DE1139649B - Verfahren zur Herstellung von Epoxydharzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

K 36897IVd/39 c

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

5. FEBRUAR 1959

15. NOVEMBER 1962

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Epoxydharzen durch Umsetzen von phenolische Hydroxylgruppen aufweisenden harzartigen Verbindungen mit Epichlorhydrin im alkalischen Medium.

Es ist bekannt, daß die Reaktion von Epichlorhydrin mit phenolischen Verbindungen unter Einfluß von Basen zur Bildung von Epoxydgruppen

C H2 — C- Jn ■— C- rij

er'

enthaltenden Kondensaten führt. Die meisten dieser als Epoxydharze bezeichneten Kondensate sind Reaktionsprodukte von Bisphenol A (2,2'-Diphenylolpropan) und Epichlorhydrin und entsprechen der allgemeinen Formel:

Verfahren zur Herstellung
von Epoxydharzen

H₂C-CH-CH₂O-;

H₂
C-CH-CH₉-O-V

OH

H„ H

CH₃

' c S

CH₃
CH₃

>k

CH₃

-O-

-O

C-C-CH₂

o''

bei der η Null oder eine ganze Zahl ist.

Diese Epoxydharze variieren bezüglich der Länge der Kette, weisen jedoch immer zwei endständige Epoxydgruppen auf.

Solche Harze sind infolge ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit und ihrer ausgezeichneten Hafteigenschaften besonders geeignet zur Herstellung von Anstrichmitteln, Lackfarben und Firnissen, jedoch ihres Preises wegen für eine Reihe von Zwecken nicht brauchbar.

Auch auf der Basis anderer Polyphenole als Bisphenol A (2,2'-Diphenylolpropan) können Epoxydharze erhalten werden, z. B. durch Verwendung von Kondensaten von Phenol oder von substituierten Anmelder:
Koninklijke Zwavelzuurfabrieken v/h

Ketjen N.V.,
Amsterdam (Niederlande)

Vertreter: Dr.phil.Dr.rer.pol. K.Köhler,
Patentanwalt, München 2, Amalienstr. 15

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 12. Februar 1958 (Nr. 224 855)

Jan Ide de Jong, Blaricum (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Phenolen und Formaldehyd; solche Kondensate sind anwendbar bei der Herstellung von Laminaten, jedoch weniger geeignet für die Herstellung von Anstrichmitteln.

Die gemäß der Erfindung durch Umsetzung von phenolische Hydroxylgruppen aufweisenden, harzartigen Verbindungen mit Epichlorhydrin im alkalischen Medium hergestellten Epoxydharze eignen sich nun für eine Reihe von Zwecken, z. B. auch in der Anstrichindustrie, und werden erhalten durch Herstellen eines Kondensationsproduktes aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff und Formaldehyd und Kondensieren dieses Produktes mit einem Phenol und Umsetzen des erhaltenen Reaktionsproduktes in an sich bekannter Weise mit Epichlorhydrin.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden Kondensate aus technischem Xylol, Formaldehyd und Phenol verwendet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in der ersten und zweiten Verfahrensstufe Kondensate mit einem Molgewicht von mindestens 300 hergestellt.

Als zweckmäßig hat sich die Umsetzung von 1 Gewichtsteil Xylol-Formaldehyd-Kondensat mit 0,4 bis 3 Gewichtsteilen Phenol in der zweiten Stufe erwiesen.

Je nach der Art des Kondensationsproduktes, insbesondere der phenolischen Komponente des Produktes, und je nach dem Verhältnis zwischen

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phenolischer Gruppen zu regeln, wie aus den Beispielen hervorgeht.

Wenn Phenol als phenolische Komponente gewählt wird, bringt man etwa 0,4 bis 3, vorzugsweise etwa 0,6 bis 1,2 Teile Phenol pro Teil Vorkondensat unter dem Einfluß einer sehr kleinen Menge eines stark sauren Katalysators, d. h. zum Beispiel 0,01% H₂SO₄, miteinander in Reaktion.

Auf diese Weise werden Kondensate, sogenannte

mehr als zwei Epoxydgruppen pro Kette eingeführt io Novolake, gewonnen, die etwa 20 bis 70% Phenol werden, z. B. drei Epoxydgruppen, wodurch eine enthalten. Das Molgewicht dieser Novolake variiert

~~ ■- - - zwischen etwa 300 und etwa 1500, vorzugsweise

arbeitet man aber mit Novolaken, die etwa 35 bis 45% Phenol enthalten, deren Molgewicht etwa 500 bis 1000 beträgt.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß die Epoxydharze, abgeleitet von solchen relativ hochmolekularen Novolaken, sich durch ihre gute Flexibilität und ihre überraschenden Hafteigenschaften

ein minimales Molgewicht von etwa 300 hat. Vor- ao besonders eignen zur Anwendung in der Anstrichzugsweise nehme man ein Kondensat mit einem Mol- mittelmdustrie.

gewicht von mehr als 400. Daneben ist es erwünscht, Wie bekannt, kann die Reaktion von Epichlor-

daß der Sauerstoffgehalt der Vorkondensate mehr als hydrin mit Phenolen unter dem Einfluß alkalischer etwa 4% beträgt, während vorzugsweise gearbeitet Katalysatoren auf mehrere Weisen ausgeführt werden, wird mit einem Vorkondensat, das etwa 8 bis 10% 25 So kann man Epoxydharze herstellen, die nebst end-Sauerstoff enthält. Ein hoher Sauerstoffgehalt von ständigen Epoxydgruppen auch sekundäre Hydroxylz. B. 13 bis 16%, der seine Ursache hat im Vor- gruppen enthalten. Auch ist es möglich, die schon kommen von Acetalbrücken (X — CH₂ — O — gebildeten Epoxydharze mit Novolaken oder mit an-CH₂ — O — CH₂ — X — usw., in dem X= deren phenolischen Verbindungen unter dem Einfluß Xylolrest), ist nicht notwendig und für einige An- 30 alkalischer Katalysatoren weiterzukondensieren. Die Wendungen, bei denen nicht speziell Harze mit einem Weise, worauf die Kondensation der Novolake mit hohen Epoxydgehalt nachgestrebt werden, un- Epichlorhydrin ausgeführt wird, ist für die betreffende erwünscht. Erfindung im Prinzip nicht wichtig. Im allgemeinen

Um kurz zu gehen, vorzugsweise wird ein Vor- wird man sich aber bemühen, für die Kettenbildung kondensat gewählt mit einem relativ hohen Mol- 35 der Epoxydharze so wenig wie möglich Epichlorgewicht (etwa 500 bis 800), einem relativ niedrigen hydrin anzuwenden, mit anderen Worten, man wird

Kondensationsprodukt und Epichlorhydrin können Epoxydharze unterschiedlicher Struktur, Zusammensetzung und Molgewicht erzeugt werden.

Die gemäß der Erfindung erhaltenen Epoxydharze zeichnen sich gegenüber bekannten Epoxydharzen aus Diphenylolpropan durch größere Härte und größere chemische Widerstandsfähigkeit aus und weisen dennoch eine gute Biegbarkeit auf. Nach der Erfindung können, was gleichfalls vorteilhaft ist,

bessere Temperaturbeständigkeit erreicht wird. Auch liegt der Vorteil vor, daß nach der Erfindung die Epoxydharze mit hohem Molekulargewicht von z. B. 1000, 1500 und 2000 hergestellt werden können.

Es ist wichtig für das betreffende Verfahren, daß das Molgewicht der Xylolformaldehydkondensate so hoch ist, daß die mittlere Kette mehr als zwei und vorzugsweise mehr als drei Xylolkerne enthält, d. h.

Sauerstoffgehalt (etwa 8 bis 10%) und einer unbedeutenden Anzahl Acetalgruppen (etwa 0,5 bis 3%). Die Herstellung solcher Kondensate wird in den Beispielen genauer beschrieben.

Da die Farbe des Vorkondensats Einfluß hat auf die Farbe des endgültigen Epoxydharzes, ist es wichtig, Verfärbung während der Vorkondensation zu verhindern. Dies kann unter anderem erreicht werden, durch von so rein wie möglichem Xylol auszugehen (auf diese Weise gibt Metaxylol farblose Vorkondensate).

Der zweite Schritt des Prozesses, nämlich die Um-

sich aus wirtschaftlichen Gründen bemühen, das Epichlorhydrin hauptsächlich zu benutzen für die Einführung endständiger Epoxydgruppen, von denen die Durchhärtbarkeit des Epoxydharzes abhängt. Selbstredend ist es für die Durchhärtung notwendig, mehr als eine Epoxydgruppe pro Molekül einzuführen, vorzugsweise werden etwa zwei oder mehr Epoxydgruppen pro Molekül angehängt.

Aus dem Vorgehenden zeigt es sich, daß Epoxydharze mit sehr verschiedenen Eigenschaften und Zusammensetzung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden können, wie auch in den

Setzung der Vorkondensate mit Phenolen, kann folgenden Beispielen verdeutlicht wird,

variiert werden durch die Wahl der phenolischen 50 Die gemäß der Erfindung erhaltenen Epoxydharze

Komponente und durch das Gewichtsverhältnis der zeichnen sich gegenüber bekannten Epoxydharzen

reagierenden Komponenten. Dies ist schon bekannt aus Diphenylolpropan durch größere Härte und

aus der Arbeit von R. Wegler (Angew. Ch., 1948, größere chemische Widerstandsfähigkeit aus und

S. 68). weisen eine sehr hohe Biegbarkeit auf. Nach der

Also kann man nebst Phenol auch Parakresol, 55 Erfindung können, was gleichfalls vorteilhaft ist,

paratert. Butylphenol, Bisphenol A mit Xylol-Form- mehr als zwei Epoxydgruppen pro Kette eingeführt

aldehyd-Kondensaten in Reaktion bringen. werden, z. B. drei Epoxydgruppen, wodurch eine

Die Äther- und Acetalbrücken der Vorkondensate bessere Temperaturbeständigkeit erreicht wird. Auch

werden dabei geöffnet, so daß unter Abspaltung von liegt der Vorteil vor, daß nach der Erfindung die

Wasser eine Mischung von Aralkylphenolen entsteht. 6° Epoxydharze mit hohem Molekulargewicht von z. B. Fü di bffd Abii

Für die betreffende Arbeitsweise ist es nun wesentlich wichtig, daß pro Molekül solcher Kondensate im Durchschnitt mehr als eine, vorzugsweise zwei phenolische Gruppen anwesend sind. Für einige Anwendüngen ist es erwünscht, selbst mehr als zwei phenolische Gruppen pro Molekül einzuführen.

Durch eine geeignete Wahl der Mengen der reagierenden Komponenten ist es möglich, die Anzahl

p g

1000, 1500 und 2000 hergestellt werden können.

Beisoiel I (^A) Herstellung eines Vorkondensats

1170 g 35%iger Formaldehyd wurde in einem Rundkolben, welcher mit einem Rührer und einem Rückflußkühler versehen ist, mit 638 g 96%iger Schwefelsäure gemischt. Darauf wurden 1060 kg tech-

5 6

nisches Xylol hinzugefügt und das Reaktionsgemisch 41g NaOH (1 Molekül) und 410 g Wasser gelöst.

während 5 Stunden unter Rühren an einem Rück- Darauf wurden bei 25° C 140 g Epichlorhydrin

flußkühler erhitzt. hinzugefügt (1,5 Mol).

Die Ölschicht wurde darauf mit heißem Wasser Die Reaktionstemperatur stieg langsam bis 55° C

säurefrei gewaschen und danach im Vakuum von 5 an und wurde in dieser Höhe noch 2 Stunden gehal-

flüchtigen Bestandteilen befreit. Ausbeute: 1120 g. ten. Darauf wurde die Umsetzung durch 2Va Stunden

Nachreagierenlassen bei 100° C vollendet. Der

Molgewicht 550 Überschuß an Epichlorhydrin wurde abdestilliert.

i>auerstottgenalt %llo _{Das Harz wurde löst in 225 Benz0}}_{; ffltriert und}

Acetalgehalt 1,2 Vo _{10 darauf vom} Lösungsmittel befreit.

,_.. _TT „ . -».τ ,, Das so erhaltene feste Epoxydharz hatte eine

(B) Herstellung eines Novolaks Epoxydzahl von 0,16 und ein Molgewicht von

Zu 1000 g eines Vorkondensats, hergestellt gemäß etwa 1300.

der Vorschrift (A), wurden allmählich 750 g Phenol „ . . . _TV

zugefügt und in einem Rundkolben auf 145° C 15 üeispieliv

erhitzt. Ein Epoxydharz, das hergestellt wurde nach Bei-

Die Reaktion wurde in Gegenwart von 0,4 cm³ spiel III, wurde nach Entfernung des Überschusses

lO°/oiger Schwefelsäure ausgeführt/Die Reaktions- an Epichlorhydrin mit Wasser salzfrei gewaschen und

temperatur fiel ziemlich schnell bis auf 105° C in- darauf durch Erhitzung im Vakuum von den letzten

folge des frei werdenden Reaktionswassers. Das ²⁰ Spuren Wasser befreit.

Reaktionsgemisch wurde während einer Stunde an Das Harz hatte eine Epoxydzahl von 0,17 und ein

einem Rückflußkühler erhitzt, wonach das Kondens- Molgewicht von etwa 1200.

wasser (100 g) und der Überschuß an Phenol (220 g) _R . . , _v

abdestilliert wurden. Ausbeute: 1430g. 1430g No- ßeispiei ν

volak 37^fl/o gebundenes Phenol enthaltend. *5 141 g eines Novolaks wurde hergestellt durch

Umsatz von 70 g eines Vorkondensats aus techni-

Molgewicht etwa 700 _{schem Xylol und} Formaldehyd (Molgewicht 400) mit

93 g Phenol.

(C) Herstellung von Epoxydharz _Dieser Novolak, der 45 «/0 Phenol enthielt und ein

1755 g des Novolaks nach (B) wurden in 3000 g 30 Molgewicht von etwa 450 hatte, wurde gelöst in

Epichlorhydrin gelöst und 16 cm³ Wasser hinzuge- 300 g Epichlorhydrin. Das halbflüssige Epoxydharz,

fügt. Darauf wurden innerhalb einer Stunde bei 90⁰C das nach Reaktion dieses Gemisches mit 28 g NaOH

287 g festes NaOH in kleinen Portionen hinzugefügt, erhalten wurde, hatte eine Epoxydzahl von 0,34 und

noch 1 Stunde auf 95 bis 100° C erhitzt und der ein mittleres Molgewicht von etwa 600.

Überschuß an Epichlorhydrin abdestilliert. Das so 35 B ' ' 1 VT

erhaltene Harz wurde in 31 Benzol gelöst und "

filtriert. 153 g eines Vorkondensats aus technischem Xylol

Nach Entfernung des Lösungsmittels wurden 2 kg und Formaldehyd (Molgewicht 500) wurde in Reak-

eines klaren hellgelben festen Harzes erhalten. tion gebracht mit 120 g tert. Butylphenol unter Ein-

40 fluß von 0,1 g Toluolsulfosäure. Nach einer Reak-

Molgewicht etwa 600 tionszeit von einer Stunde bei 150° C wurden 22 g

Phenolgehalt 41 % Wasser abdestilliert und 251 g eines klaren hellgelben

Novolaks erhalten. Dieser Novolak wurde darauf mit

B e 1 s ρ 1 e 1 II (A) _{368 g} Epichlorhydrin und 33 g Na O H in Reaktion

1000 g eines Vorkondensats, hergestellt nach 45 gebracht. Das so hergestellte klare, sehr hell gefärbte

Beispiel I (A), wurden in Gegenwart von 4 cm³ halbfeste Epoxydharz hatte eine Epoxydzahl von

0,1 n-H₂SO_d in Reaktion gebracht mit 900 g Phenol. 0,20 und ein Molgewicht von etwa 650.

Auf diese Weise wurden 1530 g eines hellbraunen „ . . , ,_7TT

Novolaks erhalten. Beispiel VII

Molgewicht etwa 600 ⁵° ⁷P S eines Naphthalin-Formaldehyd-Harzes (Mol-

Phenolgehalt ".'.'.'.. ....'.'....'.'.'. 41Vo gewicht etwa 500) wurden mit 70 g Phenol und

0,1 g para-Toluolsulfosäure während IVa Stunden

(B) auf 140° C erhitzt, wonach der Überschuß an Phenol

1500 g des wie oben gewonnenen Novolaks wurden abdestilliert wurde. Der so hergestellte Novolak in 920 g Epichlorhydrin gelöst. 55 (100 g) enthielt 38«/0 Phenol.

Das also erhaltene Gemisch wurde bei 95 bis Nach Epoxydierung mit 300 g Epichlorhydrin und

100° C mit 10 cm³ Wasser und 265 g NaOH in 16 g NaOH wurde hieraus ein klares, braunes, festes Reaktion gebracht. Nach einer Reaktionszeit von Epoxydharz mit einer Epoxydzahl von 0,18 und 2 Stunden wurde der Überschuß an Epichlorhydrin einem Molgewicht von etwa 700 erhalten, (etwa 300 g) abdestilliert und das Epoxydharz in 21 60 .

Benzol gelöst. Das entstandene Kochsalz wurde ab- .Beispiel VIII

filtriert und das Lösungsmittel abdestilliert. 50 g des Epoxydharzes, hergestellt nach Bei-

Das hellgelbe klare feste Harz hatte eine Epoxyd- spiel II (B), wurden gelöst in 25 g Toluol und 25 g zahl von 0,28 und ein Molgewicht von etwa 900. Methyläthylketon.

. 65 Diese Lösung wurde gemischt mit 4 g Diäthylen-

Beispiel III triamin, gelöst in 3 g Toluol und 3 g n-Butanol.

245 g eines Novolaks mit einem Molgewicht von Die »Topfzeit« dieser Lösung bei Zimmertempe-

750 und einem Phenolgehalt von 38% wurden in ratur war etwa 24 Stunden. Ausgehärtete Filme dieses

Harzes waren hart, klar, biegsam und hatten eine ausgezeichnete Haftung auf Metallen und Glas.

Die Angaben der Beispiele für die Herstellung von Harzkomponenten sind nicht Beispiele für das Verfahren der Erfindung, sondern geben Möglichkeiten für die Herstellung von Ausgangsstoffen für das Verfahren der Erfindung an.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Epoxydharzen durch Umsetzung von phenolische Hydroxylgruppen aufweisenden, harzartigen Verbindungen mit Epichlorhydrin in alkalischem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Kondensationsprodukt aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff und Formaldehyd herstellt, dieses mit einem Phenol kondensiert und das

erhaltene Reaktionsprodukt in an sich bekannter Weise mit Epichlorhydrin umsetzt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung der phenolische Hydroxylgruppen aufweisenden harzartigen Verbindungen in der ersten Verfahrensstufe Xylol und Formaldehyd und in der zweiten Verfahrensstufe Phenol verwendet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in der ersten und zweiten Verfahrensstufe Kondensate mit einem Molgewicht von mindestens 300 herstellt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in der zweiten Stufe 1 Gewichtsteil Xylol-Formaldehyd-Kondensat mit 0,4 bis 3 Gewichtsteilen Phenol umsetzt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 942 595, 945 189.

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