Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Kunstharzmassen aus wasserlöslichen Äthern von Melamin-Formaldehyd-Kondensaten und Alkydharzen sowie Anwendung derselben
Es ist aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 283 427 bekannt, durch Vereinigung von wasserlöslichen, härtbaren Methylolmelaminen, deren Methylolgruppen teilweise durch ein- oder mehrwertige Alkohole bzw.
deren Teiläther, insbesondere durch die niedrigsten Halb äther des Glykols oder Diglykols, veräthert sein können, mit Carboxylgruppen enthaltenden, plastifizierend wirkenden Alkydharzen, die eine Hydroxylzahl von 224 400 (Hydroxyläquivalentzahl von 250-140) und vorzugsweise eine Säurezahl von etwa 40 oder mehr aufweisen, und mit solchen wasserlöslichen, stark basischen Stickstoffverbindungen, welche mit den Alkydharzen Seifen bilden, z. B.
Ammoniak, Triäthanolamin, Putrescin, Cadaverin, Kunstharzmassen herzustellen, die mindestens bei Mitverwendung von untergeordneten Mengen von mit Wasser unbegrenzt oder weitgehend mischbaren, organischen Lösungsmitteln in Wasser löslich sind.
Besondere Vertreter der gemäss Definition möglichen grossen Zahl von Melamin-Formaldehyd-Kondens aten und deren Äthern sind in der Patentschrift nicht genannt. Die Patentschrift gibt somit die Lehre, dass alle unter die Definition fallenden Melaminderivate nur mit Alkydharzen, welche die genannte Hydroxylund Säurezahl aufweisen, zu brauchbaren wasserlöslichen Kunstharzmassen kombiniert werden können und dass alle übrigen Alkydharze für solche Kombinationen nicht in Frage kommen.
Es hat sich nun gezeigt, dass man bei Verwendung von bei Raumtemperatur wasserlöslichen, härtbaren Methyläthern der nachstehend definierten Art nicht nur mit den vorstehend genannten Alkydharzen, sondern auch mit solchen, die eine niedrigere Säurezahl und/oder eine wesentlich geringere Hy droxylzahl aufweisen, unter Mitverwendung von wasserlöslichen stark basischen Stickstoffverbindungen und gegebenenfalls von mit Wasser unbegrenzt oder weitgehend mischbaren, organischen Lösungsmitteln wasserlösliche Kunstharzmassen herstellen kann, die an sich und in wässeriger Lösung bezüglich Lagerbeständigkeit, Verdünnbarkeit mit Wasser und Verlauf ausgezeichnet und in den meisten Fällen den gemäss Beispielen des zitierten Schweizer Patentes unter Verwendung der dort beschriebenen Aminoplaste hergestellten Massen sogar deutlich überlegen sein dürften.
Die wässerigen Lösungen lassen sich leicht pigmentieren und ergeben beim Einbrennen auf Unterlagen harte, kraterfreie Überzüge. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass die Auswahlmöglichkeit der brauchbaren Alkydharze stark vergrössert wird und dass es möglich ist, durch Verwendung von Alkydharzen mit niederer Säurezahl und/oder geringer Hydroxylzahl Kunstharzmassen herzustellen, deren wässerige Lösungen auch mit basischen Farbstoffen besser pigmentierbar sind und/oder besonders wasserbeständige Uberzüge ergeben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dabei ein Verfahren zur Herstellung von unbegrenzt wasserlöslichen, härtbaren, verätherten Melamin-Formaldehyd-Kondensaten mit Carboxylgruppen enthaltenden, plastifizierend wirkenden Alkydharzen und einer mit diesen Seifen bildenden, wasserlöslichen, stark basischen Stickstoffverbindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass folgende Komponenten in beliebiger Reihenfolge miteinander vereinigt werden:
(I) ein bei Raumtemperatur wasserlöslicher, härtbarer Me thyläther eines Melamin-Formaldehyd-Kondensates, in welchem mindestens gleich viele, vorzugsweise mindestens doppelt so viele Methoxymethylgruppen wie freie Methylolgruppen vorhanden sind, (II) ein Carboxylgruppen enthaltendes, plastifizierend wirkendes Alkydharz, das eine Säurezahl von nicht unter 29 und eine Hydroxylzahl von nicht unter 74 aufweist, und (III) eine mit der Komponente (II) eine wasserlösliche Seife bildende, stark basische Stickstoffverbindung, vorzugsweise ein tertiäres, aliphatisches Amin.
Als Komponente (IV) kann ausserdem ein mit Wasser unbegrenzt oder weitgehend mischbares, mit den anderen Komponenten verträgliches, organisches Lösungsmittel in einer Menge von 0 bis 35% des Gesamtgewichtes der Komponenten (I) und (II) mitverwendet werden. Die erfindungsgemäss hergestellten neuen Kunstharzmassen und deren wässerige Lösungen sind wertvolle Lackrohstoffe, die zur Herstellung von wässerigen, gegebenenfalls pigmentierten Einbrennlacken verwendet werden können.
Als Komponente (I) kommen an sich bekannte, bei Raumtemperatur wasserlösliche, härtbare Methyl äther in Betracht, wie sie nach bekannten Verfahren durch gleichzeitige oder stufenweise Umsetzung von 1 Mol Melamin mit 26 Mol, vorzugsweise mindestens 3 Mol, Formaldehyd und mit Methanol im Üb er- schuss, gegebenenfalls in Anwesenheitvon überschüssigem Formaldehyd, erhältlich sind. Beispielsweise können Melamin, wässerige Formaldehydlösung und Methanol in Gegenwart von Säure miteinander bis zur eintretenden Lösung erhitzt werden worauf die Lösung, gegebenenfalls nach Einstellung auf schwach alkalische Reaktion und Einengung, auf Raumtemperatur abgekühlt und der entstandene Methyläther als solcher oder in Form einer konzentrierten, wässerigen Lösung gewonnen wird. Die Umsetzung kann auch stufenweise durchgeführt werden, indem man z. B.
Melamin unter alkalischen Bedingungen mit wässeriger Formaldehydlösung bis zur völligen Lösung erhitzt, dann die erhaltene Lösung auf Raumtemperatur abkühlt, sauer einstellt und mit Methanol erhitzt und den entstandenen Methyläther aus der erhaltenen Lösung in analoger Weise wie oben isoliert. Es ist ferner auch möglich, aus der durch alkalische Kondensation von Melamin mit wässeriger Formaldehydlösung erhaltenen Lösung das Melamin Formaldehyd-Kondensat zu isolieren und dieses dann in der angegebenen Weise mit Methanol zu veräthern.
Bekanntlich ist darauf zu achten, dass sowohl bei der Herstellung der Melamin-Formaldehyd-Kondensate wie bei deren Verätherung und bei der Isolierung zu weitgehende intramolekulare Kondensationen vermieden werden.
Als Komponente (II) können im Rahmen der vorliegenden Erfindung an sich bekannte Alkydharze, die eine Säurezahl von nicht wesentlich unter 30 und eine Hydroxylzahl von nicht wesentlich unter 75 aufweisen, verwendet werden. Solche Alkydharze sind Polyester aus mehrwertigen Alkoholen, wie Glycerin, Pentaerythrit, Hexantriol oder Trimethylolpropan, mit mehrbasischen gesättigten oder ungesättigten, aliphatischen, hydroaromatischen oder aromatischen Carbonsäuren, die in der Regel durch Einbau mehr oder minder hoher Anteile von langkettigen, gesättigten oder ungesättigten Monocarbonsäuren, wie Fett- oder säuren bzw. durch Harnsäuren modifiziert sind.
Als für den Aufbau der Al- kydharze in Betracht kommende Polycarbonsäuren seien beispielsweise Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure, Citronensäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Phthalsäure, Hydrophtalsäuren, Camphersäure und Maleinsäureaddukte und als Monocarbonsäuren die aus trocknenden oder nichttrocknenden Fetten oder Ölen, z. B. Ricinusöl, Kokosfett, Stearin, Baumwollsaatöl, Tran, Sojaöl, Perillaöl Tallöl usw. erhältlichen, gegebenenfalls dehydratisierten Säuren oder synthetische Fettsäuren genannt.
Als Komponente (III) kommen mit Komponente (II) wasserlösliche Seifen bildende, stark basische Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak, primäre, sekundäre, tertiäre aliphatische Amine, mehrwertige aliphatische Amine, z. B. Äthylendiamin oder Alkylolamine in Betracht. Dabei verdienen tertiäre aliphatische Amine, tertiäre Alkylolamine, wie Tri äthanolamin, und vorzugsweise tertiäre Alkylolalkyl- amine, wie Diäthanol-methylamin oder Dimethylaminoäthanol, besondere Beachtung.
Als Komponente (IV) können mit Wasser unbegrenzt oder weitgehend mischbare und mit den Komponenten (I) und (II) verträgliche, organische Lösungsmittel, z. B. aliphatische Alkohole und vorzugsweise Monoalkyläther des Glykols, verwendet werden. Diese Komponente kann immer, muss aber nicht in allen Fällen mitverwendet werden. Sie wird mit Vorteil immer dann eingesetzt, wenn eine homogene Vereinigung der Komponenten (I) bis (III) ohne ihre Anwesenheit nicht leicht möglich ist oder je nach Wahl der Komponenten (I) und (II) eine die Löslichkeit in Wasser fördernde und/oder die Stabilität der wässerigen Lösungen der Komponenten (I) bis (III) erhöhende Wirkung wünschbar ist, und zwar in einer Menge, die zur Erreichung des gewünschten Effektes gerade noch ausreicht und im Bereich von 0 bis 35 % des Gesamtgewichtes der Komponenten (I) und (II) liegen soll.
Die Vereinigung der Komponenten (I) bis (III) bzw. (1V) kann in beliebiger Reihenfolge und je nach Art der eingesetzten Komponenten bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter, 800 nicht wesentlich übersteigender Temperatur durchgeführt werden. Es ist auch möglich, die Vereinigung in Gegenwart von Wasser, das als solches oder in Form einer konzentrierten, wässerigen Lösung der Komponente (I) oder in anderer Weise eingebracht worden ist, vorzunehmen und so konzentrierte, lagerbeständige wässerige Lösung, z. B. mit einem Harz-Trockengehalt von 60 und mehr Prozent, welche mit Wasser beliebig verdünnbar sind, herzustellen.
Die wässerigen, gegebenenfalls pigmentierten Lösungen der erfindungsgemässen Kunstharzmassen können als Einbrennlacke für serienmässige Spritz-, Tauch- und Walzlackierungen metallener Gegenstände aller Art dienen. Sie eignen sich auch als thermohärtende - Binde- und Imprägniermittel oder zur Herstellung von Schichtstoffen.
In den nachfolgenden Beispielen sind, sofern nichts anderes bestimmt wird, die Temperaturen in Celsiusgraden angegeben und bedeuten Teile Gewichtsteile und Prozente Gewichtsprozente.
Beispiel I
360 Teile eines mit Ricinolfettsäure modifizierten Phthalatharzes mit folgenden Kennzahlen: Phthalatgehalt 59 %, Fettsäuregehalt 41 %, Säurezahl 29, Hydroxylzahl 162 und Verseifungszahl 369, werden mit 24 Teilen Dimethylaminoäthanol und 240 Teilen des nachstehend beschriebenen Methylolmelaminmethyläthers bei einer Temperatur von etwa 600 vereinigt. Die so erhaltene, hochviskose, nahezu feste Kunstharzmasse ist bei Raumtemperatur in Wasser unbegrenzt löslich.
Eine auf einen Harzgehalt von 30% eingestellte wässerige Lösung dieser Kunstharzmasse ist recht stabil, zeigt guten Verlauf und gibt bei 30minutigem Einbrennen bei 1500 auf Eisenblech einen harten (Pendelhärte nach Persoz etwa 202") kraterfreien Lacküberzug.
100 Teile einer 60 eigen wässerigen Lösung der Kunstharzmasse werden mit 40 Teilen eines Weisspigmentes (Titandioxyd) und 0,05 Teilen Silikonöl abgerieben. Die so erhaltene Abreibpaste wird mit Wasser auf eine Viskosität von etwa 25-40 Fordbecher-Sekunden verdünnt. Nach Auftragen des so hergestellten pigmentierten Lackes mit der Spritzpistole und 30minutigem Einbrennen bei 1500 wird auf Eisenblech ein harter, kraterfreier, schön glänzender, weisser Überzug erhalten, der nicht vergilbt.
Der in obigem Beispiel verwendete, bei Raumtemperatur wasserlösliche Methylolmelamin-methyl äther wurde in an sich bekannter Weise z. B. wie folgt hergestellt: 126 Teile Melamin (1 Mol) wurden in 600 Teilen einer wässerigen, 37 %igen Formaldehydlösung (7,4 Mol), welche zuvor durch Zusatz einer 30 % igen wässerigen Natriumhydroxydlösung auf ein pH von 9-10 eingestellt wurde, unter Erwärmen auf 900 gelöst, worauf die Lösung noch 20 Minuten auf 900 gehalten und dann im Vakuum auf etwa zwei Drittel des ursprünglichen Volumens eingeengt wurde. Hierauf wurden unter Abkühlung auf Raumtemperatur 620 Teile Methanol (19,4 Mol) und hierauf mit einem auf 150 vorgekühlten Gemisch aus 120 Teilen Methanol (3,7 Mol) und 70 Teilen konzentrierter Salzsäure (37 % in) zugesetzt.
Das ein pH von etwa 1,3 aufweisende Reaktionsgemisch klärte sich nach 20-30 Minuten und wurde dann durch portionenweisen Zusatz von wasserfreier Soda auf ein pH zwischen 7 und 8 eingestellt. Nach etwa 20 Minuten wurde vom ausgeschiedenen Kochsalz abfiltriert, worauf aus dem Filtrat das Lösungsmittel (Wasser und Methanol) durch Destillation im Vakuum vollständig entfernt wurde. Der so erhaltene klare niederviskose, farblose Äther besass gemäss analytischer Bestimmung pro Mol eingesetzten Melamins durchschnittlich etwa 4,0 Methoxymethyl- und etwa 0,7 Methylolgruppen.
Beispiel 2
360 Teile des im Beispiel 1 verwendeten Alkydharzes, 80 Teile Butylglykol (n-Butylmonoäther des Glykols) und 24 Teile Dimethylaminoäthanol werden bei 60-800 miteinander homogen vereinigt und nach Abkühlen auf etwa 400 240 Teile des im Beispiel 1 beschriebenen Methylolnielamin-methyl- äthers zugegeben, wobei eine zähflüssige Kunstharzmasse erhalten wird, die bei Raumtemperatur in Wasser unbegrenzt löslich ist. Die wässerigen Lösungen dieser Kunstharzmasse sind sehr lagerbeständig, sogar noch wesentlich besser als die wässerigen Lösungen der nach Beispiel 1 erhältlichen Kunstharzmasse.
Eine auf einen Harzgehalt von 30 % eingestellte, wässerige Lösung der Kunstharzmasse zeigt fehlerfreien Verlauf und gibt bei 30minutigem Einbrennen bei 1500 auf Eisenblech einen nagelharten (Pendelhärte nach Persoz 294") kraterfreien, nicht vergilbenden Lacküberzug.
Verwendet man im obigen Beispiel als Alkydharz ein mit Ricinensäure modifiziertes Phthalatharz mit folgenden Kennzahlen: Phthalatgehalt 60 %, Fettsäuregehalt 40 %, Säurezahl 32, Hydroxylzahl 109 und Verseifungszahl 312 bzw. ein mit Kokosfettsäure modifiziertes Phthalatharz mit folgenden Kennzahlen: Phthalatgehalt 66 %, Fettsäuregehalt 34 %, Säurezahl 50, Hydroxylzahl 74 und Verseifungszahl 443, so werden in Wasser bei Raumtemperatur unbegrenzt lösliche Kunstharzmassen mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften erhalten. Ihre wässerigen Lösungen mit 30 % Harzgehalt zeigen ebenfalls guten Verlauf und ergeben beim Einbrennen auf Eisenblech nagelharte, kraterfreie Lacküberzüge, welche Pendelhärten nach Persoz von 342" bzw. 340" aufweisen.
Der unter Verwendung des mit Ricinensäure modifizierten Phthalatharzes erhaltene Überzug ist leicht vergilbt, während der andere keine Vergilbung zeigt.
Beispiel 3
360 Teile des im Beispiel 2 verwendeten, mit Ricinensäure modifizierten Phthalatharzes, 328 Teile der nachstehend beschriebenen, 73 % igen, wässerigen Methylolmelamin-methyläther-Lösung, 24 Teile Dimethylaminoäthanol und 200 Teile Butylglykol werden bei etwa 600 zu einer homogenen, niedrigviskosen, flüssigen Masse vereinigt, welche in Wasser bei Raumtemperatur unbegrenzt löslich ist.
Eine aus dieser Kunstharzmasse hergestellte, wässerige Lösung mit einem Harzgehalt von 30 % ist lagerbeständig, zeigt guten Verlauf und gibt beim Einbrennen auf Eisenblech einen nagelharten (Pendel härte nach Persoz 305"), kraterfreien Lacküberzug von schönem lanz.
Die in obigem Beispiel verwendete, 73 % ige, wässerige Lösung von Methylolmelamin-methyläther wurde in an sich bekannter Weise z. B. wie folgt erhalten: 126 Teile Melamin (1 Mol) wurden in 600 Teilen einer 37 %igen, wässerigen Formaldehydlösung (7,4 Mol) eingetragen, welche zuvor durch Zugabe von 30 % iger, wässeriger Natriumhydroxydlösung auf pH 9-10 eingestellt und auf 65Q erwärmt wurde, und dann wurde auf 90-920 erhitzt und etwa 30 Minuten unter Beibehaltung eines pH von 9-10 bei dieser Temperatur gehalten.
Hierauf wurde auf 420 abgekühlt und nach Zusatz von 460 Teilen Methanol (14,4 Mol) und Stabilisierung der Innentemperatur auf etwa 600 mit konzentrierter Salzsäure auf pH zwischen 1 und 2 eingestellt, wobei die Temperatur auf 63-640 anstieg. Nach 25 Minuten wurde mit 30% iger wässeriger Natriumhydroxydlösung auf pH 9-10 eingestellt, vom ausgeschiedenen Natriumchlo- rid abfiltriert und das Filtrat im Vakuum auf einen Harzgehalt von etwa 73 % eingeengt.
Die Analyse einer aus der so erhaltenen Lösung isolierten und von Feuchtigkeit befreiten Harzprobe ergab, dass im so hergestelken Äther pro Mol eingesetzten Melamins durchschnittlich etwa 2,3 Methoxymethylund 1,3 Methylolgruppen vorhanden waren.-
Beispiel 4
360 Teile des im Beispiel 3 verwendeten Alkyd harzes, 24 Teile Dimethylaminoäthanol und 80 Teile Butylglykol werden bei etwa 800 miteinander vermischt. Der auf 400 abgekühlten Mischung werden 240 Teile des nachstehend beschriebenen Methylolmelamin-methyläthers und dann 296 Teile destilliertes Wasser zugegeben, wobei direkt eine mit Wasser unbegrenzt verdünnbare, 60 % Harz enthaltende, sehr lagerbeständige Lösung einer unbegrenzt wasserlöslichen Kunstharzmasse erhalten wird.
Eine daraus durch Verdünnen mit Wasser auf einen Harzgehalt von 30% eingestellte Lösung ist recht stabil, zeigt guten Verlauf und gibt beim Einbrennen auf Eisenblech einen harten (Pendelhärte nach Persoz 290"), glänzenden, kraterfreien Lackfilm.
Der in obigem Beispiel verwendete Methylolmelamin-methyläther wurde in an sich bekannter Weise z. B. wie folgt erhalten: 324 Teile Hexamethylolmelamin (1 Mol) wurden bei Zimmertemperatur unter Rühren in eine Mischung, bestehend aus 960 Teilen Methanol (30 Mol) und etwa 100 Teilen einer 37 %igen Salzsäure, eingetragen. Die dabei erhaltene Lösung wurde mit Natriumcarbonat neu tralisiert, vom ausgeschiedenen Natriumchlorid befreit und dann zur Trockene eingedampft. Die erhaltene feste, weisse, leicht klebrige Masse war ein Methylolmelaminmethyläther, welcher gemäss Analyse pro Mol eingesetzten Melamins durchschnittlich etwa 5,2 Methoxymethyl- und etwa 0,4 Methylolgruppen enthielt.
Beispiel 5
20 Teile Alkydharz, dessen Herstellung unten beschrieben ist, werden mit 2 Teilen Dimethylaminoäthanol, 11 Teilen Butylglykol, 80 Teilen des im Beispiel 1 beschriebenen Melaminätherharzes und 12 Teilen Wasser bei einer Temperatur von etwa 600 vereinigt. Die so erhaltene Lackharzkombination ist mit Wasser gut verdünnbar.
Eine auf einen Harzgehalt von etwa 55 % eingestellte wässerige Lösung dieser Kunstharzmasse zeigt einen recht guten Verlauf und ergibt beim Einbrennen bei 1500 auf Eisenblech einen harten (Pendelhärte nach Persoz 210"), auf der Unterlage gut haftenden Lacküberzug. Durch Zugabe von 0,02 % (bezogen auf das 100% ige Harz) eines Umsetzungsproduktes von 1 Mol p-tert.-Octylphenol mit 9 Mol Athylenoxyd können die Oberflächeneigenschaften noch verbessert werden.
Das oben verwendete Alkydharz wird z. B. wie folgt hergestellt: 134 g Trimethylolpropan und 122 g Benzoesäure werden unter Zugabe von 0,5 g unterphosphoriger Säure so lange auf etwa 200-2400 erhitzt, bis die Säurezahl etwa 5 beträgt. 100 g des so erhaltenen Harzes werden zusammen mit 69 g Sebacinsäure auf etwa 2300 erhitzt, bis eine Säurezahl von etwa 35 erreicht wird. Die Hydroxylzahl dieser Harzes beträgt 102.