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Die
Erfindung betrifft Silylgruppen tragende Hydroxylverbindungen enthaltende
Emulsionen, deren Herstellung und Verwendung.
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Als
Silylgruppen tragende Hydroxylverbindungen, die im Sinne dieser
Erfindung Verwendung finden, werden alle Reaktionprodukte verstanden,
die durch Alkoxylierung von epoxyfunktionellen Silanen an Doppelmetallcyanid-Katalysatoren
gemäß dem in der noch nicht vorveröffentlichten
Schrift
DE 10 2008 000 360.3 beschriebenen
Verfahren hergestellt werden können; insbesondere können
diese Verbindungen auch Siloxangruppen tragen. Diese Produkte werden
im Weiteren als Silylpolyether der Formel 1 bezeichnet. Eine Silylgruppe
im Rahmen dieser Erfindung ist durch unterschiedliche oder gleiche
organische oder oxyorganische Reste gekennzeichnet
Formel
1
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Präpolymersysteme,
die über – endständige – reaktive
Alkoxysilylgruppen verfügen, beispielsweise Alkoxysilanterminierte,
feuchtigkeitshärtende Einkomponenten-Polyurethane, werden
vielfach zur Herstellung von Beschichtungen sowie elastischen Dicht-
und Klebstoffen im Industrie- und Baubereich und in der Automobilindustrie
verwendet. Kommerziell verfügbare Beispiele von solchen
Präpolymeren sind die MS Polymere der Firma Kaneka, oder
die Geniosile der Firma Wacker. So sind alkoxysilanfunktionelle
Polyurethane, die über eine Silanpolykondensation vernetzen,
lange bekannt. Ein Übersichtsartikel zu dieser Thematik
findet sich z. B. in
"Adhesives Age" 4/1995,
Seite 30 ff. (Autoren: Ta-Min Feng, B. A. Waldmann).
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Solche
endständig alkoxysilanfunktionalisierten Polyurethane können
gemäß
US 3,627,722 oder
US 3,632,557 hergestellt
werden, indem z. B. Polyetherpolyole mit einem Überschuss
Polyisocyanat zu einem NCO-haltigen Präpolymer umgesetzt
werden, das dann wiederum mit einem aminofunktionellen Alkoxysilan weiter
umgesetzt wird. Das entstehende alkoxysilanfunktionelle Präpolymer
enthält Harnstoff- und Urethangruppen in hoher Konzentration,
die zu einer hohen Viskosität der Produkte führen.
Neben Polyethern kann das organische Rückgrat beispielsweise
aus Polyurethanen, Polyestern, Polyacrylaten, Polyvinylestern, Ethylen-Olefincopolymeren,
Styrol-Butadiencopolymeren oder Polyolefinen bestehen. Beschrieben
werden derartige Präpolymere u. a. in
EP 0 372 561 ,
WO 00/37533 oder
US 6,207,766 . Daneben sind aber auch
Systeme weit verbreitet, deren Rückgrat ganz oder zumindest
zum Teil aus Organosiloxanen besteht, beschrieben u. a. in
WO 96/34030 . Nachteilig
an all den beschriebenen Präpolymeren ist die geringe Funktionalisierungsdichte der
nur in α,ω-Position mit Silylgruppen terminierten
Präpolymeren.
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Dieser
Nachteil kann überwunden werden durch den Einsatz von,
in der noch nicht offengelegten Schrift
DE 10 2008 000 360.3 beschriebenen,
neuen Silylgruppen tragenden Hydroxylverbindungen oder auch Alkoxysilylgruppen
tragenden Polyetheralkoholen, die durch Alkoxylierung epoxidfunktioneller
Alkoxysilane an Doppelmetallcyanid(DMC)-Katalysatoren zugänglich
sind. Die in der noch nicht offengelegten Schrift
DE 10 2008 044 373.5 beschriebene
Alkoxysilylgruppen tragende Polyethersiloxanen können ebenfalls
durch Doppelmetallcyanidkatalyse hergestellt werden. Die beiden
Schriften werden hiermit vollumfänglich als Teil und Gegenstand
dieser Offenbarung eingeführt. Diese neuen Polyether(siloxan)strukturen,
die sowohl Alkoxysilanfunktionen innerhalb der Sequenz der Oxyalkyleneinheiten
der Polyetherkette als auch neue Multialkoxysilanfunktionen in ihren
Termini aufweisen können, erlauben es, die Ankergruppendichte
in dem angestrebten Präpolymer nach Belieben, d. h. angepasst
auf die jeweilige anwendungstechnische Fragestellung einzustellen. Zudem
weisen sie noch freie Hydroxylgruppen auf, die zur weitergehenden
Funktionalisierung zur Verfügung stehen.
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Insofern
die Präpolymere wasserunlöslich sind können
zur Erniedrigung der Viskosität der Präpolymeren
flüchtige organische Lösungsmittel eingesetzt
werden. Solche Lösungsmittel werden oft mit dem Kürzel VOC
(Volatile Organic Compounds) bezeichnet. Bei einer Vielzahl von
organischen Lösungsmitteln konnte eine gesundheitsschädliche
Wirkung festgestellt werden oder aber wird zumindest vermutet. Infolgedessen wurden
eine Reihe von Gesetze und Regulierungen zum Schutz von Umwelt und
Gesundheit erlassen mit dem Ziel, die VOC-Emissionen zu reduzieren.
Die europäische VOC-Richtlinie von 1999 zum
Beispiel schreibt gesetzliche Anforderungen zur Minderung von VOC-Emissionen
vor (Richtlinie 1999/13/EG beziehungsweise 2004/42/EG).
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Als
Alternative zu den organischen Lösungsmitteln bietet es
sich an, Wasser zu verwenden. Allerdings kommt den beschriebenen
Präpolymeren die Eigenschaft einer strukturbedingten Hydrolyselabilität
zu. Es fällt daher nicht einfach, die Präpolymere
in Form einer wässrigen Emulsion einzusetzen. Zur Emulgierung
werden die Substanzen unter Verwendung sogenannter Emulgatoren und
Einsatz von Scherkräften in Wasser emulgiert. Die Viskosität
beziehungsweise das rheologische Profil einer derartigen Emulsion
wird in erster Linie durch die Rheologie der kontinuierlichen, wässrigen
Phase bestimmt. Je nach Anwendungsbereich kann das rheologische
Profil mit Hilfe von Additiven variiert werden, von einer sehr niedrigviskosen
Emulsion bis hin zu einer hochviskosen Paste.
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Generell
kommen als Emulgatoren sowohl amphiphile Moleküle als auch
Partikel in Betracht. Durch Partikel stabiliserte Emulsionen werden
auch als 'Pickering'-Emulsionen bezeichnet (S. U. Pickering: „Emulsions",
J. Chem. Soc. 1907, Vol. 91, pp. 2001–2021). Durch
Anlagerung an die Grenzfläche Wasser-Präpolymer verhindern
solche Emulgatoren die Koaleszenz der Emulsionstropfen und damit
das Brechen der Emulsion. Wenn die Präpolymere selber amphiphilen
Charakter haben, kann es sein, dass sich die Zugabe von zusätzlichen
Emulgatoren erübrigt. In diesem Fall spricht der Fachmann
von einem selbst-emulgierenden System.
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Die
erfinderische Aufgabe ist es daher, stabile und hydrolysebeständige
Emulsionen von in den Schriften
DE
10 2008 000360.3 und
DE
10 2008 044 373.5 beschriebenen, silylgruppenhaltigen Präpolymeren
in Wasser herzustellen.
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Emulsionen
von silylierten Präpolymeren sind Gegenstand einer Vielzahl
von Schriften. In der Schrift
DE
25 58 653 beschreibt Chang Emulsionen aus selbstemulgierenden, Silylgruppen
tragende Polyurethane und deren Anwendung für die Beschichtung
von Oberflächen. Die Polyurethane werden hergestellt durch
Reaktion von einem Polyol mit einem Überschuss an Polyisocyanat.
In einem zweiten Schritt wird das überschüssige
Isocyanat teilweise mit einem reaktionsfähigen Silan umgesetzt.
Eine stabile Emulsion wird erhalten, wenn dieses Polymerisat unter
Scherung in Wasser eingearbeitet wird. In der Schrift
US 4,376,149 beschreibt Martin emulgierte
Gemische aus silylierten Polyethern und OH-Siloxanen sowie deren
Einsatz bei der Beschichtung von Textilien. Shimizu und Yoshida
beschreiben in der Schrift
JP
1318066 wässrige Emulsionen aus silylierten Polyethern,
die zusätzlich kolloidale Kieselsäure enthalten
können. Die silylierten Polyether werden hergestellt durch
die Verknüpfung von einem Polypropylenglykoldiglycidylether
mit einem Trialkoxysilylglycidylether durch ein cyclisches oder
aromatisches Diamin. Klauck, Maier und Berthauer beschreiben in
der Schrift
DE 4215648 lagerstabile
Kontaktklebstoffe auf Basis von Lösungen, beziehungsweise
Emulsionen von kationisch modifizierten, alkoxysilanterminierten
Polyurethanen. In der Schrift
DE
199 55 825 beschreiben Majolo, Klauck, Klein, Ernst, Schilling
und Loth Emulsionen von silylfunktionalisierten Polymeren mit einem
Massenanteil Polymer von mindestens 60%. Ebenfalls beschrieben sind
Emulsionen von Gemischen aus mindestens zwei verschiedenen Polymeren,
eines mit und eines ohne Silylgruppen. Es wird beansprucht, dass
die beschriebenen Emulsionen silylfunktionalisierte Polymere im
Vergleich zu nicht-emulgierten Polymeren eine verbesserte Lagerstabilität
aufweisen.
Altes et al. beschreiben in den Schriften
US 6,713,558 und
US 6,831,128 wasserverdünnbare
Emulsionen silylierter Elastomere und deren Herstellung. Die Emulsionen
haben einen Massenanteil an Elastomer von mindestens 75% bei einer
Tropfengröße von kleiner als 5 μm. Hattemer,
Unger, Ferencz, Bachon, Bathelt und Schmidt beschreiben in der Schrift
WO 2006/122684 Emulsionen aus α-silylterminierten
Präpolymeren, deren Herstellung und Anwendung. Wu, You
und Huang beschreiben in der Schrift
WO 2007/072189 Emulsionen aus
Silylgruppen tragenden Präpolymeren. Die Emulsionen werden stabilisiert
durch die Zugabe von Nanosilica. Die Zugabe von konventionellen
Emulgatoren ist optional und soll in manchen Fällen eine
zusätzliche Verbesserung der Emulsionsstabilität
bewirken. In der Schrift
WO 2008/090458 beschreiben
Wu, You und Huang Emulsionen aus Silylgruppen tragenden Präpolymeren.
Die Emulsionen werden stabilisiert durch die Zugabe von monomeren
Silanen. Die Zugabe von sowohl Nanosilica als auch von konventionellen
Emulgatoren ist wiederum optional, und soll in manchen Fällen
zu einer zusätzlichen Verbesserung der Emulsionsstabilität
führen. Die Auswahl von geeigneten Emulgatoren, beziehungsweise
die Herstellung von stabilen, für die jeweilige Anwendung
geeigneten Emulsionen ist keineswegs trivial und stellt auch für
den Fachmann eine große Herausforderung da. Insbesondere
die Hydrolyselabilität der silylgruppenhaltigen Präpolymeren
lässt an der Voraussagbarkeit von stabilen Emulsionsystemen
Zweifel aufkommen.
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Trotz
der vermuteten und strukturell bedingten Hydrolyseempfindlichkeit
der in den Schriften
DE
10 2008 000 360.3 und
DE
10 2008 044 373.5 beschriebenen Präpolymere wurde
jetzt überraschenderweise gefunden dass die Präpolymere
in stabile Emulsionen überführt werden können.
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Gegenstand
der Erfindung sind daher stabile, hydrolysebeständige wässrige
Emulsionen auf Basis von entweder Silylgruppen tragenden Hydroxylverbindungen,
wie in der Schrift
DE 10
2008 000 360.3 beschrieben und/oder silylfunktionalisierten
Polyethersiloxanen, auch alkoxysilylfunktionelle Siliconpolyether oder
alkoxysilylfunktionelle Polyether-Siloxan-Copolymere genannt, wie
in der Schrift
DE 10 2008
044 373.5 beschrieben.
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Ein
Gegenstand der Erfindung sind daher stabile, hydrolysebeständige
wässrige Emulsionen enthaltend silylfunktionalisierte Polyether
mit mindestens einer nicht-terminalen Silylfunktion, bevorzugt mehr
als einer nicht-terminalen und besonders bevorzugt mehr als einer
nicht-terminalen sowie gleichzeitig mindestens einer terminalen
Silylfunktion im Molekül. Insbesondere enthalten sie mehr
als eine (1) Alkoxysilyfunktion pro gegenüber Epoxidgruppen
reaktives Kettenende.
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Eine
Emulsion wird als stabil bezeichnet wenn die Emulsion bevorzugt
nach einem Monat Lagerung bei Raumtemperatur, mindestens aber nach
einer Woche Lagerung bei Raumtemperatur keine mit dem Auge sichtbaren
Anzeichen des Brechens zeigt. Das Brechen einer Emulsion ist hier
definiert als die Separation in eine makroskopische Öl-
beziehungsweise Wasserphase. Eine Emulsion wird als hydrolysestabil
bezeichnet wenn nach einem Monat Lagerung bei Raumtemperatur, mindestens
aber nach einer Woche Lagerung bei Raumtemperatur der Gehalt an
freiem Alkohol in der Emulsion einer Spaltung von maximal 10 Gew.-%
der emulgierten Alkoxygruppen entspricht.
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Der
optimale Massenanteil Wasser beziehungsweise Polyether(siloxan)
ist abhängig von der Anwendung. Es bleibt dem Fachmann überlassen,
für einen bestimmten Anwendungsbereich den optimalen Massenanteil
Polyether(siloxan) zu finden. Dem Fachmann ist es allerdings geläufig,
dass der bevorzugte Anteil an Wasser in solchen Emulsionen zwischen
10 Gew.-% bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 20 Gew.-%
und 90 Gew.-% und insbesondere größer als 30 Gew.-%
liegt.
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Die
silylfunktionalisierten Polyether, wie in der Schrift
DE 10 2008 000 360.3 beschrieben,
bestehen aus mit Alkoxysilylgruppen substituierten Ketten, die durch
die Wahl der Fragmente d bis j der Formel (1), entsprechend der
durch die Reaktion unter Ringöffnung der Reaktionskomponenten
in die Polymerkette eingefügten Fragmente, gezielt hochfunktionalisiert
sind und damit für verschiedenartige Anwendungsgebiete
maßgeschneidert werden können
wobei
a
eine ganze Zahl von 1 bis 3, vorzugsweise 3 ist,
b eine ganze
Zahl von 0 bis 2, vorzugsweise 0 bis 1, besonders bevorzugt 0 ist,
die
Summe von a und b gleich 3 ist,
c eine ganze Zahl von 0 bis
22, bevorzugt von 0 bis 6, besonders bevorzugt gleich 1 oder 3 ist,
d
eine ganze Zahl von 1 bis 1.000, bevorzugt größer
1 bis 100, besonders bevorzugt größer 1 bis 20
und insbesondere größer 1 bis 10 ist, oder größer
10 bis 100 ist,
e eine ganze Zahl von 0 bis 10.000, bevorzugt
0 bis 1000, besonders bevorzugt 0 bis 300 und insbesondere 0 bis
100 ist,
f eine ganze Zahl von 0 bis 1.000, bevorzugt 0 bis
100, besonders bevorzugt 0 bis 50 und insbesondere 0 bis 30 ist,
g
eine ganze Zahl von 0 bis 1.000, bevorzugt 0 bis 200, besonders
bevorzugt 0 bis 100 und insbesondere 0 bis 70 ist,
h, i und
j ganze Zahlen von 0 bis 500, bevorzugt 0 bis 300, besonders bevorzugt
0 bis 200 und insbesondere 0 bis 100 ist,
und mit der Maßgabe,
dass die Fragmente mit den Indices d bis j untereinander frei permutierbar,
d. h. in der Sequenz innerhalb der Polyetherkette gegeneinander
austauschbar sind,
n eine ganze Zahl zwischen 2 und 8 ist und
R
einen oder mehrere gleiche oder verschiedene Reste, ausgewählt
aus linearen oder verzweigten, gesättigten, einfach oder
mehrfach ungesättigten Alkylresten mit 1 bis 20, insbesondere
1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder Halogenalkylgruppen mit 1 bis 20
Kohlenstoffatomen darstellt. Bevorzugt entspricht R Methyl-, Ethyl-, Propyl-,
Isopropyl-, n-Butyl- und sek.-Butylgruppen, und insbesondere Ethyl-
oder Methylgruppen, mit
R
1 gleich einem
gesättigten oder ungesättigten, gegebenenfalls
verzweigten Rest, der vorzugsweise über ein Sauerstoffatom
angebunden ist, oder stellt einen Polyetherrest vom Typ einer Alkoxy-,
Arylalkoxy- oder Alkylarylalkoxygruppe dar, bei der die Kohlenstoffkette
durch Sauerstoffatome unterbrochen sein kann, oder R
1 eine
ggf. einfach oder mehrfach annelierte aromatische Aryloxy-Gruppe,
oder eine siliciumhaltige Verbindung, insbesondere ein Siloxanrest
oder Poly(siloxan)rest ist, der alkyl- und/oder arylgruppen- und/oder
polyethersubstituiert sein kann,
R
2 oder
R
3, sowie R
5 oder
R
6 gleich oder auch unabhängig
voneinander H oder ein gesättigter oder gegebenenfalls
einfach oder mehrfach ungesättigter, auch weiter substituierter,
gegebenenfalls ein- oder mehrwertiger Kohlenwasserstoffrest, wobei
für die Reste R
5 oder R
6 gilt, dass sie gleich einem einwertigen
Kohlenwasserstoffrest sind. Der Kohlenwasserstoffrest kann cycloaliphatisch über
das Fragment Y verbrückt sein; Y kann nicht vorhanden sein,
oder aber eine Methylenbrücke mit 1 oder 2 Methyleneinheiten
sein, ist Y nicht vorhanden, so sind R
2 oder
R
3 unabhängig voneinander gleich
ein linearer oder verzweigter Rest mit 1 bis 20, bevorzugt 1 bis
10 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt ein Methyl-, Ethyl-, Propyl-
oder Butyl-, Vinyl-, Allylrest oder Phenylrest. Vorzugsweise ist
zumindest einer der beiden Reste R
2 oder
R
3 Wasserstoff. R
2–R
3 kann eine -CH
2CH
2CH
2CH
2-Gruppe,
Y damit eine -(CH
2CH
2-)-Gruppe
sein. Die Kohlenwasserstoffreste R
2 und
R
3 können ihrerseits weiter substituiert
sein und funktionelle Gruppen wie Halogene, Hydroxylgruppen oder
Glycidyloxypropylgruppen tragen,
R
4 entspricht
einem linearen oder verzweigten Alkylrest von 1 bis 24 Kohlenstoffatomen
oder einem aromatischen oder cycloaliphatischen Rest, der gegebenenfalls
seinerseits Alkylgruppen tragen kann.
R
7 und
R
8 sind unabhängig voneinander
entweder Wasserstoff, Alkyl-, Alkoxy-, Aryl- oder Aralkylgruppen,
die unter Ringöffnungspolymerisation zu vernetzbaren, Alkoxysilangruppen
enthaltenden Polyetherestern copolymerisiert werden,
R
9, R
10, R
11 und R
12 sind unabhängig
voneinander entweder Wasserstoff, Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy-, Aryl-
oder Aralkylgruppen. Der Kohlenwasserstoffrest kann cycloaliphatisch
oder aromatisch über das Fragment Z verbrückt
sein, wobei Z sowohl einen divalenten Alkylen- als auch Alkenylenrest
darstellen kann.
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Die
verschiedenen Monomereinheiten sowohl der Fragmente mit den Indexzahlen
d bis j als auch der eventuell vorhandenen Polyoxyalkylenkette des
Substituenten R1 können untereinander
blockweise aufgebaut sein oder aber auch einer statistischen Verteilung
unterliegen. Die in den hier angeführten Formeln wiedergegebenen
Indexzahlen und die Wertbereiche der angegebenen Indizes verstehen
sich daher als die Mittelwerte der möglichen statistischen
Verteilung der tatsächlichen vorhandenen Strukturen und/oder
deren Mischungen. Dies gilt auch für als solche an sich
exakt wiedergegebene Strukturformeln, wie beispielsweise für
Formel (1).
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Wie 29Si-NMR- und GPC-Untersuchungen ergeben,
bedingt das verfahrensbedingte Vorhandensein von kettenendständigen
OH-Gruppen die Möglichkeit zu Umesterungsreaktionen am
Siliziumatom sowohl während der DMC-katalysierten Herstellung
als auch z. B. in einem nachgeschalteten Prozessschritt. Dabei wird
formal der über ein Sauerstoffatom an das Silizium gebundene
Alkylrest R gegen einen langkettigen modifizierten Alkoxysilylpolymerrest
ausgetauscht. Eimodale wie auch multimodale GPC Kurven belegen,
dass die Alkoxylierungsprodukte neben den nicht umgeesterten Spezies,
wie sie in Formel (1) wiedergegeben sind, solche mit der doppelten,
zum Teil dreifachen oder gar vielfachen Molmasse enthalten. Formel
(1) gibt mithin die komplexe chemische Realität nur vereinfacht
wieder.
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Somit
enthalten die Zusammensetzungen auch Verbindungen, in denen die
Summe der Indizes (a) plus (b) in Formel (1) im statistischen Mittel
kleiner als 3 ist, da ein Teil der OR-Gruppen durch Silylpolyethergruppen
ersetzt werden kann. Die Zusammensetzungen enthalten somit Spezies,
die am Siliziumatom unter Abspaltung von R-OH und Kondensationsreaktion
mit der reaktiven OH-Gruppe eines weiteren Moleküls der Formel
(1) ausgebildet werden. Diese Reaktion kann mehrfach ablaufen bis
z. B. alle RO-Gruppen am Silizium gegen weitere Moleküle
der Formel (1) ausgetauscht sind. Das Vorhandensein von mehr als
einem Signal in typischen 29Si-NMR-Spektren
dieser Verbindungen untermauert das Auftreten von Silylgruppen mit
unterschiedlichem Substitutionsmuster. Die angegebenen Werte und
Vorzugsbereiche für die Indizes a bis j sind somit auch
nur als Mittelwerte über die verschiedenen, einzeln nicht
fassbaren Spezies zu verstehen.
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Wie
dem Fachmann bekannt, geschieht die Vernetzung oder Härtung
von Alkoxysilylgruppen in einem zweistufigen chemischen Prozess,
bei dem in einem ersten Schritt in Gegenwart von Wasser, wobei auch
Luftfeuchtigkeit ausreichen kann, die am Silizium gebundenen Alkoxygruppen
als korrespondierende Alkohole abgespalten und SiOH-Gruppen ausgebildet
werden. Letztere kondensieren im Falle der Selbstkondensation anschließend
unter Ausbildung von Si-O-Si-Brücken miteinander und bilden
polymere Werkstoffe. Alternativ reagieren die SiOH-funktionellen
Intermediate mit reaktive Gruppen aufweisenden Substraten, z. B.
besonders gut mit OH-Funktionen tragenden oxidischen und/oder silikatischen
Oberflächen (beispielsweise Mullit, Aluminiumoxid oder
auch Magnesiumoxid), und führen zu einer exzellenten chemischen
Verankerung auf dem jeweiligen Untergrund. Die Härtungsgeschwindigkeit
lässt sich auf vielfältige Weise durch Zusatz
von Katalysatoren oder Temperaturvariation beeinflussen.
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Bevorzugt
ist die Verwendung härtbarer Silylpolyether 1 mit mehr
als 1 Alkoxysilylfunktion, ganz besonders bevorzugt solche mit im
Mittelwert mehr als einer derartigen Silylgruppe pro terminaler
Hydroxylgruppe in Emulsionszusammensetzungen.
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Die
bevorzugt eingesetzten Polyethersiloxane der
DE 10 2008 044 373.5 tragen mindestens
eine Alkoxysilylgruppe in der Copolymerstruktur. Die erfindungsgemäß verwendbaren
alkoxysilylmodifizierten Polyether der Formel (1) können
durch die Alkoxylierung von silylgruppenmodifizierten Epoxiden und
einem Startalkohol unterschiedlichster Provenienz gewonnen werden.
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Die
Herstellung und die einsetzbaren Epoxid-Strukturtypen sind ausführlich
in der nicht vorveröffentlichten europäischen
Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
EP 09152883.6 beschrieben. Der Inhalt
der Beschreibung und der Ansprüche der
EP 09152883.6 und der entsprechenden
korrespondierenden nicht vorveröffentlichten Prioritätsanmeldung
DE 10 2008 00 360.3 ist
hiermit vollumfänglich als Bestandteil diese Offenbarung
anzusehen.
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Die
Silylpolyether 1 gewähren die synthetische Freiheit, zwischen
Alkoxysilylgruppen aufweisenden Polyoxyalkylenverbindungen zu wählen,
die die hydrolysierend vernetzbaren Alkoxysilylfunktionen sowohl
terminal, als auch isoliert, blockartig kumuliert als aber auch
statistisch eingestreut in die Polyoxyalkylenkette enthalten. Derartige
Silylpolyether 1 der Formel (1), zeichnen sich dadurch aus, dass
sie hinsichtlich Strukturaufbau und Molmasse gezielt und reproduzierbar
hergestellt werden können. Die Sequenz der Monomereinheiten kann
in weiten Grenzen variabel gestaltet werden. Epoxidmonomere können
beliebig blockartig aneinander gereiht oder statistisch in die Polymerkette
eingebaut sein. Die durch die Reaktion unter Ringöffnung
der Reaktionskomponenten in die entstehende Polymerkette eingefügten
Fragmente sind in ihrer Sequenz untereinander frei permutierbar,
mit der Einschränkung, dass cyclische Anhydride sowie Kohlendioxid
statistisch insertiert, also nicht in homologen Blöcken,
in der Polyetherstruktur vorliegen.
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Werden
als Silylpolyether 1 solche eingesetzt, die am Siliziumatom mehr
als 1 der hochfunktionalisierten Polyalkylenetherfragmente gebunden
enthalten, so liegen hochfunktionalisierte Verbindungen vor, bei
denen Polyetherketten, die jeweils von einem Startalkohol der Formel
R1-H (2) abgeleitet sind und die in ihrer Abfolge
die frei permutierbaren Fragmente enthalten, die durch die Reaktion
unter Ringöffnung der Reaktionskomponenten in die entstehende
Polymerkette eingefügt wurden, über -CH2-O-(CH2)c-Si-(CH2)c-O-CH2-Brücken
miteinander verknüpft sind. Es handelt sich um hochkomplexe,
hochfunktionalisierte Strukturen. Auch hier lassen sich die Funktionalitäten
gezielt auf ein gewünschtes Anwendungsgebiet einstellen.
Der Verzweigungsgrad und die Komplexität der erhaltenen
Polymerstrukturen steigen mit zunehmender Epoxyfunktionalität
der Silylmonomere. Die Kettenlänge der als Startverbindung
einsetzbaren Alkoxy-, Arylalkoxy- oder Alkylarylalkoxygruppen aufweisenden
Polyetherreste ist beliebig. Vorzugsweise enthält die Polyether-,
Alkoxy-, Arylalkoxy- oder Alkyarylalkoxygruppe 1 bis 1.500 Kohlenstoffatome,
besonders bevorzugt 2 bis 300 Kohlenstoffatome, insbesondere 2-
bis 100 Kohlenstoffatome.
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Die
Gruppe R1 entstammt entweder einem Startalkohol
R1-H (2), der bei der DMC-katalysierten
Alkoxylierung eingesetzt wird, beispielhaft für Verbindungen
der Formel (2) seien Allylalkohol, Butanol, Octanol, Dodecanol,
Stearylalkohol, 2-Ethylhexanol, Cyclohexanol, Benzylalkohol, Ethylenglykol,
Propylenglykol, Di-, Tri- und Polyethylenglykol, 1,2-Propylenglykol,
Di- und Polypropylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Trimethylolpropan,
Glycerin, Pentaerythrit, Sorbit, Cellulosezucker, Lignin oder auch
weitere auf Naturstoffen basierende, Hydroxylgruppen tragende Verbindungen,
genannt. Soll allerdings eine Siloxangruppierung als R1 in den
Silylpolyether eingeführt werden, so werden beispielsweise α,ω-Dihydroxypolysiloxane,
Wasserstoffsiloxane oder hydroxylfunktionelle Polyethersiloxane
als Ausgangsverbindungen verwendet.
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Dabei
können die Fragmente, die durch die Reaktion unter Ringöffnung
in die entstehende Polymerkette eingefügt wurden, im Rahmen
der vorhergehenden Definitionen blockartig oder statistisch verteilt,
nicht nur in der Kette einer Polyether-Struktureinheit vorkommen,
sondern auch statistisch verteilt über die Vielzahl der
gebildeten und über -CH2-O-(CH2)c-Si-(CH2)c-O-CH2-Brücken
miteinander verbundenen Polyetherstruktureinheiten, vorkommen. Die
Mannigfaltigkeit der Strukturvariationen der Verfahrensprodukte
gestattet damit keine eindeutige formelmäßige
Beschreibung.
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Die
verschiedenen Monomereinheiten sowohl der Fragmente mit den Indexzahlen
d bis j als auch der eventuell vorhandenen Polyoxyalkylenkette des
Substituenten R1 können untereinander
blockweise aufgebaut sein oder aber auch einer statistischen Verteilung
unterliegen. Die in den hier angeführten Formeln wiedergegebenen
Indexzahlen und die Wertbereiche der angegebenen Indizes verstehen
sich daher als die Mittelwerte der möglichen statistischen
Verteilung der tatsächlichen vorhandenen Strukturen und/oder
deren Mischungen. Dies gilt auch für als solche an sich
exakt wiedergegebene Strukturformeln, wie beispielsweise für
Formel (1).
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Ganz
besonders bevorzugt werden 3-Glycidyloxyalkyltrialkoxysilane oder
3-Glycidyloxyalkyldialkooxyalkylsilane als Monomere eingesetzt.
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Je
nach verwendetem epoxidfunktionellem Alkoxysilan und evtl. eingesetzten
weiteren Monomeren, sowie evtl. auch Kohlendioxid können
Alkoxysilylgruppen-modifizierte Polyetheralkohole (1) hergestellt
werden, sowie deren beliebig aufgebaute Gemische.
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Wird
als R1 damit ein (Poly-)Siloxanrest in das
Molekül eingeführt, so werden alkoxysilylfunktionelle Polyethersiloxane
erfindungsgemäß verwendet.
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Diese
alkoxysilylfunktionellen Polyethersiloxane und deren Mischungen
lassen sich nach zwei verschiedenen Verfahren herstellen, wie in
DE 2008 00 44 373.5 dargestellt:
- 1) Alkoxylierung von Siliconpolyethercopolymeren
bzw. Polysiloxanen mit epoxyfunktionellen Alkoxysilanen an Doppelmetallcyanid-Katalysatoren
und/oder
- 2) Hydrosilylierende Verknüpfung von ungesättigten
Alkoxysilylgruppen tragenden Polyethern, die zuvor durch eine Alkoxylierung
der entsprechenden ungesättigten Startverbindungen mit epoxyfunktionellen
Alkoxysilanen an DMC-Katalysatoren gewonnen wurden.
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Die
silylfunktionalisierten Polyethersiloxane, wie in der Schrift
DE 10 2008 044 373.5 beschrieben,
sind Verbindungen gemäß Formel (3) und deren Mischungen,
wobei
X
ein linearer, cyclischer oder verzweigter, aliphatischer oder aromatischer,
gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffrest
mit 1 bis 20 C-Atomen ist, der ggfs. Heteroatome wie Sauerstoff,
Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthalten kann, der jedoch vorzugsweise
eine Methylgruppe ist,
X
1 wahlweise
X, X
2 oder X
3 ist,
X
2 ein Alkoxysilylgruppen tragender OH-funktioneller,
ggfs. Ester- oder Carbonat-modifizierter Polyoxyalkylenrest der
Formel (3a) ist,
X
3 ein endständig veretherter Polyoxyalkylenrest
der Formel (3b) ist,
wobei
R
13 wahlweise eine Alkylgruppe mit 1 bis 18
C-Atomen, vorzugsweise Methyl ist,
oder ein mit einer monofunktionellen
Carbonsäure endständig veresterter Polyoxyalkylenrest
der Formel (3c) ist,
wobei
R
14 ein gesättigter oder ein ein-
oder mehrfach ungesättigter, entweder linearer oder verzweigter,
aliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 1–30
Kohlenstoffatomen ist, der seinerseits OH-Gruppen tragen kann, vorzugsweise
ein Methylrest ist,
X
4 entweder X
1 oder dem Fragment der Formel (3d) entspricht
wobei
k, k
1 und
k
2 unabhängig voneinander ganze
Zahlen von 0 bis 500, vorzugsweise von 10 bis 200, insbesondere 15
bis 100 sind,
l
3, l
4,
l
5, l
6, l
7 und l
8 unabhängig
voneinander ganze Zahlen von 0 bis 60, vorzugsweise von 0 bis 30,
insbesondere von 0 bis 25 sind,
o eine ganze Zahl von 0 bis
10, vorzugsweise von 0 bis 3 ist,
mit der Maßgabe,
dass
X
1 mindestens einmal gleich X
2 ist, falls die Summe aus l
3,
l
5 und l
7 Null ist,
und
dass die Summe aus l
3, l
5 und
l
7 mindestens 1 ist, wenn X
1 ungleich
X
2 ist,
wobei
a eine ganze Zahl
von 1 bis 3, vorzugsweise 3 ist,
b eine ganze Zahl von 0 bis
2, vorzugsweise 0 bis 1, besonders bevorzugt 0 ist,
die Summe
von a und b gleich 3 ist,
c eine ganze Zahl von 0 bis 22, bevorzugt
von 0 bis 6, besonders bevorzugt gleich 1 oder 3 ist,
c
1 eine ganze Zahl von 0 bis 24, vorzugsweise
von 0 bis 12, besonders bevorzugt von 0 bis 8, ganz besonders bevorzugt
von 0 bis 4 ist,
d eine ganze Zahl von größer
1 bis 1.000, bevorzugt größer 1 bis 100, besonders
bevorzugt größer 1 bis 20 und insbesondere größer
1 bis 10 ist, oder größer 10 bis 100 ist,
e
eine ganze Zahl von 0 bis 10.000, bevorzugt 0 bis 1000, besonders
bevorzugt 0 bis 300 und insbesondere 0 bis 100 ist,
n eine
ganze Zahl von 2 bis 8 ist und
f, g, h, i und j jeweils ganze
Zahlen von 0 bis 500, bevorzugt 0 bis 300, besonders bevorzugt 0
bis 200, insbesondere 0 bis 100 sind,
mit der Maßgabe,
dass die Fragmente mit den Indices d bis j untereinander frei permutierbar,
d. h. in der Sequenz innerhalb der Polyetherkette gegeneinander
austauschbar sind und wobei die verschiedenen Monomereinheiten der
Fragmente mit den Indexzahlen d bis j untereinander blockweise aufgebaut
sein oder aber auch einer statistischen Verteilung unterliegen können
und mit der Maßgabe, dass die Fragmente mit den Indices k,
k
1, k
2, l
3, l
4, l
5,
l
6, l
7, l
8 und o untereinander frei permutierbar, d.
h. innerhalb der Siloxankette gegeneinander austauschbar sind und
wahlweise statistisch verteilt oder blockartig aneinandergereiht
vorliegen können.
-
R
stellt einen oder mehrere gleiche oder verschiedene Reste, ausgewählt
aus linearen oder verzweigten, gesättigten, einfach oder
mehrfach ungesättigten Alkylresten mit 1 bis 20, insbesondere
1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder Halogenalkylgruppen mit 1 bis 20
Kohlenstoffatomen dar, bevorzugt eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-,
Isopropyl-, n-Butyl- oder sek.-Butylgruppe.
-
R2 oder R3, sowie
R5 oder R6 sind
gleich oder unabhängig voneinander H oder ein gesättigter
oder gegebenenfalls einfach oder mehrfach ungesättigter,
auch weiter substituierter, gegebenenfalls ein- oder mehrwertiger
Kohlenwasserstoffrest, wobei für die Reste R5 oder
R6 gilt, dass sie gleich einem einwertigen
Kohlenwasserstoffrest sind. Der Kohlenwasserstoffrest kann cycloaliphatisch über
das Fragment Y verbrückt sein; Y kann nicht vorhanden sein,
oder aber eine Methylenbrücke mit 1 oder 2 Methyleneinheiten
sein; ist Y gleich 0, so sind R2 oder R3 unabhängig voneinander gleich
ein linearer oder verzweigter Rest mit 1 bis 20, bevorzugt 1 bis
10 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt ein Methyl-, Ethyl-, Propyl-
oder Butyl-, Vinyl-, Allylrest oder Phenylrest. Vorzugsweise ist
zumindest einer der beiden Reste in R2 oder
R3 Wasserstoff. Die Kohlenwasserstoffreste
R2 und R3 können
ihrerseits weiter substituiert sein und funktionelle Gruppen wie
Halogene, Hydroxylgruppen oder Glycidyloxypropylgruppen tragen.
-
R4 ist ein linearer oder verzweigter Alkylrest
von 1 bis 18 Kohlenstoffatomen, der an einen aromatischen oder cycloaliphatischen
Rest gebunden sein kann.
-
R7 und R8 sind unabhängig
voneinander entweder Wasserstoff, Alkyl-, Alkoxy-, Aryl- oder Aralkylgruppen.
-
R9, R10, R11 und R12 sind unabhängig
voneinander entweder Wasserstoff, Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy-, Aryl- oder
Aralkylgruppen, wobei der Kohlenwasserstoffrest cycloaliphatisch
oder aromatisch über das Fragment Z verbrückt
sein, wobei Z sowohl einen divalenten Alkylen- als auch Alkenylenrest
darstellen kann.
-
Die
durch Formel (3) beschriebenen Polyethersiloxane schließen
die gegebenenfalls prozessbedingt enthaltenen Nebenprodukte wie
freie Überschusspolyether oder Umlagerungsprodukte mit
ein.
-
Die
verschiedenen Monomereinheiten innerhalb der Siloxankette bzw. innerhalb
der damit verknüpften Polyetherkette können untereinander
wahlweise blockweise oder statistisch aufgebaut sein. Die in den
hier angeführten Formeln wiedergegebenen Indexzahlen und
die Wertebereiche der angegebenen Indizes verstehen sich als die
Mittelwerte der möglichen statistischen Verteilung der
tatsächlichen isolierten Strukturen und/oder deren Mischungen.
Dies gilt auch für als solche an sich exakt wiedergegebenen
Strukturformeln. Die Polyethersiloxane mit Alkoxysilylfunktionalisierung
der Formel (3) stellen zumeist kammartig verzweigte Copolymere dar,
in denen die Polyetherketten jeweils über SiC-Bindungen
an das Polysiloxangrundgerüst gebunden sind.
-
Ebenfalls
erfindungsgemäß verwendbar sind lineare Polyether-Siloxan-Polyether-Triblockcopolymere der
Formel (5), bei denen die mit Alkoxysilylgruppen ausgestatteten
Polyetherketten über eine Si-O-C-Verknüpfung an
den Siloxankörper gebunden sind,
wobei
R' einem oder
mehreren gleichen oder verschiedenen linearen oder verzweigten,
gesättigten, einfach oder mehrfach ungesättigten
Alkylresten mit 1 bis 20, insbesondere 1 bis 10 Kohlenstoffatomen
entspricht, und
m eine ganze Zahl von 0 bis 5000, bevorzugt
2 bis 5000, besonders bevorzugt von 5 bis 4000 ist und insbesondere
9 bis 3000 ist, und
X
7 dem Polyetherfragment
der Formel (5a) entspricht.
-
-
Die
Substituenten R, R2-R12,
die Reste Y und Z sowie die Indizes a, b, c, d, e, f, g, h, i, j
und n entsprechen den zuvor für die Verbindungen der Formel
(3a) genannten Definitionen.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung sind Emulsionen in denen die Verbindungen
der Formeln (1), (3) und/oder (5) jeweils alleine oder in beliebigen
Mischungen miteinander eingesetzt werden.
-
Die
in den Formeln (3) bis (3d) und (5) sowie (5a) wiedergegebenen Indexzahlen
und die Wertbereiche der angegebenen Indizes verstehen sich als
die Mittelwerte der möglichen statistischen Verteilung
der tatsächlichen vorhandenen Strukturen und/oder deren
Mischungen.
-
Als
konventionelle Emulgatoren für die erfindungsgemäßen
Präpolymer-Emulsionen kommen prinzipiell sämtliche
anionische, nicht-ionische, kationische und amphotere Emulgatoren
sowie Emulgatormischungen in Betracht.
-
Der
oder die Mischung der anionische(n) Emulgator(en) kann/können
ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Alkylsulfate,
Arylsulfonate, Fettalkoholsulfate, Alkylsulfonate, Paraffinsulfonate,
Alkylethersulfate, Alkylpolyglykolethersulfate, Fettalkolholethersulfate,
Alkylbenzolsulfonate, Alkylnaphthylsulfonaten, Alkylphenolethersulfate,
Alkylphosphate, Phosphorsäure-mono-, di-, tri-Ester, Alkyletherphosphate,
ethoxylierte Fettalkoholphosphorsäureester, Alkylphenoletherphosphate,
Phosphonsäureester, Sulfobernsteinsäurediester,
Sulfobernsteinsäuremonoester, ethoxylierte Sulfobernsteinsäuremonoester,
Sulfosuccinamide, α-Olefinsulfonate, Alkylcarboxylate,
Alkylethercarboxylate, Alkylpolyglykolcarboxylate, Fettsäureisethionat,
Fettsäuremethyltaurid, Fettsäuresarkosid, Arylsulfonate,
Naphthalinsulfonate, Alkylglycerylethersulfonate, sulfatierte Öle,
Polyacrylate und/oder α-Sulfofettsäureester. Der
anionische Emulgator kann zum Beispiel Natrium, Kalium, Ammonium,
Monoethanolammonium, Triethanolammonium oder sonstige organisch
substituierte Ammoniumkationen als Gegenion enthalten.
-
Bevorzugte,
anionische Emulgatoren sind Natriumdodecylbenzolsulfonat, Natriumlaurylsulfat
und Natriumlaurylethersulfat.
-
Der
oder die kationische(n) Emulgator(en) kann/können ausgewählt
sein aus der Gruppe umfassend sowohl primäre, sekundäre
als auch tertiäre Amine und deren Salze, Alkyltrimethylammoniumsalze,
Dialkyldimethylammoniumsalze, Trialkylmethylammoniumsalze, Tetraalkylammoniumsalze,
alkoxylierte Alkylammoniumsalze, Esterquats, Diamidoaminquats, Alkyloxyalkylquats,
quarternäre Alkylphosphoniumsalze, ternäre Alkylsulfoniumsalze,
Alkylimidazoliumsalze, Alkyloxazoliniumsalze, Alkylpyridiumsalze
oder N,N-Dialkylmorpholiniumsalze. Der kationische Emulgator kann
zum Beispiel Chlorid, Bromid, Methylsulfat, Sulfat oder dergleichen
als Gegenion enthalten.
-
Der
oder die nichtionische(n) Emulgator(en) kann/können ausgewählt
sein aus der Gruppe umfassend Alkohole, Fettsäuren, Alkoholethoxylate,
Polyoxyethylen-Polyoxypropylenalkylether, Aminalkoxylate, Fettalkoholpolyglykolether,
Fettaminpolyglykolether, Fettsäureethoxylate, Fettsäurepolyglykolester,
Glyceridmonoalkoxylate, Alkanolamide, Fettsäurealkylolamide,
ethoxylierte Alkanolamide, ethoxylierte Ester, beispielsweise Rizinusölethoxylate,
Fettsäurealkylolamido-ethoxylate, Ethylenoxid-Propylenoxid-Blockcopolymere,
Alkylphenolethoxylate, Alkylglucoside, partielle Ester aliphatischer
Carbonsäuren mit polyfunktionellen Alkoholen, beispielsweise
Sorbitanester, Glycerinester oder Polyglycerinester, ethoxylierte
partielle Ester aliphatischer Carbonsäuren mit polyfunktionellen
Alkoholen, beispielsweise ethoxylierte Sorbitanester, ethoxylierte
Glycerinester oder ethoxylierte Polyglycerinester, polyethoxylierte
Polystyrolphenylethern, Amide aliphatischer Carbonsäuren
mit Alkanolaminen, ethoxylierte Amide aliphatischer Carbonsäuren
mit Alkanolaminen und/oder polyalkoxylierten Organopolysiloxanen.
-
Bevorzugte
nichtionische Emulgatoren sind Rizinusölethoxylate, Isotridecylalkoholpolyglykolether, Sorbitanester,
Ethylenoxid-Propylenoxid-Blockcopolymere, Stearylalkoholethoxylate
und Stearinsäureethoxylate.
-
Weitere
bevorzugte Emulgatoren sind Alkoxysilylgruppen tragende Ethylenoxid-Propylenoxid-Blockcopolymere
welche nach der Lehre der nicht vorveröffentlichten Schrift
DE 10 2008 000 360.3 hergestellt
werden können.
-
Der/die
amphotere(n) Emulgator(en) kann/können ausgewählt
sein aus der Gruppe umfassend Amphoacetate, Amphodiacetate, Glycinate,
Amphopropionate, Amphodipropionate, Hydroxysultaine, Aminoxide, Sulfobetaine
und/oder Betaine.
-
Bevorzugte
amphotere Emulgatoren sind Betaine und Aminoxide.
-
Die
wässrige Phase der erfindungsgemäßen
Emulsionen kann hydrophile Füllstoffe zur Modifizierung der
(mechanischen) Eigenschaften von Beschichtungen auf Basis der erfindungsgemäßen
Emulsionen enthalten. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Oberfläche
der eingesetzten Füllstoffe mindestens eine funktionelle Gruppe
aufweist, so dass es nach Eintrocknen beziehungsweise Brechen der
Emulsion zu chemischen Reaktionen zwischen reaktiven funktionellen
Gruppen des erfindungsgemäß verwendbaren Präpolymers
mit den funktionellen Gruppen auf der Partikeloberfläche
kommt. Beispiele solcher Füllstoffe sind pyrogene und gefällte
Kieselsäure, anorganische Oxide und Mischoxide wie Aluminiumoxid,
Titandioxid und Zirkondioxid, Glas und Quarz, Hydroxide wie Aluminium-
und Magnesiumhydroxid, Silicate wie Wollastonit, Glimmer, Kaolin
und Talk, Calciumcarbonat und andere Carbonate, Metalle wie Kupfer,
Zink und Nickel und Metalllegierungen, Nitride wie Bornitrid, Carbide
wie Siliziumcarbid, Graphit und Ruß. Weitere Beispiele
solcher Füllstoffe sind organische Partikel, wie zum Beispiel
solche auf Basis von Zellulose, Lignin, oxydiertes Polyethylen oder
ausgehärtetes Epoxidharz. Die Füllstoffe können
entweder als Pulver oder als wässrige Dispersion während
oder nach der Herstellung der Emulsion eingerührt werden.
Kommerziell erhältliche Beispiele von solchen Dispersionen
sind Aerodisp (Evonik Degussa), Ludox (W. R. Grace), Dispercoll
(Bayer Materials Science) oder Klebosol (Clariant).
-
Des
Weiteren kann die wässrige Phase Additive zur Modifizierung
der rheologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Emulsionen enthalten. Bevorzugte Beispiele solcher Additive sind
Polyurethanverdicker, Xanthangummi, Guarkernmehl, Carboxymethylzellulose,
Polyacrylate, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Carboxyvinylpolymere,
Hydroxyethylzellulose und Polyethylenimine.
-
Zur
Unterstützung und/oder Beschleunigung der Kondensationsreaktion
können die erfindungsgemäßen Emulsionen
Katalysatoren enthalten. Der Katalysator kann je nach Anwendungsbereich
und physikalischen Eigenschaften gelöst beziehungsweise
dispergiert entweder in der wässrigen Phase oder in dem
Präpolymer eingesetzt werden. Insofern es sich um einen
wasserunlöslichen Katalysator oder wasserunlösliche, Katalysator
enthaltende Lösung handelt, kann der Katalysator oder die
Katalysator enthaltende Lösung als separate Dispersion, Emulsion
oder Mikroemulsion sowie als separater Feststoff oder Flüssigkeit
zu der erfindungsgemäßen Emulsion gegeben werden.
Insofern es sich um einen wasserlöslichen Katalysator oder
wässerige, Katalysator enthaltende Lösung handelt
kann der Katalysator oder die Katalysator enthaltende Lösung, gegebenenfalls
mit Hilfe von entsprechenden Emulgatoren, in die Präpolymerphase
eingearbeitet werden. Als Katalysatoren für die Aushärtung
der erfindungsgemäßen alkoxysilylgruppentragenden
Polyether(siloxane) können die bekannten Polyurethanisierungs-,
Allophanatisierungs- oder Biuretisierungskatalysatoren verwendet
werden, die dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Hierzu zählen Verbindungen wie beispielsweise die Zinksalze
Zinkoctoat, Zinkacetylacetonat und Zink-2-ethylcaproat, oder Tetraalkylammoniumverbindungen,
wie N,N,N-Trimethyl-N-2-hydroxypropylammoniumhydroxid, N,N,N-Trimethyl-N-2-hydroxypropylammonium-2-ethylhexanoat
oder Cholin-2-ethylhexanoat verwendet werden. Bevorzugt ist die
Verwendung von Zinkoctoat (Zink-2-ethylhexanoat) und der Tetraalkylammoniumverbindungen,
besonders bevorzugt diejenige von Zinkoctoat. Weiterhin können
als Katalysatoren die üblicherweise verwendeten organischen Zinnverbindungen,
wie z. B. Dibutylzinndilaurat, Dioctylzinndilaurat, Dibutylzinndiacetylacetonat,
Dibutylzinndiacetat oder Dibutylzinndioctoat etc., verwendet werden.
Des Weiteren können auch Bismutkatalysatoren, z. B. der
Borchi-Katalysator, Titanate, z. B. Titan(IV)isopropylat, Eisen(III)-Verbindungen,
z. B. Eisen(III)acetylacetonat, Aluminiumverbindungen, z. B. Aluminiumacetylacetonat,
Calciumverbindungen, z. B. Calciumethylendiamintetraacetat, Magnesiumverbindungen,
z. B. Magnesiumethylendiamintetraacetat oder auch Amine, z. B. Triethylamin,
Tributylamin, 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan, 1,8- Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en,
1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en, N,N-Bis-(N,N-dimethyl-2-aminoethyl)methylamin,
N,N-Dimethylcyclohexylamin, N,N-Dimethylphenylamin, N-Ethylmorpholin
etc., eingesetzt werden. Auch organische. oder anorganische Brönstedsäuren
wie Methansulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure,
1-Naphthalinsulfonsäure, Camphersulfonsäure, Essigsäure,
Trifluoressigsäure oder Benzoylchlorid, Salzsäure,
Phoshorsäure, deren Mono- und/oder Diester, wie z. B. Butylphosphat,
(Iso-)Propylphosphat, Dibutylphosphat etc., sind als Katalysatoren geeignet.
Auch anorganische und organische Brönstedbasen wie z. B.
Natriumhydroxid, Tetramethylammoniumhydroxid, Kaliumhydroxid, oder
Tetrabutylammoniumhydroxid sind als Katalysatoren geeignet. Selbstverständlich
können auch Kombinationen mehrerer Katalysatoren eingesetzt
werden. Die erfindungsgemäßen härtbaren
Modi fizierungsmittel können auch sogenannte photolatente
Basen als Katalysatoren enthalten, wie sie in der
WO 2005/100482 beschrieben sind.
Unter photolatenten Basen sind vorzugsweise organische Basen mit
einem oder mehreren basischen Stickstoffatomen zu verstehen, die
zunächst in einer blockierten Form vorliegen und erst nach
Bestrahlung mit UV-Licht, sichtbarem Licht oder IR-Strahlung durch
Spaltung des Moleküls die basische Form freisetzen. Der
Katalysator bzw. die photolatente Base wird in Mengen von 0,001
bis 5,0 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 1,0 Gew.-% und besonders bevorzugt
0,05 bis 0,5 Gew.-% bezogen auf die alkoxysilylfunktionellen Präpolymere
eingesetzt. Der Katalysator bzw. die photolatente Base kann in einer
Portion oder aber auch portionsweise oder auch kontinuierlich zugegeben
werden. Bevorzugt ist die Zugabe der gesamten Menge in einer Portion.
-
Des
Weiteren kann die Präpolymerphase organofunktionelle und
(teilweise) wasserunlösliche Silane zur weiteren Erhöhung
der Vernetzungdichte enthalten. Die Silane können gegebenenfalls
die Rolle eines Reaktivverdünners übernehmen.
Solche organofunktionellen Silane sind zum Beispiel Tetraethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, N-Cyclohexylaminomethyltrimethoxysilan, N-Cyclohexyl-3-aminopropyltriethoxysilan,
3-Aminopropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan,
Vinyldimethoxymethylsilan, 3-Isocyanatopropyltrimethoxysilan, 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan,
3-Glycidyloxypropyltriethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan,
Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan,
Phenyltriethoxysilan, Octyltrimethoxysilan, Octyltriethoxysilan,
und Hexadecyltrimethoxysilan.
-
Des
Weiteren kann die Präpolymerphase organofunktionelle und
(teilweise) wasserunlösliche Siloxane enthalten. Solche
organofunktionellen Siloxane sind zum Beispiel α,ω-Dihydroxypolydimethylsiloxane, α,ω-Bis-(Trimethoxysilyl)polydimethylsiloxane
und α,ω-Bis-(Triethoxysilyl)polydimethylsiloxane.
-
Des
Weiteren können die Emulsionen auch aus der Literatur und
dem Stand der Technik bekannte Hilfsstoffe zugesetzt werden. Dazu
zählen beispielsweise filmbildende Poly(meth-)acrylate,
Silikon/(Meth-)Acrylat-Copolymere, Poly-N-Acylalkylenimine, Poly-N-Methylpyrrolidone
und Silikonharze mit fluorierten organischen Gruppen, Amino- oder
Silanolgruppen. Weitere Beispiele sind antimikrobielle und konservierende
Stoffe (z. B. Triclosan, Triclocarban, Hexachlorophen), Antioxidantien
(z. B. BHA, BHT, Ascorbinsäure und γ-Orizanol),
Dispergiermittel, Entschäumer und Entlüfter, Farbstoffe,
Färbemittel und Pigmente, Frostschutzmittel (z. B. Ethanol,
Ethylenglykol, 1,3-Butylenglykol, Propylenglykol, Glycerin oder
Isopropanol), Fungizide, Haftvermittler und/oder Reaktivverdünner
sowie Weichmacher (z. B. Phthalate, Benzoate, Phosphatweichmacher)
und Komplexbildner (z. B EDTA, Zitronensäure und Etidronsäure
sowie deren Salze). Auch Sprühhilfsmittel, Netzmittel,
Vitamine, Wuchsstoffe, Hormone sowie Duftstoffe, Lichtschutzmittel,
Radikalfänger, UV-Absorber (z. B. Benzophenonderivate,
Benzotriazolderivate, Zimtsäureester oder partikuläre
UV-Absorber wie beispielsweise ZnO oder TiO2,
sowie weitere Stabilisatoren können den Mischungen zugesetzt
werden.
-
Die
erfindungsgemäßen Präpolymeremulsionen
können als Rohstoff für Lacke, Tinten, Trennmittel, Klebstoffe,
kosmetische Produkte, kratzfeste Beschichtungen, Bautenschutzmittel,
Korrosionsschutzmittel und/oder Dichtungsmassen eingesetzt werden,
zur Beschichtung von Papier, Partikeln, Textil- und Glasfasern, zur
Beschichtung von Füllstoffen für Papier, zur Erzeugung
von Antistatikoberflächen und/oder als Ausgangsmaterial
für die Herstellung von Gummiteilen z. B. auf der Basis
von Polypropylenoxid-Kautschuk.
-
Die
erfindungsgemäßen Emulsionen werden nachfolgend
beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung auf diese beispielhaften
Ausführungsformen beschränkt sein soll. Sind nachfolgend
Bereiche, allgemeine Formeln oder Verbindungsklassen angegeben,
so sollen diese nicht nur die entsprechenden Bereiche oder Gruppen
von Verbindungen umfassen, die explizit erwähnt sind, sondern
auch alle Teilbereiche und Teilgruppen von Verbindungen, die durch
Herausnahmen von einzelnen Werten (Bereichen) oder Verbindungen
erhalten werden können. Werden im Rahmen der vorliegenden
Beschreibung Dokumente zitiert, so soll deren Inhalt vollständig
zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung gehören.
-
Beispiele:
-
In
den nachfolgenden Beispielen wird die Herstellung von Emulsionen
auf Basis von silylfunktionalisierten Polyether(siloxane)n beschrieben.
Diese silylfunktionalisierten Polyether(siloxane) sind gemäß dem
in den noch nicht offengelegten Schriften
DE 10 2008 000 360.3 und
DE 10 2008 044 373.5 nach
dem Verfahrensprinzip der DMC-katalysierten Alkoxylierung mit Propylenoxid
(PO) und 3-Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GlyEO) hergestellt worden.
Die Viskosität der Präpolymeren bei 25,0°C
wurde gemessen bei 100 s
–1 mit
einem Rotationsviskosimeter (Physica MCR301) und Kegel-Platte Geometrie.
-
Triethoxysilylpolyether I:
-
Polypropylenglykol-gestarteter
und fast farbloser, weitgehend statistisch aufgebauter Polyether
der mittleren Molmasse von ca. 9000 g/mol und vierfacher Trialkoxysilanfunktionalität.
Chemischer
Aufbau gemäß Monomerendosage: PPG500 + 128,5 mol
PO + 4 mol GLYEO
Epoxidsauerstoffgehalt: < 0,05%
OH-Zahl: 14 mg KOH/g
Viskosität:
2,4 Pa·s
-
Triethoxysilylpolyether II:
-
Polypropylenglykol-gestarteter
und fast farbloser, weitgehend statistisch aufgebauter Polyether
der mittleren Molmasse von ca. 16,000 g/mol und vierfacher Trialkoxysilanfunktionalität.
Chemischer
Aufbau gemäß Monomerendosage:
PPG700 + 123
mol PO + 2 mol GLYEO + 123 mol PO + 2 mol GLYEO
Epoxidsauerstoffgehalt: < 0,05%
Viskosität:
5,1 Pa·s
-
Triethoxysilylpolyethersiloxan III:
-
Polyethersiloxan-gestarteter
und fast farbloser, weitgehend statistisch aufgebauter Polyether
der mittleren Molmasse von ca. 9000 g/mol und vierfacher Trialkoxysilanfunktionalität.
Das Polyethersiloxan wurde durch Hydrosilylierung von Heptamethyltrisiloxan
(HMTS) an einem Poly(Ethylenoxid-stat-Propylenoxid)-Allylether mit
einem Verhältnis Ethylenoxid zu Propylenoxid von 20 zu
80 hergestellt. Das Molekulargewicht des Polyethers betrug 880 Gramm
pro Mol.
Chemischer Aufbau gemäß Monomerendosage:
Polyethersiloxan
+ 1,5 mol PO + 2 mol GLYEO + 1,5 mol PO
Epoxidsauerstoffgehalt: < 0,05%
Viskosität:
0,34 Pa·s
-
Beispiel 1:
-
12,0
Gramm TEGO® Alkanol S100P (Stearylalkohol,
Polyoxyethylen (100) Ether, Evonik Goldschmidt GmbH), 3,0 Gramm
TEGO® Alkanol TD6 (Isotridecanol,
Polyoxyethylen (6) Ether, Evonik Goldschmidt GmbH) und 15,0 Gramm
Wasser wurden in einem Glasdoppelwandgefäß auf
60°C aufgeheizt und mit einer Mizerscheibe bei 1000 U/Min
gerührt, bis eine homogene, viskose Paste entstand. Unter
Zuhilfenahme eines Tropftrichters wurde innerhalb von 30 Minuten
100,0 Gramm des Triethoxysilylpolyether I tropfenweise in die Paste unter
Rühren eingearbeitet. Die fertige Paste wurde 10 Minuten
bei 1000 U/Min gerührt. Danach wurde die Paste mit den
restlichen 200,0 Gramm Wasser verdünnt. Es entstand die
Emulsion.
-
Die
Tropfengrössenverteilung wurde mittels dynamischer Lichtstreuung
(Malvern HPPS mit 633 nm HeNe-Laser) gemessen. Die Auswertung der
Korrelationsfunktion mit dem CONTIN-Algorithmus ergab eine monomodale
Tropfengrößenverteilung mit einem durchschnittlichen
Radius von 109 nm.
-
Beispiel 2:
-
9,0
Gramm TEGO® Alkanol TD12 (Isotridecylalkohol,
Polyoxyethylen (12) Ether), 6,0 Gramm Rewopal® LA3
(Laurylalkohol, Polyoxyethylen (3) Ether) und 20,0 Gramm Wasser
wurden in einem Glasdoppelwandgefäß auf 60°C
aufgeheizt und mit einer Mizerscheibe bei 1000 U/Min gerührt,
bis eine homogene, viskose Paste entstand. Unter Zuhilfenahme eines
Tropftrichters wurde innerhalb von 30 Minuten eine homogene Lösung
aus 20,0 Gramm Octyltriethoxysilan in 80,0 Gramm des Triethoxysilylpolyether
I tropfenweise in die Paste unter Rühren eingearbeitet.
Die fertige Paste wurde 10 Minuten bei 1000 U/Min gerührt.
Danach wurde die Paste mit den restlichen 80,0 Gramm Wasser unter
Rühren verdünnt. Es entstand die Emulsion. Die
Tropfengrössenverteilung wurde gemessen mit dynamischer
Lichtstreuung (Malvern HPPS). Der durchschnittliche Tropfenradius
lag bei 116 nm. Mit einem Rotationsviskosimeter (Physica MCR301),
ausgestattet mit Kegel-Platte Geometrie, wurde die Fließkurve
der Emulsion gemessen. Die Fließkurve der Emulsion aus
Beispiel 2 ist in 4 dargestellt. Die Emulsion
ist scherverdünnend. Die Viskosität bei 100 s–1 liegt bei 0,18 Pa·s,
d. h. deutlich unterhalb der Viskosität des verwendeten
Präpolymers.
-
Beispiel 3:
-
12,0
Gramm TEGO® Alkanol S100P (Stearylalkohol,
Polyoxyethylen (100) Ether, Evonik Goldschmidt GmbH), 3,0 Gramm
TEGO® Alkanol TD6 (Isotridecanol,
Polyoxyethylen (6) Ether, Evonik Goldschmidt GmbH) und 15,0 Gramm
Wasser wurden in einem Glasdoppelwandgefäß auf
60°C aufgeheizt und mit einer Mizerscheibe bei 1000 U/Min
gerührt, bis eine homogene, viskose Paste entstand. Unter
Zuhilfenahme eines Tropftrichters wurde innerhalb von 30 Minuten
100,0 Gramm des Triethoxysilylpolyether III tropfenweise in die
Paste unter Rühren eingearbeitet. Die fertige Paste wurde
10 Minuten bei 1000 U/Min gerührt. Danach wurde die Paste
mit den restlichen 85,0 Gramm Wasser unter Rühren verdünnt.
Es entstand die Emulsion. Die Tropfengrössenverteilung
wurde gemessen mit dynamischer Lichtstreuung (Malvern HPPS). Der
durchschnittliche Tropfenradius lag bei 122 nm. Anschließend
wurde 10,0 Gramm Aerosil A200 zu der fertigen Emulsion gegeben und
eindispergiert durch Rühren bei 2000 U/Min während
10 Minuten.
-
Beispiel 4:
-
10,0
Gramm Marlon® A315 (Dodecylbenzolsulfonat,
Na-Salz, Sasol Germany GmbH), 15,0 Gr TEGO® Betain
F50 (Cocamidopropylbetain, Evonik Goldschmidt GmbH), 7,5 Gramm TEGO® Alkanol TD6 (Isotridecanol, Polyoxyethylen
(6) Ether, Evonik Goldschmidt GmbH) wurden bei Raumtemperatur in
einem Kunststoffbecher mit einer Mizerscheibe bei 1000 U/Min gerührt,
bis eine homogene, viskose Paste entstand. Unter Zuhilfenahme eines
Tropftrichters wurde innerhalb von 30 Minuten 100,0 Gramm des Triethoxysilylpolyether
III tropfenweise in die Paste unter Rühren eingearbeitet.
Die fertige Paste wurde 10 Minuten bei 1000 U/Min gerührt.
Danach wurde die Paste mit 100,0 Gramm Wasser unter Rühren
verdünnt. Es entstand die Emulsion. Die Tropfengrössenverteilung
wurde gemessen mit dynamischer Lichtstreuung (Malvern HPPS). Der
durchschnittliche Tropfenradius lag bei 144 nm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008000360 [0002, 0005, 0009, 0011, 0012, 0016, 0051, 0062]
- - US 3627722 [0004]
- - US 3632557 [0004]
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- - US 6207766 [0004]
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- - DE 102008044373 [0005, 0009, 0011, 0012, 0022, 0033, 0062]
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- - WO 2007/072189 [0010]
- - WO 2008/090458 [0010]
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- - DE 20080044373 [0032]
- - WO 2005/100482 [0056]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Adhesives
Age” 4/1995, Seite 30 ff. (Autoren: Ta-Min Feng, B. A.
Waldmann [0003]
- - VOC-Richtlinie von 1999 [0006]
- - Richtlinie 1999/13/EG [0006]
- - 2004/42/EG [0006]
- - S. U. Pickering: „Emulsions”, J. Chem. Soc.
1907, Vol. 91, pp. 2001–2021 [0008]
- - Altes et al. [0010]