DE2310128A1 - Verfahren zur herstellung von wasserverduennbaren bzw. wasserdispergierbaren polyurethanmischpolymerisatharzen und deren verwendung als bindemittel fuer einbrennlacke - Google Patents

Verfahren zur herstellung von wasserverduennbaren bzw. wasserdispergierbaren polyurethanmischpolymerisatharzen und deren verwendung als bindemittel fuer einbrennlacke

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DE2310128A1 DE19732310128 DE2310128A DE2310128A1 DE 2310128 A1 DE2310128 A1 DE 2310128A1 DE 19732310128 DE19732310128 DE 19732310128 DE 2310128 A DE2310128 A DE 2310128A DE 2310128 A1 DE2310128 A1 DE 2310128A1
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Description

  • Verfahren zur Herstellung von wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen und deren Verwendung als Bindemittel für Einbrennlacke Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen und deren Verwendung als Bindemittel für Einbrennlacke.
  • Aus der britischen Patentschrift 1 199 810 und der deutschen Offenlegungsschrift 1 948 505 sind bereits wasserverdünnbare bzw. wasserdispergierbare Polyurethanharze bekannt, die als oxydativ lufttrocknende Bindemittel eingesetzt werden. Solche bekannten Polyurethanharze zeichnen sich durch eine Reihe wertvoller Eigenschaften aus. Wenn man diese Kunstharze als Bindemittel für Einbrennlacke allein oder mit zusätzlichen Bindemitteln auf der Basis von wärmehärtenden anderen Kunstharzen einsetzt, um die mechanischen Eigenschaften der Überzüge zu optimieren; tritt beim Einbrennen eine starke Vergilbung auf, die auf den hohen molanteil zurückzuführen ist.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, solche wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren, wärmehärtbaren Kunstharze auf Polyurethanmischpolymerisatbasis zur Verfügung zu stellen, die eine sehr gute Lagerstabilität der wässerigen Lösungen besitzen, die bei niedriger Einbrenntemperatur und in kurzer Zeit aushärtbar sind, und deren Filme sich durch sehr gute Gilbungsbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften, Glanzhaltung sowie durch überdurchschnittliche Lösungsrnittelbeständigkeit auszeichnen und füllkräftige Lackierungen liefern. Außerdem zeichnen sich die erhaltenen eingebrannten Lackfilme durch ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit in industriell verunreinigter Atmosphäre aus.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen auf der Basis von hydroxyl- und carboxylgruppentragenden Estern, die anpolymerisierte ungesättigte Verbindungen enthalten, und Isocyanaten, die mit Alkali oder starken organischen Basen versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß man 1. 55 - 75 Gew.-% eines Esters, hergestellt aus a) 35 - 50 Gew.-% gesättigten gerad- oder verzweigtkettigen Monocarbonsäuren mit 5 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen, b) 40 - 60 Gew% zwei- bis vierwertigen organischen Hydroxylverbindungen, c) 4 - 30 Gewv% aromatischen Polycarbonsäuren und d) 1,4- 3,2Gew.-% Maleinsäure oder Maleinsäureanhydrid, II. mit 15 - 35 Gew.-% Genischen aus monomeren anpolymerisierbaren Verbindungen, die e) 30 - 50 Gew.-% Styrol, f) 18 - 26 Gew.-% Acrylsäure oder Methacrylsäure, g) 10 - 30 Gew.-X Hydroxyalkylester der Acrylsäure oder Methacrylsäure, die 1 - 4 Kohlenstoffatome im Hydroxyalkylrest enthalten, und h) 10 - 30 Gew.--% eines Esters der Acryl- oder Methacrylsäure mit 1 - 10 Kohlenstoffatomen aufweisenden gesättigten Alkanol bzw. eines Gemisches solcher Ester enthalten, gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln, mischpolymerisiert, III. dieses hydroxyl- und carboxylgruppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 5 - 15 Gew.-% Isocyanaten in Anwesenheit von j) 5 - 10 Gew.-% Monoalkohole mit 1-18 C-Atomen, bei 400 bis 1100C, vorzugsweise 700 bis 900cm umsetzt und das carboxylgruppenerhaltene Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) Alkali oder organischen starken Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  • In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird ein Polyurethanharz aus den folgenden Komponenten aufgebaut, indem man I. 58 - 62 Gew.-% eines Esters, hergestellt aus a) 42 - 46 Gew.-% Pelargonsäure, b) 22 - 26 Gew.-% Trimethylolpropan, 23 - 26 Gew.-Z eines Adduktes aus einem Mol Bisphenol A und zwei Molen Propylenoxid, c) 4 - 8 Gew. -% Phtalsäureanhydrid und d) 1,4- 2,4Gew.-% Maleinsäureanhydrid, II. mit 25 - 30 Gew.-% Gemischen aus monomeren Verbindungen, die e) 42.- 46 Gew.-% Styrol, f) 20 - 24 Gew.-% Acrylsäure, g) 10 - 14 Gew.-% Hydroxyäthylmethacrylat, h) 21 - 25 Gew.-X Methylmethacrylat enthalten, durch Erhitzen gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln mischpolymerisiert und III. dieses hydroxyl- und carboxylgruppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 5 - 7 Gew.-% Toluylendiisocyanat und j) 7 - 9 Gew.-% Triallyläther des Pentaerythrits bei 70° - 90°C umsetzt, und das erhaltene carboxylgruppentragende Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) starken Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  • In einer speziellen, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Polyurethanharz aus den folgenden Komponenten aufgebaut, indem man I. 62 - 67 Gew.-% eines Esters, hergestellt aus a) 40 - 44 Gew.-X Isononansäure, b) 22 - 26 Gew.-% Trimethylolpropan, 20 - 24 Cew.-X eines Adduktes aus einem Mol Bisphenol A und zwei Molen Propylenoxid, 6 - 10 Gew.-$ Polyäthylenglykol (Molgewicht 3000).
  • c) 4 - 8 Gew.-% Phthalsäureanhydrid und d) 1,4 - 2,4 Gew.-% Maleinsäureanhydrid II. mit 15 - 25 Gew.-X Gemischen aus monomeren Verbindungen, die e) 40 - 44 Gew.-% Styrol, f) 20 - 24 Gew.-S Acrylsäure, g) 20 - 24 Gew.-% Hydroxyäthylmethacrylat, h) 10 - 20 Gew.-X Isobutylacrylat enthalten, gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln, mischpolymerisiert und III. dieses hydroxyl- und carboxylgruppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 3 - 5 Gew.-% Toluylendiisocyanat, 5 - 10 Gew.-X Methoxymethylisocyanat und j) 6 - 9 Gew.-% Triallyläther des Penthaerythrits bei 600 - 700 umsetzt und das erhaltene carboxylgruppentragende Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) starken Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  • Als Komponente (a) werden gesättigte gerad- oder verzweigtkettige Monocarbonsäuren mit 5 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen beispielhaft genannt: Valeriansäure, Capronsäure, HeptylsSure, Caprylsäure, Pelargonsrure, Isononansäure, Decansäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure.
  • Als zwei- bis vierwertige organische Hydroxylverbindungen mit 2 bis 16 Kohlenstoffatomen können als Komponente (b) z.B. Glycerin, Pentaerythrit, Di-Pentaerythrit, Äthylenglykol, Diäthylenglykol, Trimethyloläthan, Trimethylolpropan, Eisphenol-A, hydriertes Bisphenol-A, 4,4-Dihydroxydiphenylmeethan, 4,4-Dihydroxyphenylbutan, 4,4'-Dihydroxydiphenyl, Cyclohexandiol, 1 > 1,4-Cyclohexandimethanol, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol, 1,2,6-Cyclohexantriol, verwendet werden. Zusätzlich können auch Polyoxyalkylenverbindungen mit verwendet werden, die nur ein Atom aktiven Wasserstoff enthalten und bei denen die Polyoxyalkylenkette ein mittleres Molekulargewicht von etwa 3000 bis 5000.besitzt, -beispielsweise solche, die aus Monocarbonsäure durch katalytische Alkoxylierung oder aus Monocarborsäure und Polyoxyalkylenverbindungen, die zwei Atome aktiven Wasserstoff besitzen, durch Halbesterreaktion erhalten werden.
  • Als Monocarbonsäuren können hierbei z.B. Trimethylessigsäure, Pelargonsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure zum Einsatz kommen. Aus Monoalkoholen durch Alkoxylierung oder durch Verätherungsreaktion mit Polyoxyalkylenverbindungen, die zwei Atome aktiven Wasserstoff besitzen, werden ebenfalls Polyoxyalkylenverbindungen, die'ein aktives Wasserstoffatom besitzen, erhalten. Hierunter werden beispielsweise, Methyl-, Athyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, Allyl-, Benzylalkohol, Cyclohexanol, Phenol, Methyl-, Athy, Butyl-, Isobuty>, p-tert.-Butylphenol verstanden.
  • Als Komponente (c) sind aromatische Polycarbonsäuren oder hydroaromatische Polycarbonsäuren bzw. deren Anhydride, soweit diese existent sind, beispielsweise brauchbar: Phthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Trime.llithsäureanhydrid, Trimellithsäure, Hemimellithsäure, Pyromellithsäure, Pyromellithsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid.
  • Als Hydroxyalkylester der Acrylsäure (Komponente g), die 2 - 4 Kohlenstoffatome im Hydroxyalkylrest enthalten, sind beispielsweise brauchbar: Hydroxyäthylacrylat, Hydroxyäthylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat als Gemisch aus n-Hydroxypropyl- und iso-Hydroxypropylacrylat (Gewichtsverhältnis etwa 40:60) und Butandiol-1, 11-monoacrylat.
  • Als Komponente (h) werden Ester der Acryl- oder Methacrylsäure mit einem 1 bis 10 Kohlenstoffatome aufweisenden gesättigten Alkanol, wie Methylmethacrylat, Athylmethacrylat, Butylmethacrylat, 2-Athylhexylmethacrylåt, Methylacrylat; Äthylacrylat, Butylacrylat, Isobutylacrylat, Sek.-Isobutylacrylat oder 2-Athylhexylacrylat eingesetzt. Bevorzugt werden Butylacrylat, Methylmethacrylat, Isobutylacrylat oder 2-Athylhexylacrylat eingesetzt.
  • Als Isocyanate (Komponente i) eignen sich z.B. Phenylisocyanat, Stearylisocyanat, Cyclohexylisocyanat, Athylendiisocyanat, 2,4- und/pder 2,6-Toluylendiisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Naphthylen-1,5-diisocyanat, Hexamethylendiisocyanat und Triphenylmethan-4,4',4"-Triisocyanat, Methoxymethylisocyanat, ferner biuretgruppenhaltige Polyisocyanate, z.B.
  • das Umsetzungsprodukt von 1 Mol Wasser und 3 Mol Hexamethylendiisocyanat sowie dimerisierte, trimerisierte oder polymerisierte Isocyanate.
  • Als Komponente (j) sind kettenabbrechende Mittel wie Monoalkohole, z.B. Methyl-, Athyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl- und Isobutylalkohole, verwendbar, ferner Benzylalkohol, Cyclohexanol, Phenol, Methyl-, Athyl-, Butyl-, Isobutyl-, p-tert.-Butylphenol.
  • Weiterhin können als kettenabbrechende Mittel einwertige Alkohole, die eine oder mehrere ß,y-äthylenisch ungesättigte Äthergruppen enthalten, verwendet werden. Der Alkoholäther kann beispielsweise von einem Allyl-, Methallyl-, Athallyl-, Chlorallyl-oder Crotonylalkohol abgeleitet sein. Besonders geeignete Alkoholäther sind jene, die nur eine freie Hydroxylgruppe enthalten. Beispiel solcher Verbindungen sind Glycerindiallyläther, Trimethylolpropandiallyläther und Pentaerythrit-triallyläther.
  • In der Stufe (I) erfolgt die Veresterung der Komponenten (a), (b), (c), (d) durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 1500C bis 2900C, vorzugsweise bei 1500C bis 2200C, unter Abführung von Reaktionswasser, gegebenenfalls in Anwesenheit von an sich bekannten Veresterungs-Katalysatoren, beispielsweise Dibutylzinndilaurat-, Calciumacetat, Bleioxyd, Natriummethylat, Lithiumricinoleat, Kobaltbutylphthalat oder Äthylhexyltitanat. Die Zeit zur Durchführung der Veresterung beträgt etwa von 8 bis 28 Stunden.
  • Durch die Auswahl der eingesetzten Mengen der schon genannten Komponenten (a) bis (d) werden die Veresterungsreaktionen so durchgeführt; daß Mono-, Di-oder Polyester oder Gemische dieser entstehen, wobei die entstandenen Esterprodukte Säurezahlen von 2 bis 10 haben sollen und Hydroxylzahlen von etwa 120 bis etwa 200 aufweisen müssen, um weiter umsetzungsfähig zu sein. Außerdem muß die erhaltene Komponente I gelfrei sein und in Aceton, Xthylenglykolmonobutyläther und Xylol bei 25 0C löslich sein.
  • Der in der Stufe (I) als Zwischenprodukt erhaltene hydroxylgruppentragende Polyester wird in der Stufe (II) mit den monomeren Komponenten (e), (f), (g) und (h) in inerten Lösungsmitteln bei 1200C bis 160 0C in Anwesenheit von Katalysatoren mischpolymerisiert.
  • Das in der Stufe (II) erhaltene Produkt muß gelfrei sein und in Aceton, Athylenglykolmonobutyläther und Xylol bei 250C löslich sein. Die Mischpolymerisation dauert im allgemeinen etwa 6 bis 18 Stunden.
  • Das Herstellen der Copolymerisate kann auf übliche Weise erfolgen, im allgemeinen zweckmäigerweise durch Lösungspolymerisation in solchen Lösungsmitteln, die auch Bestandteile der fertigen Einbrennlacke sein sollen. Die Polymerisation kann zweckmäßigerweise durch die üblichen Initiatoren bzw. Initiatorsysteme aus Initiatoren und Aktivatoren initiiert werden.
  • Als Polymerisationsinitiatoren eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren alle Verbindungen, die unter den Reaktionsbedingungen freie Radikale bilden.
  • Bevorzugt werden Peroxyverbindungen und Azonitrile.
  • Beispiele geeigneter Peroxyverbindungen sind Dibenzoylperoxyd, Dilauroylperoxyd, Dimethylperoxyd, Diäthylperoxyd, Ditert.-butylperoxyd, Dioctadecylperoxyd, t-Butylperoxypivalat, Disuccinoylperoxyd, Harnstoffperoxyd, Peressigsäure und Perbenzoesäure, Alkyldialkylborperoxyde und Alkalipersulfate, -perborate und -percarbonate jeweils allein oder in Kombination mit einem Reduktionsmittel. Als Azonitrile eignen sich beispielsweise 1,1-Azodicyclohexancarbonitril, a,a'-Azobis-(a-cyclopropylpropionitril), α,α'-Azobis-(isobutyronitril)α,α'-Azobis-(α,γ-dimethylvaleronitril), a,a'-Azobis-(a-methylanthronitril), α,α'-Azobis-(α-phenylpropionitril), α,α'-Azobis-(a-cyclohexylpropionitril), a,«'-Azobis-(«-methyl-Y-carboxybutyronitril), Dinatrium-y,y'-azobis-(y-cyanovalerat), 1'1'-Azodicamphancarbonitril. Der bevorzugteste Polymerisationsinitiator ist tert.-Butylperoctoat.
  • Durch Mitverwendung der üblichen Regler, wie Merkaptane und Aldehyde, kann falls gewünscht, der Polymerisationsgrad und damit die Viskosität der Copolymerisate auf das gewünschte Maß eingestellt werden.
  • Als kettenregelnde Merkaptane kommen, falls überhaupt, Butylmerkaptan, Octylmerkaptan, Laurylmerkaptan und tert.-Dodecylmerkaptan bevorzugt zum Einsatz.
  • In der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Polymerisationsinitiatoren oder -katalysatoren in Mengen von o,8 bis 3,5 Gew.-X,bezogen auf das Gewicht des Monomerengemisches,eingesetzt, wobei Di-tertiäres-Butylperoxyd am geeignetsten ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden gegebenenfalls die Kettenregler in Mengen von 0,1 bis 2,5 Gew.-9, bezogen auf das Gewicht des Monomerengemisches, eingesetzt, wobei am geeignetsten tertiäres Dodecylmerkaptan verwendet wird.
  • Die in der Stufe (II) als Zwischenprodukt erhaltenen hydroxyl- und carboxylgruppentragenden Ester werden durch Erwärmen auf 400C bis 110°C, vorzugsweise 700 bis 9000> mit 5 - 15 Gew.-%, vorzugsweise 5 - 8 Gew.-% Isocyanaten, einzeln oder im Gemisch, und 5 - 10 Gew.-% (j) kettenabbrechender Mittel gemeinsam oder stufenweise umgesetzt.
  • Die Urethanisierungsreaktion kann man in An- oder Abwesenheit eines organischen Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches, wie Ketone, Esters, Esteräther der Äthylenglykole oder Diäther der Äthylenglykole, durchführen. Das Arbeiten mit Lösungsmitteln bei der Urethanisierungsreaktion wird bevorzugt, wenn die Endprodukte eine niedrigere Viskosität besitzen sollen.
  • Wird die Umsetzung der in der Stufe (II) erhaltenen Mischpolymerisate mit den Komponenten i) und j) in der Stufe (III) nicht gemeinsam durchgeführt, dann ist die Komponente i (Isocyanat) mit der Komponente j (Monoalkohol) in der Weise zu einem Zwischenprodukt umzusetzen, daß das Isocyanat vorgelegt und der Alkohol in Anteilen unter gutem Rühren zugefügt wird, wobei die Reaktionstemperatur auf etwa 70 bis 900C gehalten wird. Dieses Zwischenprodukt wird dann zu dem vorgelegten hydroxyl- und carboxylgruppentragenden Mischpolymerisat anteilweise unter Erwärmen bei etwa 700 bis 900C, hinzugefügt. Für diese Umsetzungsstufe sind etwa 8 bis 20 Stunden erforderlich.
  • Zur Erzielung ausreichender Wasserdispergierbarkeit bzw. Wasserlöslichkeit, Verbesserung der Fließeigenschaften und des Glanzes für die Verwendung in pigmentierten Überzugsmitteln der neuen carboxylgruppenhaltigen Polyurethanharze, kann es erforderlich sein, organische Lösungsmittel, die mit Wasser unbegrenzt oder wenigstens weitgehend mischbar sind, beim Lösen mit Wasser mitzuverwenden. Diese organischen Lösungsmittel können in Mengen von etwa null bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-%, Verwendung finden, und dienen dazu, bei der Verdünnung mit Wasser auf einen Festkörpergehalt von ca. 30 bis 70 Gew.-% der Harzlösung, klare Lösungen zu erhalten. Als solche eignen sich z.B. Mono- und Diäther des Äthylenglykols, Äther des Diäthylenglykols mit niederen einwertigen Alkoholen, wie Athanol, n- und i-Propanolen, n- und i-Butanolen, wie z.B. Methylglykol, Äthylglykol, Propylglykol, Isopropylglykol, Butylglykol, Diäthylenglykol-diäthyläther, ferner Acetonalkohol, niedere Ketone, wie Aceton, Methyläthylketon und in kleinen Mengen auch Methylisobutylketon.
  • Als organisch starke Basen werden solche organische Stickstoffbasen verstanden, die in 1obiger wässeriger Lösung bei 25 0C weinen pH-Wert von mindestens 8 aufweisen.
  • Geeignete starke Stickstoffbasen sind beispielsweise flüchtige Alkylamine, wie Triäthylamin, Diäthylamin, Trimethylamin. Zu verwenden sind auch tertiäre, sekundäre oder primäre Alkylolamine, wie Triäthanolamin, Diäthanolamin, Monoäthanolamin, N-DimethylEthanolamin, N-Methyläthanolamin, N-Diäthanolamin, Monoisopropanolamin, Di-Isopropanolamin, Triisopropanolamin.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten neuen Polyurethanmischpolymerisatharze können in Uberzugsmassen unpigmentiert oder pigmentiert, und/oder Füllstoffe enthaltend, verwendet werden; Sie können beispielsweise auf Papier, Pappe, Eisen und Stahl sowie Nichteisenmetalle, mit oder ohne Vorbehandlung, wie Passivierung, Phosphatierung, elektrochemische Behandlung, Verzinken, Verzinnen oder andere Metallisierung nach den verschiedenen bekannten Verfahren aufgebracht werden. Unter Verwendung von solchen Pigmenten oder anderen Harzen, die sich beim Anlegen einer Gleichspannung an der Anode abscheiden, ist auch die elektrophoretische Auftragsweise der erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharze möglich.
  • Pigmente und/oder Füllstoffe sind beispielsweise -ohne die Verwendung hierdurch zu beschränken - Eisenoxidrot, Rußschwarz, Bleisilikochromat, Strontiumchromat, Blanc Fix, mikronisierte Barytsorten, mikronisierter Talkum, kolloidale Kreide, Diatomerde, China-Clay, Titandioxid, Chromoxidgrün und andere.
  • Das Verhältnis des Pigments zum Bindemittel ist abhängig von dem eingesetzten Pigment typ und dem vorgeschlagenen Verwendungszweck. In den meisten Fällen wird das Pigment-Bindemittel-Verhältnis 0,5:1 bis 3:1 betragen. Nur bei der elektrophoretischen Anwendung kann der Pigmentgehalt auch unter-0,5 Gew.-% liegen.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharze können als einbrennbare Binde- bzw.
  • Alleinbindemittel in Form von wässerigen Dispersionen für Überzugsmittel allein oder in Kombination mit Mischpolymerisatdispersionen, beispielsweise der folgenden Zusammensetzungen zum Einsatz kommen: 60 Gew.-% Butadien und 40 Gew.-% Styrol; 5 Gew.-% Butadien und 45 Gew.-% Styrol und 50 Gew.-X Butylacrylat; 40 Gew.-% Butadien, 50 Gew.-% Styrol und 8 Gew.-X Butylacrylat und 2 Gew.-% Hydroxyäthylmethacrylat; 60 Gew.-% Styrol, 17 Gew.-Z Hydroxyäthylmethacrylat und 23 Gew.-% Isobutylmethacrylat.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharze können auch mit anderen Bindemitteln bzw. Dispersionen kombiniert werden, wie diese in der deutschen Offenlegungsschrift 2 048 956 vom gleichen Erfinder angegeben worden sind.
  • Die Erfindung betrifft auch die neuen wasserlöslichen Polyurethanmischpolymerisatharze und ihre Verwendung. in Kombination mit Styrol-Butadien-Copolymerdispersionen, als Bindemittel für Oberzugsmittel, die mittels mechanischem oder elektrophoretischem Auftragsverfahren verarbeitbar sind.
  • Bei hohen Anteilen an anderen Harzkomponenten der Dispersionen dienen die erfindungsgegäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharze mehr einer Modifizierung der Dispersionen, z.B. in bezug auf Haftfestigkeit auf metallischen Untergründen.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der neuen Polyurethanmischpolymerisatharze in wasserdispergierbaren oder wasserverdünnbaren Bindemitteln und/oder Überzugsmitteln als Alleinbindemittel oder im Gemisch mit anderen Bindemitteln für Einbrennlacke. Eine Verwendung der neuen Polyurethanharze besteht im Einsatz als Alleinbindemittel oder im Gemisch mit anderen Bindemitteln in elektrophoretisch abscheidbaren überzugsmassen, zusammen mit solchen Pigmenten, die sich bei Anlegen einer Gleichspannung an der Anode abscheiden. Hierbei werden solche erfindungsgeäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharze bevorzugt, die die Komponente (f) in Mengen von 6 - 12 Gew.-% eingebaut enthalten. Wenn man diese speziellen Polyurethanmischpolymerisatharze in Mengen von 2 bis etwa 30 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht (Festkörpergehalt) des Gesamtbindemittels zusammen mit anderen für die elektrophoretische Abscheidung üblichen Bindemitteln versetzt, können leicht Schichtdicken über 20 p elektrophoretisch abgeschieden werden.
  • Bei der Verwendung als Bindemittel in Einbrennlacken, kann ein Zumischen von wasserlöslichen oder zumindest hydrophilen, niedrigmolekularen Aldehyd-Kondensationsprodukten, wie z.B. Phenolresolen und/oder aminoplastbildenden Kondensationsprodukten, vorteilhaft sein.
  • Die Vermischung der neuen wasserlöslichen Polyurethanmischpolymerisatharze mit relativ niedrigmolekularen, zumindest hydrophilen, wärmehärtbaren Kondensationsprodukten, wie aminoplastbildenden Reaktionsprodukten und/oder Phenolresolen und/oder verätherten Phenolresolen, bewirkt eine höhere Vernetzung der eingebrannten Filme und damit eine weitere Verbesserung ihrer lacktechnischen Eigenschaften, wie Härte, Glanz, Korrosionsschutz und dergleichen. Geeignete hydrophile wärmehärtbare Kondensationsprodukt hat der Erfinder bereits in der deutschen Offenlegungsschrift 20118'956 auf Seite 311 letzter Absatz bis Seite 37 Absatz 2 angegeben, die auch im vorliegenden Fall verwendet werden können.
  • Unter wärmehärtend sollen auch solche Kondensationsprodukte verstanden werden, die allein erhitzt, zwar einen relativ hochmolekularen, aber noch nicht unschmelzbaren Zustand erreichen. Es ist ebenfalls nicht unbedingt erforderlich, daß die zugemischten Kondensationsprodukte für sich allein Wasserlöslichkeit aufweisen; es ist lediglich notwendig, daß ihr hydrophiler Charakter ausreicht, um in Kombination mit den plastifizierend wirkenden neuen wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen ausreichende Verträglichkeit zu ergeben, d.h., eingebrannte Klarlackfilme sollen homogen sein. Weiter darf in den daraus hergestellten wässerigen Überzugsmitteln bei der Verarbeitungskonzentration keine Trennung der Bindemittelanteile erfolgen.
  • Als Komponente für wässerige Einbrennlacke können die neuen wasserlöslichen Polyurethanharze auch mit carbbxylgruppenenthaltenden Fettsäureestern, Fettsäureadduktestern, insbesondere angelagerter Maleinsäure sowie wasserverdünnbaren Alkydharzen mit einer Säurezahl zwischen 30 bis 120, verwendet werden.
  • Bevorzugt werden Kombinationen aus den neuen, erfindungsgemäß hergestellten Polyurethanmischpolymerisatharzen und 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf Feststoffgehalte der Bindemittelkomponenten, aminoplastbildende bzw. phenoplastbildende Kondensationsprodukte.
  • Für das elektrophoretische Auftragsverfahren ist es vorteilhart, die wärmehärtbaren Kondensationsprodukte der vorstehend schon erläuterten Art, nämlich Phenoplaste und/oder Aminoplaste, den erfindungsgemäßen Polyurethanmischpolymerisatharzen nicht lediglich zuzumischen, sondern die Komponenten einer Reaktion zu unterwerfen. Die Reaktion, die als Präkondensation bezeichnet werden kann, erfolgt im allgemeinen bei Temperaturen von 700 bis 1200C, wobei durch geeignete Reaktionsführung möglichst darauf zu achten ist, daß nicht eine Veresterung der Komponenten, sondern möglichst eine Polyverätherung erfolgt. Eine hierfür geeignete Reaktionsführung besteht beispielsweise darin, daß man die Umsetzung der Komponenten in Gegenwart eines sauren Katalysators, wie Phosphorsäuren, p-Toluolsulfonsäure oder Benzoesäure, bei Temperaturen zwischen 700 bis 1200C durchführt.
  • Hierbei wird die Erwärmung sofort abgebrochen, wenn die Säurezahl um etwa 10% abgesunken ist, verglichen mit dem Anfangswert der Säurezahl des Reaktionsgemisches. Dies kann bevorzugt dadurch erreicht werden, daß als Phenoplaste und/oder Aminoplaste verätherte hydrophile, wärmehärtbare Kondensationsprodukte zum Einsatz kommen. Um eine ausreichende Umätherung zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Reaktion im Vakuum durchzuführen.
  • Die so kombinierten Bindemittel für Einbrennlacke können durch Zusammenbringen ihrer Komponenten auf übliche Weise hergestellt werden. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, die wasserlöslichen Salze von anderen Kunstharzen aus Ammoniak oder Aminen, oder Gemische aus Ammoniak und Aminen und den neuen Polyurethanharzen, mit den anderen Komponenten in orm konzentrierter wässeriger Lösungen9 die gegebenenfalls untergeordnete Mengen wasserlöslicher organischer Lösungsmittel enthalten können, zu mischen und dann, falls erforderlich, die Konzentration und den pH-Wert der gemischten Lösungen auf die gewünschten Werte einzustellen. Der pH-Wert der gewünschten Lösung soll im allgemeinen zweckmäßig etwa 6,0 bis 9,0, insbesondere etwa 7,0 betragen; falls erforderlich, kann er nach längerer Lagerzeit der Harze mit Ammoniak oder starken organischen Stickstoffbasen nachgestellt werden.
  • Die aus diesen Bindemitteln hergestellten kombinierten Einbrennlacke können die einschlägig üblichen Zusatzstoffe enthalten, z.B. untergeordnete Mengen wasserlöslicher, organischer Lösungsmittel, in deren Gegenwart die Komponenten des Einbrennlackes hergestellt worden sind, und/oder anderer Lösungsmittel, wie Monoalkyläther von Di- und Triäthylenglykol, ferner Verbindungen des sechswertigen Chroms, wie Ammoniumdichromat sowie lösliche Farbstoffe, Pigmente, Verlaufsverbesserungsmittel, Korrosionsschutzmittel, Stabilisatoren und/oder Härtungskatalysatoren.
  • Die kombinierten Einbrennlacke können unter Anwendung der üblichen Methoden auf die zu lackierenden Gegenstände aufgebracht werden; sie eignen sich vor allem zum Lackieren von Blechen. Hierbei ist es ein besonderer Vorteil der Lacke, daß sie auch elektrophoretisch auf den Blechen abgeschieden werden können. Das Einbrennen der Lacke kann bei Temperaturen von etwa 800 bis 2000C, vorzugsweise von etwa 1000 bis 1600C, und in Abhängigkeit von der Einbrenntemperatur in einer Zeitspanne von etwa 10 bis 80, vorzugsweise von etwa 20 bis 60 Minuten erfolgen.
  • Beispiel 1 Ein Gemisch aus 384 g Pelargonsäure, 204 g Trimethylolpropan, 208 g eines Adduktes aus einem Mol Bisphenol-A und zwei Molen Propylenoxid, 56 g Phthalsäureanhydrid, 16 g Maleinsäureanhydrid, 0,06 g Dibutylzinndilaurat und 2 ml Triphenylphosphit wurden bei 1550 bis 2200C bis zur Säurezahl 2,5 verestert. Nach erfolgtem Abkühlen auf 1400C wurden 296 g Xylol zugesetzt, und bei Rückflußtemperatur von 1520C innerhalb von 4 Std. wurde ein Gemisch aus 164 g Styrol, 86 g Methylmethacrylat, 42 g Hydroxyäthylmethacrylat, 82 g Acrylsäure, 8 g p-tert.- Butylperoxyd und 12 g Dodecylmercaptan zugetropft. Das Reaktionsgemisch wurde noch 2 Stunden polymerisiert. Es zeigte einen Festkörpergehalt von ca. 80 Gew.-%, eine Viskosität von Z1-Z2 nach Gardner-Holdt bei 250C und eine Säurezahl von 56.
  • 800 g dieses Vorproduktes wurden unter Anlegen von Vakuum (1200 - 1300C, ca 40 mm Hg) vom Xylol und kleinen Gehalten an Restmonomeren befreit.
  • Nach erfolgtem Abkühlen auf 70 0C wurden 126 g Aceton, 77 g Triallyläther des Pentaerythrits und 0,04 g Dibutylzinndilaurat zugesetzt und dann bei Rückflußtemperatur von 800 - 820C innerhalb von 8 Stunden 54 g Toluylendiisocyanat zugetropft. Nach einer weiteren Stunde wurden 274 g Butylglykol zugesetzt und unter Vakuum die gesamte Menge Aceton abdestilliert. Das Harz zeigte einen Festkörpergehalt von 69,5 Gew.-%,eine Säurezahl von 43 und eine Viskosität von B - C nach Gardner-Holdt 50%ig in Butylglykol bei 25 0C gemessen. Das Harz wurde mit Triäthylamin auf einen pH-Wert von 7,2 eingestellt und mit Wasser auf 50 Gew.-% Festkörpergehalt verdünnt.
  • Die damit hergestellten Filme auf phosphatierten Stahlblechen zeigten nach dem Einbrennen sehr gute Gilbungsbeständigkeit, sehr gute Lösungsmittelbeständigkeit und eine hohe Härte bei guter Elastizität.
  • Der wasserverdünnbare Lack wird im Verhältnis 80:20 noch mit einem wasserverdünnbaren Melaminharz, welches als Verätherungsproäukt des sek, Butanols und Hexamethylolmselamin vorliegt und das in der österreichischen Patentschrift 180 407 beschrieben ist, gemischt.
  • Beispiel 2 Ein Gemisch aus 412 g Isononansäure, 238 g Trimethylolpropan, 222 g eines Adduktes aus 1 Mol Bisphenol A und 2 Molen Propylenoxid, 56 g Phthalsäureanhydrid, 16 g Maleinsäureanhydrid, 68 g Polyäthylenglykol (Mol-Gewicht 3000), 0,06 g Dibutylzinndilaurat und 2 ml Triphenylphosphit wurden bei 1550 bis 2200C bis zur Säurezahl 2 verestert. Nach erfolgtem Abkühlen auf 140°C wurden 304 g Xylol zugesetzte und bei Rückflußtemperatur von 152°C innerhalb von 4 Stunden wurde ein Gemisch aus 124 g Styrol, 44 g Isobutylacrylat, 64 g Hydroxyäthylmethacrylat, 64 g Acrylsäure, 8 g p-tert.-Butylperoxyd und 16 g Dodecylmercaptan zugetropft.
  • Das Reaktionsgemisch wurde noch 2 Stunden bei 1500C polymerisiert. Es zeigte einen Festkörpergehalt von ca. 80 Gew.-% und eine Säurezahl von 38. 800 g dieses Vorproduktes wurden i Vakuum von Xylol und kleinen Mengen an Restmonomeren befreit. Nach erfolgtem Abkühlen auf 700C wurden 126 g Aceton, 68 g Triallyläther des Pentaerythrits und 0,04 g Dibutylzinndilaurat zugesetzt, und bei 600C wurden innerhalb von 8 Std.
  • 88 g eines Gemisches aus 52 g Methoxymethylisocyanat und 36 g Toluylendiisocyanat zugetropft. Nach einer weiteren Stunde wurden 194 g Butylglykol zugesetzt, und unter Vakuum wurde die gesamte Menge Aceton abdestilliert. Danach wurde das Harz mit Triäthylamin auf einen pH-Wert von 7,2 eingestellt und mit Wasser auf 48 Gew.-% Festkörpergehalt verdünnt.
  • Die aus dieser Harzlösung und wasserverdünnbarem Melaminformaldehydharz im Verhältnis 75:25 hergestellten pigmentierten Uberzugsmassen liefern nach Filmauftrag auf phosphatierten Stahlblechen etwa 20 Minuten Lufttrocknung und 30 Min. Einbrennzeit bei 1400C Überzüge, die sich durch Gilbungsbeständigkeit und folgende Eigenschaften auszeichnen: Schichtstärke 45 p Pendelhärte DIN 53157:112 sec.
  • Erichsen-Tiefung DIN 53156:7,5 Hartfestigkeit DIN 53151:1 Korrosionsfestigkeit ASTM D-117-64:180 Stunden.
  • Das verwendete Melaminharz ist ein Verätherungsprodukt des sek.'Butanols und Hexamethylolmelamin und ist in der österreichischen Patentschrift 180 407 beschrieben.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung von wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen auf der Basis von hydroxyl-und carboxylgruppentragenden Estern, die anpolymerisierte ungesättigte Verbindungen enthalten und Isocyanaten, die mit Alkali oder starken organischen Basen versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß man I. 55 - 75 Gew.-% eines Esters, hergestellt aus a) 35 - 50 Gew.-% gesättigten gerad- oder verzweigtkettigen Monocarbonsäuren mit 5 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen; b) 40 - 60 Gew.-% zwei- bis vierwertigen organischen Hydroxylverbindungen, c) 4 - 30 Gew.-X aromatischen Polycarbonsäuren und d) 1,4 - 3,2 Gew.-% Maleinsäure oder Maleinsäureanhydrid, II. mit 15 - 35 Gew.-g Gemischen aus monomeren anpolymerisierbaren Verbindungen, die e) 30 - 50 Gew.-% Styrol, f) 18 - 26 Gew.-% Acrylsäure oder MethacrylsMure, g) 10 - 30 Gew.-% Hydroxyalkylester der Acrylsäure oder Methacrylsäure, die 2 - 4 Kohlenstoffatome im Hydroxyalkylrest enthalten, und h) 10 - 30 Gew.-Xeines Esters der Acryl- oder Methacrylsäure mit 1 - 10 Kohlenstoffatome aufweisenden gesättigten Alkanolen bzw. eines Gemisches solcher Ester enthalten, gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln, mischpolymerisiert, und III. dieses hydroxyl- und carboxylgruppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 5 - 15 Gew.-% Isocyanaten in Anwesenheit von j) 5 - 10 Gew.-% Monoalkoholen mit 1-18 C-Atomen, bei 400 bis 1100C, vorzugsweise 700 bis 90°C, umsetzt, und das carboxylgruppenenthaltende Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) Alkali oder organischen starken'Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß I. 58 - 62 Gew.-% eines Esters, hergestellt aus a) 42 - 46 Gew.-% Pelargonsäure, b) 22 - 26 Gew.-Z Trimethylolpropan 23 - 26 Gew.-% eines Adduktes aus einem Mol Bisphenol A und zwei Molen Propylenoxyd, c) 4 - 8 Gew.-% Phthalsäureanhydrid und d) 1,4 - 2,4 Gew.-% Maleinsäureanhydrid, II. mit 25 - 30 Gew.-% Gemischen aus nonomeren Verbindungen, die e) 42 - 46 Gew.-Z Styrol, f) 20 - 24 Gew:-% Acrylsäure, g) 10 - 14 Gew.-% Hydroxyäthylmethacrylat und h) 21 - 25 Gew.-% Methylmethacrylat enthalten, durch Erhitzen, gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln, mischpolymerisiert werden und III. dieses hydroxyl- und carboxylgrüppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 5 - 7 Gew.-S Toluylendiisocyanat und j) 7 - 9 Gew.-% Triallyläther des Pentaerythrits bei 70° - 90°C umsetzt, und das erhaltene carboxylgruppentragende Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) starken Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß I. 62 - 67 Gew.- eines Esters, hergestellt aus a) 40 - 44 Gew.-% Isononansäure, b) 22 - 26 Gew.-% Trimethylolpropan, 20 - 24 Gew.-% eines Adduktes aus einem Mol Bisphenol A und zwei Molen Propylenoxyd, 6 - 10 Gew.-% Polyäthylenglykol (Molgewicht 3000), c) 4 - 8 Gew.-% Phthalsäureanhydrid und d)1,4 -2,4 Gew.-% Maleinsäureanhydrid, II. mit 15 - 25 Gew.-% eines Gemisches aus monomeren Verbindungen, die e) 40 - 44 Gew.-% Styrol, f) 20 - 24 Gew.-% Acrylsäure, g) 20 - 214 Gew. -% Hydroxyäthylmethacrylat und h) 10 - 20 Gew.-% Isobutylacrylat enthalten, gegebenenfalls in Gegenwart von inerten organischen Lösungsmitteln, mischpolymerisiert und III. dieses hydroxyl- und carboxylgruppentragende Mischpolymerisat im Unterschuß durch Erwärmen mit i) 3 - 5 Gew.- Toluylendiisocyanat, 5 -10 Gew.-% Nethoxyrnethylisocyanat und j) 6 - 9 Gew.-; Triallyläther des Pentaerythrits bei 600 - 700C umsetzt, und das erhaltene carboxylgruppentragende Polyurethanmischpolymerisatharz durch Zugabe von k) starken Stickstoffbasen in den wasserdispergierbaren bzw. wasserverdünnbaren Zustand überführt.
  4. 4. Verwendung der nach Anspruch 1 und/oder 2 und 3 hergestellten wasserverdünnbaren Kunstharze auf Basis von Polyurethanmischpolymerisatharzen als Bindemittel für wässerige Überzugsmittel.
  5. 5. Neue wasserverdünnbare bzw. wasserdispergierbare Polyurethanmischpolymerisatharze hergestellt nach den im Anspruch 1 und/oder 2 und 3 genannten Verfahren.
  6. 6. Verwendung der wasserverdünnbaren Kunstharze nach Anspruch 4 in Kombination mit Styrol-Butadien-Copolymerdispersionen.
  7. 7. Verwendung der wasserverdünnbaren Kunstharze nach Anspruch 4 in Kombination mit wasserlöslichen oder zumindest hydrophilen, niedrigmolekularen Aldehyd-Kondensationsprodukten und/oder aminoplastbildenden Kondensationsprodukten.
  8. 8. Verwendung der wasserverdünnbaren Kunstharze nach Anspruch 4 in Kombination mit einem wasserlöslichen oder zumindest hydrophilen Melaminharz, welches ein mit sek. Butanol teilveräthertes Hexamethylolmelamin ist.
  9. 9. Einbrennlack auf der Basis von wasserverdünnbaren bzw. wasserdispergierbaren Polyurethanmischpolymerisatharzen und hydrophilen teilweise verätherten Melaminformaldehydharzen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Bindemittel 70 - 85 Gew.-% Polyurethanmischpolymerisatharz, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, und 15 - 30 Gew.-% teilweise veräthertes Melaminformaldehydharz, welches ein mit sek.
    Butanol teilveräthertes Hexamethylolmelamin ist, enthält.
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US4820745A (en) * 1985-05-07 1989-04-11 Huels Troisdorf Aktiengesellschaft Pressure-sensitive adhesives based on radiation-curable polyesters containing (meth)acrylic groups
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