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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Guanidin-Derivaten als Härter zum thermischen
Härten
von Epoxidharzmassen.
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Die
Verwendung von Epoxidharzen ist aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften,
wie hohe Schlagzähigkeit,
hohe Abriebfestigkeit und gute Chemikalienbeständigkeit weit verbreitet. Derartige
Harze zeigen außerdem
eine hervorragende Haftfähigkeit
auf den unterschiedlichsten Werkstoffen und ein hohes elektrisches
Isolationsvermögen.
Sie dienen zudem als Matrix für
Faserverbundwerkstoffe, also sogenannte Composites, die als strukturelle
Komponenten für
stark belastete Werkstoffe eingesetzt werden. Darüber hinaus sind
Epoxidharze zumeist Hauptbestandteil von Elektrolaminaten, Strukturklebstoffen,
Gießharzen
und Pulverlacken.
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Die
Härtung
von Epoxidharzen verläuft
nach unterschiedlichen Mechanismen. Neben der Härtung mit Phenolen oder Anhydriden
wird häufig
die Härtung
mit Aminen durchgeführt.
Zu diesem Zweck wird die stöchiometrische
Menge an Wasserstoffatomen, wie sie z. B. bifunktionelle Amine liefern,
zugesetzt. Ein weiterer Mechanismus folgt der Reaktion von Initiatoren
oder Beschleunigern mit den Epoxidgruppen, wobei reaktive Zwischenprodukte
gebildet werden, welche ihrerseits erneut mit den Epoxidgruppen
reagieren können,
ohne dass dabei der Zusatz von weiteren Vernetzern notwendig ist.
Außerdem
können
Initiatoren auch die Aktivierungsenergie der Härtungsreaktion erniedrigen,
um so die Härtungstemperaturen
von reaktionsträgen
Härtern, wie
bspw. Dicyandiamid, erheblich herabzusetzen. Verbindungen, welche
diese Eigenschaften aufweisen, sind u. a. sekundäre und tertiäre Amine,
Imidazole oder substituierte Harnstoffe. In diesem Zusammenhang sei
auf die Patentdokumente
US 3,391,113 ,
EP 0 148 365 B2 und
US 2,637,715 verwiesen.
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Für lagerstabile,
latent härtende
Epoxidharzgemische werden häufig
Urone (Monuron, Diuron, usw.) auch in Kombination mit latenten Härtern, wie
bspw. Dicyandiamid, eingesetzt (s.
US
3,562,215 ,
US 3,956,237 ,
GB 1,153,639 A1 ,
GB 1,293,142 A1 ,
US 3,386,956 ,
US 6,231,959 sowie
DE 103 24 486 A1 ). Nachteilig
bei einem solchen Einsatz von Uronen ist die Verwendung von toxischen
Isocyanaten bei ihrer Herstellung sowie die Tatsache, dass beim
Härtungsvorgang
gasförmiges
Dimethylamin freigesetzt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist
in den mit höherer
Dosierung drastisch schlechter werdenden mechanischen Eigenschaften
der ausgehärteten
Epoxidharzen zu sehen. Zudem enthalten viele der kommerziell eingesetzten
Urone Halogene, was aus Umweltschutzgründen zu vermeiden ist.
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Alternativ
können
Imidazole eingesetzt werden, die bspw. gemäß dem Patent
GB 1,050,679 hergestellt werden. Epoxidharzformulierungen
auf Basis dieser Imidazole besitzen allerdings eine nur sehr begrenzte
Lagerstabilität,
was bei zahlreichen Anwendungen Probleme mit sich bringt. Um diesen
Schwierigkeiten zu begegnen, wurde die Verwendung verschiedener
Imidazol-Derivate
beschrieben, wie z. B. Imidazolide (N-Acylimidazole; vgl.
DE-OS 32 46 072 )
sowie mit Isocyanaten blockierte Imidazole. Beide Verbindungsklassen
sind allerdings nur sehr aufwendig durch Umsetzung mit speziellen
Säurechloriden
und unter HCl-Freisetzung bzw. mit Isocyanaten herzustellen.
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Des
Weiteren sind aus der
DE
39 19 431 A1 Additive für
hitzebeständige
Epoxidharzmassen bekannt, die Addukte oder Umsetzungsprodukte von
gegebenenfalls substituierten Imidazolen mit aromatischen Hydroxysäuren, wie
z. B. Salicylsäure,
darstellen. Derartige Produkte weisen allerdings ebenfalls eine
nur sehr begrenzte Lagerstabilität
mit Epoxidharzen auf.
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Weiterhin
ist bekannt, dass bestimmte Guanidin-Derivate die Eigenschaft besitzen,
die Härtung
von Epoxidharzen teils erheblich zu beschleunigen. Beispielsweise
werden in
US 3,308,094 Tetra-
und Pentaalkylguanidine als Katalysatoren bzw. Beschleuniger beschrieben,
wobei insbesondere das 1,1,3,3-Tetramethylguanidin hervorgehoben
wird. Ebenso werden in
US 6,743,375 Formulierungen
bestehend aus Tetramethylguanidin oder Addukte davon, Imidazolen,
Hydroxyverbindungen und weiteren Aktivkomponenten beansprucht, mit
denen Härtungstemperaturen
von 60-100°C
erreicht werden können.
Zudem sind Anwendungen als Co- Beschleunigner
in Härterlösungen,
die in einem geeigneten Lösungsmittel
gelöst
sind, bekannt (
JP 87 14 55 05 ).
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Oftmals
kommen tetraalkylierte Guanidine in Formulierungen mit Dicyandiamid
zur Anwendung, da sie vielfältige
anwendungstechnische Vorteile bieten wie u. a. Korrosionsresistenz
(
JP 55 018 472 A ),
schwere Entzündbarkeit
(
NL 8 003 936 A ),
Schnellhärtung
(
JP 61 083 219 A ),
Niedertemperaturhärtung
(
JP 61 133 228 A )
oder niedrige Wasserabsorption (
JP 61 207 425 A2 ). Ähnlich den Uronen oder den
Imidazolen werden diese Guanidin-Derivate auch als Beschleuniger
in glas- oder karbonfaserverstärkten
Verbundwerkstoffen (
TW
33 62 45 A ) oder in schnellhärtende Klebemassen eingesetzt
(
US 3,391,113 ).
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Gemäß der
JP 60 028 424 wird speziell
das N''-t-Butyl-N,N,N',N'-tetramethylguanidin als Beschleuniger
für Dicyandiamid-,
Phenol- oder Anhydrid-Härter
mit hervorragenden thermischen Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit
gegen den Einfluss von Wasser beschrieben.
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Die
Lehre von
JP 63 146
910 A bezieht sich ausschließlich auf bicyclische Guanidine
oder deren Salze als Beschleuniger für Epoxidharzmassen, die mit
Anhydriden oder Novolacen gehärtet
werden. Die Verbindungen zeichnen sich danach durch eine schnelle
Härtung
und hohe Glastemperaturen (Tg) der gehärteten Produkte aus, allerdings
werden sie durch Umsetzung von Guanidinen mit toxischen Acrylnitiril-Derivaten
erhalten.
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Interessanterweise
lassen sich mercaptanhaltige Härter
in Gegenwart von Tetramethylguanidin ohne Gelbfärbung oder Entstehung von Gerüchen mit
Bisphenol-A-Epoxidharzen umsetzen (
JP
61 13 32 28 ).
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Guanidiniumsalze,
die gemäß
EP 66 33 84 A oder
EP 66 34 15 A1 durch
Umsetzung der entsprechenden Alkylguanidinen mit Trimellit-, Pyromellit-
oder Phthalsäure
hergestellt werden können,
eignen sich in Epoxid- oder Hybrid-Festharzformulierungen als Mattierungsmittel
für Pulverlacke
mit niedrigen Einbrenntemperaturen.
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Grundsätzlich aber
leiden alle diese Formulierungen vor allem beim Einsatz mit Flüssigharzen
unter einer sehr geringen Lagerstabilität, was möglicherweise ein Grund für die geringe
Verbreitung dieser Verbindungen in technischen Anwendungen ist.
Einen Ansatzpunkt zur Lösung
dieses Problems beschreibt
US 3,391,113 ,
wobei die Zugabe von Benzoe- oder Chlorbenzoesäure die Lagerstabilität von 2
auf lediglich 7 Tage erhöht.
Ebenso erhöht
sich die Lagerstabilität
von Hybridpulverlacken, wenn N-acetyliertes Tetramethylguanidin
wie in
WO 93 12 157 oder
US 3,732,286 beschrieben,
eingesetzt wird. Nachteilig ist hier wiederum der Einsatz von Säurechloriden
bei der Herstellung. Hingegen offenbart
JP 59 1763 16 eine Erhöhung der
Lagerstabilität
in einer Harzformulierung mit Dicyandiamid, wenn eine Kombination
aus Uron-(Diuron) und tetraalkyliertem Guanidin-Beschleuniger eingesetzt wird.
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Ein
weiterer Nachteil der literaturbekannten Guanidine ist, dass sie
zumeist in flüssiger
Form vorliegen. Flüssigkeiten
sind oftmals schwerer im Verarbeitungsprozess einsetzbar und besitzen
im Falle von Aminen oder Guanidinen als Basen korrosive Eigenschaften.
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Der
vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, geeignete
Beschleuniger für
Epoxidharzsysteme mit hoher Reaktivität bei gleichzeitig guter Lagerstabilität bereitzustellen,
welche die genannten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweisen,
kostengünstig
herzustellen und einen vorteilhaften Kosten-Nutzen-Effekt aufweisen.
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Diese
Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch
den Einsatz der Guanidin-Derivate
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Es
hat sich nämlich überraschenderweise
gezeigt, dass die erfindungsgemäß eingesetzten
Guanidin-Derivate sich hervorragend als Beschleuniger für Epoxidharzsysteme
mit hoher Reaktivität
und guter Lagerstabilität
eignen sowie kostengünstig
und umweltfreundlich herzustellen sind.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung werden als Beschleuniger Guanidin-Derivate der allgemeinen
Formel (I) eingesetzt.
wobei
R
1 und
R
2 unabhängig
voneinander H, einen C
1-C
8-Alkyl-
oder Phenylrest,
R
3 = H, einen C
1-C
8-Alkyl- oder
ggf. substituierten Phenylrest,
X = O, S, NR
3,
N
⊕(R
3)
2A
⊖ Y
= C oder P
Z = -NR
1R
2 oder
n = 1,2
A
⊖ =
Halogen (F, Cl, Br, J) sowie ein Anion einer Mineralsäure oder
organischen Säure
bedeuten.
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Der
Phenylrest für
R3 kann hierbei noch Substituenten ausgewählt aus
der Gruppe der Halogene (F, Cl, Br, I), OH, NH2,
NR1R2, NO2, C1-C4-Alkyl
sowie C1-C4-O-Alkyl
aufweisen, wobei R1 und R2 oben
genannte Bedeutung besitzen.
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Im
Hinblick auf die zu härtenden
Epoxidharze unterliegt die vorliegende Erfindung keinerlei Beschränkung. Es
kommen sämtliche
handelsüblichen
Produkte in Frage, die üblicherweise
mehr als eine 1,2-Epoxidgruppe aufweisen und dabei gesättigt oder
ungesättigt,
aliphatisch, cycloaliphatisch, aromatisch oder heterozyklisch sein
können.
Außerdem
können
die Epoxidharze Substituenten wie Halogene, Phosphor- und Hydroxyl-Gruppen aufweisen.
Epoxidharze auf Basis Glycidylpolyether von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan
(Bisphenol A) sowie das mit Brom substituierte Derivat (Tetrabrombisphenol
A), Glycidylpolyether von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)methan (Bisphenol
F) und Glycidylpolyether von Novolac-Harzen sowie auf Basis von
Anilin oder substituierten Anilinen wie bspw. p-Aminophenol oder
4,4'-Diaminodiphenylmethane
können erfindungsgemäß mit Verbindungen
der Formel (I) besonders gut gehärtet
werden.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzten
Guanidin-Derivate werden üblicherweise
mit den im Handel erhältlichen
latenten oder nicht latenten Härtern
zusammen verwendet. Bevorzugt sind hierbei Verbindungen, die mindestens
zwei Amino-, Imino-, Triazin-, Hydrazid-, Phenol- oder eine Anhydridgruppe
enthalten. Exemplarisch – und
somit nicht limitierend – werden
als besonders bevorzugte Vertreter Ethylendiamin (EDA), meta-Xylylendiamin
(MXDA), Methylendianilin (MDA), para-Aminocyclohexylmethan (PACM),
Isophorondiamin (IPDA), ortho-Tolylbiguanid (OTB), Dicyandiamid
(DCD), Diaminodiphenylsulfon (DDS), Isophthalsäuredihydrazid (IPDH), Adipinsäuredihydrazid
(ADH), Phthalsäureanhydrid
(PA), Pyromellitsäuredianhydrid
(PMDA) oder Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid (BTDA) genannt.
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Die
Anteile der erfindungsgemäßen Beschleuniger
können
breit variiert und somit den spezifischen und den technisch notwendigen
Anforderungen maßgeschneidert
angepasst werden. Ökonomisch
und technisch vorteilhaft sind Einsatzmengen von 0,1 bis 10 Gew.-%,
bezogen auf das Gewicht der Epoxidharzformulierung, jedoch auch
geringere oder aber höheren
Anteile können
in speziellen Anwendungsfällen
von besonderem Vorteil sein. Die benötigte Einsatzmenge hängt im Regelfall
von den erforderlichen Härtungstemperaturen
und -zeiten bzw. Gelzeiten sowie den erforderlichen mechanischen
Eigenschaften des Produkts ab.
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Beispielsweise
sind beim erfindungsgemäßen Bis(tetramethylguanidino)carbonyl
(BTMGC) Anteile zwischen 0,5 und 5 Gew.-% als besonders vorteilhaft
anzusehen. So können
bspw. für
die Härtung
einer typischen Flüssigharzformulierung
mit dem Härter
Dicyandiamid und dem Beschleuniger BTMGC Auslösetemperaturen zwischen 115
und 130°C
(DSC Onset T) und Gelzeiten von rund 4 bis 8 min. bei 120°C erreicht
werden, wobei die isothermen Reaktionszeiten bei 120°C unter einer
Minute liegen können.
Die anhand der Glasübergangstemperaturen
(Tg-Werte) bewerteten mechanischen Eigenschaften der gehärteten erfindungsgemäßen Formulierungen
entsprechen mit Temperaturen zwischen 120 und 150°C mindestens
dem Stand der Technik.
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Auch
die Mengen an eingesetztem Härter
können
in weiten Grenzen variiert werden. Als besonders vorteilhaft haben
sich härterabhängige Einsatzmengen
von 3 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Epoxidharzformulierung, erwiesen.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzten
Guanidin-Derivate können
entweder kristallin, gekörnt
oder als Pulver, so wie sie aus der Synthese entsteht, oder aber
in physikalisch veränderter
Form eingesetzt werden. Hierzu eignet sich bspw. die Mikronisierung
in dafür
geeigneten Mühlen.
Dem Fachmann ist bekannt, dass der Mikronisierungsgrad von Härtern und
Beschleunigern Einfluss auf das Härtungsverhalten und somit auf
die Eigenschaften der Produkte haben kann. Aus diesem Grund sollten
die erfindungsgemäßen Beschleuniger
möglichst
in einer feinverteilten Form bevorzugt mit einer Korngrößenverteilung
d98 kleiner 150 μm
und besonders bevorzugt mit d98 kleiner 20 μm eingesetzt werden.
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Bestandteil
dieser Erfindung ist ebenso der Einsatz von Hilfs- oder Zusatzstoffen
wie z. B. Thixotropierungsmittel, Dispergieradditive, Antibackmittel
(wie z. B. pyrogene oder gefällte
Kieselsäuren),
Füllstoffe,
Farbstoffe, Pigmente (Metalloxide, u. a.), Leitpulver, Zähmodifikatoren
(Toughener), etc. in Formulierungen zusammen mit den erfindungsgemäßen Beschleunigern.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Anführungsform
werden die Guanidin-Derivate in gelöster oder aufgeschmolzener
Form oder vordispergiert als Härterpasten
(Masterbatches) eingesetzt. Je nach Anwendungsfall können die
erfindungsgemäßen Beschleuniger
zusammen mit weiteren Beschleunigern, Härtern, oder Additiven in ein
flüssiges
oder aufgeschmolzenes Epoxidharz eingemischt, dispergiert oder suspendiert
werden oder als Lösung
in das Epoxidharz oder in eine Lösung
desselben eingebracht werden. Als Lösungsmittel können grundsätzlich alle
Flüssigkeiten
verwendet werden, in denen sich die Epoxidharze, Härter, Beschleuniger
und ggf. Additive in ausreichendem Umfang auflösen. Beispiele für solche
Lösungsmittel
sind Wasser, verschiedene Glykolether wie Ethylenglykol- oder Propylenglykolmonomethylether
sowie Ester davon, aber auch Ketone wie Aceton oder DMF etc.
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Die
Härtung
der Epoxidharze mit Hilfe der erfindungsgemäß eingesetzten Verbindung erfolgt
in der Regel bei Temperaturen von 80 bis 180°C und vorzugsweise bei 90 bis
140°C. Die
Wahl der Härtungstemperatur
ist abhängig
von der spezifischen Verarbeitungs- und Produktanforderung und kann über die
Formulierung vor allem durch Regulierung der Härter- und Beschleunigermengen
sowie durch Zugabe von Additiven variiert werden.
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Durch
den Zusatz weiterer handelsüblicher
Beschleuniger, wie sie dem Fachmann zur Härtung von Epoxidharzen bekannt
sind, kann das Härtungsprofil
der erfindungsgemäßen Formulierungen
variiert werden. So können
z. B. die Auslösetemperaturen
abhängig
von der Zugabemenge weiter gesenkt oder aber die Gelzeiten vorteilhaft
den technischen Vorgaben und somit den speziellen Kundenbedürfnissen
angepasst werden.
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Ein
besonderer Vorteil bei der Anwendung der erfindungsgemäß eingesetzten
Verbindung als Beschleuniger in Epoxidharzformulierungen ist die
gute Lagerstabilität
(Latenz). Wie Versuche zur Lagerstabilität bei Raumtemperatur ergeben
haben, sind Formulierungen, welche bspw. den erfindungsgemäßen Beschleuniger
enthalten, auch nach 9 Tagen noch gut zu verarbeiten, während solche
Formulierungen, die nach dem Stand der Technik hergestellt wurden,
spätestens
nach 3 Tagen bereits fest oder zumindest halbfest sind. Durch die
erfindungsgemäße und einfache
Umwandlung der sehr aktiven, aber wenig latenten Tetraalkylguanidine
in die weiterhin sehr aktiven, aber jetzt sehr viel latenteren erfindungsgemäßen Guanidin-Derivate
kann die Latenz von Formulierungen um mindestens das 3-5 fache gesteigert
werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Guanidin-Derivate
der Formel II
wobei
X = O, S,
Z
=
darstellen sowie
R
1 und R
2 oben genannte
Bedeutung besitzen.
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Aufgrund
der günstigen
Anwendungseigenschaften der erfindungsgemäßen Verbindungen sowie ihre kostengünstige Herstellung
und einhergehend ein vorteilhaftes Kosten-Nutzen-Verhältnis sind
diese besonders gut für
eine technische Anwendung geeignet.
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Die
nachfolgenden Beispiele verdeutlichen die Vorteile der vorliegenden
Erfindung.
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Beispiele
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A. Herstellungsbeispiele
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A.1 Bis(tetramethylguanido)carbonyl (TMG2C=O):
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Zu
einer gerührten
und bei -50°C
gekühlten
Lösung
von 4,5 g (45 mmol) Phosgen im t-Butylmethylether (120 ml) werden
21,9 g (190,9 mmol) Tetramethylguanidin (TMG) zugetropft. Die Reaktionsmischung
wird eine Stunde bei dieser Temperatur weitergerührt, anschließend auf
20°C erwärmt und
weitere 12 Stunden gerührt.
Das ausgefallene Tetramethylguanidiniumhydrochlorid wird abfiltriert
und einmal mit t-Butylmethylether (etwa 70 ml) gewaschen. Das Filtrat
wird sodann unter Vakuum zur Trockene eingeengt. Der so erhaltene
Feststoff wird zweimal mit heißem
Benzol behandelt. Der aus Benzol auskristallisierte Feststoff wird
anschießend aus
Hexan umkristallisiert.
Ausbeute: 8,5 g (58%, nicht optimiert).
Schmelzpunkt:
126-129°C
m/z
(EI, eV 70): 256 [M+]
13C-NMR
(CDCl3): CH3 40,0
ppm; C=N 164,0 ppm; C=O 168,7 ppm.
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A.2 Bis(tetramethylguanido)thiocarbonyl
(TMG2C=S):
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Zu
einer gerührten
und bei -30°C
gekühlten
Lösung
von 3,45 g (30 mmol) Thiophosgen in Chlorbenzol (40 ml) werden mittels
einer Spritze 14,49 g (126 mmol) Tetramethylguanidin (TMG) innerhalb
von etwa 15 Minuten zugetropft. Die Reaktionsmischung wird eine
Stunde bei dieser Temperatur weitergerührt, anschließend auf
Raumtemperatur erwärmt
und über
Nacht weitergerührt.
Das Lösemittel
wird im Vakuum entfernt und der so erhaltener Feststoff etwa 28
Stunden in einer Soxlet-Apparatur mit Hexan (etwa 400 ml) extrahiert.
Der aus Hexan auskristallisierte Produkt wird nochmals mit Hexan
(30 ml) gewaschen und anschließend
getrocknet.
Ausbeute: 7,1 g (87%, nicht optimiert)
Schmelzpunkt:
187-188°C
1H-NMR (CDCl3): CH3 2,90 ppm.
13C-NMR
(CDCl3): CH3 12,0 ppm; C=S 137,5 ppm; C=N
163,7 ppm
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A.3 2,4,4-Tris(dimethylamino)-oxa-3-azabutadiene
(TMG-C(O)-NMe2)
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Die
Herstellung und Charakterisierung erfolgte nach Moellers,
Christian; Prigge, Joerg; Wibbeling, Birgit; Froehlich, Roland;
Brockmeyer, Andreas; Schaefer, Hans J.; Schmaelzlin, Elmar; Braeuchle,
Christoph; Meerholz, Klaus; Wuerthwein, Ernst-Ulrich. Eur. J. Org.
Chem. 7; 2003; 1198-1208.
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A.4 Guanidinophosphazene und Guanidinophosphinoxid
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Die
Herstellung und Charakterisierung erfolgte nach Kolomeitsev,
Alexander A. et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127(50), 17656-17666.
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B. Anwendungsbeispiele
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Folgende
Harze, Härter-
und Beschleuniger-Komponenten wurden in den Beispielen eingesetzt: Epoxidharz:
Epikote
828 (E.828, Resolution): | Bisphenol
A-Flüssigharz, |
| EEW
182-187 |
Härter:
Dyhard
100S (Dyh 100S, Degussa AG): | mikronisiertes
Dicyandiamid, |
| HEW
12-14 |
Beschleuniger:
Dyhard
UR 200 (Dyh UR200, Degussa AG): | mikronisiertes
Diuron |
Dyhard
UR 500 (Dyh UR500, Degussa AG): | mikronisiertes
TDI-Uron |
Dyhard
MI-C (Dyh MI-C, Degussa AG): | kristallines
2-Methylimidazol |
N,N,N',N'-Tetramethylguanidin
(TMG): | kommerziell
aus dem |
| Laborchemikalienhandel |
| erhältlich |
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Die
erfindungsgemäßen Guanidin-Derivate
wurden gemäß den Beispielen
A.1-A.4 hergestellt und charakterisiert.
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Die
in den Beispielen genannten Daten und Messwerte wurden nach folgenden
Messmethoden erhoben:
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Durchführung der DSC-Messungen
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Als
Temperaturprogramm für
die Bestimmung der Peak-Temperatur (DSC Peak T) wurde mit einer Rate
von 10 K/min von 30 auf 300°C
aufgeheizt. Die Onset-Temperatur der Reaktion (DSC Onset T) wurde aus
derselben Messung durch Anlegen der Tangente an den Reaktionspeak
bestimmt. Für
die Ermittlung der isothermen Reaktionszeit wurde die Probe in den
auf die angegebene Temperatur T aufgeheizten DSC-Ofen mittels Probengeber
eingebracht und diese Temperatur für 40 min konstant gehalten.
Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Härtungspeaks entspricht dem
Zeitpunkt der maximal freiwerdenden Exothermie der Härtungsreaktion
und wird als isotherme Reaktionszeit definiert.
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Messung der Glasübergangstemperatur (Tg)
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Für die Bestimmung
der Glasübergangstemperatur
(Tg) wurde das Material aus der Gelzeitbestimmung herangezogen.
Die Formulierung wurde durch Erhitzen auf 200°C (Temperaturprogramm: 30 bis
200°C, Heizrate
20 K/min) und Halten der Temperatur für 30 min vollständig ausgehärtet. Nach
dem Abkühlung
auf 30°C
wurde die Probe mit einer Aufheizrate von 10 K/min von 30 auf 200°C aufgeheizt
und aus der Heizkurve durch Anlegen der Tangente im Wendepunkt der
größten Änderung
der Wärmekapazität der Tg
bestimmt.
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Ermittlung der Lagerstabilitäten (Latenzen)
mittels Viskositätsmessungen
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Als
Startwert (0 h) wurden zunächst
die dynamischen Viskositäten
der jeweils frisch hergestellten Formulierungen bei 25°C mittels
eines Haake-Viskosimeters
(Methode Kegel (1°)-Platte)
ermittelt. Die Proben wurden sodann bei Raumtemperatur (21-23°C) temperiert
und die Viskosität
nach der angegebenen Zeit (Tagen) erneut bei 25°C gemessen. Ebenso wurde zur
Ermittlung der Lagerstabilitäten
bei 60°C
vorgegangen, wobei die Proben bei 60°C temperiert wurden. Die Messung
der Viskositäten
erfolgte wiederum bei 25°C.
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Beispiel B.1
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Härtungsprofil
der erfindungsgemäßen Beschleuniger
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Bis(tetramethylguanidino)cabonyl, Bis(tetramethylguanidino)thiocabonyl
und 2,4,4-Tris(dimethylamino)-oxa-3-azabutadiene (TMG-C(O)-NMe2)
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Die
erfindungsgemäßen Harzformulierungen
wurden entsprechend der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen
angefertigt und wie beschrieben ausgetestet. Die Ergebnisse zeigen,
dass die erfindungsgemäßen Beschleuniger
deutlich reaktiver oder aber mindestens genauso aktiv wie diejenigen
entsprechend dem Stand der Technik sind. Die mechanischen Eigenschaften
der gehärteten
erfindungsgemäßen Formulierungen
entsprechen dabei mindestens dem Stand der Technik. Tabelle 1: Härtungstemperatur, Gelzeit,
Glastemperatur, Reaktionszeit
Versuch
(erfindungsgemäß) | Zusammensetzung
der Formulierung (Gewichtsteile) | DSC
Peak*) [°C] | DSC
Onset*) [°C] | Gelzeit
bei Temp. [min:sec] | Glastemperatur
Tg [°C] | Reaktionszeit
bei Temp. [min] |
1.1
(ja) | E.828:Dy100S:TMG2C=O
(100:6,5:1,0) | 158,4 | 132,5 | 120°C
07:45 | 144 | 120°C
5,7 |
1.2
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=O
(100:6,5:3,0) | 137,8 | 121,8 | 120°C
04:54 | 129 | 120°C
2,3 |
1.3
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=O
(100:6,5:5,0) | 132,5 | 115,3 | 120°C
03:50 | 119 | 120°C
0,5 |
| | | | | | |
2.1
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=S
(100:6,5:1,0) | 144,0 | 127,9 | 120°C
06:55 | 151 | 120°C
4,8 |
| | | | | | |
2.2
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG-C(O)-NMe2
(100:6,5:5,0) | 157,0 | 147,3 | 140°C
4:18 | 121 | 140°C
3,0 |
| | | | | | |
3.1
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 200
(100:6,5:3,0) | 154,0 | 145,9 | 120°C
08:00 | 136 | 120°C
9,7 |
3.2
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 200
(100:6,5:5,0) | 150,9 | 143,5 | 120°C
07:00 | 123 | 120°C
7,8 |
3.3
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 500
(100:6,5:1,0) | 152,0 | 142,5 | 120°C
08:00 | 140 | 120°C
9,1 |
| | | | | | |
4.1
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
MI-C
(100:6,5:0,5) | 141,4 | 115,6 | 120°C
03:45 | 156 | 120°C
3,0 |
| | | | | | |
5.1
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:0,5) | 146,2 | 133,6 | 120°C
05:30 | 145 | 120°C
5,0 |
5.2
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:1,0) | 140,0 | 127,8 | 120°C
04:10 | 140 | 120°C
3,5 |
5.3
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:2,0) | 133,6 | 120,2 | 120°C
03:10 | 131 | 120°C
1,9 |
5.4
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:3,0) | 127,7 | 112,7 | 120°C
02:25 | 123 | 120°C
1,6 |
| | | | | | |
6.1
(nein) | E.828:Dy 100S
(100:6,5) | 192,3 | 181,9 | 120°C
> 3 h | 172 | 120°C
> 60 min |
| | | | | | |
- *)Angaben für die exotherme Härtungsreaktion
-
Beispiel B.2
-
Lagerstabilität des erfindungsgemäßen Beschleunigers
-
Bis(tetramethylguanidino)cabonyl bei Raumtemperatur
-
Als
Maß für die Lagerstabilität (Latenz)
bei Raumtemperatur (21-23°C)
wurden die Viskositäten
der Formulierungen bestehend aus Epoxidharz, Härter und Beschleuniger wie
beschrieben ermittelt. Hierbei erweist sich die erfindungsgemäße Formulierung
(Tabelle 2, Versuch 1.1) als wesentlich latenter im Vergleich zum
Stand der Technik (Versuch 2.1 bis 3.4). Tabelle 2: Latenz bei Raumtemperatur (RT = 21-23°C; Messung der Viskosität bei 25°C)
Versuch (erfindungsgemäß) | Zusammensetzung der
Formulierung (Gewichtsteile) | Latenz bei
RT gemessen als Viskosität
[Pa·s/25°C] (Werte
in Klammern: prozentuale Veränderung
[%]) |
| | 0
d | 1
d | 2
d | 3
d | 4
d | 7
d |
1.1
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=O
(100:6,5:1,0) | 15,8
(0) | 25,1
(59) | 33,0
(109) | 46,2
(192) | 52,6
(233) | 167
(959) |
| | | | | | | |
| | 8
d | 9
d | 10
d | 11
d | 14
d | 15
d |
1.1
(ja) | Fortsetzung | 200
(1168) | 441
(2689) | 754
(4672) | halbfest | fest | - |
| | | | | | | |
| | 0
d | 1
d | 2
d | 3
d | 4
d | 7
d |
2.1
(nein) | E.828:Dy
100S:Dyhard MI-C
(100:6,5:0,5) | 18,1
(0) | 24,2
(34) | 42,0
(132) | halbfest | fest | - |
2.2
(nein) | E.828:Dy
100S:Dyhard MI-C
(100:6,5:2,0) | 14,2
(0) | fest | - | - | - | - |
| | | | | | | |
3.1
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:0,5) | 12,8
(0) | 22,8
(78) | 39,8
(211) | halbfest | fest | - |
3.2
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:1,0) | 18,1
(0) | 36,1
(99) | 149
(723) | fest | - | - |
3.3
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:2,0) | 15,5
(0) | 46,7
(201) | 496
(3101) | fest | - | - |
3.4
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:3,0) | 15,1
(0) | 73,2
(385) | halbfest | fest | - | - |
| | | | | | | |
-
Beispiel B.3
-
Lagerstabilität des erfindungsgemäßen Beschleunigers
-
Bis(tetramethylguanidino)cabonyl bei 60°C
-
Als
Maß für die Lagerstabilität (Latenz)
bei einer Temperatur von 60°C
wurden die Viskositäten
der Formulierungen bestehend aus Epoxidharz, Härter und Beschleuniger wie
beschrieben ermittelt. Hierbei erwiesen sich die erfindungsgemäßen Formulierungen
(Tabelle 3, Versuche 1.1 und 1.2) mindestens genauso latent im Vergleich
zum Stand der Technik (Versuche 2.1 und 2.2). Tabelle 3: Latenz bei 60°C (Messung der Viskosität bei 25°C)
Versuch (erfindungsgemäß) | Zusammensetzung der
Formulierung (Gewichtsteile) | Latenz bei
60°C gemessen
als Viskosität
[Pa·s/25°C] (Werte
in Klammern: prozentuale Veränderung
[%]) |
| | 0
hour | 2
h | 4
h | 6
h | 22
h | 48
h |
1.1
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=O
(100:6,5:1,0) | 12,4
(0) | 184
(1384) | fest | - | - | - |
1.2
(ja) | E.828:Dy 100S:TMG2C=O
(100:6,5:3,0) | 8,7
(0) | fest | - | - | - | - |
| | | | | | | |
2.1
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:1,0) | 16,4
(0) | halbfest | fest | - | - | - |
2.2
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:3,0) | 16,3
(0) | fest | - | - | - | - |
| | | | | | | |
-
Beispiel B.4
-
Härtungsprofil der erfindungsgemäßen Beschleuniger
-
Guanidinophosphazene und Guanidinophosphinoxid
-
Die
erfindungsgemäßen Harzformulierungen
wurden entsprechend der in Tabelle 4 angegebenen Zusammensetzungen
angefertigt und wie beschrieben ausgetestet. Die Ergebnisse zeigen,
dass die erfindungsgemäßen Härter deutlich
reaktiver oder aber mindestens genauso aktiv wie der Stand der Technik
sind. Die mechanischen Eigenschaften der gehärteten erfindungsgemäßen Formulierungen
entsprechen dabei mindestens dem Stand der Technik. Tabelle 4: Härtungstemperatur, Gelzeit,
Glastemperatur, Reaktionszeit
Versuch
(erfindungsgemäß) | Zusammensetzung
der Formulierung (Gewichtsteile) | DSC
Peak*) [°C] | DSC
Onset*) [°C] | Gelzeit
bei Temp. [min:sec] | Glastemperatur
Tg [°C] | Reaktionszeit
bei Temp. [min] |
1.1
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NtBu
(100:6,5:1,0) | 149,0 | 126,4 | 130°C
4,8 | 163 | 130°C 2,0 |
1.2
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NtBu
(100:6,5:3,0) | 138,6 | 115,0 | 130°C
2,0 | 139 | 130°C
0,5 |
1.3
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NtBu
(100:6,5:5,0) | 133,9 | 105,6 | 130°C
1,5 | 139 | 130°C
< 0,5 |
| | | | | | |
2.1
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NH
(100:6,5:1,0) | 149,8 | 126,2 | 140°C
2,4 | 148 | 130°C
2,7 |
2.2
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NH
(100:6,5:3,0) | 137,8 | 114,4 | 140°C
1,5 | 129 | 130°C
0,5 |
2.3
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NH
(100:6,5:5,0) | 133,9 | 109,7 | 130°C
1,5 | 121 | 130°C
< 0,5 |
| | | | | | |
3.1
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=O
(100:6,5:1,0) | 154,9 | 139,2 | 140°C
3,3 | 145 | 130°C
4,3 |
3.2
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=O
(100:6,5:3,0) | 144,6 | 133,4 | 140°C
2,5 | 129 | 130°C
1,8 |
3.3
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=O
(100:6,5:5,0) | 145,2 | 134,1 | 130°C
3,8 | 124 | 130°C
< 0,5 |
| | | | | | |
4.1
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 200
(100:6,5:3,0) | 154,0 | 145,9 | 120°C 08:00
130°C 07:50
140°C 04:25 | 136 | 120°C
9,7 |
4.2
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 200
(100:6,5:5,0) | 150,9 | 143,5 | 120°C 07:00
130°C 06:05 | 123 | 120°C
7,8 |
4.3
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
UR 500
(100:6,5:1,0) | 152,0 | 142,5 | 120°C 08:00
130°C 06:30
140°C 03:53 | 140 | 120°C
9,1 |
| | | | | | |
5.1
(nein) | E.828:Dy 100S:Dyhard
MI-C
(100:6,5:0,5) | 141,4 | 115,6 | 120°C 03:45
130°C 02:30
140°C 01:42 | 156 | 120°C
3,0 |
| | | | | | |
6.1
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:0,5) | 146,2 | 133,6 | 120°C 05:30
-
140°C 02:40 | 145 | 120°C
5,0 |
6.2
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:1,0) | 140,0 | 127,8 | 120°C 04:10
130°C 02:44
140°C 02:05 | 140 | 120°C
3,5 |
6.3
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:2,0) | 133,6 | 120,2 | 120°C 03:10
-
140°C 01:40 | 131 | 120°C
1,9 |
6.4
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:3,0) | 127,7 | 112,7 | 120°C 02:25
130°C 01:46
140°C 01:30 | 123 | 120°C
1,6 |
| | | | | | |
7.1
(nein) | E.828:Dy 100S
(100:6,5) | 192,3 | 181,9 | 140°C
> 3 h | 172 | 140°C
> 60 min |
| | | | | | |
- *)Angaben für die exotherme Härtungsreaktion
-
Beispiel B.5
-
Lagerstabilität der erfindungsgemäßen Beschleuniger
-
Guanidinophosphazene und Guanidinophosphinoxid
-
Als
Maß für die Lagerstabilität (Latenz)
bei Raumtemperatur (21-23°C)
wurden die Viskositäten
der Formulierungen bestehend aus Epoxidharz, Härter und Beschleuniger wie
beschrieben ermittelt. Hierbei erweist sich die erfindungsgemäße Formulierung
(Tabelle 5, Versuch 1.1 bis 1.3) als wesentlich latenter im Vergleich
zum Stand der Technik (Versuch 2.1 bis 3.4). Tabelle 5: Latenz bei Raumtemperatur (RT = 21-23°C; Messung der Viskosität bei 25°C)
Versuch (erfindungsgemäß) | Zusammensetzung der
Formulierung (Gewichtsteile) | Latenz bei
RT gemessen als Viskosität
[Pa·s/25°C] (Werte
in Klammern: prozentuale Veränderung
[%]) |
| | 0
d | 1
d | 2
d | 3
d | 4
d | 7
d |
1.1
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NtBu
(100:6,5:3,0) | 31,9
(0) | 73,3
(130) | 139
(337) | 392
(649) | 480
(1407) | fest |
| | | | | | | |
1.2
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=NH
(100:6,5:3,0) | 33,0
(0) | 75,2
(128) | 171
(419) | 329
(897) | 638
(1834) | fest |
1.3
(ja) | E.828:Dy 100S:(TMG)3P=O
(100:6,5:3,0) | | | | | | |
24,1
(0) | 29,8
(23,8) | 40,9
(69,9) | 88,9
(270) | 126
(424) | 373
(1449) |
| | | | | | | |
| | 8
d | 9
d | 10
d | 11
d | 14
d | 15 d |
1.3
(ja) | Fortsetzung | - | - | - | halbfest | fest | - |
| | 0 d | 1 d | 2 d | 3 d | 4 d | 7 d |
2.1
(nein) | E.828:Dy
100S:Dyhard MI-C
(100:6,5:0,5) | 18,1
(0) | 24,2
(34) | 42,0
(132) | halbfest | fest | - |
2.2
(nein) | E.828:Dy
100S:Dyhard MI-C
(100:6,5:2,0) | 14,2
(0) | fest | - | - | - | - |
| | | | | | | |
3.1
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:0,5) | 12,8
(0) | 22,8
(78) | 39,8
(211) | halbfest | fest | - |
3.2
(nein) | E.828:Dy
100S:TMG
(100:6,5:1,0) | 18,1
(0) | 36,1
(99) | 149
(723) | fest | - | - |
3.3
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:2,0) | 15,5
(0) | 46,7
(201) | 496
(3101) | fest | - | - |
3.4
(nein) | E.828:Dy 100S:TMG
(100:6,5:3,0) | 15,1
(0) | 73,2
(385) | halbfest | fest | - | - |
| | | | | | | |