DE2231261A1 - Neue epoxisilane - Google Patents
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Description
Dr. F. turnst5Ϊη s-.n. - Dr. E. Assmann
Dr.R. Koor.i^chsi-cjar - Dipl. Phys. R. Holzbauer
Dr. F, Zufiistsin jun.
Patentanwälte
8 Mönchen 2, Bräuhaussfraße 4/III
Case 3-7583 +
Neue Epoxisilane
Die Erfindung bezieht sich auf neue Epoxysilane und deren Verwendung in Bindemitteln, insbesondere solchen auf
Epoxidharzbasis, welchen sie erhöhte Tropen- und Wasserfestigkeit verleihen.
Epoxysilane sind seit einer Reihe von Jahren bekannt und können so aufgebaut sein, dass die Epoxidgruppen über C-Atome
mit dem Si-Atom verknüpft oder über z.B. O-Brücken
209882/1252 .
mit dem Si-Atom verbunden sind.
Weiterhin ist bekannt, dass sich durch Zusatz von Epoxysilanen zu Kunststoffen bestimmte Eigenschaften wie Wasserfestigkeit,
Wärmestabilität und mechanische Eigenschaften verbessern lassen,
Sollen Bindemittel eine gute Wasserfestigkeit aufweisen, wird man zweckmässigerweise solche Epoxysilane einsetzen, welche
die Epoxidgruppe in hydrolysestabilen Kohlenwasserstoffresten oder Glycidyläthergruppierungen tragen und über C-Atome mit
den Si-Atomen verknüpft sind. Solche Epoxysilane sind bekannt.
Es war daher überraschend und nicht vorauszusehen, dass sieh
mit erfindungsgemässen neuen Epoxysilanen, welche die Epoxidgruppe
in bekanntermassen hydrolyseempfindlichen Estergruppen
tragen, gegenüber den bekannten Epoxysilanen mit hydrolysestabilen Epoxidgruppierungen bei Verwendung in Bindemitteln,
besonders solchen auf Epoxidharzbasis, Verklebungen, besonders Metallverklebungen, mit erhöhter Wasserfestigkeit und eine Verbesserung
mechanischer Eigenschaften, wie der Zugscherfestigkeit, erzielen lassen.
Die erfindungsgemässen Epoxysilane entsprechen der Formel I
f r
-C-O-CH2-CH2-CH2-Si- (0R)>n ^
-C-O-CH2-CH-CPI2
0 XK
0 XK
in welcher A einen cycloaliphatischen Fünfer- oder Sechserring oder einen aromatischen Ring, R und R1 je eine Akylgruppe
mit .1 bis 4 Kohlenstoffatomen und η 0, 1 oder 2 bedeuten.'
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Bevorzugt sind Epoxysilane der Formel I, in welcher A einen
cycloaliphatischen Ring, insbesondere einen Cyclohexan- oder Cyclohexenring, und η 0 oder 1 bedeuten.
Weiter sind solche Epoxysilane der Formel I bevorzugt, welche als Rest R die Methyl- oder Aethylgruppe aufweisen. Wenn
der Rest R' vorhanden ist, so handelt es sich dabei vorzugsweise
um die Methylgruppe.
Die Verbindungen der Formel 1 können dadurch hergestellt
werden, indem man Verbindungen der Formel II 0
-^. Il ' , x
^C-C-O-CH-CH=CH (II)
0 ^0'
mit Silanen der Formel III
Rf .
ln
Si(OR)^3 (III)
umsetzt.
Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung bei höherer Temperatur, z.B. zwischen 100 und 15O C, und in Gegenwart eines Katalysators,
z.B. auf der Basis von metallischem Platin oder Platinverbindungen, wie Platinhexachlor'id. Vorteilhaft
wendet man bei dieser Additionsreaktion die leichter flüchtige Komponente in einem gewissen Ueberschuss, welcher nach
beendeter Reaktion durch Abdestillieren wieder zurückgewonnen und für eine nachfolgende Operation wieder einge-
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setzt werden kann, an.
Bevorzugt setzt man den Allyl-glycidyl-hexahydrophthalsäureester
oder den Allylglycidyl-tetrahydrophthalsäureester mit Triäthoxy- oder Trimethoxysilan um.
Es wurde gefunden, dass diese neuen Epoxysilane, wenn sie Bindemitteln, insbesondere solchen auf Epoxidharzbasis,
welche gefüllt oder ungefüllt sein können, in Mengen von 0,1 bis 5 %, vorzugsweise 1 fo, bezogen auf die Harzkomponente,
zugemischt oder die zu verklebenden Flächen vor Auftragen des Bindemittels mit ihnen bestrichen v/erden, zu einer gegenüber
bisher im Handel befindlichen Epoxysilanen verbesserten Festigkeit der Verklebungen besonders nach Wasserlagerung und
Lagerung im Tropenklima führt. Dies ist insofern überraschend, als die bisher eingesetzten Epoxysilane estergruppenfrei sind
und a priori zu erwarten war, dass die Estergruppen in den neuen Verbindungen gerade nach Wasserlagerung oder in Tropenklima
zumindest teilweise hydrolytisch gespalten und dadurch
einen Abfall in der Festigkeit der Verklebungen zeigen würden. Als Bindemittel auf Epoxidharzbasis kommen in Frage alle mehr
als eine Epoxidgruppe tragenden Verbindungen, insbesondere die Polyglycidylather des Bisphenols A. Obwohl aus der
britischen Patentschrift I1092'626 bekannt ist, durch Zusatz
von Epoxy si] ancn bei Verkleidungen von Glas mit Glas oder
anderen nicht meta]]ischon »Stoffen die Festigkeit (3er Kleb»
2 ü 9 H 8 7 i 1 2 B 2
stellen nach Wasserlagerung ohne grossen Abfall zu erhalten,
konnte daraus nicht abgeleitet werden, dass die Silane der vorliegenden Erfindung bei Meta11verklebungen sogar noch die
Festigkeit nach Wasserlagerung verbessern würden, denn die den Silanen inhärente Affinität zu Glas kann für den vorliegenden
Fall nicht in Betracht gezogen werden. Die Bindemittel dienen zum Verkleben verschiedener Stoffe, wie Holz,
Glas, Kunststoffe, vor allem zum Verkleben von Metallen, z.B. Aluminium und dessen Legierungen.
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a) Hexahydrophthalsäure-allyl-glycidylester
In einem geeigneten Rührgefäss mit Rührer, Thermometer und Rückflusskühler wird eine Mischung aus 6l6 g (4 Mol)
Hexahydrophthalsäureanydrid und 2;52 g (4 Mol) Allylalkohol langsam im Oelbad aufgeheizt. Bei 40°C ist alles Anydrid
gelöst und bei 110 - 120 wird die Heizquelle wegen der eintretenden Exothermie der Reaktion entfernt. Innerhalb
weniger Minuten steigt die Temperatur bis auf l6;5OC und
fällt dann wieder innerhalb ;50 Minuten auf 105 C; der Ansatz
wird ohne zu rühren über Nacht stehen gelassen. Nach dieser Zeit wird eine Säurezahl von 269*6(theoretisch 264,6J
gemessen. Der Mischung werden zur Glycidylisierung 2960 g
(32 Mol) Epichlorhydrin zugegeben und der Ansatz auf 95 C
erwärmt. Bei dieser Temperatur wird die Lösung von 12 g Tetrarnethylammoniumchlorid in 40 g Wasser zugegeben und
nach Entfernen der Heizquelle mittels einer Glaselektrode der ρ,,-Wert verfolgt. Dieser steigt innert 10 Minuten von
5,1 bis auf 10 unter gleichzeitigem Temperaturanstieg der
Mischung, welche durch Kühlen bei 100 C gehalten wird. Nach insgesamt 15 Minuten wird die Mischung auf Raumtemperatur
abgekühlt, die Elektrode entfernt und ein Wasserabscheider angebracht. Nunmehr heizt man auf 50 C,
gibt nochmals 6 g Tetramethylammoriiumchlorid zu und lässt
innert 45 Minuten aus einem Tropftrichter 400 g 50/^igc
Natronlauge (5 Mol) ?;utropfen unter gleichzeitigem Anlegen
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eines Vakuums von 115 mm und Auskreisen des eingeführten
und entstehenden V/assers. Das Auskreisen wird danach noch weitere 45 Minuten fortgesetzt und man erhält insgesamt
282 g ausgekreistes Wasser. Nunmehr werden dem Ansatz
zum Lösen des gebildeten NaCl 1000 ml Wasser zugesetzt und die organische Phase abgetrennt. Diese wird nacheinander
mit je 1000 ml 2,5$iger Natronlauge, 1000 ml
gesättigter Mono-natriumphosphatlösung und 1000 ml Wasser
gewaschen. Die organische Phase, 3382,5 g, wird sodann auf dem Wasserbad bis zu einer Innentemperatur von 95 C
unter einem Druck von 10 mm eingeengt, wobei 2242 g
Epichlorhydrin zurückgewonnen und 1065,5 g Rohester erhalten werden. Dieser wird schliesslich durch Destillation
im Hochvakuum gereinigt, wobei 905 g Allyl-glycidyl-hexahydrophthalat
der Formel IV vom % 0 02 -^4,5-13S0 erhalten
werden (=84,3 f° der Theorie). Das Produkt besitzt
einen Epoxidgehalt von 3*71 Aeq./kg gegenüber einem
theoretischen von 3*73·
^£00* CH2* CH=CH2 (IV)
^COO-CH0- CH-CH2
Hexahydrophtha!säure-glycidyl-fo-triäthoxysilylpropyl-ester
In einem geeigneten RüTirgefäss v/erden zu 268 g HexahydrophthnlsUureallyl-glycidyl-ester
(1 Mol) unter Rühren bei
209882/125 2
115 - 1200C 197 S Triäthoxysilan (l,2 Mol), welches mit
0,^6 ml einer l^igen Lösung von H2PtClg»6 HpO in Diäthylenglykoldime
thy lather gemischt wurde, innerhalb J>0 Minuten
zugetropft. Die Reaktion ist schwach exotherm und wird durch gelegentliches Kühlen bei ca. 12O0C gehalten. Nach
weiteren 15 Minuten werden nochmals 0,18 ml der Platinsalzlösung
zugegeben und die Reaktion bei 120 - 125°C während 2 1/2 Stunden v/eitergeführt, nach welcher Zeit
nochmals 0,l8 ml Platinsalzlösung zugegeben und weitere 1 1/2 Stunden bei der angegebenen Temperatur gerührt wird.
Anschliessend wird das Reaktionsprodukt abgekühlt und zunächst auf dem Dampfbad im partiellen und zum Schluss
im vollen Wasserstrahlvakuum von nicht umgesetztem Triäthoxysilan befreit, wobei Kj>
g zurückgewonnen werden. Der Rückstand wird sodann durch Destillation im Hochvakuum
gereinigt, wobei 357 g des siliciumhaltigen Esters
der Formel V oder 82,7 % der Theorie unter 0,01 mm bei
170 - 171 C als farblose leicht bewegliche Flüssigkeit
übergehen.
00-CH2-CH2-CH2-Si(OC2H ) (v)
COO-CH 'CH-CH,
Durch Zusatz dieser Verbindung in einer Menge von etwa 1 % zu Bindemitteln auf Epoxidharzbasis werden Produkte erhalten,
mit welchen wesentlich bessere Verklebungen von Metallen, z.B. hinsichtlich der Zugscherfestigkeit, erzielt
werden, als ohne diose Verbindung. 009882/1252
Wie im Beispiel 1 beschrieben, wird aus Tetrahydrophthalsäureanhydrid,
Allylalkohol und Epichlorhydrin der Tetrahydrophthalsäre-ally1-glycidy!ester
der Formel VI
.COO-CII2-CH=CH2 (VI)
COO-CH2-CH-CH2
r-O,
welcher einen Kp0 Q, von 123 - 125 C besitzt und einen
Epoxidgehalt von 3,79 Aeq./kg (theoretisch 3*76) aufweist,
hergestellt und analog mit Triäthoxysilan umgesetzt. Der so erhaltene Tetrahydrophthalsäure-glycidyl-'Y-triäthoxysilylpropyl-ester
nachstehender Struktur der Formel VII
aCOO-CH -CH -CII0-Si(OC0IIp-), (VII)
253 COO·CH · CH·CH
2 \/ ■
besitzt einen Kp von 159 - l60°C unter einem Vakuum von 0,001 mm.
Um die Wirksamkeit der orfindungsgernässcri Verbindungen zu
erläutern, wurden folgende Versuche gemacht, bei welchen '
2 verschieden formulierte BindendLtoi (A und B) auf Iipoxidharzbafjiis
a) ohne Silam'usatz, b) mit Zu.satz von 1 % 1-ß-Tri-JKVin
Iyläthyl-3, ^t-epojcycyclohoxan (eines handelsüblichen
209882/ 1252
Epoxysilans mit der Handelsbezeichnung "Silan-Al86" der UCC;
vgl. auch den Artikel "Improving Adhesives with Silane Adhesive Promoters" von M.C. Polniaszek und R.H. Schaufelberger
in "Adhesives Age", Juli 1968, Seiten 25-27) und
c) mit Zusatz von 1 % einer der erfindungsgemässen Verbindungen
jeweils bezogen auf die Harzkomponente des Bindemittels zum Verkleben von geschliffenen Blechen aus "Anticorodal B"
feiner Aluminiumlegierung) der Dimension 17O χ 25 x 1,5 mm
verwendet wurden und die Ueberlappungslänge 10 mm betrug.
Die Härtung aller Proben erfolgte unter Kontaktdruck bei 40°C während ΐβ Stunden.
Die beiden folgenden Tabellen I und II geben die verschiedenen Zugscherfestigkeiten wieder, wie sie nach Wasser- bzw.
Tropenlagerung gemessen wurden, wobei die Messwerte das Mittel aus je 5 Messungen darstellen.
Wasserlagerung
bei 200c
bei 200c
.Zugscherfestigkeit in kp/cm*
Tage | Bindemittel A | 1 $> "Silane A-I86"(UCC) |
1 % Pro dukt nach Beisp. 1 |
Bindemittel B | 1 ^"Si lane A-186" (UCC) |
1 % Pro dukt nach Beisp. 1 |
0 | ohne Zu satz |
i4o | 170 | ohne Zu satz |
200 | 200 |
30 | 1^0 | I8O | 200 | I80 | 200 | 210 |
60 | 170 | 190 | 210 | 150 | 200 | 210 |
90 | 170 | Ii)O | 220 | IJO | I80 | I 220 |
170 | 120 |
209882/1252
Tabelle ϊΐ
Tropenlagerung | p Zugscherfestigkeit in kp/cm |
- Bindern | ittel A | 1 % Pro dukt nach Beisp. 1 |
Bindemittel B | τ o/1'σ-; 1 /0 OJ.- lane A-186" (UCC) |
• 1 % Pr< dukt n< Beisp. |
. Tage | Dime Zu satz |
1 -JS11Si- lane A-186" (UCC) |
170 170 170 170 |
ohne Zu satz |
200 200 200 I8O |
200 200 210 210 |
|
130 100 90 80 |
l40 140 150 I6O |
I8O 160 130 120 |
|||||
0 30 6o . 90 . . |
geraessen nach DIN 5OOI5 bei 40°C und 92 % rel. Luftfeuchtigkeit
Die beiden Bindemittel hatten folgende Zusammensetzung:
Bindemittel A, Harz
44,5 Tl. flüssiges Epoxidharz auf Bisphenol-A-Basis mit
einem Epoxidgeha.lt von 5,4 Aeq./kg
5 j 4-9 " Polypropylenpulver
45,59 " Schwerspat 4,37 " "Bentone" (organisches Montmorillonitderivat)
Härter 33*20 Tl."Versamid l4o" (ein Polyaminoamid der Schering AG,
Bergkamen, W-Deutschland) 4,98 " Dimethylaminopropylamin
" Diäthylentriamin
5,00
52,18 6,64
Schwerspat
Bentone" ■
209882/1252
Bindemittel B, Harz
45*55 TI· flüssiges Epoxidharz auf Bisphenol-A Basis mit
einem Epoxidgehalt von 5*4 Aeq./kS
9,82 " Kresylglycid
l8,22 " Schiefermehl
22,78 " Kaolin
1,^6 " "Aerosil" (Kieselsäure mit grosser spezifischer Oberfläche)
l8,22 " Schiefermehl
22,78 " Kaolin
1,^6 " "Aerosil" (Kieselsäure mit grosser spezifischer Oberfläche)
2,27 " "Bentone 34" (polare Verbindung aus Montmorillonit
und organischer Ammoniumbase)
Härter
65,51 Tl. "Versamid I25" (ein Polyaminoamid der Schering AG,
Bergkamen, V/-Deutschland)
6,68 " Diäthylentriamin
4,^4 " Bisphenol A
24,47 " Polyäthylenpulver
24,47 " Polyäthylenpulver
Das Bindemittel A wurde angewandt im Verhältnis 100 Teile Harz zu 40 Teilen Härter und das Bindemittel B im Verhältnis
100 : 60. Das Epoxysilan wurde jeweils der Harzkomponente ■zugemischt .
209882/ 1 252
/13
Wie im Beispiel 2 beschrieben, wird aus Tetrahydrophthalsäureallyl-glycidylester
der Formel VI durch Kondensation mit Methyldiäthoxysilan unter analogen Bedingungen der Tetrahydrophthalsäure-glycidyl-^-diäthoxy-methylsilylpropyl-ester
nachstehender Struktur der Formel VIII
CEL
(VIII)
COO-CH0.CH-CH0
2 \ / 2
2 \ / 2
hergestellt. Die Verbindung besitzt einen K von 15O-153°C
unter 0.001 mm.
Der Zusatz von 1 % der Verbindung zu Bindemittel B (vgl. Tabelle
I nach Beispiel 2) ergibt im Wasserlagerungstest bei
20°C nach dem Härten folgende Werte der Zugscherfestigkeit:
9 2
0 Tage: 200 kp/cm (ohne Zusatz: 180 kp/cm )
2 2
30 Tage: 200 kp/cm (ohne Zusatz: 150 kp/cm )
9 2
60 Tage: 210 kp/cm (ohne Zusatz: 180 kp/cm )
2 2
90 Tage: 240 kp/cm (ohne Zusatz: 120 kp/cm )
Eine ähnliche Verbesserung zeigt der Tropenlagerungstest (vgl. Tabelle II im Anschluss an Beispiel 2): Der Zusatz von 1 % der
Verbindung VIII zum Bindemittel A ergibt nach dem Härten die folgenden Zugscherfestigkeit:m:
9 2
0 Tage: 150 kp/cm (ohne Zusatz: 130 kp/cm )
30 Tage: 170 kp/cin2' (ohne Zusatz; 100 kp/cm2)
60 Tage: 180 kp/cm2 (ohne Zusatz: 90 kp/cm2) 90 Tiur.e: LHO kp/cm2 (ohne Zusatz: 80 kp/cm2)
2 09 B 82 / 1252
Wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, wird aus Phthalsäureanhydrid
und Allylalkohol zunächst der Phthalsäure-monoallylester
hergestellt und dieser mit Epichlorhydrin anschliessend in den Phthalsäure-allyl-glycidylester der nachfolgenden
Formel IX
.COO-CH0-CH=CH,,
(IX)
COO-CH0-CH'CH0
2 \ / 2
überführt. Die Verbindung besitzt unter 0,001 mm einen Kp von
127-13O°C sowie einen Epoxidgehalt von 3,78 Aeq./kg (Th. 3,82
Aeq../kg).
Durch Kondensation dieser Verbindung mit Methyl-dimethoxysilan wie in den vorangegangenen Beispielen beschrieben, erhält man
den Phthalsäure-glycidyl-fcdimethoxy-methylsilylpropylester
folgender Struktur X
COO-CH2-CH2-CH2-Si(OCH3)2
COO-CH0-CH-CH0
2 \ / 2
Die Verbindung besitzt einen Kp von 162-165°C unter 0,04 mm
und einen Epoxidgehalt von 2,7 Aeq./kg (Th. = 2,63 Aeq./kg). Der Zusatz von 1% der Verbindung X zu den Bindemitteln A und B
(vgl. Tabelle II im Anschluss an Beispiel 2) ergibt im Tropenlagerungstest nach dem Härten folgende Werte der ZugschorfeatLgkeLt:
20 9 882/1252
/15
Bindemittel A
2 2
O Tage 140 kp/cm (ohne Zusatz: 130 kp/cm )
ο ο
30 Tage 170 kp/cm (ohne Zusatz: 100 kp/cm )
2 2
60 Tage 170 kp/cm (ohne Zusatz: 90 kp/cm )
2 2
90 Tage 170 kp/cm (ohne Zusatz: 80 kp/cm )
Bindemittel B
0 Tage 200 kp/cm2 (ohne Zusatz: 180 kp/cm2)
2 2
30 Tage 200 kp/cm (ohne Zusatz: 160 kp/cm )
60 Tage 200 kp/cm (ohne Zusatz: 130 kp/cm )
90 Tage 210 kp/cm2 (ohne Zusatz: 120 kp/cm2)
209882/ 1252
Claims (8)
- AnsprücheC-C-O-CH0-CH CHIl 2A
- C-in welcher A einen cycloaliphatischen Fünfer- oder Sechserring oder einen aromatischen Ring, R und R' je eine Alkylgruppe mit 1 "bis 4 Kohlenstoffatomen und η 0, 1 oder 2 "bedeuten. - 2. Epoxysilane gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I A einen cycloaliphatishhen Ring und η 0 oder 1 be= deuten.
- 3. Spoxysilane gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I A einen Cyclohexanring oder einen Cyclohexenring und η 0 bedeuten.
- 4. Epoxysilane gemäss Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I R die Aethyl- oder Methylgruppe bedeutet.
- 5. Verfahren zur Herstellung von Epoxysilanen der Formel I, dadurch gekennzeichnet, dass man Verbindungen der Formel IIS~ C-C-O-CH0-CH=CH0(Af 2 2 (II)C-C-O-CH0-CH CH,s 2 \0/mit Silanen der Formel IIIH-Si(OR) (III)Ur-Jumsetzt.209882/1252
- 6. Verfahren gemäss Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass man den Allyl-glycidyl-hexahydrophthalsäureester oder den Allylglycidyl-tetrahydrophthalsäureester mit Triäthoxy- oder Tri= methoxysilan umsetzt. ' ·
- 7*. Verwendung von Epoxysilanen der Formel I in Bindemitteln.
- 8. Vervrendung gernäss Anspruch 7 in Bindemitteln a^if Epoxidharz= basis..'-ü3 (Lh) Lh/vb 8.5-72209882/1252
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