定剂也可以在本发明方法的过程中的任意时间点加入。例子是抗氧化剂，诸如空间位阻酚(2，6-二叔丁基苯酚、4-甲基-2，6-二叔丁基苯酚)，光稳定剂，诸如HALS胺、三唑等，弱酸或用于NCO-OH反应的催化剂，例如二月桂酸二丁基锡(DBTL)。
为了提高再离解稳定性和抑制形成副产物、褪色或游离NCO基团在例如产物储存的过程中互相之间进一步发生反应的趋势，向依据变量B处理得到的产物中加入少量用在变量A中的某类催化剂毒物也是有用的。
依据本发明方法，由以不含有环烷基取代基的任选支链的、直链的-脂族二异氰酸酯或多异氰酸酯为基础制备的产物是浅色的，粘度＜1000mPas/23℃。如果使用脂环族和/或芳脂族二异氰酸酯或多异氰酸酯，可以得到固体树脂的高粘度(粘度＞10000mPas/23℃)。
在低单体形式中，即在未反应的单体已经被分离除去后，依据本发明的产物的NCO含量为＜7重量％，优选＜25重量％。
通过本发明方法制备的多异氰酸酯可用作生产例如成形体(shapedbody)(任选发泡的)、油漆和清漆、涂料组合物、胶粘剂或添加剂的原料，而如果需要的话，存在的没有转化为脲二酮基团的游离NCO基团也可以被封端，如果需要的话。
所有本领域技术人员已知的方法是适合用来对还没有转化为脲二酮基团的游离NCO基团进行封端的。具体地，可使用的封端剂是酚(例如，苯酚、壬基苯酚、甲酚)、肟(例如，丁酮肟、环己酮肟)、内酰胺(例如，ε-己内酰胺)、仲胺(例如，二异丙胺)、吡唑(例如，二甲基吡唑)、咪唑、三唑或丙二酸和乙酸酯。
具体地，依据本发明方法制备的、基本上没有副产物的、含有脲二酮基团的多异氰酸酯可用于生产单组分和双组分聚氨酯涂料，任选以与现有技术中其它二异氰酸酯或多异氰酸酯的混合物的形式，其它二异氰酸酯或多异氰酸酯例如含有缩二脲、氨基甲酸乙酯、脲基甲酸酯、异氰脲酸酯和/或亚氨基噁二嗪二酮基团的二异氰酸酯或多异氰酸酯。它们可用于减少高粘度多异氰酸酯树脂的粘度。
为了将依据本发明方法制备的多异氰酸酯转化为聚氨酯，可以使用所有具有至少两个异氰酸酯-活性官能团的化合物，它们可以单独使用或相互混合作为混合物使用(异氰酸酯-活性粘合剂)。
优选使用一种或多种聚氨酯化学中本身已知的异氰酸酯-活性粘合剂，例如多羟基化合物或多胺。作为多羟基化合物，特别优选使用聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚丙烯酸酯多元醇和/或聚羧酸多元醇，任选加入低分子量的多元醇。
还没有转化为脲二酮基团，并且如果合适的话也已经被封端的异氰酸酯基团与异氰酸酯-活性粘合剂中的异氰酸酯-活性官能团如OH、NH或COOH之间的当量比为0.8至3，优选0.8至2。
可以使用过量的异氰酸酯-活性粘合剂，因为脲二酮环的分裂会导致更多的NCO基团被释放出来，如果合适的话，脲二酮环的分裂可以在温度升高和/或加入催化剂时进行，而这些被释放出来的NCO基团可与过量的异氰酸酯-活性官能团反应。结果，所形成聚合物的网状密度得以提高，其性质得到有利的改进。
为了加快依据本发明制备的多异氰酸酯和异氰酸酯-活性粘合剂交联反应的速度，可以使用所有聚氨酯化学中已知的催化剂。例如，可以使用金属盐，诸如二月桂酸二丁基锡(IV)、双(2-乙基己酸)锡(II)、三(2-乙基己酸)铋(III)、双(2-乙基己酸)锌(II)或氯化锌，也可以使用叔胺，诸如1，4-二氮杂二环(2.2.2)辛烷、三乙胺或苄基二甲胺。
为了配制聚氨酯，将依据本发明制备的任选封端的多异氰酸酯、异氰酸酯-活性粘合剂、一种或多种催化剂、以及如果合适的话如颜料、填充料、添加剂、均化剂、消泡剂和/或消光剂之类的常用添加剂一起混合，并在常用的如砂磨机之类的混合设备中混合均匀，如果合适的话，使用一些溶剂。
合适的溶剂是所有本身已知的常用表面涂料溶剂，例如乙酸乙酯和乙酸丁酯、乙二醇或丙二醇一甲醚、一乙醚或一丙醚的乙酸酯、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮、环己酮、甲苯、二甲苯、溶剂石脑油、N-甲基吡咯烷酮等。
可使用常规的方法如涂漆、辊涂、浇注、喷涂、浸涂、流化床烧结过程或静电喷涂方法来将涂料组合物以溶液或熔体，或者如果合适的话，以固体形式(粉末涂料)施涂到待涂敷的物件上。
合适的基材是所有已知的材料，具体是金属、木材、塑料和陶瓷。
实施例除非另有指示，关于转化率或树脂产率的百分数可通过由所得产物(多异氰酸酯树脂)的量除以异氰酸酯单体的使用量，再乘以100来计算。除非另有指示，所有其它的百分数是重量百分数。
实施例和对比例中产物NCO含量的测定依据DIN 53 185通过滴定来进行。
使用VT 500粘度计在23℃测定动态粘度，VT500粘度计来自Haake，Karlsruhe，德国。通过测量手段确保，在不同剪切速率下，依据本发明制备的多异氰酸酯和对比产物中的多异氰酸酯的流动行为对应于牛顿流体的流动行为。因此，剪切速率的描述可省略。所述值“摩尔％”和“不同结构类型现互之间的摩尔比”可通过NMR光谱测量来确定。除非另有指示，它们总是基于由待改性的异氰酸酯中最初的游离NCO基团通过改性反应(低聚化反应)所形成的结构类型的总和。
NMR测量在来自德国Karlsruhe，Bruker的DPX 400、AVC 400和DRX700设备上进行，使用在干CDCl3中浓度约为50％的样品，或使用在D6-DMSO(13C-NMR100或176MHz，驰豫时间4秒，至少2000次扫描)中浓度约为80％的样品和/或使用在干C6D6(1H-NMR400或700MHz，16次扫描)中浓度约为1/2％的样品。作为ppm级参照，在各溶剂中使用少量四甲基硅烷(δ＝0ppm)或使用溶剂本身(CDCl3δ＝77.0ppm-13C-NMR；D6-DMSOδ＝43.5ppm-13C-NMR或C6D67.15ppm-1H-NMR)。
除非另有指示，使用刚脱气的HDI作为原料来进行反应。此情况中的表示“刚脱气”指在催化反应前，通过在减压下(＜1毫巴)搅拌至少30分钟已除去溶解在所用HDI中的气体，然后立即用氮气封盖。
所有反应在干燥的氮气气氛下进行。实施例和对比例中所用的化学品和催化剂从ABCR、Aldrich、Bayer、Cytec和Fluka公司购得，不经过进一步纯化而直接使用。
实施例1(对比例，无添加剂)将10克刚脱气的HDI在1摩尔％三丁基膦(TBP)(基于使用的HDI)存在下，于30℃、氮气气氛下，在一个通过隔膜闭合的玻璃容器中使用磁力搅拌子进行搅拌，通过每隔一定时间测量反应混合物的折射率来检测反应进程(在20℃，钠光谱D线光的频率，nD20)(开始＝没有转化＝纯HDI的nD20＝1.4523)，样品的HDI含量通过内标气相色谱法来确定(基于DIN 55 956来确定)。树脂产率(以％计)的计算是通过从100％中减去游离的HDI量。该实验重复5次，所得的数据用来绘制校准曲线(参考
图1)。
实施例2(对比例，无添加剂)重复实施例1中的步骤，不同的是用相同摩尔量的二环戊基丁基膦(DCPBP)取代三丁基膦(TBP)。从图1中可以看出，参数转化率(树脂产率)和反应混合物的nD20在很广的反应混合物中脲二酮-多异氰酸酯树脂的产率范围内是几乎线性相关的，并且这两种催化剂的此相关性是非常类似的，尽管其选择性明显不同(见下文)。
对于TBP-催化的实验，可以用等式1来描述nD20＝0.0495*产率[％]+1.4500(等式I)而对于DCPBP催化的实验，可以用等式2来描述nD20＝0.0477*产率[％]+1.4504(等式I)。
为了确定选择性，将折射率充分不同的反应混合物选样与一定摩尔量的元素硫混合，以抑制其进一步反应，并通过NMR光谱检测，其中，元素硫的量对应于存在膦的摩尔量的两倍。为了得到更清楚的图，参数U/T定义为脲二酮结构对两种三聚体结构(异氰脲酸酯和亚氨基噁二嗪二酮)的总和的摩尔比，用来评价各转化率的选择性，而两种参数在图中相对标绘(图2)。可以看出，选择性参数U/T对转化率的相关性是非常接近于线性的，可用等式3来描述U/T＝a*产率[％]+b(等式3)其中，在催化剂用TBP的情况下，a和b的数值如下a＝-2.4273；b＝3.0702在催化剂用DCPBP的情况下，得到下列数值a＝-6.1222；b＝6.4761。
实施例3至7依据本发明，而实施例1、8至10为对比例在各情况下，将10克HDI、0.12克TBP和2.5克实施例2-6和8-10中的碳酸酯或添加剂、或2克实施例7中的碳酸酯在30℃氮气气氛下，在一个通过隔膜闭合的玻璃容器中使用磁力搅拌子进行搅拌，通过每隔一段时间测量反应混合物的折射率(nD20)来检测反应进程。在各反应批料均一化后立即测量折射率，定义为初始nD20。该数值和纯HDI的nD20(1.4523)之间的差值从所有其它在各个实验中测得的折射率中减去，各转化率由所得校正过的nD20值通过等式1来确定。反应混合物在不同转化程度的结构组成(U/T)通过与实施例1和2中所述类似的步骤来确定。
为了以易比较的方式陈述不同添加剂对反应选择性的影响，反应选择性作为对单个样品测得的转化率的函数，U/T值在均一的20％转化率(树脂产率)借助U/T-转化率曲线来计算(参考，表3)。
表3
实施例11至15依据本发明，而实施例2、16至18为对比例在各情况下，将10克HDI、0.14克DCPBP和2.5克实施例11-14和16-18中的碳酸酯或添加剂、或2克实施例15中碳酸酯依照与前述实施例3至10中类似的步骤进行处理。结果总结在表4中。
表4
实施例19和20(依据本发明)选择性对碳酸酯浓度的相关性在各情况下，将碳酸亚乙酯按表5中所列的量首先与10克HDI混合，直到得到透明溶液。随后加入0.14克DCPBP，并将混合物在30℃和氮气气氛下、在通过隔膜闭合的玻璃容器中用磁力搅拌子进行搅拌。其余步骤与以上实施例3至18中所述的完全一样。结果列于表5中。
表5
可以看出，随着反应混合物中碳酸酯比例的增加，观察到脲二酮的选择性增加。而且，就算反应混合物中碳酸亚乙酯只有5％，选择性也比不使用碳酸酯时要好。
总而言之，发现对于导致改进脲二酮选择性的添加剂来说，在JP11228524中所报导的Hildebrand参数的基础上可能没有可靠的添加剂选择。而且，很清楚的是，该日本特许公开中没有具体涉及的有机碳酸酯可用在膦催化的NCO低聚反应中，用来提高对脲二酮的选择性。
实施例21至25(无溶剂，对比实验)，以及实施例26至32(使用碳酸亚丙酯，依据本发明)将4200克HDI放置在双壁凸缘容器中，该容器配置有搅拌器、与惰性气体供给(氮气/真空)相连的回流冷凝器和温度计，通过外电路将反应物保持在30℃，并进行脱气。在通入氮气后，加入45.2克DCPBP，并将混合物在30℃搅拌一定时间，搅拌的时间如表6中所示。结果混合物的折射率(nD20)升高到1.4611。随后对反应混合物进行处理，而不必先使膦失去活性。该处理通过在薄膜蒸发器、短程蒸发器类型(SPE)以及前述的预蒸发器(PE)中进行真空蒸馏来实现(蒸馏数据压力0.08毫巴，PE温度140℃，ME温度150℃，蒸馏时间5-6小时)，未反应的单体与活性催化剂作为馏出物一起被分离出去，而含有脲二酮基团的多异氰酸酯作为底部产物被分离出去(初始循环，实施例21)。将含有活性催化剂的馏出物收集在第二搅拌凸缘设备中，该设备与第一个设备的构造完全相同，在蒸馏结束后，用刚脱气的HDI将所收集的馏出物立即补足到初始量(4200克)。随后再在30℃下搅拌一定时间，搅拌的时间列于表6中，在测量过反应混合物的折射率后，通过如前所述的蒸馏(实施例22)来处理反应混合物。该步骤再重复三次(直到实施例25)。
随后，当来自之前的实施例的馏出物再一次被补足到初始量(4200克)，并且已经测量了混合物的折射率后，加入1000克在反应混合物中对应于19％的碳酸亚丙酯，在混合均匀后立即再次测量混合物的折射率，然后将混合物依照前述方法进行处理。两次测量的折射率之间的差值用来确定校正的nD20。在以下的实验中，采用上述步骤。
在实施例31中，在蒸馏后不加入刚脱气的HDI，而是用少量的碳酸亚丙酯来清洗反应器，结果混合物中碳酸亚丙酯的比例增加。一般在树脂中检测不到碳酸亚丙酯(GC，检测限度约0.03％)，所以假设碳酸亚丙酯没有损失。该假设通过在蒸馏和用刚脱气的HDI将反应器中补足到先前水平后立即测得的几乎完全相同的折射率来证实。在实施例32中，碳酸亚丙酯比例通过加入其余的碳酸亚丙酯来得到额外的增加。此实施例中得到的馏出物含有约70％的碳酸亚丙酯，该馏出物保持呈透明的液体状态一个月后，并被处理以回收催化剂。
表6
可以看出，依据本发明的实施例26至32在选择性上明显比对比例20至25高。在可比的反应时间后或在蒸馏前的粗混合物达到可比的折射率后，得到粘度明显低的多的树脂，该树脂在其它多异氰酸酯相关的参数方面是完全相同的，即在色数、NCO含量和剩余单体含量以及单体储存的稳定性方面是完全相同的。
实施例33至38依据本发明，而实施例1、39至41为对比例在各情况下，将10克HDI、0.12克TBP和2.5克腈或添加剂在30℃氮气气氛下、在一个通过隔膜闭合的玻璃容器中使用磁力搅拌子进行搅拌，通过每隔一定时间测量反应混合物的折射率(nD20)来检测反应进程。在各反应批料均一化后立即测量折射率，定义为初始nD20。该数值和纯HDI的nD20(1.4523)之间的差值从所有其它在各个实验中测得的折射率中减去，各转化率由所得校正过的nD20值通过等式1来确定。反应混合物在不同转化程度的结构组成(U/T)通过与实施例1和2中所述类似的步骤来确定。
为了以易比较的方式陈述不同添加剂对反应选择性的影响，反应选择性作为对单个样品测得的转化率的函数，U/T值在均一的20％转化率(树脂产率)借助U/T-转化率曲线来计算(参考，表7)。
表7
实施例42至45依据本发明，而实施例2、46至48为对比例在各情况下，将10克HDI、0.14克DCPBP和2.5腈或添加剂依照与实施例33至39中类似的步骤进行处理。结果总结在表8中。
表8
总而言之，发现对于导致改进脲二酮选择性的添加剂来说，可能在JP11228524中所报导的Hildebrand参数的基础上没有可靠的添加剂选择。而且，很清楚的是，该日本特许公开中没有具体涉及腈可用在膦催化的NCO低聚反应中，用来提高对脲二酮的选择性。
虽然在前文中为了举例说明的目的对本发明进行了详细的描述，但应理解，这些详细描写仅仅是为了该目的，本领域一般技术人员可对其进行修改，而不背离本发明的精神和范围，除由权利要求书所限制者。
权利要求
1.一种含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其中，多异氰酸酯在包括A)和B)的催化体系存在下低聚化，其中，A)为膦；B)为有机碳酸酯和/或有机腈。
2.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在A)中使用了叔膦，所述叔膦的使用量以异氰酸酯的总量为基准计为0.05摩尔％至3摩尔％。
3.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在B)中使用了具有环状结构的碳酸酯。
4.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在B)中使用了1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚乙酯)、4-甲基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丙酯)、4-乙基-1，3-二氧戊环-2-酮(碳酸亚丁酯)或碳酸甘油酯，其中末端的环外CH2-OH基团中的OH基团用对NCO无活性的烷基、酰基、芳基或芳烷基封端。
5.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在B)中使用了通式为(I)的有机腈，R-CN (I)其中，R是最多有20个碳原子并任选地含有杂原子的直链的、支链的或环状的基团。
6.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在B)中使用了乙腈、己二腈、丁二腈和/或1，3，5-三(氰基)己烷。
7.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，以待低聚化的异氰酸酯的量为基准，所述组分B)的使用量为5重量％至30重量％。
8.如权利要求1所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，在所述异氰酸酯的低聚化反应后，通过蒸馏除去未反应的异氰酸酯和有机碳酸酯或腈。
9.如权利要求8所述的含有脲二酮基团的多异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述催化剂与有机碳酸酯和/或腈和未反应的异氰酸酯一起通过蒸馏分离除去。
10.一种用权利要求1所述的方法制得的多异氰酸酯混合物。
11.一种使用权利要求10所述的多异氰酸酯混合物制得的聚氨酯聚合物和涂料。
全文摘要
本发明涉及一种由膦催化的异氰酸酯在有机碳酸酯或腈存在下进行低聚化反应来制备脲二酮基团含量较高的多异氰酸酯的方法。
文档编号C09D175/04GK1817935SQ20061000692
公开日2006年8月16日 申请日期2006年1月20日 优先权日2005年1月21日
发明者F·里希特, H·-J·拉斯, R·哈尔帕普, A·赫克林 申请人:拜尔材料科学股份公司