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verfahren zur Herstellung quaternäre Ammoniumgruppen
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tragender modifizierter Dienpolymerisate und deren Verwendung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung modifizierter Dienpolymer2aate,
die basische Funktionen in Form von quaternären Ammoniumgruppen tragen sowie die
Verwendung dieser Produkte als Bindemittel für wäßrige Einbrennlacke, insbesondere
für kationische Elektrotauchlacke.
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Es ist bekannt, daß modifizierte Polybutadienöle, dje Carboxylgruppen
tragen, als Bindemittel für wäßrige Einbrennlacke, insbesondere für anionische Elektrotauchlacke
geeignet sind. Sie zeichnen sich durch hohe Elastizität und gute Haftung auf der
Unterlage und auf anderen Lackschichten aus. Kationische Elektrotauchlacke haben
gegenüber anionischen den Vorteil, daß bei der Elektrolyse das Bindemittel nicht
oxidativ geschädigt werden kann und daß keine Metallionen in Lösung gehen.
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Kationische stickstoffbasische Lack- und speziell Elektrotauchlack-Bindemi
t tel auf Polybutadienölbasis sind aus der DE-OS 26 16 591 bekannt. Die kationisch
modifizierende Gruppe ist hier jedoch über die chemisch sicht völlig inerte Bernsteinsäureimidfunktion
mit der
Polymerkette verbunden. Desweiteren sind aus der 3E-OS 25
57 562 durch Sulfoniumgruppen kationisch modifizierte Polybutadienöle bekannt. Diese
Bindemittel sind jedoch infolge der Labilität der Sulfoniumfunktion im alkalischen
Bereich in Elektrotauchlackbädern im gewünschten pH-Bereich von 7 bis 9 nicht badstabil
genug.
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Aus der DE-OS 27 51 869 ist desweiteren bekannt, daß kathodisch abscheidbare
Bindemittel durch Quaternierung von tertiären Aminogruppen enthaltenden Polymerisaten
mit einem epoxidgruppenhaltigen Material der Strukturformel
worin R1 für Wasserstoff oder einen Methylrest und R2 für Wasserstoff oder einen
Alkyl - einschließlich Cycloalkyl- oder Arylrest oder einen substituierten Alkyl-
oder Arylrest stehen, in Gegenwart von Säure und/oder Wasser erhalten werden können.
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Dabei kann das Polymere mit tertiären Amingruppen das Reaktionsprodukt
von (A) einem Polyepoxid und (B) einem sekundären Amin sein.
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Als hierfür besonders bevorzugte Polyepoxide werden die Polyglycidyläther
von Polyphenolen, zum Beispiel von Bisphenol wie Bisphenol A genannt. Des weiteren
war die Quaternierung von tert. Aminen mit epoxidierten Polybutadienölen aus der
DE-OS 21 41 941 bekannt. Die hier-
bei erhaltenen wasserlöslichen
Polymerisate werden als Flockungsmi.ttel verwendet.
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Eine Verwendung als Lackbindemittel wird hier nicht genannt.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung kationischer Bindemittel auf Basis modifizierter Dienpolymerisate
aufzuzeigen, das sich unter Verwendung leicht zugänglicher Ausgangsstoffe in einfacher
Wei.se durchführen läßt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung war es, Elektrotauchlacke bereitzustellen,
die eine hohe Badstabilität aufweisen, überzüge mit hoher Elastizität, guter Haftung
und Chemikalienbeständigkeit liefern, und den beschichteten Metallen einen guten
Korrosionsschutz verleihen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von kationischen
Bindemitteln für wäßrige Einbrennlacke, das dadurch gekennzeichnet ist, daß I. Ein
Dienpolymeri&at mit mindestens 20 Molprozent einpolymerisierter Dieneinheiten
mit organischen Persäuren oder Gemischen von organischen Säuren mit Wasserstoffperoxid
bis zu einem Gehalt von 0,1 bis 1 Äquivalenten Epoxidgruppen je 100 g Dienpolymeriaat
epoxidiert wird, II. das so erhaltene epoxidierte Dienpolymerisat mit mindestens
einem tertiären Amin in Gegenwart von Säure und gegebenenfalls Wasser zu quaternären
Ammoniumgruppen enthaltenden Polymeren umges.etzt wi.rd sowie gegebenenfalls
ILI.ein
Teil der Hydroxylgruppen der quaternären Ammoniumgruppen enthaltenden Polymeren
mit teilverkapptem Polyisocyanat zur Reaktion gebracht wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergesteLlten kationischen Bindemittel
für die kathodische Elektrotauchlackierung von Retallteilen.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß es im Vergleich zum zitierten
Stand der Technik erhebliche Vorteile für die Eigenschaften der erzielten Elektrotauchlacke
und der damit erzielbaren Beschichtungen bringt, wenn bei der Herstellung der quatäre
Ammoniungruppen tragenden Dienpolymerisate, insbesondere Polybutadi enöle tertiäre
Amine direkt in Gegenwart von Säure mit epoxidierten Dienpolymer.saten quaterniert
werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem die Dienpolymerisate,
vorzugsweise Polybutadienöle mit organischen Persäuren oder Gemischen von H202 und
organischen Säuren ("Persäuren in situ") epoxidiert werden und das erhaltene Gemisch
aus epoxidiertem Polyöl, organischer Säure und Wasser, nach Abdestillation von gegebenenfalls
verwendeten Lösungsmittels und eines Teils des mitverwendeten oder gebildeten Wassers,
direkt zur Quaternierung der tertiären Amine verwendet wird.
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Als Dienpolymerisate können Eomo- und Copolymere von konjugierten
Dienen, wie Butadien-1,3, Isopren, Chloropren und/oder 2,3-Dimethylbutadien-l,3,
sowie Copolymere dieser Diene mit anderen mischpolymerisierbaren Verbindungen, wi.e
Styrol, i-Methylstyrol, (Meth-)--acrylsäureestern, Vinylestern usw., soweit sie
mindestens 20, vorzugsweise mindestens 50, insbesondere minbestens 70 oprozent Dieneinheiten
einpolymerisiert ent-
halten, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt
sind Homopolymerisate des Polybutadiens. Die zur Verwendung kommenden Dienpolymerisate
besitzen im allgemeinen Zahlenmittel der Molekulargewichte von ca. 500 bis 10000
und enthalten isolierte Doppelbindungen. Je nach Herstellungsbedingungen können
sich die Dienpolynerisate in ihrer Mikrostruktur, d.h. im Verhältnis zwischen cis-1,4,
trans-1,4 und Vinyl-1,2-Struktureinheiten unterscheiden. Handelsüblich sind sowohl
Produkte mit überwiegender 1,4- als auch solche mit überwiegender Vinyl-1,2-Struktur.
Zur Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Bindemittel sind sämtliche dieser
Produkte geeignet, sofern ihr Molekulargewicht zwischen ca. 500 und 10000 liegt.
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In der Epoxidierungsstufe geht man von Dienpolymerisatin, vorzugsweise
Polybutadienölen mit einem Molekulargewicht zwischen 500 und 10000, vorzugsweise
zwischen 1000 und 5000 aus. Die Viskosität der Polyb.utadienöle soll vorzugsweise
zwischen 5 und 2000 Poise (bei 250C) liegen.
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Hierbei sind für die weitere Reaktion sowohl Butadienöle mit einem
hohen Gehalt an 1,2-Vinyl-Doppelbindungen als auch solche mit einem hohen Gehalt
an 1,4-Doppelbindungen geeignet. Besonders gut geeignet für die Quaternierungsreaktion
sind Polyöle mit einem Gehalt an epoxidierten 1,2-Vinylgruppen. Für die Epoxidierung
ist ein Verfahren bevorzugt, in dem Dienpolymerisate mit organischen Persäuren,
wie Peressigsäure oder Perameisensäure in situ (wie z.B. von W. Dittman iid K. Hamann
beschrieben, Chem. -Ztg. 95, 684 (1971)); Chemiker Ztg. 95, 857 (1971)) partiell
epoxidiert werden.
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Der Epoxidierungsgrad des Dienpolymerisats wi.rd so gewählt, daß nach
Umwandlung der Epoxidgruppen, d.h.
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pach ihrer Umsetzung mit tertiärem Amin, dieselben aus-
reichen,
damit durch die erhaltenen Ammoniumfunktionen die Harze wasserlöslich werden oder
sich zumindestens stabile wäßrige Dispersionen bereiten lassen.
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Hierzu werden zweckmäßigerweise durchschnittlich 1 bis 50, vorzugsweise
5 bis 20 0 der Doppelbindungen des Dienpolymerisats zuerst epoxidiert und anschließend
ammoniumfunktionalisiert.
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Die Epoxidierung kann etwa in Lösungsmitteln wie Benzol, Toluol, Methylenchlorid
u.a. durchgeführt werden.
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Die weitere Umsetzung der epoxidierten Dienpolymerisate kann unter
Entfernung oder Belassung des Lösungsmittel der Epoxidierung in Lösungsmitteln wie
aromatischen Kohlenwasserstoffen, Monoalkyläthern von Glykolen u.a.
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durchgeführt werden.
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Die Mitverwendung von Lösungsmitteln kann zur Erniedrigung der Viskosität
des Reaktionsansatzes dann nötig werden, wenn von Dienpolymerisaten bzw. Polybutadienölen
höheren Molekulargewichts ausgegangen wird.
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Nach der Epoxidierung wird das partiell epoxidierte Dienpolymerisat
mit tert. Aminen in Gegenwart etwa mclarer Mengen an Säure, wie Essigsäure, Ameisensäure
u.a. bei 70 bis 1300C und Reaktionszeiten von 1 bis 15 h umgesetzt.
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Die Menge an Amin sollte so bemessen sein, daß nach der Quaternisierung
die Harze zu stabilen wäßrigen Lösungen oder Dispersionen dispergiert werden und
aus diesen wäßrigen Lösungen oder Dispersionen kataphoretisch abgeschieden werden
können.
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ird ein epoxidi.ertes Dienpolymerisat mit einer
hohen Epoxidzahl eingesetzt, muß in der Regel nur ein Teil der Epoxidfunktjonen
zur Alkylierung der Amine benutzt werden.
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Die verbleibende Epoxidfunktionen stehen für weitere Reaktionen zur
Verfügung. So können etwa durch Umsetzung mit Verbindungen mit Mercapto- und Hydroxylfunktionen
zusätzliche vernetzungsaktive Gruppen in die Bindemittel eingeführt werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liegt in der
direkten Verwendung der Säure- und Wasserhaltigen Reaktionsmischung aus der Polybutadienölepoxidierung
für die Quaternierung der tertiären Amine, so daß die umständliche Isolierung und
Reinigung der epoxidierten Polybutadienöle entfallen kann. Für den Fall, daß die
Säuremenge bei der Epoxidierung im molaren Unterschuß bezogen auf die Zahl der Epoxidgruppen
war, die zur Quaternierung führen soll, kann die Säuremenge durch nachträgliche
Zugabe auf das erforderliche Niveau gebracht werden.
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Als tert. Amine kommen beispielsweise in Frage: Trimethylamin, Triäthylamin,
N,N-Dimethyläthylamin, N,N-Dimethylisopropylamin, N,N,N1 ,N1-Tetramethyläthylendiamin,
N,N,N',N'-Tetramethyl-1,3-di.aminopropan, Triäthanolamin, Dimethyläthanolamin, Diäthyläthanolamin,
3-Dimethylaminopropanol u.a.
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Die nach Epoxidierung und Umsetzung mit tert. Aminen erhaltenen, quaternäre
Ammoniumgruppen enthaltenden Binde mittel werden mit Wasser auf einen Festgehalt
von vorzugsweise 5 bis 20 0 verdünnt bzw. dispergiert. Sie können mit den in der
Lackiertechnik üblichen Zusatzstoffen, wie weiteren Bindemitteln, Vernetzungsmitteln,
Pigmenten,
Full3toRfen, Verlaufsmitteln, Katalys.atoren oder Veichmachern vermischt werden.
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rine Begleiterscheinung der Umsetzung der epoxidierten Dienpolgiserisate
bzw. Polybutadienöle mit tert. Aminen ist die Bildung von sek. OH-Gruppen am Dienpolymerisat-
bzw.
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Polybutadiengerüst. Zusätzliche vernetzungsaktive Gruppen können durch
Wahl von tert. Aminen mi.t weiteren funktioneigen Gruppen, wie etwa den hydroxylgruppentragenden
Alkyläthanolaminen, eingeführt werden. Daher kommen als Vernetzungsmittel solche
in Frage, die funktionelle Gruppen tragen, welche mit den Hydroxylgruppen der Ammoniumgruppen
tragenden Dienpolymerisate reagieren, z.B. vollständig verkappte Polyisocyanate,
Melamin/Rormaldehyd-oder Phenol/Formaldehydkondensationsprodukte, Acrylatharze,
epoxidharze oder Polyester. Bevorzugt sind verkappte Pol'yisocyanate, wobei besonders
in Frage kommen: Toluylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat,
Hexamethylendiisocyanat oder Umsetzungsprodukte von 1 Mol Äthylenglykol mit 2 Mol
Isophorondiisocyanat. Als Verkappungsmlttel dienen die üblichen, z.B. Lactame, wie
6-Caprolactam Phenol, Klesole, Maleinsäureester, Malonester, Glykole oder Imiazole.
Ferner sind als Vernetzungsmittel hochreaktive, hoherkondensierte Melamin/Formaldehydharze
gut geeignet, beispielsweise solche, die mit Butanol veräthert sind.
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Gegebenenfalls können auch selbstvernetzende Bindemittel aufgebaut
werden, etwa indem ein Teil der Hydroxylgruppen der Ainmoniumverbindung mit teilverkappten
Polyisocyanaten umgesetzt wird. In Frage kommen dabei z.B. Toluylendiisocyanate,
Isophorondiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat oder höherkondensierte Polyisocyanate,
wie Umsetzungsprodukte aus 1 Mol Äthylenglykol und 2 Mol Isophorondiisocyanat oder
aus 1 Mol Trimethylolpropan und 3 Mol To-LLuylendilsocyanat. J
'Als
Verkappungsmittel dienen hierzu z.B. Lactame, wie -Caprolactam, Phenole, Kresole,
Oxime, Piperidon, Piperidin, Acetessigsäureester, Malonester, Alkohole oder Imidazole.
Die Polyisocyanate sind nur teilverkappt, so daß eine Isocyanatgruppe frei bleibt,
die mit den Hydroxylgruppen der Ammoniumverbindung reagiert. Dabei werden die Molverhältnisse
so gewählt, daß auf zwei bis vier Hydroxylgruppen etwa eine Isocyanatgruppe kommt.
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Die erfindungsgemäßen Bindemittel eignen sich zum Lackieren von Metallen,
wie Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Holz oder Kunststoff. Der Auftrag kann durch
übliche Methoden, wie Spritzen, Tauchen, Streichen oder Gießen erfolgen. Bevorzugt
ist die Elektrotauchlackierung von Metallteilen. Die Bäder können in schwach saurem
bis schwach alkalischem Bereich betrieben werden. Bevorzugt sind pH-Werte zwischen
4 und 9, insbesondere zwischen 6 und 9.
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Das Einbrennen erfolgt unter üblichen Bedingungen bei Temperaturen
zwischen 80 und 220, vorzugsweise zwischen 120 und 2000C.
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Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Bindemittel, daß
beim Ei.nbrennen keine oder nur in geringem Maß geruchsbelästigende Produkte abgespalten
werden. Man erhält Überzüge mit guten Elastizitätswerten und hervorragender Beständigkeit
gegen Lösungsmittel, Detergentien und aggressive Laugen. Die Bindemittel sind daher
zum Lackieren von Automobilteilen und Haushaltsgeräten besonders gut geeignet.
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Gegenüber kationischen ammoni umgruppenhalti gen ndemitteln, die als
Basisrückgrat Epoxidharze des Typs Polyglycidyläther von Polyphenolen tragen, haben
die erfindungsgemäßen J
Zindemittel auf Basis epoxidierter Polyb.utadienöle
ganz besondere Vorteile in der guten Kombination von Härte und Elastizität der aaraus
herstellbaren Überzüge, wie im folgenden anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen
noch näher erläutert wird.
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Die in Beispiel und Vergleichsbeispiel angegebenen Teile und Prozente
sind, soweit nicht anders angegeben Gewichtsteile und Gewichtsprozent.
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Verglei chsbeispi ei hergestellt entsprechend Beispiel der DE-OS 27
51 869.
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Quartäre Ammoniumgruppen tragendes Bindemittel eines handelsüblichen
Epoxidharzes aus Epichlorhydrin und Bisphenol A mit einem Molgewicht von 950 bis
1050 und einem Epoxiäquivalentgewicht 475 bis 525.
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140 Teile des vorstehenden tertiär Amin-haltigen polymeren Harzes
wurden mit 16 Teilen eines handelsüblichen Amin-Aldehydkondensates (z.B. Cymel 301)
kombiniert und mit 894 Teilen entionisiertem H20 verdünnt. Mit 80 jger Milchsäure
wurde ein pH von 5,2 eingestellt, wobei eine leicht trübe Dispersion erhalten wurde.
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Es wurden Stahlbleche bei Raumtemperatur und 200 Volt 90" beschichtet,
wobei leichtklebrige glatte Naßfilme erhalten wurden. Die Filme wurden 20' bis 2040
C eingebrannt, wobei glänzende, klebrige, nicht vernetzte Filme erhalten wurden.
Der eingebrannte Film läuft sehr stark und löst sich nach Behandeln mit Aceton vollständig
auf.
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Fendelhärte: 18
'Beispiel a) Epoxidierung des Polybutadienöls
500 Teile eines Polybutadienöls mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von
1000 und einem 1,2-Vinylgehalt von ca. 90 S werden in 214 Teilen Toluol gelöst und
mit 59 Teilen Ameisensäure versetzt. Dann werden bei. 700C 126,5 Teile H202 (50
fang) in ca. 1 1/4 Stunden unter Rühren zugetropft. Dann läßt man 1,5 Stunden bei
700C nachrühren, wobei der H20 2-Gehalt auf ca. 4 % des Ausgangswertes zurückgeht.
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Dann wird bei 50 bis 700C unter leichtem Vakuum das Reaktionswasser
mit Toluol azeotrop ausgekreist.
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Dabei werden 40 Teile Toluol abdestilliert. Beim Auskreisen werden
gleichzeitig mit dem Wasser 36,5 Teile Ameisensäure abdestilliert.
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Es wird eine Lösung eines epoxidierten Polybutadlenöls in Toluol
erhalten.
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Epoxidwert der Lösung: 0,248 Rest-H202-Gehalt der Lösung: 0,12 %
Säurezahl der Lösung: 194,8 (1,6 Ges.% Ameisensäure) Festgehalt: 88,8 % b) Quaternierung
100 Teile der nach a) erhaltenen Lösung eines epoxidierten Polybutadienöls in Toluol
werden mit 5,85 Teilen Trimethylamin, 0,89 Teilen Eisessig und 11,4 Teilen Toluol
gemischt und in einem Autoklaven 10 Stun-
den bei 100 C unter Eigendruck
zur Reaktion gebracht.
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Anschließend wird auf 50 0C abgekühlt und eine Stunde bei dieser
Temperatur das überschüssige Amin abgetrieben . Es wird eine Lösung eines quatäre
Ammoniumgruppen enthaltenden Polybutadi enöls erhalten.
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Säurezahl 0,75 Festgehalt 81,3 % c) Einfuhrung von primären Hydroxylgruppen
und Visositätseinstellung 30 Teile der nach b) erhaltenen Lösung werden m.t 0,7
Teilen Mercaptoäthanol 2 Stunden bei 1000C zur reaktion gebracht. Anschließend wird
auf Raumtemperatur abgekühlt und 2 Teile Toluylendiisocyanat (80/20) langsam zugegeben
und bis zur Viskositäts-Konstanz berührt. Dabei wird eine Platte-Kegel»Viskosität
von 520 mPa.s bei 750C erreicht. Dann wird mit 10,0 Teilen Äthylglykol auf einen
Festgehalt von 75% verdünnt.
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d) Vernetzer l Vernetzer wird ein mit Methyläthylketoxim voll verkapptes
Polyisocyanat wie folgt hergestellt: In ein Reaktionsgefäß werden 529 Teile eines
teilbiuretisierten Hexamethylendiisocyanats und 200 Teile Toluol vorgelegt und unter
Stickstoffatmosphäre auf oO C erhitzt. Nach Erreichen von 600C läßt man 270 Teile
Methyläthylketoxim in 90' zulaufen und läßt 1 Stunde bei 600C nachreagieren. Nach
dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird ein Rest-NCO-Gehalt von 0,2 « und NCO-verkappt-von
12,6 % ermittelt. Der Festkörpergehalt beträgt 80 . J
'e) Elektrotauchlack
Um ein elektrisch ablagerbares Bad zu erhalten, werden 53,3 Teile der vorstehenden
Lösung eines quartäre Ammoniumgruppenhaltigen Harzes mit 12,5 Teilen eines vollverkappten
Polyisocyanats gemäß d) und 20 Teilen Äthylglykol kombiniert. Das so erhaltene Harz-Vernetzergemisch
wurde mit entionisiertem Wasser auf einem Festkörpergehalt von 10 % verdünnt. Der
pH-Wert der milchigen Dispersion liegt bei 7,2. Es werden mit Zinkphosphat beschichtete
Stahlbleche bei Raumtemperatur und 90 Volt 120 Sekunden beschichtet. Der abgelagerte
Film wird 30 Minuten bei 2100C eingebrannt, wobei ein bräunlicher, leicht glänzender
Film mit einer Schichtdicke von 25/um und sehr guten mechanischen Eigenschaften
erhalten wird. Der Film hat eine glatte Oberfläche und ist acetonfest. Die Pendelhärte
nach König beträgt 110. Das Ergebnis der Schlagtiefung ist ca. 100 inch.pound. Die
Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest nach ASTM (Unterrostung vom Ritz nach 100
Stunden : 1 bis 2 mm).