DE2003820B2 - Verfahren zum Kunstharzbeschichten von Oberflächen durch Aufbringen polymerisierbarer modifizierter Polyester und Härten derselben durch Bestrahlung - Google Patents
Verfahren zum Kunstharzbeschichten von Oberflächen durch Aufbringen polymerisierbarer modifizierter Polyester und Härten derselben durch BestrahlungInfo
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Description
55
Beim Kunstharzbeschichten von Oberflächen durch Aufbringen von Lacken und Farben ergeben sich
hauptsächlich folgende Probleme:
die Beseitigung oder Rückgewinnung von Lösungsmitteln
(l:cuer- und oder Vcruiftungsgefahr).
das Halten und Aufbewahren der Cjcgenständc während des Trocknens (Beschmutz'.ing oder Beschädigung
der Beschichtungen im Verlauf der Trocknung).
820
Bildung von Poren im öber/ιιμ während der
Verdampfung des Lösungsmittels und mangelnde physikalische und chemische Beständigkeit der
Lacke und Farben.
Bekannte Verfahren der Vernetzung durch Bestrahlung vermeiden von vornherein einige der obenerwähnten
Schwierigkeiten, da keine Lösungsmittel benutzt werden und die Vernetzung bei Raumtemperatur
praktisch sofort erfolgt, wodurch auch das Halten und Lagern der Gegenstände keine Schwierigkeiten
macht. Ferner sind solche Verfahren auch zur Beschichtung empfindlicher Gegenstände geeignet,
beispielsweise Holz, Mörtel und Anstriche aus Zement. Beton, Gipsverputzen, Kunststoffen, Papier. Leder,
da die Behandlung bei Raumtemperatur erfolgt.
Diese bekannten Verfahren eignen sich auch besonders gut zur mechanisierten und automatisierten Beschichtung
einer großen Zahl von Gegenständen gleicher Form und Abmessungen mit gu!;-; Regelung
der Schichtdicke und in klimatisierten Werkstätten, wodurch erhebliche Rationalisierungserfolge und Materialersparnis
erzieh werden können. Die durch Bestrahlung
härtbaren Lacke können aus makromolekularen Verbindungen, vorpolymerisierien Harzen
und oder Derivaten bestehehen. welche durch Produkte, welche eine oder mehrere olefinische Doppelbindungen
und oder durch Bestrahlung aklivierbare Gruppen enthalten, modifiziert wurden. Die in gleicher
Weise verwendbaren Farben enthalten außer dem Hauptanteil an gefärbtem oder ungefärbtem Bindemittel
ein oder mehrere Pigmente und oder mineralische oder organische Füllstoffe.
Im einzelnen ist es bekannt. Oberflächen mit Polyesterharzen
zu beschichten, die durch Polykondensation eines Polyalkohols mit einer Polysäure oder
einem Anhydrid erhalten wurden. Die Ungesättiiz!-
heit des Harzes wird im allgemeinen mittels einer Polysäure oder eines ungesättigten Anhydrids (Malein-.
Fumar-. Bernsteinsäure oder -anhydrid usw.) erhalten. Das Grundpolymer wird mit einem oder mehreren
Vinylmonomeren gemischt, und die Mischung wird nach Aufbringen auf die zu beschichtende Oberfläche
bestrahlt. Derartige Harze und Verfahren sind beispielsweise in der FR-PS 1 526 724 beschrieben.
Obgleich man also im allgemeinen durch eine ionisierende Bestrahlung fast alle Polyester, welche olefinische
Bindungen besitzen, mit Vinylmonomeren polymerisieren kann, hängen die Eigenschaften der
erhaltenen überzüge insbesondere vom Grad der Ungesättigten des Polymers, der Lage der Doppelbindungen
und der Struktur des Polymers ab. Die Herstcllungsweise des Polyesters, die Wahl der Monomeren,
aus denen er hergestellt wird, bestimmen ir einem erheblichem Ausmaß die zur Vernetzung unc
zum Trocknen des Überzugs erforderliche Bestrahlungsdosis.
Ferner ist es aus L. J. Y ο u η . Copolymerisation
Parameters in Journal of Polymer Science. Bd. 54 S. 421 (1961). bekannt, daß Doppelbindungen von
Ί>ρ Malcin- oder Fumarsäure zwar rasch mit Styrol jedoch sehr schlecht mit ungesättigten Acryl- odei
Mcthacrylmonomcrcn copolymerisieren. Die durcl Bestrahlung polymerisiertcn Filme von Gemischcr
auf Basis ungesättigter Maleinsäure-oder Fumarsäure Polyester und Styrol sind jedoch spröde und kaun
wetterfest.
Durch die Erfindung sollen nun durch ionisierend Strahlung gehärtete überzüge auf Polyesterbasis her
gestellt werdeii, die zur I lärtung geringere Strahlendosen
als üblich benötigen, besser haftend, elastischer und wetterfester sinti.
Diese Aufgabe wird eilindungsgemäli gelöst durch
die Verwendung eines Anstrichmittels, das aus einer s
filmbildenden Lösung eines gesättigten oder ungesätigten
Polyester, dessen in der Kette verblichene Hydroxylgruppen mindesten* teilweise mit ungesättigten
Monocarbonsäuren, besonders Methacrylsäure verestert sind, in einem oder mehreren copolypierisierbaren
Vinylmonomeren besieht, zur Herstellung von durch ionisierende Strahlen gehärteten überzügen.
Weitere Ausführungsformen der Erlinduna ersehen
sich aus den Unteransprüchen. ~
Untersuchungen haben ergeben, daß alle gesättigten oder angesättigten Polyesterharze eine erhebliche
Säurezahl besitzen, die auf die Anwesenheit freier Carboxylgruppen und infolgedessen freier Hydroxylgruppen
zurückzuführen ist. welche für die fehlende Wasserbesländigkeit verantwortlich sind. Ertinduimsgemäß
werden alle oder ein Teil der freien Hydroxylgruppen mit ungesättigten Säuren, wie Methacrylsäure,
verestert und damit, durch die an die Kette angehängte endsländigc vinylische Doppelbindung, die Strahlenempfindlichkeil
des Polyesters erhöht. Die endständigen vinylischen Doppelbindungen, die in da;>
sehemalisch wie folgt darzustellende Pohmer eingeführt sind:
sind gegenüber ElcktronenstraUen vi Ί reaktionsfähiger
als die in der Polyeslerkeile vorhandenen Doppelbindungen
und «!polymerisieren im Gegensatz zu letzteren wie erwähnt leicht mit ungesättigten Acryl-
und Methacrylmonomeren.
Andererseits führt die Beseitigung der Hydroxylgruppen
zu einer besseren llydrolysebeständigkeit der Polyester.
Die Polyester werden beispielsweise durch Veresterung von aliphatischen Dicarbonsäuren (Maleinsäure
oder -anhydrid. Funiar- und Itaconsäure) und zyklischen aliphatischen Säuren mit Polyalkoholen,
wie Glycerin. Trimethylolpropan. Pentaerythrit, erhalten. Das mittlere Molekulargewicht dieser Polyester
liegt zwischen 1000 und maximal 15(XK). und der Grad ihrer Ungesätiigtheit liegt zwischen 0,03 und
0.4 pro 100 g Produkt.
Der teilweise Ersatz ungesättigter Dicarbonsäuren durch eine gesättigte aromatische und vorzugsweise
aliphatisch^· Dicarbonsäurc. wie Phthal-, Adipin-
und Bernsteinsäure, führt zur Bildung von gemischten
ungesättigten Polsestern, welche zu *.-.ι^. Verbilligung
des Herstellungspreises des Harzes führen und eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften
des Überzugs, seiner Elastizität. Härte, seines Glanzes
usw. ermöglichen.
Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand \on chemischen Formeln die Herstellung
eines Polyesters und die Veresterung der in der Polyesterkette \erblichene.; freien Hydroxylgruppen mittels
ungesättigter Monocarbonsäuren gemäß dem ertindungsgemäßen
Verfahren beschrieben:
Gemäß einem ersten Beispiel stellt man einen linearen Polyester durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid
(in der Formel mit P bezeichnet) und Maleinsäureanhydrid mit Äihylenglycol her:
HOOC-PCOfOCH; C H2-OOC -CH CU COC)-CH2 CH2OOC-P COO CH2CtV]-OH
Man verestert die freien Hydroxylgruppen mit Methacrylsäure:
HOOC-P-COf O-CH2-CH2-OOC-CH--CH-COO-CH2-CH2-OC)C-P COO-CH2 ■ CH2 3„ OH
CH2-C-COOH
HOOC-P-COfO-CH2-CH2-OOC-CH=CH-COO CH2-CH2-OOC P COO-CH2- CH2^OOC
CH2-C
Gemäß einem zweiten Beispiel stellt man einen linearen Polyester durch Umsei/unu von Phthalsäureanhydrid
und Maicinsüureanhvdrid (in der Formel mit M bezeichnet) mit Glycerin (mit Ci bezeichnet) her.
OH OH
HOOC -- P - COO G OOC ■ ■ M ■ COO ■ Ci 0OC - P (OO - G - OH
GOOC - M COO G OOC P OOC
OH
COO — P — COO — G ■- OOC M - COO- G OOC - P
OH OH
Man verestert die freien Hydroxylgruppen mit Methacrylsäure:
OH ^H
HOOC - P - COO - G - OOC - M - COO - G 0OC - P - COO - C. - OH
G — OOC — M — COO — G — OOC - P - OOC
OH
COO — P — COO — G — OOC — M — COO — G — OOC — P —
COO — P — COO — G — OOC — M — COO — G — OOC — P —
OH OH
CH1 = C-COOH
CH3
25
30
Das erhaltene Polymer w ird anschließend mit einem ©der mehreren Vinylmonomeren. wie Styrol, und oder
A'.ryl- oder Methacrylestern gemischt welche gegenüber
dem Polymer als Lösungsmittel wirken. Der Gewichtsanteil des oder der den Polymeren zugesetzten
Monomeren liegt im alliiemeinen zwischen 10
und 60%.
Die Viskosität des Überzugs wird durch Veränderung des Molekulargewichts des Grundpolymers oder
der relativen Konzentrationen der Vinylmonomeren eingestellt.
Die überzüge können nach üblichen Verfahren auf ihre Unterlage (Holz. Kunststoff. Metall. Glas. Papier
usw.) aufgebracht werden, beispielsweise mit dem Pinsel, mit der Rolle, durch Besprühen, durch Eintauchen,
mit der Spritzpistole, in der Kälte oder Hitze (ohne Druckluft) oder nach dem gegenwärtig als »Vorhangverfahren«
bezeichneten Verfahren unter entsprechender Regelung der Viskosität.
Die Ceschichtungen werden vorzugsweise bei Tempcraturen
zwischen Raumtemperatur und derjenigen, bei der eine zu starke Verdampfung ihres flüchtigsten
Bestandteils beginnt, im allgemeinen 70 C. gehärtet.
Die auf ihre Unterlage aufgebrachten überzüge werden unter Bestrahlung vernetzt und gehärtet, vorzugsweise
mittels eines Elektronenstrahls, dessen Energie zwischen 0.1 und 4 Millionen eV liegt. Die Energie
der Elektronen hängt sowohl vom Einfall des Strahls. dem Abstand zwischen ihrem Austritt aus dem Bestrahlungsgerät
und der zu härtenden Beschichtung sowie von der Dicke der letzteren ab.
Vorzugsweise wird die Beschichtung auf die Unterlage in einer Schicht mit gleichmäßiger, zwischen 1O
und 500 μπι liegender Dicke, je nach der Art der Unterlage
und dem Endverwendungszweck des beschichteten Produkts, aufgebracht.
Die Bestrahlungsstärke liegt im allgemeinen /wischen
0.1 und 100 Mrad Sek.. wobei die Beschichtung eine Gesamtdosis zwischen 0.1 und 100 Mrad. \orzugsweise
zwischen etwa I und 15 Mrad. empfängt.
Der hier benutzte Ausdruck »rad« bezeichnet die Slrahlungsdosis. die zu einer Energieabsorption von
lOOcrg g der die Beschichtung bildenden absorbierenden
Substanz führt.
Die nach dem ertindungsgemäßen Verfahren crhaltcncn
überzüge besitzen gegenüber den bisher bekannten überzügen auf Polyesterbasis folgende Vorsie
können mit einer viel geringeren Bestrahlungsdosis gehärtet werden, da der Grundpoh ester
eine größere Reaktionsr.'iiigkeh besitzt,
sie ermöglichen eine gleichmäßige Polymerisation über die ganze Schichtdicke hinweg, was zu einer guten Haftung des Überzugs auf seiner Unterlage führt,
sie besitzen eine bessere Wetterfestigkeit.
sie ermöglichen eine gleichmäßige Polymerisation über die ganze Schichtdicke hinweg, was zu einer guten Haftung des Überzugs auf seiner Unterlage führt,
sie besitzen eine bessere Wetterfestigkeit.
Die nach dem ertindungsgcmäßen Verfahren erhaltenen
Lacke und Farben sind besonders geeignet als Außenanstriche auf Holz und Metal!.
Im folgenden sind nur zur Erläuterung zwei Beispiele
des erl'indungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Beispicl 1
20Og Phthalsäureanhydrid. 100 g Maleinsäureanhydrid
und 400 g Glycerin werden in Stickstoffatmosphäre bei 170 bis 200 C in der Schmelze umgesetzt.
Nach einer Stunde 30 Minuten wird der nicht umgesetzte Trialkohol unter Vakuum abdestilliert.
Anschließend werden die freien Hydroxylgruppen mit 200g Methacrylsäure in Gegenwart von 0.15"..
Hydrochinon in XyIo! bei 140 C während 4 Stunden unter Stickstoffatmosphäre verestert. Man trennt
aus dem ungesättigten modifizierten Polyester das Xylol durch Vakuumdestillation ab.
Zu dem so modifizierten Polyester werden 10".. Äthylacrylat und 10" η Styrol gegeben. Der so erhaltene
Lack wird auf Tafeln aus Holz und Metall aufgestrichen.
Die Copolymerisation und das Trocknen werden durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl
von 500 K eV Energie durchgeführt. Die Bestrahlungsdosis betraut 3 Mrad und die Bestrahlungsstärke
0.5 Mrad Sek.
Ein Polyesterharz wird aus folgenden Produkten hergestellt:
Phthalsäureanhydrid 118.4 Teile
Bern: tcinsäurc 141.5 Teile
Glycciin 184 Teile
Man erhitzt 3 Stunden lang bei 165 bis ί 70 C unter
Stickstoffatmosphäre. Die nicht umgesetzten Produkte
7 8
werden im Vakuum entfernt. Die Modifizierung des Acrylsäure unter Slicksloffalmosphärc bei 90 C innerPolyesterharzes
wird unter den im Heispiel I W- halb 2 Stunden modifiziert, entsprechend dem im
schriebenen Bedingungen vorgenommen. Heispiel 1 angegebenen Verfahren. Dieser crfindungs-Einc
Farbe wird hergestellt, indem man in einer gemäße modifizierte Polyester ist im folgenden mit Λ
Kugelmühle 16 Stunden lang HO".. Harz. 8% Styrol S bezeichnet. Zu seiner weiteren Kennzeichnung sind
und 12% Titanoxyd mahlt. Die Viskosität des Pro- noch die folgenden Eigenschaften bzw. Hcrsteilungsduktes
wird eingestellt, indem man 15% Styrol zu der daten angegeben:
erhaltenen Mischung zufügt. Die Farbe wird auf eine ... , ·.·,·.. ,>, , . , -,
erhaltenen Mischung zufügt. Die Farbe wird auf eine ... , ·.·,·.. ,>, , . , -,
Metall- oder Betonplatte aufgebracht und mi. einem U.lac.chtal (Polymer). 6.7
... . , , . . : ι- · cru-v u· \i ·, Gesamtaciditat (Losung 9.2
Elektronenstrahl einer hncrgic von 500 KeV mit ,o „ dr lzahl vor dcr Veresterung ... 228
einer Dosts von 4 Mrad bei einer Starke von 0.5 Mrad Hydro*ylzahl nach der Veresterung .. 4?
Sek. bestrahlt Man erhalt eine trockene und gut- Doppelbindungszahl nach
haftende Beschichtung. D c m m 1 e r 0.37
Beispiel 3 15 Zum Vergleich diente in diesem Beispiel ein üblicher
Polyester, der im folgenden mit B bezeichnet ist und
F.in erfindungsgemäßer Polyester wurde hergestellt in üblicher Weise hergestellt wurde aus 49 g (0,5 Mol)
aus 294 g (3 Mol) Maleinsäureanhydrid. 498 g (3 Mol) Maleinsäure, 85 g (0.5 Mol) Tctrahydrophlhalsäurc.
Phthalsäure. 538 g (9 Mol) Älhylenglykol. Die Poly- 38 g (0.5 Mol) Propylcnglykol und 31g (0.5MoI)
merisation erfolgte unter Stickstoffatmosphärc bei 20 Äthylenglykol.
190 C während 7 Stunden. Dieser Polyester wurde Aus den Produkten A und B wurden folgende An-
durch Veresterung der freien Hydroxylgruppen mit Strichmischungen für die Prüfungen bereitet:
Hc/cichnunp
A 1 (Erfindung) .
B I (Vergleich) ..
A2(Erfindung) .
B 2 (Vergleich) ..
A3 (Erfindung) .
B 3 (Vergleich) ..
B I (Vergleich) ..
A2(Erfindung) .
B 2 (Vergleich) ..
A3 (Erfindung) .
B 3 (Vergleich) ..
100 100 100
t)
100 100 100
(iewichlslcilc der Komponenten
Styrol
Styrol
i)iaccton- | AlhvlcngUKol- |
icrvlamiil | monomclhacrUa |
20 | |
20 | |
20 | 20 |
20 | 20 |
Die jeweiligen Anstrichmischungen wurden auf Stahlplatten Γη einer Schichtdicke von O.O25mm
aufgetragen und unter folgenden Bedingungen bestrahlt:
Energie der Elektronen 300 KcV
Stromstärke 40 mA
Leistung des Gerätes 12 kW
Breite der Ubcrstreichung durch
den S'rahl 1.80 m
Man erhielt folgende Ergebnisse:
1. Haftung auf der Stahluntcrlagc (Krcuzschnitt-Test)
Zur Prüfung wurden in der bestrahlten Beschichtung durch Kreuzschnittc bis auf den Grund 100 Quadrate
von 1 mm Seitenlänge gebildet. Auf diese wurde ein Klebband gedrückt und nach Abheben desselben
die Zahl Q der noch an der Unterlage haftenden Quadrate bestimmt.
Man erhielt folgende Ergebnisse:
Dosis (Mrad) | Q | |
Beschichtung | 6 | 0 |
Bl | 6 | 100 |
Al | 6 | 0 |
B2 | 6 | 100 |
A2 | ||
Es zeigt sich ganz deutlich die durch Verwendung der erfindungsgemäßen modifizierten Harze verbesserte
Haftung.
2. Notwendige Bestrahlungsdosis
Es wird der Gclgrad nach einstündiger Extraktior
der beschichteten Stahlplatte mit Aceton bestimm durch Wägen vor und nach der Extraktion. Man erhäl
folgende Ergebnisse:
Beschichtung | Dosis I Mrad) | Gel I" |
so Bl | 6 | 70 |
Al | 6 | 85 |
B2 | 6 | 72 |
A2 | 6 | 92 |
55 B2 | 8 | 78 |
A2 | 8 | 96 |
Bei im übrigen gleichen Bedingungen ist der Gc
Prozentsatz für die Beschichtungen auf Basis erfii dungsgemäß modifizierter Polyester deutlich bess
als bei denen auf Basis nicht modifizierter Polyester.
3. Härte und Elastizität der Beschichtung
Die folgende Tabelle zeigt, daß die erfindungsgem ßen Beschichtungen härter sind, nämlich einen höher
Bleistifthärtewert haben, und auch elastischer sir nämlich einen höheren Erichsen-Wert haben.
40955Of
BI Al
b: a:
B2 A2
Dosis iMr.ul)
6 6 6
(S
S 8
l.irleucrl
I· r 11 Ii s c π Ulcisiifi
4.5 R.5 6.1 l).3
2.3 7.9
3 M ti
411 211 41!
Bei der mil der Beschichtung A 2 versehenen Platte waren die Beschichtung und die Stahlunterlage nicht
angegriffen.
5. 1 infiuß von Methacrvlmonomeren
4. WcUcrfcstigkeit
Einige der beschichteten Stahlplattcn wurden Monate im Freien der Witterung ausgesetzt. Die
Platte mit der Beschichtung B 2 zeigte eine aufgeweichte matte Beschichtung und einen Angriff des
Stahluntcrerunds mit Flecken an mehreren Punkten.
B 3 A3 B 3 A3
N(MnKtI
6 8 8
Ctd CM
65 95
Es zeigt sich, daß der Gciprozentsalz und damit dii
Copolymerisationsgeschwindigkeit für eine gleicht Dosis beim erfindungsgemäßen modifizierten Poly
ester höher liegt.
Claims (8)
1. Verwendung eines Anstrichmittels, das aus
einer !umbildenden Lösung eines gesättigten oder ungesättigten Polyesters, dessen in der Kette verbliebene
Hydroxylgruppen mindestens teilweise mit ungesättigten Monocarbonsäuren, besonders
Methacrylsäure, verestert sind, in einem oder mehreren copolymerisierbaren Vinylmonomeren besteht,
zur Herstellung von durch ionisierende Strahlen gehärteten überzügen.
2. Verwendung eines Anstrichmittels nach Anspruch 1, bei dem der Polyester durch Veresterung
gesättigter oder ungesättigter aliphatischer Dicarbonsäuren oder der entsprechenden Anhydride mit
Polyalkoholen erhalten ist. für den Zweck des Anspruchs 1.
3. Verwendung eines Anstrichmittels nach Anspruch 1. bei dem der Polyester durch Veresterung
gesättigter oder ungesättigter aliphaiischer oder aromatischer cyclischer Dicarbonsäuren mit Polyalkoholen
erhalten ist. für den Zweck des Anspruchs 1.
4. Verwendung eines Anstrichmittels nach Anspruch 2 oder 3. bei dem der Polyester durch Veresterung
der Dicarbonsäuren mit Glycerin. Trimethylolpropan oder Pentaerythrit hergestellt ist.
für den Zweck des Anspruchs 1
5. Verwendung eines Anstrichmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4. bei dem das Molekulargewicht
des Polyesters zwischen 1000 und 15(XlO beträgt. Tür den Zweck des Anspruchs 1.
6. Verwendung eines Anstrichmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 5. bei dem das modifizierte
Polyesterharz mit einem oder mehreren Vinylmonomeren in einem Gewichlsverhältnis zwischen
10 und 60% gemischt ist. für den Zweck des Anspruchs 1.
7. Verwendung eines Anstrichmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 6. bei dem das Vinylmonomer
Styrol und oder Acryl- oder Methacrylester ist. für den Zweck des Anspruchs 1.
8. Verfahren zum Herstellen eines Überzugs unter Verwendung eines Anstrichmittels gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß das Anstrichmittel auf die Oberfläche in
einer Schichtdicke zwischen 0.01 und 0.5 mm aufgebracht und durch Bestrahlung mit einer ionisierenden
Strahlung mit einer Dosis zwischen 1 und 15 Mrad der modifizierte Polyester mit dem oder
den Vinylmonomeren copolymcrisiert und der überzug getrocknet wird.
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