DE1495104A1 - Verfahren zur Herstellung pigmentierter polymerer Massen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung pigmentierter polymerer Massen

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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08F2/44Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers

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Description

Dipping. F.Weickmann, Dr. Ing. A-Weickmann, Dipl.-Ing. H.Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte
MÖNCHEN, BEUNNSTRASSE 3 ii. 7, RUFNUMMER 221*M u. 299071 1 A Q R 1 Π A
Dr. Expl.
BRITISH TITAN PRODUCTS COMPANY LIMITED, Billingham, Co. Durham, England
Verfahren zur Herstellung pigmentierter polymerer Massen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von pigmentierten polymeren Massen.
Pigmentierte polymere Massen, z.B. flüssige Anstrichsmassen, die als sog..Latex-Farben bekannt sind, bestehen aus Emulsionen, in denen polymerisierte Monomeren oder Komonomeren zusammen mit anderen Zusätzen vorliegen? sie enthalten Pigmentteilchen, die dadurch einverleibt werden, daas sie in eine Emulsion des polymerisierten Monomeren eingerührt werden. In derartigen Massen sind die Pigmentteilchen häufig nur sehr schlecht dispergiert und verbleiben ausserhalb der Polymerteilchen.
Die Eigenschaften von pigmentierten polymeren Massen könnten erheblich verbessert werden, wenn es gelingt, die Pigmentteilchen in den polymeren Teilchen zu dispergieren.
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Im Falle von Latex-Farben beispielsweise würde man durch verbesserte Dispersion der .figrnentteilchen in den Polymeren eine verbesserte ütaMlität der Farbe während der Lagerung, eine verbesserte Haltbarkeit sowie Verbesserungen in Glanz, Deckkraft und Scheucrfestijkeit erreichen«,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, pigmentierte polymere Massen herzustellen, in denen mindestens der grösste Teil der Pigmentteilchen in den Polymeren dispergiert ist.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Pigment und ein polymerioierbares Monomeres oder Monomere zusammen trocken gemahlen werden, worauf die Polymerisation des Monomeren bzw. der Monomeren erfolgte
Unter dem Ausdruck "Trockenmahlen" versteht man hier einen Vorgang, bei dem Pigment und Monomeres bzw. Monomere in innigen physikalischen Kontakt miteinander gebracht v/erden, und zwar in fein verteiltem Zustand, v/obei nicht genügend Wasser vorhanden ist, um eine getrennte Phase zu bilden. Das vorhandene Wasser rührt dabei gewöhnlich nur von dem in handelsüblichem Pigment sowie in dem Monomeren bzw. den Monomeren enthaltenen Wasser her und ist gewöhnlich weniger als 5 $>i vorzugsweise weniger als ungefähr 2 $>, die Prozentangaben gemessen in Gew.1^ und bezogen auf daß Gewicht des Pigment-Monomer-Gemisches.
BAD ORIGINAL
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Das Mahlen kann etwa in einer Kugelmühle oder in einer Sandmühle erfolgen. Gewöhnlich ist während des Mahlens ein Dispergiermittel vorhanden.
Bei der Herstellung von flüssigen Überzugsmassen, etwa Latexfarben, erfolgt die Polymerisation gewöhnlich in einer wässrigen Suspension in Gegenwart eines Emulgiermittels und eines Sehutzkolloids. Der Zweck des Emulgiermittels ist der, die wässrige Emulsion λ
des Monomeren im Wasser zu stabilisieren. Die Menge cn Emulgiermittel beträgt beispielsweise o,2 - 7, vorzugsweise o,5 - 4 Gew,$ des Monomerengewichts.
Andererseits kann das pigmenthaltige Monomere, das nach dem erfindungs3°mässen Verfahren hergestellt wurde, auch einer Massenpolymerisation unterworfen werden^ d.h. einer Polymerisation, bei der eine grosse Masse des Polymeren gebildet wird, meist oines thermoplastischen Polymeren, das bei erhöhten Temperaturen vergossen wird; auch kann die Polymerisation unter Golchen Bedingungen erfolgen, dass Perlen aus pigmentiertem Polymeren, entstehen. Die Perlen aus pigmentier tem Polymeren, moist thermoplastischem Poljnneren, sind eine sehr gebräuchliche Form des Polymeren, die insbesondere beim dessen von kunststoff körpern Anwendung findet.. , · ■ ■ . ■■ ■,■·.
jicoh \/nnsch kann auch pin Y.'eichnacher in die Emulsion
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oder dec pigmenti erte Honor"ere einverleibt v/erden, bevor die Polymerj cation erfolgt.
Alternativ körnen Monomere angewandt v/erden, die ein von Haue aus weiches Polymere (internally plasticining "type) ergeben. T)rr Dispergiermittel, drs während des Mahlens de^j 'i'i rmentes in den j'onomeren vorhanden ist, kann auch ein ?3olohec sein, weiches gleichzeitig weich-P machende E"" ;°nr^hnf ton becitzt.
Jede? fein α erfüllte ^'gment kann den erfindungsgep^ässen Verfahren unterwarfen v/erden, sofern es nicht die Polymerisation dec ι!pinne^en verhindert oder nich sonstwie als unvertr;i ;γΊ-i rh r.it den übrigen Komponenten des Annatzee erweint. Vo" besonderer Bedeutung ist die Erfindung freilich fvr die Hereto lung von Titen-Dioxyd-P"gment-Sicperrionnii in einem Polymeren. Venn Titan-Dioxyde verwendet ν^r^er., rn knnn er; nr in Anntrs- oder T!ut:1~ form vorliegen; e" kann mit jedem beliebigen Beaohichtungrmittcl benchichtct aeiR,nber auch unbecchicht^t ae:n. Vcrzu-rswei.re verwendet man ein beschichteter Pigment, z.B. ^in mit Aluminiurnoxyd imJ/oder Silizium-Dioxyd und/oder Ti tcn-^ioryd beschichteter: Rntilpigment.
'/ie bereit- ^eTi.yent^j 11, ict v«hrf;r.d des üahlenr; normalerweise ein rinp^gierun^snittel vorhanden. Jedea 'ngnmittol, das r.it den Uhr-, rym I'om^onenton
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~5~ U95104
des Ansatzes vertr^i?"1 ich int und die Polymerisation nicht gverh; ndert, ka.in <: irreset^t verden, um die Di npergiertarkeit der Pi oriente3 in den i'.mnnpren ?u vpt-"be3rerr. Fs kommen r.eutrnle, nnioni^che und kati^ri «ehe DiBpergiermittel ^ ^n^e. Die Trr>n"pntr"ii:;or die-er DiBper^ieraur.gnmi tt*?1 dürfte in T'erRi "h vor? o,? "big ^ de1;».*ft des Geni noh'a ' nnr Pigment πτ' '.!^w-on
ni cht—^ 0"^ Koh9r ^eutirsl*31" ü? "rinr ·|οτ·ιτ^ο·^;πτΐ+°ι , et '.'.'erden ^ö
^t? einen neVirv.'?rti^en AV'^o'h oder ?.l Ip^aticchen O^yda und einer lT.'!retJ:i_;en Ipet^-^ure oder p>irer' A'. l:onols, 7,.5. Sorbitanmorolanrat.
ani.onincher Di aper^ierHrr t ^«' -ir.d die Λ"11'01-!- .^ota ; 1 -Sa"1 r^e lar-;;1:et"ti;;er PoVilenv;aor;er^tof pe, in denen eine nulfoBriure.^ru'pe nl" "nh^tituent vorbrirdor ist, τ.U. üatriumcnlze von Dodecyl/ben^yl sulfonnt. Beispiele der bier in "Frage komr.enden l'nt ionischen Disp^r^i errri ttel c:^ nd solche, bei äen^r ein piinf"."?rt-i r;e:.· It1 cl-^toffctom r.n ^.^ndesteng ein lan^lrett: 3er !'chi enwaf^erutoffradikal, 3?'j ^m übrj ^en Giibrrti tuiert nein dcrf, 2-^lir;3en iat, t"id 3ie ansserden "in anor^an-inohec Hadi.kai, 3.]?. HaIo-■or i ^- }\ru\ ?hoopbptr.?.di kai cu
v·? ~r.°n ^pinene von Di operrriermitteln ei
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H95104
Jlei der Herstellung von Latexfarben erweisen sich Alkydharze, insbesondere ö!modifizierte Alkydharze, als tieaonders wirksam "bei der Bildung und Aufrecht erhaltung der Dispersion des Pigmentes in. den Monomeren,und auch währ-end der Polymerisation den Monomeren werden diese Harze bevorzugt, Wenn pin Alkydharz bei der Dispersion des Pigmentes in den Konomeren verwendet wird, so vorzugsweise in einer Konzentration von 1 b"5 3 15 3-e?/.p/7 des Pigmenten, noch besser in einer Konzentrrtion von 2 bis 7 #. Der Unterschied In don anzuwendenden ^enren von Alkydharz einerseits und 3sn üblichen Dirperniomraitteln andererseits 13t darauf zurückzuführen, dar:n wohl nur ein IrIeiner Teil des Alkydharze s als Dispersionsmittel v/irksam ist.
Alkydharz oder dTts sonstige Dispersionsmittel 7/ird zweckmässig in dem Monomeren aufgelöst, bevor letzteres
1 ■- -
mit dem Pigment zuonnmen gemahlen wird.
Alkydharze sind ICnndencationsprodukte von mehrwertigen Alkoholen, z.B. Glycerin oder Pentaerythritol, und mehrbasischen Säuren oder Säureanhydriden, z.B. Phtalsäure oder Phtalsäureanhydrid. "Es können auch modifizierte Alkydharze vervmnde*. werden, in denen eine oder mehrere einbacisohe Säuren, beispielsweise von pflanzlichen-Ölen hergeleitete T|1ett?.äuren, kondensiert werden mit dem mehrwertigen
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Alkohol zucätBlich zu der mehrbasischen Säure.
Die polymerisierbaren Monomeren, die hler in Frage kommen, sind die gewohnlifchen., bei der Herstellung von flüssigen Anctrichsmassen anzuwendenden Monomeren. -Brauchbar sind z.B. Vinylester von aliphatischer Ilonokarboxylsüure mit 2 Ma 6
■ ■ ■. . . c
Kohlenstoffatomen, etwa Vinylazetat, weiter Akryl- und Methakrylsäureeßter aliphatischer, einwertiger Alkohole mit 1 "bis 1o Kohlenstoffatomen, etwa Hethyl?! Äthyl-, Propyl-oder \
c k c t.
Butyl- Akrylat oder Hetakrylat, ferner Acrylnitril, VinylideEchlorid, Gtyrol und Butadien sowie Gemische dieser einzelnen Monomeren.
Wpch 'Tunsch können auch Apfel säure-ο der eines gesättigten aliphatischen, einwertigen Alkohols mit 1 bis 1o Kohlenstoffatomen an Stelle des Styrole oder Butadiens in einem Mischpolymeren treten«
eine Latexfarbe gebildet wird, en wird die Polymerisation gewöhnlich in einer wänsr^gen Emulsion in Gegenwart weiterer Komponenten ausgeführt, die für ihre günetige Wirkung bei Anstrichfarben bekannt, rjind. Heben Wasser ,Bind diese weiteren Komponenten beiopielGwe^ ne ein l^nulgierunffBrnittGl, das vom gleichen Typ sein kann wie drn ",ur Di,"pergierung des Pigmentes in dem --kmoraoren verwendete !PispeTgierungsmdttel, ein Schutzkolloid zur Stabilisierung1 der Farbemulcion, z.B. Methyloder A'thylcellulone oder hydror^-iiu>>r:tituierte Hethyl- oder
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Äthyl cellulose sowie ein '.'eichmach er. Auch dann, wenn das Polymer von Haus aus weich ist (internal plasticising "type) t oder wenn der V/eiehmacher identisch ist mit dem zur Dispergierung des figments in dem Monomeren zugesetzten Dispergiermittel, können zusätzliche Weichmacher eingesetzt werden.
^1Ur Einleitung der Polymerisation können beliebige PoIy-P merisationsinitiatoren eingesetzt v.'erden, welche die Polymerisation des Monomers bzw. der Monomeren unter den für die Bildung der pigmentierten Ma3se geeigneten Bedingungen auslösen. J^ei der Herstellung von Latexfarben wird die Polymerisation zv/ec^räse-ig in Gegenwart eines Redox- » systems ausgeführt, welches aus einem Oxydationsmittel, z.E. einem Salz von Perschwefelsäure oder einem organischen Hydroperoxid oder Percxyd und einem Reduziernittel besteht, z.B. einem wasserlöslichen Sulfit, Bisulfit oder Hydrosulfit oder Jldditionsverbindungen davon :ni t Formaldehyd, etwa v/asserlöslichem Mc?ta! lformaldehydsulfoxylat. Ein kleiner Anteil eines wasserlöslichen Eisensalzes, z.B. ein Perrosalz, kann ebenfalls zugesetzt werden, um die Einleitungozeit bis zum beginn der Polymerisation zu reduzieren. IMe iuenge dieses SriIzes ist zveckraassig weniger ols o,1 Gew.f^ des Monomeren.
Ir kenn auch ein Komplexbildner (sequestering agent) zuge-
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setzt werden, nachdem die Polymerisation begonnen hat; dies gilt insbesondere dann, wenn ein wasserlösliches En3ensalz vorhanden ist. Als soloher Komplexbildner kommen beispielsweise Salze von Atfcylendiamintetraessigsäure, jjatriumhexametapnosphat, Natrjumpyrophosphat oder Natriumsulfat in !Präge. Die ZUgabe solcher Komplexbildner mag überflüssig sein, wenn das vorhandene Disperser- oder Emulgiermittel bereits als Komplexbildner wirksam ist»
Die Polymerisation wird vorzugsweise durch die Zugabe eines Oxydationsmittels eingeleitet, z.P. von ITatrium-Bisulfit und gegebenenfalls rerrosalz. Man konnte beobachten, dass durch die Gegenwart eines Dispergiermittels, z.B. die (regenwart von Alkydharz oder Dibutylphtalat, in dem zu polymerisierenden Gemisch eine Verlangsamung der Polymerisation in deren Verlauf eintritt und dass es deshalb zweckmässig ist, in den späteren Polymerisationsstufen öllösliche,freie, radikaltildende* Initiatoren zuzusetzen, z.B. Penzoylperoxyd, um die Polymerisations geschwindigkeit zu erhöhen. lie Menge dec freien radikalbildenden Initiators wird etwa so gewählt, dass 0,0001 bis 0,1 Teile Sauerstoff auf 1oo Teile des Monomeren, vorzugsweise 0,0001 bis 0,05 Tolle Sauerstoff auf 1oo Teile des Monomeren verfügbar sind.
Die Polymerisation wird vorzugsweise bei oder nahe bei Zimmertemperatur eingeleitet. Tp allgemeinen sollten Temperaturen über dem Siedepunkt des Monomeren im Anfangsstadium
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der Reaktion -vermieden werden, da "bei so hohen Temperaturen die stärker flüchtigen Bestandteile des Eeaktionsgemisches ■ verdampfen könnten und solche Verdampfung während der Polymerisation unerwünscht ist.
Das Volumen der Pigmentfeststoffe in dem Polymeren wird
zweckmänsig auf V/erte vea. zwischen 1 und 95 $ des gesamten festen Volumens des Produktes eingestellt. V.renn des 'Produkt als flüssige Annrichsmasse zur Verwendung kommen soll, so dürfte der Bereich zwischen 1o und 45 f> lieger.
Die folgenden Heispiele erläutern die Erfindung»
Seispiel 1;
Als Polymerisc]tionsanlage viurde eine mit Rührwerk, Rü.pkflusskondensator und Thermometer ausgerüstete Flasche verwendet. Die Flasche wurde, im Wasserbad erhitzt. ·.-·■·-
25o g eines mit Aluminiumoxyd und Titandioxyd beschichteten Eutilpigmentes wurden in 25o g eines Virylazetstmonomeren dispergiert. letzteres enthielt 5 5S eines pentaerythritolhaltl'gen Alkydharzes» das mit fettem Öl sowie Leinöl mDdifiziei da3 Genisch wurde 16 Stunden lang in einer Kugelmühle mahlen. Demselben Gemisch wurden sodann 397·R g eines gerühmten wässrigen Gemisches zugesetzt, und zwar in eiheiB ?Oiymerisationsgefässj das wässrige Gemisch bestand aus 332 g Wasser, 6o g einer 2o Gew.^igen Lösung von Hydroxyäthyl-
mil ι ο ο 7 ßAD 0RK3iNAL "
cellulose in Wasser als Schutzkolloid, 5, ο g Polyäthylenoxyd als Bmulgierung3mittel, o,2 g Trinatriumsalζ von Äthylendiamintetraessigsäure als Komplexbildner und 0,6 g Natriumbikarbonat*
Das resultierende Gemisch wurde 1o Minuten lang stark gerührt, um es zu emulgieren; die Temperaturen in dem Wasserbad und in dem Gemisch selbst wurden so dann auf 5O0C eingestellt.
Die Polymerisation wurde hierauf durch die Beigabe von 1,9 g Ammoniumpersulfat, aufgelöst in 5 g Wasser, eingeleitet; unmittelbar anschliessend wurden 5 g Hatriummetabiculfit, ebenfalls aufgelöst in 5 g Wasser, zugesetzt. Die Wasserbadtemperatur würde hierauf alle 15 Minuten jeweils um 2 0 erhöht. Nachdem die Temperatur des Gemisches 680C erreicht hatte, wurde eine Lösung von o,2 g Benzoylperoxyd in 1o g Vinylazetat zugesetzt. Die Erhitzung wurde fortgesetzt so lange, bis die Temperatur des Gemisches 900C erreicht hatte. 25 g Dibutylphtalat wurden al3 Weichmacher zugesetzt, und die Temperatur wurde dann 15 lünuten lang auf 900C gehalten, um die Polymerisation zu beenden. Die Temperatur wurde hierauf auf 3O0C reduziert«
Eine mikroskopische Untersuchung des Produktes ergab, dass das Pigment gut dispergiert-und vollständig in der polymeren Phase enthalten war. Man- erhielt eine 'Anstrichs-
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farbe von ausgezeichneter Stabilität während der lagerung und ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit und Deckkraft nach dem Auftrag.
Die Anstrichsfarbe war den nach früheren Verfahren hergestellten Anstrichsfarben überlegen, d.h. also denjenigen Anstrichsfarben, bei denen das Pigment in die Farbe durch Vermischen mit dem emulgierten Polymer einverleibt wird. Mikroskopische Untersuchungen dieser letzteren Anstrichsfarben ergaben nämlich, dass der grösste Teil der Pigmente auf der Oberfläche der polymeren Teilchen oder zwischen diesen verblieb.
Beispiel 2t
3oo g eines mit Aluminiumoxyd und Titandioxyd beschichteten Rutilpigmentes wurden in 3oo g eines Vinylazetatmonomeren dispergiertj letzteres enthielt 5 $ eines pentaerythritolhaltigen Alkydharzes, das mit fettem öl und leinöl modifiziert und mit 5 # Dibutylphtalat versetzt war. Das Gemisch wurde 16 Stunden long in einer Kugelmühle gemahlen. Hierauf wurde das Gemisch in einem Polymerisat!onsgefäss emulgiert, welches 486 g eines wässrigen Gemisches von 35o g destilliaav tem V/asser, 125 g einer 2obigen wässrigen Lösung von Hydroxyäthylcenulose als Schutzkolloid und 11 g eines Kondensationsprodulctec aus langkettigem Fettallcohol und A'thy-
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lenoxyd als Emulgierungsmittel enthält.
Das Gemisch wurde intensiv 1o Minuten lang gerührt, um eine vollständige Emulgierung zu erreichen^ die Temperatur des Gemisches wurde durch Erhitzung in einem Wasserbad auf 500C gebracht.
Die Polymerisation wurde hierauf durch die Beigabe von 1,2 g Ammoniumperaulfat, aufgelöst in 5 g Wasser, eingeleitet, fnscbliessend wurden 0,9 ΰ Natriumformaldehydsulfoxylat, aufgelöst in 5 g Wasser, zugesetzt.
Nach der Einleitung der Polymerisation wurde die Temperatur des Gemisches auf maximal 820C gebracht und das Wasserbad auf diese Temperatur erhöht. Benzoylperoxyd in einer ^enge von o,2 g, aufgelöst in 1o g Vinylazetat, wurde dem Gemisch zugesetzt, um die Reaktion zu beendigen.
Die Temperatur dec Yfacserbadeo wurde 3odann so lange erhöht, bis die Temperatur des Gemisches 900C erreicht hatte. V/eitere 3o g Dibutylpbtalat wurden als Weichmacher zugesetzt, und die Temperatur des Gemisches wurde 15 Minuten lang auf 9O0C gehalten, um den Weichmaoher einzubringen. Sodann wurde die> Temperatur auf 300Q redualert.
Da· tveankt «mies sich als ausgezeichnet geeignet für 808807/1007 *4n«~- - 14 -
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die Oberflächonbeschichtung. Bine mikroskopische Untersuchung zeigte, dass das Pigment gut dispergiert und vollständig in der polymeren Phase enthalten war.
Die Stabilität des Produktes, während der lagerung, war ausgezeichnet. : ., \
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Claims (12)

Patentansprüche t
1. Verf^hPett^i^^iroiistfelliiat^Von pigmentierten polymeren Massen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Pigment zusammen mit einem oder mehreren polymerisierbaren Monomeren trocken gemahlen wird, und hierauf das Monomere bzw. die Monomeren polymerisiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenmahlung in Gegenwart eines Dispergierungsmittels erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispergierungsmittel in einer Menge von o,2 bis 5 Gew.56 des aus Pigment und Mobomerem bestehenden Gemisches zum Einsäte kommt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch Gekennzeichnet, dass ein Diepergierungsmittel mit Weichmachereigenschaften verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3» dadurch gekejin^eichnet, dass ein Alkydharz als Dispergierungsmittel verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Alkydharz ein ölmoöifiziertes Alkydharz ist»
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in einer wässrigen Suspension in Gegenwart eines Enulgierungsmittels und ednes Schutzkolloids erfolgt.
8. Verfahren ngch einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass d?e Polymerisation in Gegenwart einen Weichmachers durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Monomeres verwendet wird, welches zu einem von Haus aus v/eichen Polymeren führt (internally plasticising type).
1o. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenmshlung in Gegenwart von weniger als 5 G ev;.$ 'Tasser, bezogen auf das Gewicht des aus Pigment und Monomerom bestehenden Gemisches, erfolgt.
ο Verfahren nanh einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, dass das Pigment Titandioxyd ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Pigment mit Aluminiumoxid und/oder Siücium-
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dioxyd und/oder Titandioxyd beschichtet ist.
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