本专利申请要求全部是在2002年6月17日提出的德国专利申请No.10226927.0,10226931.9,10226926.2,10226925.4和10226924.6在35U.S.C.§119(a)-(d)下的优先权。
发明内容
因此,本发明的目的是寻找比丁酮肟封端的多异氰酸酯具有更低交联或烘烤温度的封端多异氰酸酯。这些体系同时应该在过度烘烤时表现与丁酮肟封端的体系相同或比它更低的热泛黄水平。
用本发明的封端多异氰酸酯和包含它们的自交联单组分烘烤体系已实现了该目的。
通常,在溶剂型涂料中的胺类封端剂导致了在烘烤时的显著泛黄。在可能是胺类封端剂的最重要的代表,即二异丙基胺的情况下,情况尤其如此。在所谓过度烘烤的情况下,该效应被加剧;换句话说,用该封端剂,不可能制备达到过度烘烤泛黄标准的涂料。在过度烘烤中,烘烤过的涂料在高20℃以上的温度下再次烘烤。过度烘烤试验为涂料体系的重要质量标准。例如在“Polyurethane für Lacke undBeschichtungen/M.Bock,ed.Von Ulrich Zorll,Hannover 1999,Vincentz Verlag/Die Technologie des Beschichtens,32页”中描述了在例如DIPA封端的多异氰酸酯烘烤过程中的该效应。
令人惊奇的是,现在已发现,用芳烷基封端剂,不发生该效应。根据该封端剂的芳族结构,有可能认为会出现比纯脂族封端剂还更严重的泛黄。然而,所发现的结果是,用芳烷基封端剂封端的封端异氰酸酯可在通常催化剂的存在下在大约120℃下烘烤,并且获得了具有良好机械性能和耐溶剂性的涂层。泛黄(参看表1)是非常低的。即使在140℃下烘烤/在160℃下过度烘烤时,它也没有超过值Δb=0.8(参看表1)。这些胺因此明显不同于纯脂族胺类,后者一般具有Δb=2,所以不能用于高级涂料。芳烷基胺封端的异氰酸酯的交联在120℃的温度下发生,产生高质量涂膜。在类似的低泛黄封端剂二甲基吡唑(DMP)的情况下,与此相反,需要140℃的烘烤温度。因此,有可能节约烘烤用热能和/或涂布对其而言140℃的烘烤温度太高的基材。在这方面体现出了技术优点。
本发明提供了以结构式(I)的聚氨酯为基础的封端多异氰酸酯和自交联1K烘烤体系:
其中:
A表示多异氰酸酯反应后剩余的残基,
R1、R2、R3可相同或不同,并且表示氢、C1-C4烷基或环烷基,优选是氢,和
R4表示C1-C4烷基、C6-C10环烷基或C7-C14芳烷基,优选甲基、乙基、异丙基和叔丁基,尤其优选叔丁基,
x表示数1、2、3、4或5,和
y表示数1-8,优选2-6,尤其优选2.5-4.0。
本发明还提供了制备结构式(I)的封端多异氰酸酯的方法,特征在于多异氰酸酯与结构式(II)的仲胺反应:
其中
R1、R2、R3和R4及x具有对于结构式(I)规定的含义。
尤其优选使用非对称取代的结构式(II)的仲胺,即具有两个不同取代基的仲胺。
本发明还提供了本发明的封端多异氰酸酯的用途,用于制备油漆、油墨和其它烘烤体系如粘合剂或弹性体的用途,以及用作橡胶硫化中的添加剂,还提供了以此涂布的由这些材料制备的制品。
本发明还提供了使多元醇组分交联的方法,包括:
a)将本发明的封端多异氰酸酯加入到该多元醇组分中;和
b)在足以使该多异氰酸酯解封端的温度下加热。
具体实施方式
除非另有明确规定,在说明书的以下部分中使用的所有数值范围、量、值和百分数如用于物料量的那些,反应的时间和温度,量比率,分子量值以及其它等等可以当作前面加上了词语“大约”来理解,即使该词语“大约”没有特意地与该值、量或范围一起出现。
这里使用以下缩写:乙酸丁酯(BA),月桂酸二丁锡(DBTL),丙二醇单甲醚乙酸酯(MPA),和溶剂石脑油(SN)。
作为用于本发明的多异氰酸酯,可以使用具有0.5-50wt%,优选3-30wt%,尤其优选5-25wt%的异氰酸酯含量的所有已知脂族、环脂族和芳族多异氰酸酯,例如二异氰酸四亚甲酯,环己烷1,3-和1,4-二异氰酸酯,1,6-己二异氰酸酯(HDI),1-异氰酸根合-3,3,5-三甲基-5-异氰酸甲酯基环己烷(异佛尔酮二异氰酸酯,IPDI),亚甲基双(4-异氰酸根络环己烷),四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯(TMXDI),三异氰酸根络壬烷。
还适合的是芳族多异氰酸酯如甲苯二异氰酸酯(TDI),二苯基甲烷-2,4′-和/或4,4′-二异氰酸酯(MDI),三苯基甲烷4,4’-二异氰酸酯,亚萘基-1,5-二异氰酸酯。
在含异氰酸酯基的基团或残基中具有杂原子的多异氰酸酯拥有优选的适宜性。它们的实例是含有碳化二亚胺基,脲基甲酸酯基,异氰脲酸酯基,尿烷基和双缩脲基的多异氰酸酯。尤其适合用于本发明的是主要用于制备涂料的已知多异氰酸酯,实例是含有双缩脲、异氰脲酸酯或脲二酮基团的上述简单多异氰酸酯,尤其是1,6-己二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯的改性产物。还适合的是含有尿烷基团的低分子量多异氰酸酯,例如可以通过使过量使用的IPDI或TDI与分子量范围62-300的简单多元醇,尤其是与三羟甲基丙烷或甘油反应而获得。
此外,适合的多异氰酸酯是含有异氰酸酯端基的已知预聚物,如尤其可以通过使上述简单多异氰酸酯、优选二异氰酸酯与亚化学计量的含有至少两个异氰酸酯反应性官能团的有机化合物反应来获得。在这些已知预聚物中,异氰酸酯基与NCO反应性氢原子的比率是1.05∶1到10∶1,优选1.1∶1到3∶1,该氢原子优选来自羟基。此外,优先选择在NCO预聚物的制备中使用的起始原料的性质和比例,使得该NCO预聚物优选具有2-3的平均NCO官能度和500-10000,优选800-4000的数均摩尔量。
此外适合用于本发明的多异氰酸酯是那些基于聚氨酯、聚酯和/或聚丙烯酸酯的聚合物,以及适当场合下的它们的混合物,它们含有游离异氰酸酯基,并且其中仅一些游离异氰酸酯基与本发明的封端剂反应,而剩余游离异氰酸酯基与过量的含羟基的聚酯、聚氨酯和/或聚丙烯酸酯以及适当场合下的它们的混合物反应,产生含有游离羟基和在没有添加其它异氰酸酯反应性基团的情况下在加热到适宜的烘烤温度时进行交联的聚合物(自交联单组分烘烤体系)。
自然,所述多异氰酸酯还可以作为彼此的混合物或另外与其它交联剂如蜜胺树脂的混合物使用,来制备油漆、油墨和其它配制料。
本发明的封端多异氰酸酯可以通过本身已知的方法来制备。例如,可首先引入一种或多种多异氰酸酯,然后可在搅拌的同时计量加入封端剂(例如经大约10分钟)。持续搅拌,直到不能再检测到游离异氰酸酯为止。还可以用两种或多种封端剂的混合物封端一种或多种多异氰酸酯。
优选在溶剂中制备本发明的封端多异氰酸酯。与通常使用的胺相反,非对称仲胺提供了与对称仲胺截然不同的优点,即以此制备的封端多异氰酸酯的溶液表现了降低的结晶倾向性。因此,可以制备具有更高固体含量的封端多异氰酸酯的溶液,用于例如卷材涂料,高固体涂料或汽车表面涂料的领域。适合的溶剂可以选自有机溶剂。适合的溶剂包括不带有异氰酸酯反应性基团的任何已知溶剂,实例是二甲苯,N-甲基吡咯烷酮,乙酸丁酯,相对高沸点的脂族和/或芳族化合物,丁基二甘醇乙酸酯,丙酮等。
在本发明的多异氰酸酯的制备中,还可以使用催化剂,助溶剂和其它助剂和添加剂。
本发明的封端多异氰酸酯用作自交联单组分烘烤体系。它们加入到配制料中,以制备涂料、油漆、油墨和其它烘烤体系如粘合剂和弹性体的粘结剂,以及作为多元醇组分的交联剂(组分)。
如上所述,本发明的多异氰酸酯要么是自交联聚合物,要么可用作多元醇组分的交联剂。也可以混合物的形式使用的适合多元醇组分包括以下物质:
多羟基聚酯,多羟基聚醚,或含羟基的加成聚合物,实例是本身已知的多羟基聚丙烯酸酯。这些化合物一般具有20-200,优选50-130的羟基数,基于100%形式的产物。
多羟基聚丙烯酸酯是苯乙烯与丙烯酸和/或甲基丙烯酸的简单酯的常规共聚物,羟基通过用这些酸的羟烷基酯,例如2-羟基乙酯,2-羟丙酯,2-,3-或4-羟丁酯来引入。
适合的聚醚多元醇是聚氨酯化学中本身已知的具有2-4的官能度的适合起始分子,如水,乙二醇,丙二醇,三羟甲基丙烷,甘油和/或季戊四醇的乙氧基化和/或丙氧基化产物。
适合聚酯多元醇的实例尤其是聚氨酯化学中本身已知的多元醇例如刚才列举的那类链烷多元醇与过量多元羧酸和/或多元羧酸酐尤其是二羧酸和/或二羧酸酐的反应产物。适合的多元羧酸和多元羧酸酐的实例是己二酸,邻苯二甲酸,间苯二甲酸,邻苯二甲酸酐,四氢邻苯二甲酸酐,六氢邻苯二甲酸酐,马来酸,马来酸酐,它们与环戊二烯的狄尔斯-阿德尔加合物,富马酸或二聚和/或三聚脂肪酸。在聚酯多元醇的制备中,当然可以使用所列举的多元醇的任意所需混合物或所列举的酸和/或酸酐的任意所需混合物。
聚酯多元醇通过例如在Houben-Weyl,Methoden derorganischen Chemie,Volume XIV/2,G.Thieme-Verlag,1963,1-47页中所述的已知方法来制备。这些多羟基化合物的亲水改性(可以是必要的)根据本身已知的方法,例如在EP-A-0 157 291或EP-A-0427 028中公开的方法来进行。
使用本发明的多异氰酸酯制备油漆、油墨和其它配制料的方法根据本身已知的方法来进行。除了多异氰酸酯和多元醇以外,这些配制料可以与容易由本领域中技术人员确定的量的常用添加剂和其它助剂(例如颜料,填料,流平剂,消泡剂,催化剂)混合。
本发明的封端多异氰酸酯用来制备例如用于工业涂装和用于汽车OEM涂饰的烘干清漆。对于该目的来说,本发明的涂料组合物可以通过刮涂,浸涂,喷涂如压缩空气喷涂或无空气喷涂,以及通过静电施涂,例如高速转钟施涂来施涂。干膜厚度例如可以是10-120μm。干燥薄膜通过在90-160℃,优选110-140℃,尤其优选120-130℃的温度范围内烘烤来固化。
如表1所示,该新型封端剂在120℃的烘烤温度下表现了与已用DMP封端和在140℃下烘烤的多异氰酸酯相当的性能。
在这些条件下,用封端剂叔丁基苄基胺封端的本发明封端多异氰酸酯同时在溶剂型头道底漆上表现了与迄今在这方面最佳的封端剂,即DMP相当的热过度烘烤特性(参看与DMP封端的多异氰酸酯的比较)。因此,比用丁酮肟封端的产物获得了更好的过度烘烤泛黄。
实施例
粒度用Larver关联能谱法(LSC)测定。
实施例1(含溶剂的多异氰酸酯交联剂的制备)
使117g(0.6当量)的具有21.4wt%的NCO含量,大约3000mPa.s的粘度(23℃)和大约3.5的官能度的以1,6-二异氰酸根络己烷(HDI)为基础的含异氰脲酸酯的工业漆用多异氰酸酯(DesmodurN3300,Bayer AG)与98g(0.6当量)的苄基叔丁基胺在215g的乙酸丁酯中反应。温度上升到大约40℃。反应在2小时以内结束。封端NCO值是5.86%。以这种方式获得的封端异氰酸酯用于生产涂膜。
DesmophenA 870(Bayer AG),70%BA溶液 8.9g
实施例1的封端多异氰酸酯,50%BA溶液 99.8g
BaysiloneOL 17(Bayer AG),10%MPA溶液 1.1g
Modaflow(Solutia Inc.),1%MPA溶液 1.1g
Tinuvin292(Ciba AG,Lampertheim),10%MPA溶液 10.5g
Tinuvin1130(Ciba AG,Lampertheim),10%MPA溶液 21.0g
K-KAT 348(King Industries,25%MPA溶液 6.3g
MPA/SN 100(1∶1) 1.3g
共计 220.0g
固体含量:50.0%
DesmophenA 870:在乙酸丁酯中提供的羟基官能化聚丙烯酸酯树脂
BaysiloneOL 17:硅氧烷流体
Modaflow:流动改性剂
Tinuvin292:UV稳定剂
Tinuvin1130:抗氧化剂/UV吸收剂
K-KAT 348:金属羧酸盐催化剂
结果:用本发明的封端剂封端的多异氰酸酯与多异氰酸酯VP LS2253(Bayer AG)相当,后者是二甲基吡唑封端的多异氰酸酯(Desmodur3300,Bayer AG,在MPA/溶剂石脑油中的溶液)。
表1叔丁基苄基胺封端的多异氰酸酯与3,5-二甲基吡唑封端的多异氰酸酯的比较:
名称 |
实施例1 |
对比例:VP LS 2253 |
组成 |
27.2%N 330022.8%N-苄基叔丁基胺50.00%乙酸丁酯 |
49.9%N 330025.1%DMP8.3%MPA16.7%SN 100 |
供应形式 |
50%BA溶液 |
在MPA/SN 100(8∶17)中的75%溶液 |
PIC基料 |
N 3300 |
N 3300 |
封端剂 |
N-苄基叔丁基胺 |
3,5-二甲基吡唑 |
多元醇 |
A 870 |
A 870 |
催化剂 |
1.5K-Kat 348 |
1.0%DBTL |
喷雾时的固体含量[%] |
50.0 |
50.0 |
ISO5杯流出时间[s] |
21 |
22 |
涂料的目测评价 |
透明 |
透明 |
烘烤条件 |
30’120℃ |
30’140℃ |
30’140℃ |
涂膜的目测评价 |
满意 |
满意 |
满意 |
摆锤阻尼,Knig法[摆动][s] |
128179 |
137192 |
129181 |
耐溶剂性(X/MPA/EA/Ac)[评级]1)1min5min | 11232244 | 00232244 | 11232244 |
埃里克森深拉[mm] |
10.0 |
9.5 |
3.5 |
耐化学品性[℃](梯度炉)天然树脂制动液胰酶制剂,50%NaOH,1%H2SO4,1%FAM*,10min.[评级]1) | 40363647430 | 42363649450 | 36363646432 |
抗划伤性(AmtecKistler实验室洗涤装置)2)初始光泽20°10个洗涤周期后的失光(Δ光泽)20°相对残留光泽[%] | 91.412.186.8 | 91.411.787.2 | 91.314.584.1 |
热泛黄在SM头道底漆上的透明涂层初始泛黄[b]在140℃30’下的过度烘烤泛黄[Δb]在160℃30’下的过度烘烤泛黄[Δb] | 3.60.5 | 3.50.8 | 3.30.50.5 |
1)0-良好;5-差
*FAM≈标准级汽油
实施例2(含溶剂的多异氰酸酯交联剂的制备)
使24.7g(0.07当量)的具有11.9wt%的NCO含量和大约600mPa.s的粘度(23℃)的以1-异氰酸根合-3,5,5-三甲基-5-异氰酸甲酯基环己烷(异佛尔酮二异氰酸酯,IPDI)为基础的含异氰脲酸酯的工业漆用多异氰酸酯(工业产品DesmodurZ4470,出自Bayer AG)与11.4g(0.07当量)的苄基叔丁基胺在15.5g的乙酸丁酯中反应。温度上升到大约40℃。反应在2小时以内结束。封端NCO值是5.7%。以这种方式获得的封端异氰酸酯用于生产涂膜。
实施例3(含溶剂的多异氰酸酯交联剂的制备)
使117g(0.6当量)的具有15.1wt%的NCO含量(固体,熔点大约100℃)和大约3.5的官能度的以4,4′-二异氰酸根络二环己基甲烷为基础的含异氰脲酸酯的漆用多异氰酸酯(DesmodurW,Bayer AG,制备如下)与98g(0.6当量)的苄基叔丁基胺在215g的乙酸丁酯中反应。温度上升到大约40℃。反应在2小时以内结束。封端NCO值是4.47%。以这种方式获得的封端异氰酸酯用于生产涂膜。
4,4′-二异氰酸根络二环己基甲烷的三聚体制备如下:2620g的4,4′-二异氰酸根络二环己基甲烷用6g的在60-75℃的温度下溶解在2-乙基己醇∶甲醇=5∶1中的氢氧化三甲基苄基铵催化剂的10%溶液在60℃下三聚,直到NCO含量是26.8%为止。为了终止三聚反应,加入0.5g的双(2-乙基己基)磷酸酯。然后将该透明粗溶液与130g的根据EP-A 0 330 966的实施例12获得的以二异氰酸根络己烷(HDI)为基础的异氰脲酸酯多异氰酸酯混合,再在200℃/0.15mbar下通过薄膜蒸馏分离单体4,4′-二异氰酸根络二环己基甲烷。获得了具有15.1%的NCO含量,大约100℃的熔点,小于0.25%的单体二异氰酸酯含量和3.5的平均NCO官能度(由NCO含量计算)的苍白而浅黄色的固体树脂。然后将该固体树脂溶解在乙酸丁酯中,达到70%的浓度。
实施例4(对比例I)
重复实施例2中所述的工序,但使用丁酮肟代替N-苄基叔丁基胺。所得分散体具有以下性能:
固体含量: 38%
pH: 8.5
粘度(23℃): 4000mPa.s
平均粒度(LCS): 42nm
虽然在前面为了举例说明已详细描述了本发明,但应该理解的是,这些细节仅用于说明,以及在不偏离本发明的精神和范围的情况下,本领域的那些技术人员能够在其中做出各种变化,只是要受权利要求的限制。