DE19714016A1 - Emulgatoren für Aminoharze - Google Patents

Emulgatoren für Aminoharze

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Description

Die Erfindung betrifft eine Mischung enthaltend ein Aminoharz und ein Polymer, welches zu mindestens 80 Gew.-% aus C2- bis C3-Alky­ lenoxidgruppen besteht.
Weiterhin betrifft die Erfindung Aminoharze mit einem Gehalt an kovalent gebundenen, vorstehend definierten Polymeren. Ins­ besondere betrifft die Erfindung wäßrige Dispersionen dieser Mischungen mit Aminoharzen und die Verwendung der Mischungen, Aminoharze bzw. deren wäßriger Dispersionen als Härtungsmittel in Beschichtungsmitteln.
Aufgrund ihrer Reaktivität insbesondere gegenüber Hydroxylgruppen werden Aminoharze als Härtungsmittel für polymere Bindemittel verwendet. In der Lackchemie haben sich hydrophobe, wasser­ unlösliche Aminoharze als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Falle wäßriger Beschichtungsmittel ist die Verwendung der wasser­ unlöslichen Aminoharze naturgemäß erschwert. EP 733 686 lehrt die Dispergierung der Aminoharze mit einem anionischen Emulgator.
Das Härtungsmittel wird erst durch den Lackhersteller zum Be­ schichtungsmittel gegeben. Für den Lackhersteller ist es dabei von besonderer Bedeutung, daß er dieses Härtungsmittel sowohl in wäßrigen Beschichtungsmitteln, als auch in Beschichtungsmitteln, welche in organischen Lösemitteln gelöst sind, verwenden kann. Dabei sollte unabhängig vom gewählten Beschichtungsmittel eine lange Lagerstabilität, eine gute Verarbeitbarkeit und gute anwendungstechnische Eigenschaften der später erhaltenen Be­ schichtungen gewährleistet sein. Im Falle der wäßrigen Aminoharz­ dispersionen gemäß EP 733 686 führt die Verwendung in Beschich­ tungsmitteln auf Basis organischer Lösemittel zu nachteiligen Ei­ genschaften, z. B. zu einer mangelhaften Wasserfestigkeit der erhaltenen Beschichtungen.
Aus US 3 310 416 sind wasserlösliche Aminoharze mit einem Gehalt an Polyethylenglykolen bekannt. Diese Aminoharze werden als Dispergiermittel z. B. für Kohlenwasserstoffe oder Polysiloxane verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung waren Aminoharze, welche sich als Härtungsmittel für wäßrige Beschichtungsmittel und für Be­ schichtungsmittel auf Basis organischer Lösemittel eignen.
Demgemäß wurden die eingangs definierten Mischungen, Aminoharze und deren wäßrige Dispersionen gefunden.
Bei dem Aminoharz, welches Bestandteil der Mischung ist, handelt es sich um Reaktionsprodukte von Aldehyden, z. B. Glyoxal, Furfu­ rol und vorzugsweise Formaldehyd mit Aminoverbindungen wie Harn­ stoff oder Aminotriazin, z. B. Benzoguanamin, Acetoguanamin und vorzugsweise Melamin.
Bevorzugt sind Aminoharze auf Basis von Aminotriazinen. Besonders bevorzugt sind Reaktionsprodukte von Melamin und Formaldehyd.
Die Aminogruppen des Aminotriazine wurden bei der Umsetzung mit Aldehyd, insbesondere Formaldehyd, alkyloliert, insbesondere methyloliert, d. h. die Wasserstoffatome der Aminogruppen werden durch Alkylolgruppen ersetzt. Vorzugsweise sind mehr als 30%, insbesondere mehr als 50% der Wasserstoffatome durch Alkylol­ gruppen ersetzt. Die Aminoharze können, z. B. durch Kondensations­ reaktionen der Alkylolgruppen mehrere Aminotriazinringe enthal­ ten. Bevorzugt enthalten sie im Mittel 1 bis 20 Aminotriazin­ ringe.
Die übrigen Alkylolgruppen sind vorzugsweise weitgehend oder vollständig mit Alkoholen, vorzugsweise mit C1- bis C16-Alkanolen verethert. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Butanol oder Ge­ mische von Methanol und Butanol, mit überwiegendem Anteil an Butanol.
Die Aminoharze sind vorzugsweise wasserunlöslich.
Die Verdünnungszahl der Aminoharze ist vorzugsweise kleiner als 20 und besonders bevorzugt kleiner als 5 insbesondere kleiner 2 oder 1 g. Die Verdünnungszahl ist ein Maß dafür, wieviel hydro­ phile Lösemittel einem Aminoharz zugemischt werden können, ohne daß die erhaltene Lösung trüb wird.
Die Verdünnungszahl wird durch folgendes Verfahren bestimmt:
1 g Aminoharz werden in ein 25 ml Reagenzglas gegeben. Daraufhin wird bei 23°C Wasser in 0,5 g Portionen zugegeben. Nach jeder Zu­ gabe wird geschüttelt und beobachtet, ob nach dem Schütteln eine Trübung oder Phasenseparation (Unverträglichkeit) verbleibt. Die zugegebene Wassermenge in g nachdem eine Unverträglichkeit auf­ tritt ist die Verdünnungszahl.
Die erfindungsgemäße Mischung enthält neben dem Aminoharz ein Po­ lymer, welches zu mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise zu mindes­ tens 90 Gew.-% aus C2- bis C3-Alkylenoxidgruppen besteht. Es kann sich dabei ausschließlich um Ethylenoxidgruppen, Propylenoxid­ gruppen oder um Ethylenoxid und Propylenoxidgruppen handeln.
Bevorzugt enthält das Polymer im Mittel mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 20 Alkylenoxidgruppen. Die maximale Anzahl dieser Gruppen beträgt vorzugsweise 500, besonders bevorzugt 300 und ganz besonders bevorzugt 200.
Bevorzugte Polymere sind solche der Formel
und Formel
worin R1 und R2 unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom, eine C1- bis C20-Alkylgruppe oder eine C1- bis C20-Acylgruppe ste­ hen.
Bevorzugt stehen R1 und R2 für ein Wasserstoffatom und eine C1-C4-Alkylgruppe, insbesondere Methyl oder n-Butyl.
Die Variablen x, y, z stehen vorzugsweise für mindestens 1. Bevorzugt handelt es sich daher sowohl bei Formel I als auch II um 3-Blockcopolymere (EO-PO-EO in Formel I und PO-EO-PO in For­ mel II).
Derartige Polymere sind bekannt und z. B. unter der Bezeichnung Pluronic® im Handel von BASF erhältlich.
Der Gehalt des Polymeren in der Mischung beträgt vorzugsweise 0,1 bis 50 Gew.-Teile, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-Teile bezogen auf 100 Gew.-Teile Aminoharz.
Das Polymere dient als Emulgator, d. h. Dispergiermittel für die Dispergierung des wasserunlöslichen Aminoharzes in Wasser.
Dazu kann das Polymere z. B. der bei der Herstellung des Amino­ harzes erhaltenen Lösung des Aminoharzes in einem organischen Lösemittel, im allgemeinen dem Veretherungsalkohol, zugesetzt werden.
Die erhaltene Mischung kann dann durch Zugabe von Wasser in eine wäßrige Dispersion des Aminoharzes überführt werden.
Das Polymere kann z. B. auch zunächst in Wasser gelöst und die wäßrige Lösung dem Aminoharz zugesetzt werden.
Die erhaltene wäßrige Dispersion des Aminoharz es kann dann als Härtungsmittel in wäßrigen Beschichtungsmitteln verwendet werden.
Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, das Aminoharz und das Polymere getrennt oder zusammen direkt dem wäßrigen Beschich­ tungsmittel zuzusetzen und das Aminoharz darin mit Hilfe des Po­ lymeren zu dispergieren.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das Polymere mit dem wasserunlöslichen Aminoharz umgesetzt wird, d. h. ein Teil der Alkylolgruppen des Aminharzes mit diesem Polymer verethert sind. Auch für diesen Fall gelten die obigen Ausführun­ gen über das Aminharz, das Polymere und die Gewichtsanteile der beiden; in Formeln I und II entfällt dann einer der Reste R1 und R2, an dessen Stelle tritt die Bindung zum Aminoharz. Das durch Umsetzung mit den Polymeren erhaltene Aminoharz ist weiterhin wasserunlöslich und hat die obige Verdünnungszahl ist jedoch in Wasser, wie oben für die Mischung beschrieben, dispergierbar und wird entsprechend als Härtungsmittel in Beschichtungsmitteln verwendet.
Beschichtungsmittel enthalten ein polymeres Bindemittel und gege­ benenfalls weitere Additive, wie Pigmente, Farbstoffe, Verlaufs­ mittel, Verdicker etc.
Das polymere Bindemittel ist durch einen Gehalt an aktiven Wasserstoffatomen (OH-, NH-, SH-Gruppen) mit Aminoharzen vernetz­ bar, d. h. härtbar.
Als Bindemittel geeignet sind z. B. Alkydharze, Polyesterharze, Epoxiharze, Polyurethanharze, radikalische Polymerisate auf Basis von Acrylaten, Vinylestern, Dienen und Vinylaromaten oder deren Gemische.
Bevorzugt sind radikalische Polymerisate, Polykondensate oder Polyaddukte mit OH-Gruppen, vorzugsweise mit einer Hydroxylzahl von 20 bis 200 mg KOH/g Substanz (nach DIN 53 240).
Die Bindemittel und somit auch die Beschichtungsmittel können z. B. in Form von Lösungen in Wasser oder organischen Lösungs­ mittel oder in Form wäßriger Dispersionen vorliegen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Mischungen bzw. die erfindungsgemäßen, mit den Polymeren modifizierten Aminoharze oder die wäßrigen Dispersionen dieser Mischungen und Aminoharze als Härtungsmittel sowohl für wäßrige Beschichtungsmittel als auch für in organischen Lösemit­ teln vorliegende Beschichtungsmitteln verwendet werden können und in beiden Fällen Beschichtungen mit guten anwendungstechnischen Eigenschaften, insbesondere einer guten Wasserfestigkeit und Haf­ tung ergeben.
Die wäßrigen Dispersionen der Mischungen oder mit den Polymeren modifizierten Aminoharze sind lagerstabil. Auch die Beschich­ tungsmittel, welche die Mischungen oder die mit den Polymeren modifizierten Aminoharze enthalten, sind lagerstabil.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel, welche ein polymeres Bindemittel und das erfindungsgemäße Härtungsmittel enthalten, können durch beliebige Methoden, z. B. Streichen, Rakeln, Spritzen auf beliebige Substrate, z. B. aus Holz, Metall, Papier, Kunst­ stoff aufgebracht werden.
Nach dem Auftragen erfolgt die Härtung und Entfernung des Wassers bzw. organischen Lösemittels im allgemeinen durch Trocknen bei erhöhten Temperaturen oder durch Einbrennen.
Beispiele A) Polymere (Emulgatoren)
A1 Pluronic® PE 6400 (PO-EO-Blockcopolymerisat, Molmasse des Po­ ly-PO-Blocks 1750, EO-Anteil 40 Gew.-%).
A2 Pluronic® PE 6800 (PO-EO-Blockcopolymerisat, Molmasse des Po­ ly-PO-Blocks 1750, EO-Anteil 80 Gew.-%).
A3 Pluronic® PE 9400 (PO-EO-Blockcopolymerisat, Molmasse des Po­ ly-PO-Blocks 2750, EO-Anteil 40 Gew.-%).
A4 (Vergleich) Emulphor® OPS 25 (ethoxyliertes Natrium-p-Octyl­ phenol-Sulfat, 25 mol EO pro mol Alkylphenol); 34 gew.-%ige Lösung in Wasser.
B) Aminoharze
B1 Luwipal® LR 8891 (butyliertes, teilalkyliertes Melamin-For­ maldehyd-Harz in n-Butanol, Feststoffgehalt 75%).
B2 Luwipal® LR 8817 (methyliertes, teilalkyliertes Benzoguana­ min-Formaldehyd-Harz in Isobutanol, Feststoffgehalt 80%).
B3 aus 1000 g Luwipal® LR 8891 mit einem Feststoffgehalt von 75% werden bei 50 mbar 80 ml Butanol abdestilliert. Anschließend wird mit 115 ml Butylglykol auf einen Feststoff­ gehalt von 72% eingestellt.
B4 aus 1000 g Luwipal® LR 8891 mit einem Feststoffgehalt von 75% werden bei 50 mbar 80 ml Butanol abdestilliert. An­ schließend werden 24 g A3 (= 2,3 Gew.-%, bezogen auf A3 und B1) zugesetzt und mit 115 ml Butylglykol auf einen Aminoharz­ gehalt von 72% eingestellt.
B5 985 g Luwipal® LR 8891 mit einem Feststoffgehalt von 75 Gew.-% werden mit 2,8 g p-Toluolsulfonsäure-Monohydrat und 7 g A2 versetzt. Bei Innentemperaturen zwischen 85°C und 95°C werden unter reduziertem Druck 190 ml Butanol abdestilliert. Anschließend wird die p-Toluolsulfonsäure mit 105 mol-% Dimethylethanolamin neutralisiert und bei 60°C mit 120 ml Butylglykol versetzt. Man erhält ein mit A2 modifiziertes Aminoharz mit einem Feststoffgehalt von 75%.
B6 2,3 Gew.-% A4 (fest) werden im Aminoharz B1 gelöst (Gewichts­ angabe bezogen auf Summe A4, fest, und B1).
Anwendungsbeispiele c) Herstellung von wäßrigen Melaminharz-Emulsionen Methode I: Zugabe des Emulgators zum Aminoharz
In einem 150 ml-Polyethylenbecher werden 60 g der Aminoharzlö­ sung, welche den Emulgator enthält, vorgelegt und unter ständigem Rühren mit einem mit Dissolverscheibe ausgerüsteten Laborrührer bei Umdrehungen von 500 bis 1000 pro Minute tropfenweise inner­ halb von 10 Minuten mit der Wassermenge versetzt, die rechnerisch zu einer Aminoharz-Emulsion mit einem Feststoffgehalt von 45% führt. Es wird anschließend noch 30 Minuten nachgerührt.
Methode II: Zugabe des Emulgators zum Wasser
In einem 150 ml-Polyethylenbecher werden 60 g der Aminoharzlösung vorgelegt und unter ständigem Rühren mit einem mit Dissolver­ scheibe ausgerüsteten Laborrührer bei Umdrehungen von 500 bis 1000 pro Minute tropfenweise innerhalb von 10 Minuten mit der wäßrigen Lösung, welche den Emulgator enthält, versetzt, die rechnerisch zu einer 45%igen Aminoharz-Emulsion führt. Es wird anschließend noch 30 Minuten nachgerührt.
Für die entstandenen feinteiligen Emulsionen werden folgende Ei­ genschaften ermittelt (pH-Werte mit einer Glaselektrode bei 23°C, Viskositätsmessung mit einem Brookfield-Viskosimeter, Spindel 3, bei 10 Umdrehungen/Minute und 23°C):
D) Wäßriger Polyester-Einbrennlack Beispiel D1
38 g einer 55%igen Polyesterharzlösung (Bayhydrol® D155) in 16,5% Butylglykol, 6,8% Isobutanol, 18% Wasser und 3,7% Dimethylethanolamin, mit einem Hydroxylgruppengehalt (lösemittel­ frei) von 1,5% und einer Säurezahl (lösemittelfrei) von 42 mg KOH/g werden mit 42 g Wasser verdünnt und anschließend mit 20 g der Melaminharzemulsion C1 unter Rühren versetzt. Es resultiert ein 30%iger wäßriger Polyesterlacke mit einer Viskosität bei 23°C von 3,2 Pa.s.
Vergleichsbeispiel D2
Es wird wie bei D1 verfahren, jedoch anstelle der Melaminharze­ mulsion C1 die Vergleichsemulsion C3 verwendet: Lackviskosität bei 23°C: 2,0 Pa.s 23°C.
Vergleichsbeispiel D3
Es wird wie bei D1 verfahren, jedoch anstelle der Melaminharze­ mulsion Beispiel C1 11 g einer 80%igen, wäßrigen Lösung des me­ thanolveretherten, teilalkylierten Luwipal® 073 eingesetzt. Es handelt sich hierbei also um ein wasserlösliches Melaminharz ohne Emulgatorzusatz. Nach Verdünnen mit 25 g Wasser wird ein 40%iger Polyesterlack erhalten. Lackviskosität bei 23°C: 4,2 Pa.s.
Prüfung im Schwitzwassertest
Die Wasserlacke D1-D3 werden mit einem 200-µm-Filmziehrahmen auf 200 × 90 × 0,75 mm Tiefziehbleche aufgezogen, 10 Minuten bei Raumtemperatur abgelüftet, 10 Minuten bei 50°C vorgetrocknet und 20 Minuten in einem Umlufttrockenschrank bei 130°C eingebrannt. Es ergaben sich transparente Beschichtungen mit einer Schichtdicke von 20 bis 25 µm. Nach 24stündiger Wartezeit werden die Prüf­ bleche mit der beschichteten Seite nach unten 7 Tage lang über einem Wasserbad von 60°C gelagert. Nach weiteren 7 Tagen Lagerung bei 50% rel. Luftfeuchte und 23°C werden folgende Unterschiede beobachtet.
Die Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Wasserlack D1 ist un­ verändert, der Vergleich mit dem einen ionischen Emulgator ent­ haltenden Wasserlack D2 ist ganzflächig unterrostet und der Verg­ leich mit dem ein methanolverethertes Melaminharz enthaltenden Wasserlack D3 ist ganzflächig gerissen und abgelöst sowie das Prüfblech verrostet.
E) Lösemittel-haltiger Acrylatklarlack Allgemeine Vorschrift für die Herstellung eines lösemittel­ haltigen Klarlackes
Aus 50 g eines OH-gruppenhaltigen Polyacrylats (Luprenal® 240 S) mit einer OH-Zahl von 65 mg KOH/g und einem Feststoffgehalt von 60 Gew.-% und 20 g Aminoharz (fest), und einer für einen Fest­ stoffgehalt von 50 Gew.-% ausreichenden Menge eines Kohlenwasser­ stoffs (Solvesso® 100) wird unter Rühren ein Klarlack herge­ stellt.
Prüfung im Gradientenofen
Der lösemittelhaltige Klarlack wird mit einem 200-µm-Filmziehramen auf ein 567 × 90 × 0,75 mm Tiefziehblech aufgezogen, 10 Minuten abgelüftet und in einem Gradientenofen, Typ 2612, der Fa. Byk, 30 Minuten über eine Temperaturspanne von 90°C bis 190°C eingebrannt. Nach 24stündiger Lagerung bei 50% rel. Luftfeuchte und 23°C wer­ den nacheinander folgende Prüfungen in den einzelnen Temperatur­ zonen durchgeführt:
  • - Der Verlauf wird visuell bestimmt.
  • - Die Wasserbeständigkeit prüft man durch 60minütige Lagerung der einen Seite des beschichteten Blechs, auf der Längskante stehend, in einem Wasserbad, Eintauchtiefe ca. 3 cm, und be­ stimmt danach die Mindest-Einbrenntemperatur, die notwendig war, um eine nicht abreibbare, fingernagelharte, optisch un­ veränderte Beschichtung zu erhalten.
  • - Die Schichtdicke wird mit einem Schichtdickenmeßgerät, Typ Deltascope, der Fa. Fischer, Sindelfingen bestimmt.
  • - Die Pendeldämpfung wird ermittelt nach DIN 53 157 mit einem Gerät, Typ 5840, der Fa. Byk.
  • - Die Gitterschnittprüfung erfolgt nach DIN 53 151 mit einem Gitterschnittmesser und Tesafilm.
  • - Die Erichsen-Tiefung wird nach DIN 53 156 mit einem Gerät, Typ 5313, der Fa. Byk, ermittelt.
Ergebnisse
Diskussion der Ergebnisse
Das Aminoharz B4, welches den erfindungsgemäßen Emulgator ent­ hält, führt in lösemittelhaltigen Lacken nicht zu einer Ver­ schlechterung der Eigenschaften. Das Aminoharz B6, welches einen Emulgator gemäß EP 733 686 enthält, führt zu einer Verschlechte­ rung der Wasserbeständigkeit.

Claims (10)

1. Mischung, enthaltend ein Aminoharz und ein Polymer, welches zu mindestens 80 Gew.-% aus C2- bis C3-Alkylenoxidgruppen be­ steht.
2. Mischung gemäß Anspruch 1, wobei der Gehalt des Polymeren 0,1 bis 50 Gew.-Teile, bezogen auf 100 Gew.-Teile des Aminoharzes beträgt.
3. Mischung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Polymer minde­ stens 10 Alkylenoxideinheiten enthält.
4. Mischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich um ein Polymer der Formel
worin
R1 und R2 unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom, eine C1- bis C20-Alkylgruppe oder eine C1- bis C20-Acylgruppe stehen und
x, y, z für eine ganze Zahl von 0 bis 100 stehen, mit der Bedingung, daß die Summe aus x + z + y mindestens 10 ergibt,
oder um ein Blockcopolymer der Formel
worin
R1 und R2 die vorstehende Bedeutung haben und
u, v, w für eine ganze Zahl von 1 bis 100 stehen, mit der Bedingung, daß die Summe aus u + v + w mindestens 10 ergibt.
5. Mischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Amino­ harz in Wasser unlöslich ist.
6. Wasserunlösliche Aminoharze mit einem Gehalt an kovalent ge­ bundenen Polymeren, wobei es sich um die in Ansprüchen 1 bis 4 definierten Polymeren handelt.
7. Wäßrige Dispersion einer Mischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder eines Aminoharzes gemäß Anspruch 6.
8. Verwendung der Mischung, des Aminoharzes oder der wäßrigen Dispersion gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Härtungsmit­ tel in Beschichtungsmitteln.
9. Beschichtungsmittel, enthaltend eine Mischung oder ein Amino­ harz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
10. Beschichtete Substrate, erhältlich unter Verwendung eines Be­ schichtungsmittels gemäß Anspruch 9.
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