DE102010041239A1

DE102010041239A1 - Prepregs auf der Basis lagerstabiler reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung

Info

Publication number: DE102010041239A1
Application number: DE201010041239
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidt Friedrich Georg; Dr. Reemers Sandra; Dr. Kraatz Amim
Original assignee: Evonik Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-03-29
Also published as: CN103210023A; CA2811063A1; TW201226453A; JP2013537928A; ZA201302838B; KR20130109142A; MX2013003169A; RU2013118433A; BR112013006846A2; WO2012038200A1; EP2619256A1; AU2011304536B2; AU2011304536A1; US20130231022A1

Abstract

Die Erfindung betrifft mit Pigment- oder Farbstoffzubereitungen farbig eingestellte Prepregs auf der Basis lagerstabiler reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung.

Description

Die Erfindung betrifft mit Pigment- oder Farbstoffzubereitungen farbig eingestellte Prepregs auf der Basis lagerstabiler reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung.
Prepregs auf der Basis lagerstabiler reaktiver oder hochreaktiver Polyurethanzusammensetzung sind aus DE 102009001793 , DE 102009001806 , DE 10201029355 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Herstellung von farbig eingestellten Prepregs auf der Basis lagerstabiler reaktiver oder hochreaktiver Polyurethanzusammensetzung zu ermöglichen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt mit für Pulverlackanwendungen geeigneten Pigment- oder Farbstoffzubereitungen, die bei der Prepregherstellung in der Matrixmaterial-Zusammensetzung auf der Basis von lagerstabilen reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen bereits enthalten sind.
Gegenstand der Erfindung ist sind farbige Prepregs,
im Wesentlichen aufgebaut aus

A) mindestens einem Faser förmigen Träger und
B) mindestens einer reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung als Matrixmaterial, wobei die Polyurethanzusammensetzungen im Wesentlichen Mischungen aus einem gegenüber Isocyanaten reaktive funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren b) als Binder und intern blockierten und/oder mit Blockierungsmitteln blockierten Di- oder Polyisocyanat als Härter a) enthalten, wobei das Matrixmaterial zusätzlich 1. Pigmente mit Partikel-Durchmesser von < 150 nm und/oder 2. Farbstoffe enthält.

Die Herstellung der Prepregs kann im Prinzip nach beliebigen Verfahren erfolgen.
Geeigneter Weise wird eine die Farbstoffe bzw. Pigmente enthaltende pulverförmige Polyurethanzusammensetzung B) durch Pulverimprägnierung, bevorzugt durch ein Streuverfahren auf den Träger aufgebracht. Möglich sind auch Wirbelsinterverfahren, Pultrusion, oder Sprühverfahren. Das Pulver (gesamt oder eine Fraktion) wird bevorzugt über Streuverfahren auf den Faser förmigen Träger, z. B. auf Bahnen aus Glas-, Kohle-, oder Aramid-Fasergelege/-gewebe, aufgebracht und anschließend fixiert. Zur Vermeidung von Pulververlusten wird bevorzugt direkt nach dem Streuvorgang in einer Heizstrecke (z. B. mit IR-Strahlern) der mit Pulver beaufschlagte Faser förmige Träger erwärmt, sodass ein Ansintern der Partikel erfolgt, wobei Temperaturen von 80 bis 100°C nicht überschritten werden sollten, um ein Anreagieren des hochreaktiven Matrixmaterials zu verhindern. Diese Prepregs können je nach Bedarf zu unterschiedlichen Formen kombiniert und zugeschnitten werden.
Die Herstellung der Prepregs kann auch nach dem Direkt-Schmelze-Impregnierverfahren erfolgen. Das Prinzip des Direkt-Schmelze-Impregnierverfahren der Prepregs besteht darin, dass zunächst eine die Farbstoffe bzw. Pigmente enthaltende reaktive oder hochreaktive Polyurethanzusammensetzung B) aus deren einzelnen Komponenten in der Schmelzehergestellt wird. Diese Schmelze der die Farbstoffe bzw. Pigmente enthaltende reaktiven Polyurethanzusammensetzung B) wird dann direkt auf den Faser förmigen Träger A) aufgebracht, dass heißt es erfolgt eine Imprägnierung des Faser förmigen Trägers A) mit der Schmelze aus B). Danach können die abgekühlten lagerfähigen Prepregs zu einem späteren Zeitpunkt zu Composites weiterverarbeitet werden. Durch dass erfindungsgemäße Direkt-Schmelze-Impregnierverfahren erfolgt eine sehr gute Imprägnierung des Faser förmigen Trägers, dadurch bedingt, dass die dabei flüssig niedrig viskosen reaktiven Polyurethanzusammensetzungen die Faser des Trägers sehr gut benetzen.
Die Herstellung der Prepregs kann auch mittels eines Lösemittels erfolgen. Das Prinzip des Verfahrens zur Herstellung von Prepregs besteht dann darin, dass zunächst eine Lösung oder eine Dispersion, welche die Farbstoffe bzw. Pigmente enthaltende, reaktive oder hochreaktive Polyurethanzusammensetzung B) aus deren einzelnen Komponenten, in einem geeigneten gemeinsamen Lösemittel hergestellt wird. Diese Lösung oder Dispersion der reaktiven Polyurethanzusammensetzung B) wird dann direkt auf den Faser förmigen Träger A) aufgebracht, wobei der Faser förmige Träger mit dieser Lösung getränkt/imprägniert wird. Anschließend wird das Lösemittel entfernt. Bevorzugt wird das Lösemittel vollständig bei niedriger Temperatur, bevorzugt < 100°C, durch z. B. thermische Behandlung oder Vakuumapplizierung entfernt. Danach können die wieder vom Lösemittel befreiten lagerfähigen Prepregs zu einem späteren Zeitpunkt zu Composites weiterverarbeitet werden. Durch dass erfindungsgemäße Verfahren erfolgt eine sehr gute Imprägnierung des Faser förmigen Trägers, dadurch bedingt, dass die Lösungen der reaktiven Polyurethanzusammensetzungen die Faser des Trägers sehr gut benetzen.
Als geeignete Lösemittel für das erfindungsgemäße Verfahren können alle aprotischen Flüssigkeiten verwendet werden, die nicht reaktiv gegenüber den reaktiven Polyurethanzusammensetzungen sind, ein ausreichendes Lösevermögen gegenüber den eingesetzten einzelnen Komponenten der reaktiven Polyurethanzusammensetzung aufweisen und im Rahmen des Prozessschrittes der Lösemittelentfernung bis auf geringfügige Spuren (< 0,5 Gewichts-%) aus dem mit der reaktiven Polyurethanzusammensetzung imprägnierten Prepreg abgezogen werden können, wobei eine Recyclierung des abgetrennten Lösemittels vorteilhaft ist. Beispielhaft seien hier genannt: Ketone (Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Cyclohexanon), Ether (Tetrahydrofuran), Ester (n-Propylacetat, n-Butylacetat, Isobutylacetat, 1,2-Propylencarbonat, Propylenglykol-Methylether-Acetat).
Die erfindungsgemäßen Prepregs weisen nach Abkühlung auf Raumtemperatur eine sehr hohe Lagerstabilität bei Raumtemperatur auf, sobald das Matrixmaterial einen Tg von mindestens 40°C aufweist. Diese beträgt je nach enthaltener reaktiver Polyurethanzusammensetzung mindestens einige Tage bei Raumtemperatur, aber in der Regel sind die Prepregs mehrere Wochen bei 40°C und darunter lagerstabil. Die so hergestellten Prepregs sind nicht klebrig und daher sehr gut zu handhaben und weiter zu verarbeiten. Die erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen weisen demnach eine sehr gute Haftung und Verteilung auf dem Faser förmigen Träger auf.
Während der Weiterverarbeitung der Prepregs zu Composites (Verbundwerkstoffen) z. B. durch Verpressen bei erhöhten Temperaturen, erfolgt eine sehr gute Imprägnierung des Faser förmigen Trägers, dadurch bedingt, dass die dabei flüssig niedrig viskosen reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen vor der Vernetzungsreaktion die Faser des Trägers sehr gut benetzen, bevor durch die Vernetzungsreaktion der reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung bei erhöhten Temperaturen eine Vergelung eintritt beziehungsweise die komplette Polyurethanmatrix durchhärtet.
Die so hergestellten Prepregs können je nach Bedarf zu unterschiedlichen Formen kombiniert und zugeschnitten werden.
Zur Konsolidierung der Prepregs zu einem einzigen Composite und zur Vernetzung des Matrixmaterials zur Matrix werden die Prepregs zugeschnitten, gegebenenfalls vernäht oder anderweitig fixiert und in einer geeigneten Form unter Druck und gegebenenfalls Anlegen von Vakuum verpresst. Im Rahmen dieser Erfindung erfolgt dieser Vorgang der Herstellung der Composites aus den Prepregs je nach Aushärtungszeit bei Temperaturen von oberhalb etwa 160°C bei Einsatz von reaktiven Matrixmaterialien (Variante I), oder bei mit entsprechenden Katalysatoren versehenen hochreaktiven Matrixmaterialien (Variante II) bei Temperaturen von über 100°C.
Je nach Zusammensetzung der verwendeten reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung und gegebenenfalls zugesetzten Katalysatoren können sowohl die Geschwindigkeit der Vernetzungsreaktion bei der Herstellung der Composite-Bauteile als auch die Eigenschaften der Matrix in weiten Bereichen variiert werden.
Als Matrixmaterial wird im Rahmen der Erfindung die zur Herstellung der Prepregs eingesetzte reaktive oder hochreaktive Polyurethanzusammensetzung definiert und bei der Beschreibung der Prepregs die auf der Faser durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgebrachte noch reaktive oder hochreaktive Polyurethanzusammensetzung.
Die Matrix ist definiert als die im Composite vernetzten Matrixmaterialien aus den reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen.
Träger
Der Faser förmige Träger in der vorliegenden Erfindung besteht aus Faser förmigem Material (auch häufig Verstärkungsfasern genannt). Im Allgemeinen ist jegliches Material, aus dem die Fasern bestehen, geeignet, bevorzugt wird jedoch Faser förmiges Material aus Glas, Kohlenstoff, Kunststoffen, wie z. B. Polyamid (Aramid) oder Polyester, Naturfasern oder mineralischen Fasermaterialien wie Basaltfasern oder keramische Fasern (Oxidische Fasern auf Basis von Aluminiumoxiden und/oder Siliciumoxiden) verwendet. Auch Mischungen von Fasertypen, wie z. B. Gewebe-Kombinationen aus Aramid- und Glasfasern, oder Kohlenstoff- und Glasfasern, können verwendet werden. Ebenso sind Hybrid-Composite-Bauteile mit Prepregs aus unterschiedlichen Faser förmigen Trägern herstellbar.
Glasfasern sind hauptsächlich wegen ihres relativ geringen Preises die am häufigsten verwendeten Fasertypen. Prinzipiell sind hier alle Arten von glasbasierenden Verstärkungsfasern geeignet (E-Glas-, S-Glas-, R-Glas-, M-Glas-, C-Glas-, ECR-Glas-, D-Glas-, AR-Glas-, oder Hohlglasfasern). Kohlenstofffasern kommen im Allgemeinen in Hochleistungsverbundverstoffen zum Einsatz, wo auch die im Verhältnis zur Glasfaser niedrigere Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit ein wichtiger Faktor ist. Kohlenstofffasern (auch Carbonfasern) sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen: isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung. Als Naturfasern werden hier alle Textilfasern und Faserwerkstoffe bezeichnet, die aus pflanzlichem und tierischem Material gewonnen werden (z. B. Holz-, Zellulose-, Baumwoll-, Hanf-, Jute-, Leinen-, Sisal-, Bambusfasern). Aramid-Fasern weisen, ähnlich wie auch Kohlenstofffasern, einen negativen Wärmeausdehnungs-koeffizienten auf, werden also bei Erwärmung kürzer. Ihre spezifische Festigkeit und ihr Elastizitätsmodul ist deutlich niedriger als jene von Kohlenstofffasern. In Verbindung mit dem positiven Ausdehnungskoeffizienten des Matrixharzes lassen sich hoch maßhaltige Bauteile fertigen. Gegenüber Kohlenstofffaser verstärkten Kunststoffen ist die Druckfestigkeit von Aramidfaser-Verbundwerkstoffen deutlich geringer. Bekannte Markennamen für Aramidfasern sind Nomex^® und Kevlar^® von DuPont, oder Teijinconex^®, Twaron^® und Technora^® von Teijin. Besonders geeignet und bevorzugt sind Träger aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder keramische Fasern. Bei dem Faser förmigen Material handelt es sich um ein textiles Flächengebilde. Geeignet sind textile Flächengebilde aus Vlies, ebenso sogenannte Maschenware, wie Gewirke und Gestricke, aber auch nicht maschige Gebinde wie Gewebe, Gelege oder Geflechte. Außerdem unterscheidet man Langfaser- und Kurzfasermaterialien als Träger. Ebenfalls erfindungsgemäß geeignet sind Rovings und Garne. Alle genannten Materialien sind im Rahmen der Erfindung als Faser förmiger Träger geeignet. Einen Überblick über Verstärkungsfasern enthält „Composites Technologien, Paolo Ermanni (Version 4), Script zur Vorlesung ETH Zürich, August 2007, Kapitel 7".
Matrixmaterial
Prinzipiell sind alle, auch sonstige zu bei Raumtemperatur lagerstabilen reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen als Matrixmaterialen geeignet. Geeignete Polyurethanzusammensetzungen bestehen erfindungsgemäß aus Mischungen aus einem funktionellen Gruppen – reaktiv gegenüber NCO-Gruppen – aufweisenden Polymeren b) (Binder), auch als Harz bezeichnet, und temporär deaktivierte, das heißt intern blockierte und/oder mit Blockierungsmitteln blockierte Di- oder Polyisocyanate, auch als Härter a) (Komponente a)) bezeichnet.
Als funktionelle Gruppen der Polymeren b) (Binder) sind Hydroxylgruppen, Aminogruppen und Thiolgruppen geeignet, welche mit den freien Isocyanatgruppen unter Addition reagieren und somit die Polyurethanzusammensetzung vernetzen und aushärten. Die Binderkomponenten müssen einen Festharzcharakter (Glastemperatur größer als die Raumtemperatur) haben. Als Binder kommen in Frage Polyester, Polyether, Polyacrylate, Polycarbonate und Polyurethane mit einer OH-Zahl von 20 bis 500 mg KOH/Gramm und einer mittleren Molmasse von 250 bis 6000 g/Mol. Besonders bevorzugt werden hydroxylgruppenhaltige Polyester oder Polyacrylate mit einer OH-Zahl von 20 bis 150 mg KOH/Gramm und einem mittleren Molekulargewicht von 500 bis 6000 g/mol. Selbstverständlich können auch Mischungen solcher Polymere eingesetzt werden. Die Menge an den funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren b) wird so gewählt, dass auf jede funktionelle Gruppe der Komponente b) 0,6 bis 2 NCO-Äquivalente oder 0,3 bis 1 Uretdiongruppe der Komponente a) entfällt.
Als Härterkomponente a) werden mit Blockierungsmitteln blockierte oder intern blockierte (Uretdion) Di- und Polyisocyanate eingesetzt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Di- und Polyisocyanate können aus beliebigen aromatischen, aliphatischen, cycloaliphatischen und/oder (cyclo)aliphatischen Di- und/oder Polyisocyanaten bestehen.
Als aromatische Di- oder Polyisocyanate sind prinzipiell alle bekannten aromatischen Verbindungen geeignet. Besonders geeignet sind 1,3- und 1,4-Phenylendiisocyanat, 1,5-Naphthylen-diisocyanat, Tolidindiisocyanat, 2,6-Toluylendiisocyanat, 2,4-Toluylendiisocyanat (2,4-TDI), 2,4'-Diphenytmethandiisocyanat (2,4'-MDI), 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, die Mischungen aus monomeren Diphenylmethandiisocyanaten (MDI) und oligomeren Diphenylmethandiisocyanaten (Polymer-MDI), Xylylendiisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat und Triisocyanatotoluol.
Geeignete aliphatische Di- oder Polyisocyanate besitzen vorteilhafterweise 3 bis 16 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 4 bis 12 Kohlenstoffatome, im linearen oder verzweigten Alkylenrest und geeignete cycloaliphatische oder (cyclo)aliphatische Diisocyanate vorteilhafterweise 4 bis 18 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 6 bis 15 Kohlenstoffatome, im Cycloalkylenrest. Unter (cyclo)aliphatischen Diisocyanaten versteht der Fachmann hinlänglich gleichzeitig cyclisch und aliphatisch gebundene NCO-Gruppen, wie es z. B. beim Isophorondiisocyanat der Fall ist. Demgegenüber versteht man unter cycloaliphatischen Diisocyanaten solche, die nur direkt am cycloaliphatischen Ring gebundene NCO-Gruppen aufweisen, z. B. H₁₂MDI. Beispiele sind Cyclohexandiisocyanat, Methylcyclohexandiisocyanat, Ethylcyclohexandiisocyanat, Propylcyclohexandiisocyanat, Methyldiethylcyclohexandiisocyanat, Propandiisocyanat, Butandiisocyanat, Pentandiisocyanat, Hexandiisocyanat, Heptandiisocyanat, Octandiisocyanat, Nonandiisocyanat, Nonantriisocyanat, wie 4-Isocyanatomethyl-1,8-octandiisocyanat (TIN), Dekandi- und triisocyanat, Undekandi- und -triisocyanat, Dodecandi- und -triisocyanate.
Bevorzugt werden Isophorondiisocyanat (IPDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI), Diisocyanatodicyclohexylmethan (H₁₂MDI), 2-Methylpentandiisocyanat (MPDI), 2,2,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat/2,4,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat (TMDI), Norbornandiisocyanat (NBDI). Ganz besonders bevorzugt werden IPDI, HDI, TMDI und H₁₂MDI eingesetzt, wobei auch die Isocyanurate einsetzbar sind. Ebenfalls geeignet sind 4-Methyl-cyclohexan-1,3-diisocyanat, 2-Butyl-2-ethylpentamethylen-diisocyanat, 3(4)-Isocyanatomethyl-1-methylcyclohexylisocyanat, 2-Isocyanatopropylcyclohexyl-isocyanat, 2,4'-Methylenbis(cyclohexyl)diisocyanat, 1,4-Diisocyanato-4-methyl-pentan.
Selbstverständlich können auch Gemische der Di- und Polyisocyanate eingesetzt werden.
Weiterhin werden vorzugsweise Oligo- oder Polyisocyanate verwendet, die sich aus den genannte Di- oder Polyisocyanaten oder deren Mischungen durch Verknüpfung mittels Urethan-, Allophanat-, Harnstoff-, Biuret-, Uretdion-, Amid-, Isocyanurat-, Carbodiimid-, Uretonimin-, Oxadiazintrion- oder Iminooxadiazindion-Strukturen herstellen lassen. Besonders geeignet sind Isocyanurate, insbesondere aus IPDI und HDI.
Die erfindungsgemäß verwendeten Polyisocyanate sind blockiert. In Frage kommen dazu externe Blockierungsmittel, wie z. B. Acetessigsäureethylester, Diisopropylamin, Methylethylketoxim, Malonsäurediethylester, ε-Caprolactam, 1,2,4-Triazol, Phenol bzw. substituierte Phenole und 3,5-Dimethylpyrazol. Die bevorzugt verwendeten Härterkomponente sind IPDI-Addukte, die Isocyanurat-Gruppierungen und ε-Caprolactam blockierte Isocyanatstrukturen enthalten. Auch eine interne Blockierung ist möglich und diese wird bevorzugt verwendet. Die interne Blockierung erfolgt über eine Dimerbildung über Uretdion-Strukturen, die bei erhöhter Temperatur wieder in die ursprünglich vorhandenen Isocyanat-Strukturen zurückspalten und damit die Vernetzung mit dem Binder in Gang setzen.
Optional können die reaktiven Polyurethanzusammensetzungen zusätzliche Katalysatoren enthalten. Es handelt sich hierbei um metallorganischen Katalysatoren, wie z. B. Dibutylzinndilaurat (DBTL), Zinnoctoat, Bismuthneodecanoat, oder aber tertiäre Amine, wie z. B. 1,4–Diazabicylco[2.2.2.]octan, in Mengen von 0,001–1 Gew.-%. Diese erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen werden bei normalen Bedingungen, z. B. mit DBTL-Katalyse, ab 160°C, üblicherweise ab ca. 180°C ausgehärtet und als bezeichnet.
Für die Herstellung der reaktiven Polyurethanzusammensetzungen können die in der Pulverlacktechnologie üblichen Zusatzstoffe, wie Verlaufsmittel, z. B. Polysilicone oder Acrylate, Lichtschutzmittel z. B. sterisch gehinderte Amine, oder andere Hilfsmittel, wie sie z. B. in EP 669 353 beschrieben wurden, in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 5 Gew.-% zugesetzt werden.
Reaktiv (Variante I) bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass die erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen wie oben beschrieben bei Temperaturen ab 160°C, und zwar je nach Art des Trägers aushärten. Die erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen werden bei normalen Bedingungen, z. B. mit DBTL-Katalyse, ab 160°C, üblicherweise ab ca. 180°C ausgehärtet. Die Zeit zur Aushärtung der erfindungsgemäß eingesetzten Polyurethanzusammensetzung liegt in der Regel innerhalb von 5 bis 60 Minuten.
Bevorzugt wird bei der vorliegenden Erfindung ein Matrixmaterial B) eingesetzt, aus einer reaktiven Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen B), im Wesentlichen enthaltend

a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter, basierend auf Polyadditionsverbindungen aus aliphatischen, (cyclo)aliphatischen oder cycloaliphatischen Uretdiongruppen enthaltende Polyisocyanaten und hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen, wobei der Härter unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einen freien NCO-Gehalt von kleiner 5 Gew.-% und einem Uretdiongehalt von 3–25 Gew.-% aufweist,
b) mindestens ein hydroxylgruppenhaltiges Polymer, das unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einer OHZahl zwischen 20 und 200 mg KOH/Gramm,
c) gegebenenfalls mindestens einen Katalysator,
d) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe,

Uretdiongruppen enthaltende Polyisocyanate sind wohlbekannt und werden beispielsweise in US 4,476,054 , US 4,912,210 , US 4,929,724 sowie EP 417 603 beschrieben. Ein umfassender Überblick über industriell relevante Verfahren zur Dimerisierung von Isocyanaten zu Uretdionen liefert das J. Prakt. Chem. 336 (1994) 185–200. Im Allgemeinen erfolgt die Umsetzung von Isocyanaten zu Uretdionen in Gegenwart löslicher Dimerisierungskatalysatoren wie z. B. Dialkylaminopyridinen, Trialkylphosphinen, Phosphorigsäure-triamiden oder Imdidazolen. Die Reaktion – optional in Lösemitteln, bevorzugt aber in Abwesenheit von Lösemitteln durchgeführt – wird bei Erreichen eines gewünschten Umsatzes durch Zusatz von Katalysatorgiften abgestoppt. Überschüssiges monomeres Isocyanat wird im Anschluss durch Kurzwegverdampfung abgetrennt. Ist der Katalysator flüchtig genug, kann das Reaktionsgemisch im Zuge der Monomerabtrennung vom Katalysator befreit werden. Auf den Zusatz von Katalysatorgiften kann in diesem Fall verzichtet werden. Grundsätzlich ist zur Herstellung von Uretdiongruppen enthaltenden Polyisocyanaten eine breite Palette von Isocyanaten geeignet. Es können die oben genannten Di- und Polyisocyanate verwendet werden. Bevorzugt sind aber Di- und Polyisocyanate aus beliebigen aliphatischen, cycloaliphatischen und/oder (cyclo)aliphatischen Di- und/oder Polyisocyanaten. Erfindungsgemäß werden Isophorondiisocyanat (IPDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI), Diisocyanatodicyclohexylmethan (H₁₂MDI), 2-Methylpentandiisocyanat (MPDI), 2,2,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat/2,4,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat (TMDI), Norbornandiisocyanat (NBDI) verwendet. Ganz besonders bevorzugt werden IPDI, HDI, TMDI und H₁₂MDI eingesetzt, wobei auch die Isocyanurate einsetzbar sind.
Ganz besonders bevorzugt wird für das Matrixmaterial IPDI und HDI verwendet. Die Umsetzung dieser Uretdiongruppen enthaltenden Polyisocyanate zu Uretdiongruppen haltigen Härtern a) beinhaltet die Reaktion der freien NCOGruppen mit hydroxylgruppenhaltigen Monomeren oder Polymeren, wie z. B. Polyester, Polythioethern, Polyethern, Polycaprolactamen, Polyepoxiden, Polyesteramiden, Polyurethanen oder niedermolekularen Di-, Tri- und/oder Tetraalkoholen als Kettenverlängerer und gegebenenfalls Monoaminen und/oder Monoalkoholen als Kettenabbrecher und wurde schon häufig beschrieben ( EP 669 353 , EP 669 354 , DE 30 30 572 , EP 639 598 oder EP 803 524 ).
Bevorzugte Uretdiongruppen aufweisende Härter a) haben einen freien NCO-Gehalt von weniger als 5 Gew.-% und einen Gehalt an Uretdiongruppen von 3 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 6 bis 18 Gew.-% (berechnet als C₂N₂O₂, Molekulargewicht 84). Bevorzugt werden Polyester und monomere Dialkohole. Außer den Uretdiongruppen können die Härter auch Isocyanurat-, Biuret-, Allophanat-, Urethan- und/oder Harnstoff-Strukturen aufweisen.
Bei den hydroxylgruppenhaltigen Polymeren b) werden bevorzugt Polyester, Polyether, Polyacrylate, Polyurethane und/oder Polycarbonate mit einer OH-Zahl von 20–200 in mg KOH/Gramm eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Polyester mit einer OH-Zahl von 30–150, einem mittleren Molekulargewicht von 500–6000 g/mol, die unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegen, verwendet. Solche Bindemittel sind beispielsweise in EP 669 354 und EP 254 152 beschrieben worden. Selbstverständlich können auch Mischungen solcher Polymere eingesetzt werden. Die Menge an den hydroxylgruppenhaltigen Polymeren b) wird so gewählt, dass auf jede Hydroxylgruppe der Komponente b) 0,3 bis 1 Uretdiongruppe der Komponente a), bevorzugt 0,45 bis 0,55, entfällt. Optional können in den erfindungsgemäßen reaktiven Polyurethanzusammensetzungen B) zusätzliche Katalysatoren c) enthalten sein. Es handelt sich hierbei um metallorganischen Katalysatoren, wie z. B. Dibutylzinndilaurat, Zinkoctoat, Bismuthneodecanoat, oder aber tertiäre Amine, wie z. B. 1,4–Diazabicylco[2.2.2.]octan, in Mengen von 0,001–1 Gew.-%. Diese erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen werden bei normalen Bedingungen, z. B. mit DBTL-Katalyse, ab 160°C, üblicherweise ab ca. 180°C ausgehärtet und als Variante I bezeichnet.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen reaktiven und hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen können die in der Pulverlacktechnologie üblichen Zusatzstoffe wie Verlaufsmittel, z. B. Polysilicone oder Acrylate, Lichtschutzmittel z. B. sterisch gehinderte Amine, oder andere Hilfsmittel, wie sie z. B. in EP 669 353 beschrieben wurden, in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 5 Gew.-% zugesetzt werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen werden bei normalen Bedingungen, z. B. mit DBTL-Katalyse, ab 160°C, üblicherweise ab ca. 180°C ausgehärtet Die erfindungsgemäß eingesetzten reaktiven Polyurethanzusammensetzungen bieten einen sehr guten Verlauf und damit eine gute Imprägnierfähigkeit und im ausgehärteten Zustand eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit. Bei Verwendung von aliphatischen Vernetzern (z. B. IPDI oder H₁₂MDI) wird zusätzlich noch eine gute Witterungsbeständigkeit erreicht.
Besonders bevorzugt wird bei der Erfindung ein Matrixmaterial eingesetzt aus

B) mindestens einer hochreaktiven Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzung, im Wesentlichen enthaltend a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter und b) optional mindestens ein Polymer mit gegenüber NCO-Gruppen reaktiven funktionellen Gruppen; c) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Katalysator ausgewählt aus quarternären Ammoniumsalzen und/oder quarternären Phosphoniumsalzen mit Halogenen, Hydroxiden, Alkoholaten oder organischen oder anorganischen Säureanionen als Gegenion; und d) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Co-Katalysator, ausgewählt aus d1) mindestens einem Epoxid und/oder d2) mindestens einem Metallacetylacetonat und/oder quarternären Ammoniumacetylacetonat und/oder quarternären Phosphoniumacetylacetonat; e) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe.

Ganz besonders wird ein Matrixmaterial B) eingesetzt aus

B) mindestens einer hochreaktiven pulverförmigen Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzung als Matrixmaterial, im Wesentlichen enthaltend a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter, basierend auf Polyadditionsverbindungen aus aliphatischen, (cyclo)aliphatischen oder cycloaliphatischen Uretdiongruppen enthaltenen Polyisocyanaten und hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen, wobei der Härter unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einen freien NCO-Gehalt von kleiner 5 Gew.-% und einem Uretdiongehalt von 3–25 Gew.-% aufweist, b) mindestens ein hydroxylgruppenhaltiges Polymer, das unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einer OH-Zahl zwischen 20 und 200 mg KOH/Gramm; c) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Katalysator ausgewählt aus quarternären Ammoniumsalzen und/oder quarternären Phosphoniumsalzen mit Halogenen, Hydroxiden, Alkoholaten oder organischen oder anorganischen Säureanionen als Gegenion; und d) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Co-Katalysator, ausgewählt aus d1) mindestens einem Epoxid und/oder d2) mindestens einem Metallacetylacetonat und/oder quarternären Ammoniumacetylacetonat und/oder quarternären Phosphoniumacetylacetonat; e) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe,

Geeignete hochreaktive Urediongruppen haltige Polyurethanzusammensetzungen enthalten erfindungsgemäß Mischungen aus temporär deaktivierten, das heißt Uretdiongruppen haltigen (intern blockierte) Di- oder Polyisocyanaten, auch als Härter a) bezeichnet, und den erfindungsgemäß enthaltenen Katalysatoren c) und d) und optional zusätzlich ein funktionelle Gruppen – reaktiv gegenüber NCO-Gruppen – aufweisendes Polymer (Binder), auch als Harz b) bezeichnet. Die Katalysatoren gewährleisten eine Aushärtung der Urediongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen bei Niedrigtemperatur. Die Urediongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen sind somit hochreaktiv.
Als Komponente a) und b) werden solche wie oben beschrieben eingesetzt.
Als Katalysatoren unter c) werden quarternäre Ammoniumsalze, bevorzugt Tetralkylammoniumsalze und/oder quarternäre Phosphoniumsalze mit Halogenen, Hydroxiden, Alkoholaten oder organischen oder anorganischen Säureanionen als Gegenion, eingesetzt. Beispiele dafür sind:
Tetramethylammoniumformiat, Tetramethylammoniumacetat, Tetramethylammoniumpropionat, Tetramethylammoniumbutyrat, Tetramethylammoniumbenzoat, Tetraethylammoniumformiat, Tetraethylammoniumacetat, Tetraethylammoniumpropionat, Tetraethylammoniumbutyrat, Tetraethylammoniumbenzoat, Tetrapropylammoniumformiat, Tetrapropylammoniumacetat, Tetrapropylammoniumpropionat, Tetrapropylammoniumbutyrat, Tetrapropylammoniumbenzoat, Tetrabutylammoniumformiat, Tetrabutylammoniumacetat, Tetrabutylammoniumpropionat, Tetrabutylammoniumbutyrat und Tetrabutylammoniumbenzoat und Tetrabutylphosphoniumacetat, Tetrabutylphosphoniumformiat und Ethyltriphenylphosphoniumacetat, Tetrabutylphosphoniumbenzotriazolat, Tetraphenylphosphoniumphenolat und Trihexyltetradecylphosphoniumdecanoat, Methyltributylammoniumhydroxid, Methyltriethylammoniumhydroxid, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid, Tetrabutylammoniumhydroxid, Tetrapentylammoniumhydroxid, Tetrahexylammoniumhydroxid, Tetraoctylammoniumhydroxid, Tetradecylammoniumhydroxid, Tetradecyltrihexylammoniumhydroxid, Tetraoctadecylammoniumhydroxid, Benzyltrimethylammoniumhydroxid, Benzyltriethylammoniumhydroxid, Tri-methylphenylammoniumhydroxid, Triethylmethylammoniumhydroxid, Tri-methylvinylammoniumhydroxid, Methyltributylammoniummethanolat, Methyltriethylammoniummethanolat, Tetramethylammoniummethanolat, Tetraethylammoniummethanolat, Tetrapropylammoniummethanolat, Tetrabutylammoniummethanolat, Tetrapentylammoniummethanolat, Tetrahexylammoniummethanolat, Tetraoctylammoniummethanolat, Tetradecylammoniummethanolat, Tetradecyltrihexylammoniummethanolat, Tetraoctadecylammoniummethanolat, Benzyltrimethylammoniummethanolat, Benzyltriethylammoniummethanolat, Trimethylphenylammoniummethanolat, Triethylmethylammoniummethanolat, Trimethylvinylammoniummethanolat, Methyltributylammoniumethanolat, Methyltriethylammoniumethanolat, Tetramethylammoniumethanolat, Tetraethylammoniumethanolat, Tetrapropylammoniumethanolat, Tetrabutylammoniumethanolat, Tetrapentylammoniumethanolat, Tetrahexylammoniumethanolat, Tetraoctylammoniummethanolat, Tetradecylammoniumethanolat, Tetradecyltrihexylammoniumethanolat, Tetraoctadecylammoniumethanolat, Benzyltrimethylammoniumethanolat, Benzyltriethylammoniumethanolat, Tri-methylphenylammoniumethanolat, Triethylmethylammoniumethanolat, Tri-methylvinylammoniumethanolat, Methyltributylammoniumbenzylat, Methyltriethylammoniumbenzylat, Tetramethylammoniumbenzylat, Tetraethylammoniumbenzylat, Tetrapropylammoniumbenzylat, Tetrabutylammoniumbenzylat, Tetrapentylammoniumbenzylat, Tetrahexylammoniumbenzylat, Tetraoctylammoniumbenzylat, Tetradecylammoniumbenzylat, Tetradecyltrihexylammoniumbenzylat, Tetraoctadecylammoniumbenzylat, Benzyltrimethylammoniumbenzylat, Benzyltriethylammoniumbenzylat, Trimethylphenylammoniumbenzylat, Triethylmethylammoniumbenzylat, Trimethylvinylammoniumbenzylat, Tetramethylammoniumfluorid, Tetraethylammoniumfluorid, Tetrabutylammoniumfluorid, Tetraoctylammoniumfluorid, Benzyltrimethylammoniumfluorid, Tetrabutylphosphoniumhydroxid, Tetrabutylphosphoniumfluorid, Tetrabutylammoniumchlorid, Tetrabutylammoniumbromid, Tetrabutylammoniumiodid, Tetraethylammoniumchlorid, Tetraethylammoniumbromid, Tetraethylammoniumiodid, Tetramethylammoniumchlorid, Tetramethylammoniumbromid, Tetramethylammoniumiodid, Benzyltrimethylammoniumchlorid, Benzyltriethylammoniumchlorid, Benzyltripropylammoniumchlorid, Benzyltributylammoniumchlorid, Methyltributylammoniumchlorid, Methyltripropylammoniumchlorid, Methyltriethylammoniumchlorid, Methyltriphenylammoniumchlorid, Phenyltrimethylammoniumchlorid, Benzyltrimethylammoniumbromid, Benzyltriethylammoniumbromid, Benzyltripropylammoniumbromid, Benzyltributylammoniumbromid, Methyltributylammoniumbromid, Methyltripropylammoniumbromid, Methyltriethylammoniumbromid, Methyltriphenylammoniumbromid, Phenyltrimethylammoniumbromid, Benzyltrimethylammoniumiodid, Benzyltriethylammoniumiodid, Benzyltripropylammoniumiodid, Benzyltributylammoniumiodid, Methyltributylammoniumiodid, Methyltripropylammoniumiodid, Methyltriethylammoniumiodid, Methyltriphenylammoniumiodid und Phenyltrimethylammoniumiodid, Methyltributylammoniumhydroxid, Methyltriethylammoniumhydroxid, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid, Tetrabutylammoniumhydroxid, Tetrapentylammoniumhydroxid, Tetrahexylammoniumhydroxid, Tetraoctylammoniumhydroxid, Tetradecylammoniumhydroxid, Tetradecyltrihexylammoniumhydroxid, Tetraoctadecylammoniumhydroxid, Benzyltrimethylammoniumhydroxid, Benzyltriethylammoniumhydroxid, Trimethylphenylammoniumhydroxid, Triethylmethylammoniumhydroxid, Trimethylvinylammoniumhydroxid, Tetramethylammoniumfluorid, Tetraethylammoniumfluorid, Tetrabutylammoniumfluorid, Tetraoctylammoniumfluorid und Benzyltrimethylammoniumfluorid. Diese Katalysatoren können allein oder in Mischungen zugesetzt werden. Bevorzugt werden Tetraethylammoniumbenzoat und Tetrabutylammoniumhydroxid verwendet.
Der Anteil an Katalysatoren c) kann 0,1 bis 5 Gew.-% betragen, bevorzugt von 0,3 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtformulierung des Matrixmaterials.
Eine erfindungsgemäße Variante schließt die Anbindung solcher Katalysatoren c) an die funktionellen Gruppen der Polymere b) mit ein. Außerdem können diese Katalysatoren mit einer inerten Hülle umgeben und damit verkapselt sein.
Als Co-Katalysatoren d1) werden Epoxide eingesetzt. In Frage kommen dabei z. B. Glycidyleter und Glycidylester, aliphatische Epoxide, Diglycidylether auf Basis Bisphenol A und Glycidylmethacrylate. Beispiele für solche Epoxide sind Triglycidylisocyanurat (TGIC, Handelsname ARALDIT 810, Huntsman), Gemische aus Terephthalsäurediglycidylester und Trimelitsäuretriglycidylester (Handelsname ARALDIT PT 910 und 912, Huntsman), Glycidylester der Versaticsäure (Handelsname KARDURA E10, Shell), 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat (ECC), Diglycidylether auf Basis Bisphenol A (Handelsname EPIKOTE 828, Shell) Ethylhexylglycidylether, Butylglycidylether, Pentaerythrittetraglycidylether, (Handelsname POLYPOX R 16, UPPC AG) sowie andere Polypoxtypen mit freien Epoxygruppen. Es können auch Mischungen eingesetzt werden. Bevorzugt werden verwendet ARALDIT PT 910 und 912 eingesetzt.
Als Co-Katalysatoren d2) kommen Metallacetylacetonate in Frage. Beispiele dafür sind Zinkacetylacetonat, Lithiumacetylacetonat und Zinnacetylacetonat, allein oder in Mischungen. Bevorzugt wird Zinkacetylacetonat eingesetzt.
Als Co-Katalysatoren d2) kommen ausserdem quarternäre Ammoniumacetylacetonate oder quarternäre Phosphoniumacetylacetonate in Frage.
Beispiele für solche Katalysatoren sind Tetramethylammoniumacetylacetonat, Tetraethylammoniumacetylacetonat, Tetrapropylammoniumacetylacetonat, Tetrabutylammoniumacetylacetonat, Benzyltrimethylammoniumacetylacetonat, Benzyltriethylammoniumacetylacetonat, Tetramethylphosphoniumacetylacetonat, Tetraethylphosphoniumacetylacetonat, Tetrapropylphosphoniumacetylacetonat, Tetrabutylphosphoniumacetylacetonat, Benzyltrimethylphosphoniumacetylacetonat, Benzyltriethylphosphoniumacetylacetonat. Besonders bevorzugt werden Tetraethylammoniumacetylacetonat und Tetrabutylammoniumacetylacetonat eingesetzt. Selbstverständlich können auch Mischungen solcher Katalysatoren verwendet werden.
Der Anteil an Co-Katalysatoren d1) und/oder d2) kann von 0,1 bis 5 Gew.-% betragen, bevorzugt von 0,3 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtformulierung des Matrixmaterials.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß eingesetzten hochreaktiven und somit bei Niedrigtemperatur härtenden Polyurethanzusammensetzungen B) kann bei 100 bis 160°C Aushärtungstemperatur nicht nur Energie und Aushärtungszeit gespart werden, sondern es lassen sich auch viele Temperatur sensible Träger verwenden.
Hochreaktiv (Variante II) bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen bei Temperaturen von 100 bis 160°C, und zwar je nach Art des Trägers aushärten. Bevorzugt beträgt diese Aushärtungstemperatur 120 bis 150°C, besonders bevorzugt von 130 bis 140°C. Die Zeit zur Aushärtung der erfindungsgemäß eingesetzten Polyurethanzusammensetzung liegt innerhalb von 5 bis 60 Minuten.
Die erfindungsgemäß eingesetzten hochreaktiven Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen B) bieten einen sehr guten Verlauf und damit eine gute Imprägnierfähigkeit und im ausgehärteten Zustand eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit. Bei Verwendung von aliphatischen Vernetzern (z. B. IPDI oder H₁₂MDI) wird zusätzlich noch eine gute Witterungsbeständigkeit erreicht.
Als Pigmente sind prinzipiell alle bekannten Pigmente geeignet.
Zur Anwendung kommen die Pigmente aus den bekannten Klassen der natürlichen und synthetischen anorganischen Pigmente. Als natürliche Pigmente kommen Erdfarben wie z. B. Grünerde, gelber Ocker oder Umbra in Frage, wie auch Mineralfarben wie z. B. Eisenoxide, Malachit oder Zinnober. Außerdem sind anorganische synthetische Pigmente wie z. B. Ruß, Chrompigmente, Cobaltpigmente, Eisenpigmente, Ultramarinblau, oder Weißpigmente wie z. B. Titandioxid, geeignet. Ebenfalls sind natürliche organische Pigmente sowie synthetische organische Pigmente wie Azopigmente (Brillantgelb, Permanentrot), polycyclische Pigmente (Phthalocyaninblau, Heliogengrün) oder Diketopyrrolopyrol-Pigmente geeignet. Auch geeignet sind Metalleffektpigmente oder Perleffektpigmente.
Beispiele solcher Pigmente sind: Berlinerblau (Pigmentblau 27 C.I. 77510), Brillantgelb (Pigmentgelb 74 C.I. 11741), Cadmiumgelb (Pigmentgelb 35 C.I. 77205), Cadmiumrot (Pigmentrot 108 C.I. 77202), Chromoxidgrün (Pigmentgrün 17 C.I. 77288), Cobaltblau (Pigmentblau 28 C.I. 77346), Cobaltblau türkis hell (Pigmentblau 36 C.I. 77343), Cobaltviolett hell (Pigmentviolett 49 C.I. 77362), Eisenoxidschwarz (Pigmentschwarz 11 C.I. 77499), Irgazinrot (Pigmentrot 254 C.I. 56110), Manganviolett (Pigmentviolett 16 C.I. 77742), Phthalocyaninblau (org.) (Pigmentblau 15 C.I. 74160), Titanweiß (Pigmentweiß C.I. 77891), Ultramarinblau (Pigmentblau 29 C.I. 77007), Ultramarinrot A (Pigmentrot 259 C.I. 77007), Umbra (Pigmentbraun 7 C.I. 77491).
Als Farbstoffe sind alle bekannten Farbstoffe geeignet, insbesondere Reaktivfarbstoffe, Dispersionsfarbstoffe, Pigmentfarbstoffe, Säurefarbstoffe, Entwicklungsfarbstoffe, kationische oder basische Farbstoffe, Kupplungsfarbstoffe, Beizenfarbstoffe, Küpenfarbstoffe, Metallkomplexfarbstoffe, substantive Farbstoffe.
Wichtige und im Rahmen der Erfindung einsetzbare Stoffklassen von Farbstoffen sind Anthrachinonfarbstoffe, Azofarbstoffe, Dioxazinfarbstoffe, Indigofarbstoffe, Nitrofarbstoffe, Nitrosofarbstoffe, Phthalocyaninfarbstoffe, Schwefelfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe.
Speziell für Pulverlack-Anwendungen geeignete Farbstoffe und Pigmente sind z. B. in den Schriften der Fa. Clariant „Colorants for Powder Coatings" (2005) und der Fa. BASF „Colorants and additives from BASF for powder coatings"(2008) aufgeführt. Insgesamt sind Pigmentzubereitungen bevorzugt, da Farbstoffe eine zumindest eingeschränkte Lichtstabilität oder Bewitterungsstabilität aufweisen, die den direkten Außeneinsatz der aus den erfindungsgemäßen, entsprechend eingefärbten Prepregs hergestellten Composite-Bauteile limitieren.
Die Farbstoffe sind in einer Menge von 15 bis zu Gew.-% im Matrixmaterial B) enthalten.
Pigmente sind in einer Menge von 0,5 bis zu 20 Gew.-% im Matrixmaterial B) enthalten.
Die Herstellung des Matixmaterials kann wie folgt durchgeführt werden: Die Homogenisierung aller Bestandteile zur Herstellung der Polyurethanzusammensetzung B) kann in geeigneten Aggregaten, wie z. B. beheizbaren Rührkesseln, Knetern, oder auch Extrudern, erfolgen, wobei Temperaturobergrenzen von 120 bis 130°C nicht überschritten werden sollten. Die Mischung der einzelnen Komponenten erfolgt bevorzugt in einem Extruder bei Temperaturen, die zwar oberhalb der Schmelzbereiche der einzelnen Komponenten liegen, aber unterhalb der Temperatur, bei der die Vernetzungsreaktion startet. Der Einsatz direkt aus der Schmelze oder nach Abkühlung und Herstellung eines Pulver ist danach möglich. Die Herstellung der Polyurethanzusammensetzung B) kann auch in einem Lösemittel durch Mischen in den obengenannten Aggregaten erfolgen.
Anschließend wir das Matrixmaterial B) je nach Verfahren mit dem Träger A) zu den Prepregs verarbeitet.
Die erfindungsgemäßen Prepregs als auch die Composite-Bauteile weisen einen Faservolumenanteil von größer 50%, bevorzugt von größer 50–70%, besonders bevorzugt von 50 bis 65% auf.
Die erfindungsgemäß als Matrixmaterial verwendeten reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen bestehen im Wesentlichen aus einer Mischung aus einem reaktiven Harz und einem Härter. Diese Mischung hat nach einer Schmelzehomogenisierung einen Tg von mindestens 40°C und reagiert in der Regel erst oberhalb von 160°C, bei den reaktiven Polyurethanzusammensetzungen, oder oberhalb von 100°C bei den hochreaktiven Polyurethanzusammensetzungen zu einem vernetzten Polyurethan und bildet somit die Matrix des Composites. Das bedeutet, dass die erfindungsgemäßen Prepregs nach ihrer Herstellung aus dem Träger und der applizierten reaktiven Polyurethanzusammensetzung als Matrixmaterial, welche in unvernetzter, aber reaktiven Form vorliegt, aufgebaut sind.
Die Prepregs sind also lagerstabil, in der Regel mehrere Tage und sogar Wochen und können somit jederzeit zu Composites weiterverarbeitet werden. Dies ist der wesentliche Unterschied zu den bereits oben beschriebenen 2-Komponenten-Systemen, die reaktiv und nicht lagerstabil sind, da diese nach dem Aufbringen sofort beginnen zu Polyurethanen zu reagieren und vernetzen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Prepregs kann mittels der bekannten Anlagen und Apparaturen gemäß Reaction Injection Moulding (RIM), Reinforced Reaction Injection Moulding (RRIM), Pultrusinsverfahren, durch Aufbringen der Lösung in einem Walzenstuhl oder mittels eines heissen Rakels, oder weiteren Verfahren durchgeführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der Prepregs insbesondere mit Faser förmigen Trägern aus Glas-, Kohle- oder Aramid-Fasern.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Prepregs, zur Herstellung von Composites im Boots- und Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrtechnik, im Automobilbau, für Zweiräder, bevorzugt Motorräder und Fahrräder, in den Bereichen Automotive, Construction, Medizintechnik, Sport, Elektro- und Elektronik-Industrie, Energieerzeugungsanlagen, z. B. für Rotorblätter bei Windkraftanlagen.
Gegenstand der Erfindung sind auch die aus den erfindungsgemäßen Prepregs hergestellten Composite-Bauteile.
Beispiele
Reaktive Polyurethanzusammensetzung

Es wurde eine reaktive Polyurethanzusammensetzung mit der folgenden Rezeptur zur Herstellung der Prepregs und der Composites verwendet.

Beispiel I	Formulierung [Variante I] (erfindungsgemäß) in Gew.-%
VESTAGON BF 1321 (uretdiongruppenhaltige Härterkomponente a)), Evonik Degussa	32,02
Reafree 17014 (OH-funktionelle Polyesterharzkomponente, Fa. Cray Valley)	46,86
Reafree 17091 (OH-funktionelle Polyesterharzkomponente, Fa. Cray Valley)	15,62
Resiflow PV 88 (Verlaufmittel ; Fa. Worlée)	1,00
Benzoin, (Entgasungshilfsmittel, Fa Aldrich)	0,50
Colortherm Yellow 10 (Mikronisiertes Pigment für Kunststoffanwendungen , Fa. Lanxess)	4,00
NCO : OH-Verhältnis	0,9:1

Die zerkleinerten Einsatzstoffe aus der Tabelle werden in einem Vormischer innig vermischt und anschließend im Extruder bis maximal 130°C homogenisiert. Diese reaktive Polyurethanzusammensetzung kann dann nach Vermahlung zur Herstellung der Prepregs nach dem Pulverimprägnierverfahren verwendet werden. Für die Direkt-Schmelze-Imprägnierverfahren nach dem kann die im Extruder hergestellte, homogenisierte Schmelzemischung unmittelbar verwendet werden. Für das Lösemittelbasierte Verfahren ist keine vorgeschaltete Schmelzehomogenisierung erforderlich.
DSC-Messungen
Die DSC-Untersuchungen (Glasübergangstemperatur-Bestimmungen und Reaktionsenthalpie-Messungen) werden mit einem Mettler Toledo DSC 821e nach DIN 53765 durchgeführt.
Die Glastemperatur des Extrudates wurde auf 62°C bestimmt, die Reaktionsenthalpie für die Vernetzungsreaktion lag im frischen Zustand bei 65,5 J/g. Nach der Vernetzung der Matrix des Prepregs stieg die Glastemperatur auf 80°C und ein Wärmestrom für eine Vernetzung war nicht mehr nachweisbar. Zu den Ergebnissen siehe .
Verwendete Glasfasergelege und Glasfasergewebe:
Folgende Glasfasergelege und Glasfasergewebe wurden in den Beispielen verwendet, nachfolgend mit Typ I und Typ II bezeichnet. Bei Typ I handelt es sich um ein Leinwand-E-Glas-Gewebe 281 L Art. Nr. 3103 der Firma „Schlösser & Cramer”. Das Gewebe hat ein Flächengewicht von 280 g/m².
Beim Typ II GBX 600 Art. Nr. 1023 handelt es sich um ein vernähtes biaxiales E-Glas-Gelege (–45/+45) der Firma „Schlösser & Cramer”. Darunter sind zwei Lagen von Faserbündeln zu verstehen, die übereinander liegen und zueinander in einem Winkel von 90 Grad versetzt sind. Dieser Aufbau wird von weiteren Fasern zusammen gehalten, die allerdings nicht aus Glas bestehen. Die Oberfläche der Glasfasern ist mit einer Standardschlichte ausgestattet, die aminosilanmodifiziert ist. Das Gelege hat ein Flächengewicht von 600 g/m².
Herstellung der Prepregs
Die Herstellung der Prepregs erfolgt mittels Direkt-Schmelze-Imprägnierverfahren gemäß DE 102010029355 .
Lagerstabilität der Prepregs
Die Lagerstabilität der Prepregs wurde anhand der Glasübergangstemperaturen und der Reaktionsenthalpien der Vernetzungsreaktion mittels DSC-Untersuchungen bestimmt. Die Vernetzungsfähigkeit der PU-Prepregs wird durch die Lagerung bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 5 Wochen nicht beeinträchtigt.

Zeit (Tage Lagerzeit) Tg [°C]

2 62

14 64

28 62

35 63

Zeit (Tage Lagerzeit) curing enthalpie [J/g]

2 65

14 67

28 67

35 66
Composite-Bauteil-Herstellung
Die Composite-Bauteile werden über eine dem Fachmann bekannte Presstechnik auf einer Composite-Presse hergestellt. Die mittels Direkt-Schmelze-Imprägnierverfahren hergestellten, homogenen Prepregs wurden an einer Tischpresse zu Verbundwerkstoffen verpresst. Bei dieser Tischpresse handelt es sich um die Polystat 200 T der Firma Schwabenthan, mit der die Prepregs bei Temperaturen zwischen 120 und 200°C zu den entsprechenden Composite-Platten verpresst werden. Der Druck wird zwischen Normaldruck und 450 bar variiert. Dynamische Verpressungen, d. h. wechselnde Druckbeaufschlagungen können sich je nach Bauteil-Größe, -Dicke und Polyurethanzusammensetzung und damit der Viskositätseinstellung bei der Verarbeitungstemperatur für die Benetzung der Fasern als vorteilhaft erweisen. In einem Beispiel wird die Temperatur der Presse von 90°C während der Aufschmelzphase auf 110°C erhöht, der Druck wird nach einer Aufschmelzphase von 3 Minuten auf 440 bar erhöht und anschließend dynamisch (7 mal mit jeweils 1 Minute Dauer) zwischen 150 und 440 bar variiert, wobei die Temperatur kontinuierlich auf 140°C erhöht wird. Anschließend wird die Temperatur auf 180°C angehoben und gleichzeitig der Druck bei 350 bar bis zur Entnahme des Composite-Bauteils aus der Presse nach 30 Minuten Höhe, gehalten wird. Die harten, steifen, chemikalienbeständigen und schlagzähen Composite-Bauteile (Plattenware) mit einem Faservolumenanteil von > 50% werden hinsichtlich des Aushärtungsgrades (Bestimmung über DSC) untersucht. Die Bestimmung der Glastemperatur der ausgehärteten Matrix zeigt den Fortschritt der Vernetzung bei unterschiedlichen Härtungstemperaturen. Bei der verwendeten Polyurethanzusammensetzung ist nach ca. 25 Minuten die Vernetzung vollständig, wobei dann auch keine Reaktionsenthalpie für die Vernetzungsreaktion mehr detektierbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009001793 [0002]
DE 102009001806 [0002]
DE 10201029355 [0002]
EP 669353 [0030, 0034, 0037]
US 4476054 [0033]
US 4912210 [0033]
US 4929724 [0033]
EP 417603 [0033]
EP 669354 [0034, 0036]
DE 3030572 [0034]
EP 639598 [0034]
EP 803524 [0034]
EP 254152 [0036]
DE 102010029355 [0077]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Composites Technologien, Paolo Ermanni (Version 4), Script zur Vorlesung ETH Zürich, August 2007, Kapitel 7” [0019]
J. Prakt. Chem. 336 (1994) 185–200 [0033]
Fa. Clariant „Colorants for Powder Coatings” (2005) [0059]
Fa. BASF „Colorants and additives from BASF for powder coatings”(2008) [0059]

Claims

Prepregs, im Wesentlichen aufgebaut aus A) mindestens einem Faser förmigen Träger und B) mindestens einer reaktiven oder hochreaktiven Polyurethanzusammensetzung als Matrixmaterial, wobei die Polyurethanzusammensetzungen im Wesentlichen Mischungen aus einem gegenüber Isocyanaten reaktive funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren b) als Binder und intern blockierten und/oder mit Blockierungsmitteln blockierten Di- oder Polyisocyanat als Härter a) enthalten, wobei das Matrixmaterial zusätzlich 1. Pigmente mit Partikel-Durchmesser von < 150 nm und/oder 2. Farbstoffe enthält.
Prepregs nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial B) einen Tg von mindestens 40°C aufweist.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepregs einen Faservolumenanteil von größer 50%, bevorzugt von größer 50 bis 70%, besonders bevorzugt von 50 bis 65% aufweisen.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Pigmente der natürliche und/oder synthetischen anorganischen Pigmente enthalten sind.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Farbstoffe ausgewählt aus Reaktivfarbstoffe, Dispersionsfarbstoffe, Pigmentfarbstoffe, Säurefarbstoffe, Entwicklungsfarbstoffe, kationische oder basische Farbstoffe, Kupplungsfarbstoffe, Beizenfarbstoffe, Küpenfarbstoffe, Metallkomplexfarbstoffe, substantive Farbstoffe, enthalten sind.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Polymere b) mit Hydroxylgruppen, Aminogruppen und Thiolgruppen, insbesondere Polyester, Polyether, Polyacrylate, Polycarbonate und Polyurethane mit einer OH-Zahl von 20 bis 500 mg KOH/Gramm und einer mittleren Molmasse von 250 bis 6000 g/Mol, eingesetzt werden.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Di- oder Polyisocyanate, ausgewählt aus Isophorondiisocyanat (IPDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI), Diisocyanatodicyclohexylmethan (H12MDI), 2-Methylpentandiisocyanat (MPDI), 2,2,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat/2,4,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat (TMDI) und/oder Norbornandiisocyanat (NBDI), besonders bevorzugt IPDI, HDI, TMDI und H₁₂MDI, wobei auch die Isocyanurate einsetzbar sind, als Ausgangsverbindungen für die Komponente a) eingesetzt werden.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass externe Blockierungsmittel, ausgewählt aus Acetessigsäureethylester, Diisopropylamin, Methylethylketoxim, Malonsäurediethylester, ε-Caprolactam, 1,2,4-Triazol, Phenol oder substituierte Phenole und/oder 3,5-Dimethylpyrazol, zur Blockierung von a) eingesetzt werden.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass IPDI-Addukte, die Isocyanurat-Gruppierungen und ε-Caprolactam blockierte Isocyanatstrukturen als Komponente a), eingesetzt werden.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktiven Polyurethanzusammensetzungen B) zusätzliche Katalysatoren enthalten, bevorzugt Dibutylzinndilaurat, Zinkoctoat, Bismuthneodecanoat, und/oder tertiäre Amine, bevorzugt 1,4–Diazabicylco[2.2.2.]octan, in Mengen von 0,001–1 Gew.-%.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Matrixmaterial aus mindestens einer reaktiven Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzungen B), im Wesentlichen enthaltend a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter, basierend auf Polyadditionsverbindungen aus aliphatischen, (cyclo)aliphatischen oder cycloaliphatischen Uretdiongruppen enthaltende Polyisocyanaten und hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen, wobei der Härter unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt, einen freien NCO-Gehalt von kleiner 5 Gew.-% und einem Uretdiongehalt von 3–25 Gew.-% aufweist, b) mindestens ein hydroxylgruppenhaltiges Polymer, das unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einer OH-Zahl zwischen 20 und 200 mg KOH/Gramm, c) gegebenenfalls mindestens einen Katalysator, d) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe, so dass die beiden Komponenten a) und b) in dem Verhältnis vorliegen, dass auf jede Hydroxylgruppe der Komponente b) 0,3 bis 1 Uretdiongruppe der Komponente a) entfällt, bevorzugt 0,45 bis 0,55.
Prepregs, nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mindestens einer hochreaktiven pulverförmigen Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzung B) als Matrixmaterial, im Wesentlichen enthaltend a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter und b) optional mindestens ein Polymer mit gegenüber NCO-Gruppen reaktiven funktionellen Gruppen; c) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Katalysator ausgewählt aus quarternären Ammoniumsalzen und/oder quarternären Phosphoniumsalzen mit Halogenen, Hydroxiden, Alkoholaten oder organischen oder anorganischen Säureanionen als Gegenion; und d) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Co-Katalysator, ausgewählt aus d1) mindestens einem Epoxid und/oder d2) mindestens einem Metallacetylacetonat und/oder quarternären Ammoniumacetylacetonat und/oder quarternären Phosphoniumacetylacetonat; e) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe.
Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 oder 12 mit mindestens einer hochreaktiven pulverförmigen Uretdiongruppen haltigen Polyurethanzusammensetzung B) als Matrixmaterial, im Wesentlichen enthaltend a) mindestens einen Uretdiongruppen haltigen Härter, basierend auf Polyadditionsverbindungen aus aliphatischen, (cyclo)aliphatischen oder cycloaliphatischen Uretdiongruppen enthaltende Polyisocyanaten und hydroxylgruppenhaltigen Verbindungen, wobei der Härter unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einen freien NCO-Gehalt von kleiner 5 Gew.-% und einem Uretdiongehalt von 3–25 Gew.-% aufweist, b) mindestens ein hydroxylgruppenhaltiges Polymer, das unterhalb von 40°C in fester Form und oberhalb von 125°C in flüssiger Form vorliegt und einer OH-Zahl zwischen 20 und 200 mg KOH/Gramm; c) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Katalysator ausgewählt aus quarternären Ammoniumsalzen und/oder quarternären Phosphoniumsalzen mit Halogenen, Hydroxiden, Alkoholaten oder organischen oder anorganischen Säureanionen als Gegenion; und d) 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens einen Co-Katalysator, ausgewählt aus d1) mindestens einem Epoxid und/oder d2) mindestens einem Metallacetylacetonat und/oder quarternären Ammoniumacetylacetonat und/oder quarternären Phosphoniumacetylacetonat; e) gegebenenfalls aus der Polyurethanchemie bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe, so dass die beiden Komponenten a) und b) in dem Verhältnis vorliegen, dass auf jede Hydroxylgruppe der Komponente b) 0,3 bis 1 Uretdiongruppe der Komponente a) entfällt, bevorzugt 0,6 bis 0,9.
Verwendung der Prepregs nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 13, insbesondere mit Faser förmigen Trägern aus Glas-, Kohle- oder Aramid-Fasern.
Verwendung der Prepregs nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Herstellung von Composites im Boots- und Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrtechnik, im Automobilbau, für Zweiräder bevorzugt Motorräder und Fahrräder, in den Bereichen Automotive, Construction, Medizintechnik, Sport, Elektro- und Elektronik-Industrie, Energieerzeugungsanlagen, wie für Rotorblätter bei Windkraftanlagen.
Composite-Bauteile hergestellt aus Prepregs nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13.