DE2231261A1 - Neue epoxisilane - Google Patents

Neue epoxisilane

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DE2231261A1
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epoxysilanes
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binders
ring
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DE2231261A
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Hans Lehmann
Ernst Dr Leumann
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Novartis AG
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Ciba Geigy AG
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G59/00Polycondensates containing more than one epoxy group per molecule; Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups
    • C08G59/14Polycondensates modified by chemical after-treatment
    • C08G59/1433Polycondensates modified by chemical after-treatment with organic low-molecular-weight compounds
    • C08G59/1438Polycondensates modified by chemical after-treatment with organic low-molecular-weight compounds containing oxygen
    • C08G59/145Compounds containing one epoxy group
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F7/00Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic Table
    • C07F7/02Silicon compounds
    • C07F7/08Compounds having one or more C—Si linkages
    • C07F7/18Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
    • C07F7/1804Compounds having Si-O-C linkages
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
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  • Epoxy Resins (AREA)

Description

CIBA-GEIGY AG. CH-4002 Basel
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
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.' 209882/1252
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-
209882/ 1 252
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 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
Beispiel 2
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.
Vergleichsversuch
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
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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
Tabelle I
.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
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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)
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
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 .
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Beispiel 3
/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
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
Beispiel 4
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)
La VJIl VJlIn
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)
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Claims (8)

  1. Ansprüche
    C-C-O-CH0-CH CH
    Il 2
    A
    - 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. 2. Epoxysilane gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I A einen cycloaliphatishhen Ring und η 0 oder 1 be= deuten.
  3. 3. Spoxysilane gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I A einen Cyclohexanring oder einen Cyclohexenring und η 0 bedeuten.
  4. 4. Epoxysilane gemäss Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass in der Formel I R die Aethyl- oder Methylgruppe bedeutet.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung von Epoxysilanen der Formel I, dadurch gekennzeichnet, dass man Verbindungen der Formel II
    S~ C-C-O-CH0-CH=CH0
    (Af 2 2 (II)
    C-C-O-CH0-CH CH,
    s 2 \0/
    mit Silanen der Formel III
    H-Si(OR) (III)
    Ur-J
    umsetzt.
    209882/1252
  6. 6. Verfahren gemäss Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass man den Allyl-glycidyl-hexahydrophthalsäureester oder den Allylglycidyl-tetrahydrophthalsäureester mit Triäthoxy- oder Tri= methoxysilan umsetzt. ' ·
  7. 7*. Verwendung von Epoxysilanen der Formel I in Bindemitteln.
  8. 8. Vervrendung gernäss Anspruch 7 in Bindemitteln a^if Epoxidharz= basis.
    .'-ü3 (Lh) Lh/vb 8.5-72
    209882/1252
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