DE2936039A1 - Wasserdispergierbare, durch strahlen vernetzbare bindemittel aus urethanacrylaten, ein verfahren zu ihrer herstellung sowie die verwendung dieser bindemittel in waessriger dispersion auf dem anstrich-, druckfarben- und textilsektor - Google Patents

Wasserdispergierbare, durch strahlen vernetzbare bindemittel aus urethanacrylaten, ein verfahren zu ihrer herstellung sowie die verwendung dieser bindemittel in waessriger dispersion auf dem anstrich-, druckfarben- und textilsektor

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Description

BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen-Bayerwerk
Zentralbereich Fr/kl-c Γ5. 09. 79
Patente Marken und Lizenzen
Wasserdispergierbare, durch Strahlen vernetzbare Bindemittel aus Urethanacrylaten, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie die Verwendung dieser Bindemittel in wäßriger Dispersion auf dem Anstrich-, Druckfarben- und Textilsektor
Die Erfindung betrifft ungesättigte, durch Strahlen vernetzbare Urethanacrylat-Bindemittel, die in stabile, wäßrige Dispersionen überführt werden können und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. In dieser Form sind sie geeignet zur Erzeugung von überzügen und Beschichtungen, zur Verfestigung und Imprägnieren von Textilien oder Vliesen oder als Bindemittel für Anstrich- oder Druckfarben. Durch die Einwirkung energiereicher Strahlung können die Bindemittel zu festen unlöslichen Produkten vernetzt werden.
Strahlenhärtende Bindemittel sind in großer Zahl bekannt. Insbesondere zur Erzeugung von Beschichtungen auf Holz, Papier oder Kunststoffen benutzt man heute ungesättigte zu einer vernetzenden Viny!polymerisation befähigte Harze, zumeist in Kombination mit niedrigviskosen Vinylmonome-
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ren als Verdünnungsmittel, um sie entweder unter einem Elektronenstrahlgenerator oder, bei Mitverwendung eines sogenannten Photoinitiators, einer UV-Lichtquelle in kürzester Zeit auszuhärten. Typische Vertreter dieser Kategorie sind z.B. ungesättigte Polyesterharze in styrolischer Lösung, die mit Benzoinderivaten als Photoinitiator abgemischt, unter UV-Licht gehärtet werden können. Beschrieben werden sie beispielsweise in der DE-OS 17 69 168. In neuerer Zeit finden vor allem solehe Harze Anwendung, die als ungesättigte Gruppierungen Ester der Acrylsäure eingebaut enthalten. Abgemischt mit weiteren, niedrigviskosen, aber nicht flüchtigen Acrylsäureestern, ergeben sie Bindemittel für Lacke und Druckfarben, die in Sekundenbruchteilen unter geeigneten Strahlenquellen ausgehärtet werden können. Bewährt haben sich hier als Bindemittel vor allem sogenannte Epoxyacrylate (vgl. beispielsweise DE-OS 23 49 und Urethanacrylate (vgl. DE-OS 27 37 406).
Die relativ hohe Viskosität dieser Kondensationsprodukte erfordert praktisch immer die Mitverwendung von Verdünnungsmitteln. Wie schon erwähnt, kann es sich dabei um mit einpolymerisierende Acrylsäurederivate handeln, sogenannte Reaktiwerdünner, wie z.B. Acryl- oder Methacrylsäureester von mehrwertigen Alkoholen; Butandiolbisacrylat, Hexandiolbisacrylat oder Trimethylolpropantrisacrylat. Vom toxikologischen Standpunkt aus wird man jedoch immer bemüht sein, diese Zusätze so gering
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wie möglich zu halten, da Acrylsäurederivate niederen Molekulargewichtes zu Hautreizungen und allergischen Reaktionen Anlaß geben können. Häufig setzt man daher den strahlenhärtenden Lackrezepturen, wie auch herkömmliehen Lackrohstoffen, große Anteile an inerten Lösungsmitteln zu, um die notwendige Verarbeitungsviskosität zu erreichen. Damit wiederum begibt man sich natürlich des wesentlichen Vorteils dieser Bindemittelkategorie, ohne bzw. mit geringen Mengen umweltbelastender Lösungsmittel auszukommen. Andererseits war zu befürchten, daß beim Arbeiten in wäßriger Dispersion oder Emulsion durch den Zusatz von Dispergier- bzw. Emulgiermitteln die aus diesen Dispersionen oder Emulsionen erhaltenen Filme eine ungenügende Wasserbeständigkeit aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, in Wasser dispergierbare, strahlenvernetzbare Bindemittel auf Basis von Urethanacrylaten zu entwicklen, die ohne Zusatz eines Dispergiermittels oder Emulgators stabile Emulsionen bzw. Dispersionen liefern und die ferner nach ihrer Aushärtung wasserbeständige und lösungsmittelfeste Reaktionsprodukte mit guten mechanischen Eigenschaften ergeben.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß in die aus Polyisocyanaten, Polyolen und Hydroxyalkylacrylaten aufgebe bauten Urethanacrylate zusätzlich Sulfonsäuregruppen eingebaut wurden.
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Gegenstand der Erfindung sind demnach in Wasser dispergierbare, strahlenhärtbare Urethanacrylat-Bindemittel, bestehend aus einem Umsetzungsprodukt von
A) 1 Grammäquivalent NCO eines Polyisocyanates mit 2-3 Isocyanatgruppen pro Molekül,
B) 0,0-0,7 Grammäquivalent OH eines Polyols mit mindestens 2, insbesondere 2-6 OH-Gruppen pro Molekül,
C) 0,1-0,7 Grammäquivalenten OH eines Hydroxyal-IQ kylacrylates mit 2-6, insbesondere 2 - 4 C-Atomen in der Alkylgruppe,
dadurch gekennzeichnet, daß das Umsetzungsprodukt zusätzlich
D) 0,01-0,5 Grammäquivalente NH einer Aminosul-
,c fonsäure oder eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalzes einer Aminosulfonsäure jeweils mit 1-4, vorzugsweise 1-2, Aminogruppen pro SuI-fonsäuregruppe, eingebaut enthält und die Summe der OH- und NH-Grammäquivalente B bis D 1 - 1,2,
2Q vorzugsweise 1, ist.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung wasserdispergierbarer Urethanacrylat-
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Bindemittel aus den vorstehend genannten Komponenten A) bis D), dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Komponenten miteinander zur Reaktion gebracht werden, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 200C und 1000C und vorzugsweise in der Weise, daß zunächst die Isocyanatkomponente mit den Hydroxykomponenten und anschließend mit der Aminosulfonsäure zur Reaktion gebracht wird.
Weiterhin ist die Verwendung der erhaltenen wäßrigen Urethancrylat-Bindemittel-Dispersionen zur Erzeugung von überzügen und Beschichtungen zur Imprägnierung und Verfestigung von textlien Geweben und Vliesen sowie zur Herstellung von Anstrich- und Druckfarben Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
5 Unter dem Begriff Polyisocyanate werden di- und höherfunktionelle cycloaliphatische, aliphatische und aromatische Isocyanate verstanden, vorzugsweise di- und trifunktionelle, insbesondere difunktionelle. Beispielhaft seien genannt: Toluylendiisocyanate, Diphenylmethandiisocyanate, Isophorondiisocyanat, Xylylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, 4,4'-Diisocyanatobiscyclohexylmethan und seine Stellungsisomeren, Polyisocyanate mit Biuretstruktur gemäß DE-PS 11 01 394 z.B, aus Hexamethylendiisocyanat und Wasser.
5 Die Polyisocyanate können mit di- und höherfunktionellen Polyolen oder Di- und Polyaminen mit mindestens
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zwei primären Aminogruppen zu präpolymeren Isocyanaten umgesetzt werden, wobei die Polyolkomponente auch ein Polyether- und/oder Polyesterpolyol sein kann (vgl. britische Patentschrift 743 514 und US-PS 2 969 386).
Unter einem Grammäquivalent NCO wird die Menge einer Verbindung in Gramm verstanden, in der eine Isocyanatgruppe enthalten ist. Entsprechend ist ein Grammäquivalent OH die Menge einer Verbindung in Gramm, in der eine Hydroxylgruppe enthalten ist. Unter einem Grammäquvalent NH wird die Menge einer Verbindung in Gramm verstanden, in der ein an Stickstoff gebundenes, aktives Wasserstoffatom enthalten ist, das mit der Isocyanatgruppe reagiert.
Unter Komponente B werden vorzugsweise aliphatische, gesättigte, 2 - 6-wertige, insbesondere 2 - 4-wertige Polyole mit OH-Zahlen von 50 - 1830, vorzugsweise 100 - 1060 mg KOH/g Substanz verstanden oder die vorgenannten Polyole, deren aliphatische Ketten eine oder mehrere, gleiche oder verschiedene Gruppen der Reihe Phenylen, Cyclohexylen, Oxy(-O-), Carboxylato (-C-O-), Ureylen (-NH-C-NH-) und
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Oxycarbonylamino (-O-C-NH-) enthalten oder Mischungen
der Polyole. Die Komponente B ist frei von organisch gebundenem Schwefel.
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Ganz besonders werden als Komponente B oxethylierte, aliphatische, gesättigte Di- und/oder Triole mit OH-Zahlen von 100 bis 1060 mg KOH/pro Gramm Substanz bevorzugt.
Beispiele für Komponente B sind:
1. Aliphatische gesättigte 2 - 6-wertige Alkohole, insbesondere 2 - 4-wertige Alkohole wie z.B. Ethylenglykol, Propandiol-1,2, Propandiol-1,3, Neopentylglykol, Butandiol-1,4, Hexandiol-1,6, 1Q Dekandiol-1,10, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Dipentaerythrit sowie die Oxalkylierungsprodukte der 2 - 6-wertigen Alkohole mit 1,2-Alkylenoxiden wie Ethylenoxid oder Propylenoxid;
cycloaliphatische Diole wie Cyclohexandiol-1,4 und 4,4'-Dihydroxy-cyclohexyl-2,2-alkane, wie 4,4'-Dihydroxycyclohexyl-2,2-propan und araliphatische 2-wertige Alkohole, die gegebenenfalls 1-2 Ethersauerstoffatome enthalten wie bis-(oxethyliertes) Bisphenol A sowie bis(oxpropyliertes) Bisphenol A.
2. Gesättigte oder ungesättigte, vorzugsweise gesättigte Polyester mit mindestens zwei freien Hydroxylgruppen aus den unter 1. genannten Al-
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koholen und mindestens einer Polycarbonsäure oder deren Anhydriden, insbesondere Dicarbonsäuren wie Maleinsäure/ Fumarsäure, Mesaconsäure, Citraconsäure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Trimellitsäure, Hexahydrophthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Endomethylentetrahydrophthaisäure, Methylhexahydrophthalsäuren.
3. Mischungen aus 1. und 2.
IQ 4. üreylen- und/oder Oxycarboxylamino (= Urethan)-gruppen enthaltende Polyole, erhalten aus den unter 1. und 2. genannten Pololen und den unter A) und in der Anmeldung im einzelnen genannten Polyisocyanaten.
«5 Als Hydroxyalkylacrylate C) kommen beispielsweise 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 2-Hydroxybutyl-, 3-Hydroxypropyl-, 4-Hydroxybutyl- und 6-Hydroxyhexylacrylat in Frage. Bevorzugt werden 2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxypropylacrylat und 4-Hydroxybutylacrylat.
Komponente D kann eine oder mehrere Verbindungen aus der Reihe der aliphatischen oder aromatischen Aminosulfonsäuren sein. Beispielsweise kommen in Frage:
2-Aminoethansuifonsäure, 2-Methylaminoethansulfonsäure,
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2-Butylaminoethansulfonsäure, 2-(2-Aminoethyl)-aminoethansulfonsäure und ähnliche aliphatische Aminosulfonsäuren, sowie aromatische Aminosulfonsäuren wie beispielsweise SuIfanilsäure, Diaminobenzolsulfonsäure oder die verschiedenen Aminonaphthalinsulfonsäuren. Diese Verbindungen können in Form der freien Sulfonsäuren oder vorzugsweise als Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz in die Reaktion eingebracht werden.
Die Reaktionskomponenten werden entweder in Substanz oder in gegenüber Isocyanaten inerten Lösungsmitteln miteinander in üblicher Weise zur Umsetzung gebracht. Dabei wird vorzugsweise zunächst das Polyisocyanat vorgelegt und unter milden Bedingungen, z.B. im Temperaturbereich zwischen 200C und 1000C, vorzugsweise 200C und 800C, mit dem Hydroxyalkylacrylat umgesetzt. Im weiteren werden die restlichen Hydroxykomponenten zugesetzt und schließlich die verbliebenen Isocyanatgruppen mit der Komponente D umgesetzt.
Abweichungen von dieser Vorgehensweise sind jedoch möglieh, insbesondere dann, wenn ein bestimmter molekularer Aufbau oder eine Beeinflussung des Molekulargewichtes erwünscht sind.
Die Umsetzung der Reaktionskomponenten kann durch die Zugabe von Katalysatoren in vorteilhafter Weise beschleunigt werden.
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Als mitzuverwendende Katalysatoren kommen solche der an sich bekannten Art in Frage, z.B. tert. Amine, wie Triethylamin, Tributylamin, N-Methyl-morpholin, N-Ethylmorpholin, N,N,N1,N1-Tetramethyl-ethylendiamin, 1,4-Diazabicyclo-(2r2,2)-octan, N-Methyl-N"-dimethylaminoethyl-piperazin, Ν,Ν-Dimethylbenzylamin, Bis-(N,N diethylaminoethyl)-adipat, Ν,Ν-Diethylbenzylamin, Pentamethyldiethylentriamin, Ν,Ν-Dimethylcyclohexylamin, N,N,N1,N'-Tetramethyl-1,3-butandiamin, N,N-Dimethylß-phenylethylamin, 1,2-Dimethylimidazol, 2-Methylimidazol. Als Katalysatoren kommen auch an sich bekannte Mannichbasen aus sekundären Aminen, wie Dimethylamin, und Aldehyden, vorzugsweise Formaldehyd, oder Ketonen wie Aceton, Methylethylketon, Cyclohexanon und Phenolen, wie Phenol, Nonylphenol, Bisphenol in Frage.
Gegenüber Isocyanatgruppen aktive Wasserstoffatome aufweisende tertiäre Amine als Katalysatoren sind z.B. Triethanolamin, Triisopropanolamin, N-Methyldiethanolamin, N-Ethyldiethanolamin, N,N-Dimethyl-ethanolamin, sowie deren Umsetzungsprodukte mit Alkylenoxiden, wie Propylenoxid und/oder Ethylenoxid.
Als Katalysatoren kommen ferner Silaamine mit Kohlenstoff -Silicium-Bindungen, wie sie z.B. in der DE-PS 1 229 290 (entsprechend der US-PS 3 620 984) beschrieben sind, in Frage, z.B. 2,2,4-Trimethyl-2-silamorpholin, 1,3-Diethylaminomethyl-tetramethyl-disiloxan.
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Als Katalysatoren kommen auch stickstoffhaltige Basen wie Tetraalkylaminoniumhydroxide, ferner Alkalihydroxide wie Natriumhydroxid, Alkaliphenolate wie Natriumphenolat oder Alkalialkoholate wie Natriummethylat in Betracht. Auch Hexahydrotriazine können als Katalysatoren eingesetzt werden.
Ferner können auch organische Metallverbindungen, insbesondere organische Zinnverbindungen, als Katalysatoren, verwendet werden.
Als organische Zinnverbindungen kommen vorzugsweise Zinn(II)-salze von Carbonsäuren wie Zinn(II)-acetat, Zinn(II)-octoat, Zinn(II)-ethylhexoat. und Zinn(II)-laurat und die Zinn(IV)-Verbindungen, z.B. Dibutylzinnoxid, Dibutylzinndichlorid, Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinnmaleat oder Dioctylzinndiacetat in Betracht. Selbstverständlich können alle obengenannten Katalysatoren als Gemische eingesetzt werden.
Weitere Vertreter von erfindungsgemäß zu verwendenden Katalysatoren sowie Einzelheiten über die Wirkungsweise der Katalysatoren sind im Kunststoff-Handbuch, Band VII, herausgegeben von Vieweg und Höchtlen, Carl-Hanser-Verlag, München, 1966, z.B. auf den Seiten 96 bis 102 beschrieben.
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Diese Katalysatoren werden in der Regel in Mengen zwischen 0,001 und 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge der Reaktionskomponenten, eingesetzt.
Um die resultierenden Reaktionsprodukte vor unerwünschter, vorzeitiger Polymerisation zu bewahren, empfiehlt es sich, bereits bei der Herstellung 0,001 - 0,1 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung, an Polymerisationsinhibitoren zuzusetzen.
Geeignete Hilfsmittel dieser Art sind beispielsweise Phenole und Phenolderivate, vorzugsweise sterisch gehinderte Phenole, die in beiden o-Stellungen zur phenolischen Hydroxygruppe Alkylsubstituenten mit 1-6 C-Atomen enthalten, Amine, vorzugsweise sekundäre Arylamine und ihre Derivate, Chinone, Kupfer-I-Salze organischer Säuren oder Anlagerungsverbindungen von Kupfer-(I)-halogeniden an Phosphite.
Namentlich seien genannt: 4,4'-Bis- (2,6-di-tert.-butylphenol), 1.3.5-Trimethyl-2.4.6-tris-(3.5-di-tert.-butyl-4-hydroxy-benzyl)-benzol, 4,4'-Butyliden-bis-(6-tert.-butyl-m-kresol), 3.5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzylphosphonsäurediethylester, Ν,Ν'-Bis-(ß-naphthyl)-p-phenylendiamin, N,N'-Bis-(1-methylheptyl)-p-phenylendiamin, Phenyl-ß-naphthylamin, 4,4'-Bis-( ^ , ^-dimethylbenzyl)-diphenylamin, 1.3.5-Tris-(3.5-di-tert.-
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butyl-4-hydroxy-hydroc innamoy1)-hexahydro-s-tr ia ζ in, Hydrochinon, p-Benzochinon, 2,5-Di-tert.-butylchinon, Toluhydrochinon, p-tert.-Buty!brenzcatechin, 3-Methylbrenzcatechin, 4-Ethylbrenzkatechin, Chloranil, Naphthochinon, Kupfernaphthenat, Kupferoctoat, Cu(I)Cl/-Triphenylphosphit, Cu(I)Cl/Trimethylphosphit, Cu(I)Cl/-Trischlorethyl-phosphit, Cu(I)Cl/Trispropylphosphit, p-Nitrosodimethylanilin.
Weitere geeignete Stabilisatoren sind in "Methoden der organischen Chemie" (Houben-Weyl), 4. Auflage, Band XIV/1, S. 433 - 452, 756, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1961, beschrieben.
Die erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte werden in der Regel durch einfaches Einrühren in Wasser dispergiert· Hierbei können übliche Rühraggregate nützlich sein. Die Verwendung von Dispergiergeräten, die durch extreme Scherwirkung eine Feinverteilung von organischem Material in Wasser ermöglichen, ist in aller Regel bei den erfindungsgemäßen Produkten nicht notwendig.
Das Dispergieren der Urethanacrylat-Bindemittel in Wasser kann auch unter Zuhilfenahme relativ geringer Mengen an Lösungsmitteln erfolgen. Nach dem Dispergieren kann das Lösungsmittel durch Abdestillieren wieder entfernt oder aber in der Dispersion (Emulsion) belassen werden. Derartige Lösungsmittel sind beispielsweise
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Aceton, Ethylmethylketon, Ethylacetat, Butylacetat, Ethanol, Isopropanol, Butanole. Die Lösungsmittel können in Mengen von 5 - 30 Gew.-%, bezogen auf Urethanacrylatbindemittel und gegebenenfalls reaktive Monomere, eingesetzt werden.
Obwohl in vielen Fällen die erfindungsgemäßen Bindemittel, so wie sie nach der Umsetzung der Ausgangskomponenten vorliegen, in Wasser dispergiert und zum Einsatz gebracht werden können, kann es in manchen IQ Fällen angezeigt sein, insbesondere, wenn es ein bestimmtes Eigenschaftsbild des ausgehärteten Kunststoffs verlangt, bestimmte Monomere als härtbare Komponente bei der Härtung der Urethancrylate mitzuverwenden. Grundsätzlich können dies ein:
1. Ester der Acryl- oder Methacrylsäure mit aliphatischen C1-Cg, cycloaliphatischen C5-C6, araliphatischen C^-Cg-Monoalkoholen, beispielsweise Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Propylacrylat, n-Butylacrylat, Methylhexylacrylat, 2-Ethyl hexylacrylat und die entsprechenden Methacrylsäu reester; Cyclopentylacrylat, Cyclohexylacrylat oder die entsprechenden Methacrylsäureester; Ben zylacrylat, ß-Phenylethylacrylat und entsprechen de Methacrylsäureester;
2. Hydroxyalkylester der Acryl- oder Methacrylsäure mit 2-4 C-Atomen in der Alkoholkomponente, wie
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2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxypropylacrylat, 3-Hydroxypropylacrylat, 2-Hydroxybutylacrylat, 4-Hydroxybutylacrylat oder entsprechende Methacrylsäureester ;
3. Di- und Polyacrylate sowie Di- und Polymethacrylate von Glykolen mit 2 bis 6 C-Atomen und Polyolen mit 3-4 Hydroxylgruppen und 3 bis 6 C-Atomen, wie Ethylenglykoldiacrylat, Propandiol-1,3-diacrylat, Butandiol-1,4-diacrylat, Hexandiol-1/6-diacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Pentaerythrittri- und -tetraacrylat sowie entsprechende Methacrylate, ferner Di(meth)-acrylate von Polyetherglykolen des Glykols, Propandiol-1,3, Butandiol-1,4, insbesondere Triacrylate des oxethylierten Trimethylolpropans.
4. Aromatische Vinyl und Diviny!verbindungen, wie Styrol, Methylstyrol, Divinylbenzol;
5. N-Methylolacrylamid oder N-Methylolmethacrylamid sowie entsprechende N-Methylolalkylether mit 1 C-Atomen in der Alkylethergruppe bzw. entsprechende N-Methylolallylether, insbesondere N-Methoxymethyl(meth)acrylamid, N-Butoxymethyl(meth)acrylamid und N-Allyloxymethyl(meth)acrylamid;
6. Vinylalkylether mit 1 - 4 C-Atomen in der Alkyl-,
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gruppe, wie Vinylmethylether, Vinylethylether, Vinylpropylether, Vinylbutylether;
7. Trimethylolpropandiallylethermono(meth)acrylat, Vinylpyridin, N-Vinylcarbazol, Triallylphosphat, Triallylisocyanurat und andere.
Es können auch Gemische aus einem oder mehreren der vorgenannten Monomeren eingesetzt werden- Die Zusätze können etwa 5-30 Gew.-%, bezogen auf Mischung aus erfindungsgemäßen ürethanacrylat-Bindemitteln und zusätzlichen Monomeren betragen. Von besonderem Vorteil ist es, Triacrylate des oxethylierten Trimethylolpropans (1 Mol Trimethylolpropan und 2,5-4 Mole Ethylenoxid) als zusätzliche härtbare Komponente zu verwenden, da sie trotz erhöhten Molekulargewichten außerordentlieh reaktiv und gleichzeitig dünnflüssig sind.
Die Härtung der erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte bzw. ihrer Mischung mit weiteren Monomeren erfolgt in der Regel nach Abdampfen des zur Dispergierung verwendeten Wassers und des gegebenenfalls noch vorhandenen Lösungsmittels, wobei Wärme zugeführt werden kann.
Die aus den erfindungsgemäßen Urethanacrylyat-Bindemitteln hergestellten Dispersionnen können Festgehalte von 5 bis 90 Gew.-%, besitzen, Unter Festgehalt wird die Summe aus ürethanacrylat und gegebenenfalls vorhandenem zusätzlichen härtbaren Monomeren verstanden.
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Die Polymerisation kann mit energiereicher Strahlung wie UV-Licht, Elektronen- oder Gammastrahlung erfolgen .
Werden die erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte durch UV-Licht zur Härtung gebracht, so ist der Zusatz von Photoinitiatoren erforderlich. Diese werden in der Regel im erfindungsgemäßen Harz gelöst und mit diesem in der wäßrigen Phase dispergiert.
Als Photoinitiatoren.sind die üblicherweise eingesetzten Verbindungen geeignet, beispielsweise Benzophenon sowie ganz allgemein aromatische Ketoverbindungen, die sich vom Benzophenon ableiten, wie Alkylbenzophenone, halogenmethylierte Benzophenone, gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 94 9 010, Michlers Keton, Anthron, halogenierte Benzophenone. Ferner eignen sich Benzoin und seine Derivate, etwa gemäß den deutschen Offenlegungsschriften 1 769 168, 1 769 853, 1 769 854, 1 807 297, 1 807 301, 1 919 678, 2 430 081 und der deutschen Auslegeschrift 1 694 149. Ebenfalls wirksame Photoinitiatoren stellen Anthrachinon und zahlreiche seiner Derivate dar, beispielsweise ß-Methylanthrachinon, tert.-Butylanthrachinon und Anthrachi noncarbonsäureester, ebenso Oximester gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 795 089.
Vorteilhaft sind auch Ester der Pheny!glyoxylsäure
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zu verwenden, insbesondere einpolymerisierbare Phenylglyoxylsäureester gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 28 25 955.4, angemeldet 14.06.1978, Anmelder BAYER AG.
Die erwähnten Photoinitiatoren, die je nach Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Massen in Mengen zwischen 0,1 und 20 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 - 5 Gew.-%, bezogen auf polymerisierbare Komponente, eingesetzt werden, können als einzelne Substanz oder, wegen häufiger vorteilhafter synergistischer Effekte, auch in Kombination miteinander verwendet werden.
Vorteilhafte Zusätze, die zu einer weiteren Steigerung der Reaktivität führen können, sind bestimmte tert. Amine wie z.B. Triethylamin und Triethanolamin. Auch sie können in Mengen zwischen 0 und 5 Gew.-%, bezogen auf die polymerisierbaren Komponenten, eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Anwendungsform der erfindungsgemäßen, in Wasser dispergierbaren Urethanacrylate ist die Verwendung zur Verfestigung von Vliesen, wobei sie entweder durch UV-Licht oder durch Elektronenstrahlen zur Polymerisation gebracht und ausgehärtet werden.
Nach dem Stand der Technik werden Vliesstoffe aus Faserfloren erzeugt, die mit Hilfe von Bindemitteln verfestigt werden müssen. So können Kunststoffe in Pulver- oder
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Faserform dem Vlies beigegeben sein und durch einen thermischen Prozeß zum Schmelzen gebracht werden. Da» bei verkleben die Fasern des Flors in der gewünschten Weise miteinander.
Wesentlich häufiger werden zum Verfestigen in Wasser dispergierte Kunstharze eingesetzt. Der Grund hierfür ist die leichtere Handhabbarkeit, die breitere Variationsmöglichkeit der Applikation und die damit verbundene Vielfalt von Effekten. So können gezielt folgende Eigenschäften erhalten werden: Griffliehe Abstufungen, Drapierfähigkeit, Bauschkraft, Sprungelastizität. Die Vielfalt der verfügbaren Bindemittel in Dispersionsform ermöglicht die Einstellung weiterer Eigenschaften, wie z.B. Beständigkeiten gegen Chemischreinigung, Wäschen, Heißsiegelfähigkeit, hohe Zugfestigkeiten in Längs- und Querrichtung, Abriebfestigkeit usw.
Besonders hohe Festigkeiten, die auch durch die Beanspruchung beim Gebrauch und bei der Pflege (waschen und chemischreinigen) nicht verloren gehen, erhält man durch Verwendung vernetzbarer Bindemittel. Der Prozeß der Vernetzung wird ausnahmslos thermisch durchgeführt, indem durch Erhitzen auf Temperaturen über 1000C eine chemische Reaktion ausgelöst wird, die der Erhöhung des Molgewichts des Harzes durch Kettenverknüpfung dient. Die wichtigsten Reaktionstypen sind:
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1. Vulkanisation von Doppelbindungen enthaltenden Polymeren beispielsweise mit Schwefel;
2. Vernetzung mit zugesetzten Harzen, beispielsweise Aminoplasten;
3. SelbstVernetzung über eingebaute reaktionsfähige Monomere wie beispielsweise N-Methylolacrylamid.
Im Gegensatz zu diesen herkömmlichen Vernetzungsverfahren bringt der Einsatz der erfindungsgemäßen dispergier baren Urethanacrylate zahlreiche Vorteile:
Abgesehen davon, daß zur Aushärtung dieser Bindemittel nur äußerst kurze Belichtungszeiten im Sekundenbereich und darunter erforderlich sind, ist die Energieersparnis gegenüber einer thermischen Vernetzung herkömmlicher Bindemittel beträchtlich. Hinzu kommt, daß mit den erfindungsgemäßen Vließbindungsverfahren sehr gute Festigkeiten insbesondere der nassen Vliese erreicht werden.
Eine weitere Anwendung der wasserdispergierbaren, durch energiereiche Strahlung oder UV-Licht härtbaren Urethan acrylate ist ihre Verwendung zur Erzeugung von überzügen. Insbesondere sind sie geeignet zur Beschichtung von Holz, Papier, Kunststoff, Metall, Glas, Beton, Zement, Gips oder keramischem Material. Auch hier ist
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eine Voraussetzung, daß die aufgebrachte Dispersion zunächst zu einem Film wird, bevor die Härtung mittels Strahlung durchgeführt wird. In der Regel erfolgt diese Verfilmung durch Abgabe des Wassers in den bei Lacken üblichen Schichtdicken (10 - 200Um) bereits in kurzer Zeit, ohne daß Wärme zugeführt werden muß.
Als Strahlenquellen zur Durchführung der Photopolymerisation können künstliche Strahler, deren Emission TO im Bereich von 2500 - 5000 8, vorzugsweise 3000 4000 S liegt, verwendet werden. Vorteilhaft sind Quecksilberdampf-, Xenon- und Wolfram-Lampen, insbesondere Quecks ilberhochdruckstrahler.
In der Regel lassen sich Schichten der erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte in weniger als einer Sekunde zu einem Film aushärten, wenn sie mit dem Licht einer ca. 8 cm entfernten Quecksilberhochdrucklampe, beispielsweise vom Typ HTQ-7 der Firma Philips, bestrahlt werden.
Werden Füllstoffe bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Harzmassen mitverwendet, so ist deren Einsatz auf solche beschränkt, die durch ihr Absorptionsverhalten den Polymerisationsvorgang nicht unterdrücken. Beispielsweise können Talkum, Schwerspat, Kreide, Gips, Kieselsäuren, Asbestmehle und Leichtspat als licht-
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durchlässige Füllstoffe verwendet werden.
Erfolgt die Härtung durch thermische Initiatoren oder durch enegiereiche Strahlung, z.B. Elektronenstrahlung oder ^"-Strahlung, so sind prinzipiell alle Füll stoffe, Pigmente und Verstärkungsmaterialien, wie sie üblicherweise eingesetzt werden, verwendbar.
In den nachfolgenden Beispielen seien typische Verteter der erfindungsgemäßen Bindemittel und ihre Anwendung näher erläutert. Die angegebenen Teile und Prozentgehalte beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht anders vermerkt. Die angegebenen Äquivalente sind Gramm-Äquivalente.
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Beispiel 1
In einem 2 1 Dreihalskolben mit Rührer, Tropftrichter und Gaseinleitungsrohr wurden 387,6 g (=1,2 Äquivalente NCO) einer 75 %igen Lösung eines Polyisocyanats aus 79,6 Gew.-% Toluylendiisocyanat, 6,1 Gew.-% Butandiol-1,3 und 14,3 Gew.-% Trimethylolpropan in Ethylacetat (NCO-Gehalt der Lösung 13 %) vorgelegt und unter Lufteinleiten bei 600C mit 69,4 g (= 0,6 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat in Gegenwart von 0,18 g p-Methoxyphenol durch Zutropfen zur Reaktion gebracht. Nach 2 h wurden bei gleicher Temperatur 566,6 g (= 0,4 Äquivalente OH) eines linearen', Hydroxylgruppen enthaltenden Polyesters aus Adipinsäure und Diethylenglykol (OH-Gehalt 1,2 %, Molgewicht M = 2000), gelöst in 160 g Aceton zugetropft und 8 h bei 600C nachgerührt.
Anschließend wurden 40,4 g (= 0,2 Äquivalente NH) einer 47 %igen Lösung des 2-(2-Aminoethyl)-aminoethansulfonsäure-Na-Salz in Aceton zugetropft. Nach weiterem Rühren während 90 Min. bei 60°C konnte kein freies Isocyanat mehr nachgewiesen werden. Das entstandene Harz wurde mit weiteren 69 g Aceton verrührt. Es wurden 21 g (2 Gew.-%, bezogen auf polymerisierbare Substanz) ß-Cyanoethylbenzoinethylether als Photoinitiator zugesetzt.
Das resultierende Harz konnte durch Einrühren von Wasser in eine stabile, feinteilige Emulsion überführt
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werden: 37,5 Gew.-Teile der acetonischen Lösung wurden unter schnellem Rühren bei Raumtemperatur mit 70 Gew.-Teilen Wasser versetzt. Die Emulsion wurde in 200μπι dikker Schicht auf eine Glasplatte aufgezogen und antrocknen gelassen. Nach wenigen Minuten hatte sich ein klarer, glatter Film ausgebildet, der gehärtet wurde, indem er mit einer Geschwindigkeit von 20 m/Min, unter einer Quecksilberhochdrucklampe (80 W/cm-Strahlerlänge) der Firma Hannovia durchgeführt wurde. Der resultierende Lackfilm war lösungsmittelfest, kratzfest und hart.
Beispiel 2
Analog Beispiel 1 wurden 193,9 g (= 0,6 Äquivalente NCO) einer 75 %igen Lösung eines Polyisocyanats aus 79,6 Gew.-% Toluylendiisocyanat, 6,1 Gew.-% Butandiol-1,3 und 14,3 Gew.-% Trimethylolpropan in Ethylacetat (NCO-Gehalt der Lösung 13 %) in Gegenwart von 0,1 g p-Methoxyphenol mit 4 6,4 g (= 0,4 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat zur Reaktion gebracht, mit 34,8 5 g (= 0,4 Äquivalente NCO) Toluylendiisocyanat versetzt
2n und anschließend mit 566,7 g (= 0,4 Äquivalente OH) eines linearen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polyesters aus Adipinsäure und Ethylenglykol (OH-Gehalt 1,2 %, Molgewicht M = 2000) gelöst in 278 g Aceton umgesetzt. Nach 4 h bei 600C wurden 40,4 g (= 0,2 Äquivalente NH) einer 47 %igen Lösung des 2-(2-Aminoethyl)-aminoethansulfonsäure-Na-Salz in Aceton zugetropft. Nach weite-
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ren 90 Min. wurde das Aceton abdestilliert, zuletzt unter Vakuum und das Reaktionsprodukt mit 203 g Trioxyethyltrimethylolpropantr!acrylsäureester verdünnt. Ferner wurden 41g Benzildimethylketal hinzugegeben.
Auch dieses Produkt ließ sich durch Einrühren von Wasser in eine stabile Emulsion überführen.
Beispiel 3
Analog Beispiel 1 wurden 193,8 g (= 0,6 Äquivalente NCO) einer 75 %igen Lösung eines Polyisocyanats aus 79,6 Gew.-% Toluylendiisocyanat, 6,1 Gew.-% Butandiol-1,3 und 14,3 Gew.-% Trimethylolpropan in Ethylacetat (NCO-Gehalt der Lösung 13 %) in Gegenwart von 0,1 g p-Methoxyphenol mit 46,4 g (= 0,4 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat zur Reaktion gebracht, mit 34,85 g (=0,4 Äquivalente NCO) Toluylendiisocyanat versetzt und anschließend mit 80 g (0,4 Äquivalente OH) eines Polyesters aus Phthalsäureanhydrid und Ethylenglykol (OH-Gehalt ca. 8,5 %) umgesetzt. Nach 4 h bei 6O0C wurden 40,4 g (= 0,2 Äquivalente NH) einer 4 7 %igen Lösung des 2-(2-Aminoethyl)-aminoethansulfonsäure-Na-SaIz in Aceton zugetropft.
Nach weiteren 90 Min. wurden 14,5 g Benzildimethylketal hinzugegeben und die Mischung abgekühlt.
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Auch dieses Produkt ergab nach Abmischen mit Wasser eine über Monate stabile Emulsion, die sich insbesondere zur Beschichtung von Holz und Kartonagen eignete .
Beispiel 4
Analog Beispiel 1 wurden 152,7 g (= 0,6 Äquivalente NCO) des Polyisocyanatobiurets aus Hexamethylendiisocyanat (NCO-Gehalt 16,5 %) in Gegenwart von 0,19 g p-Methoxyphenol mit 46,4 g (=0,4 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat zur Reaktion gebracht, mit 33,6 g (= 0,4 Äquivalente NCO) Hexamethylendiisocyanat versetzt und anschließend mit 400 g (=0,4 Äquivalente OH) eines linearen Polypropylenglykols mit M = 200O (OH-Gehalt 1,7 %), gelöst in 500 g Aceton, umgesetzt. Nach 8 h bei 600C wurden 40,4 g (= 0,2 Äquivalente NH) einer 47 %igen Lösung des 2-(2-Aminoethyl)-aminoethansulfonsäure-Na-Salz in Aceton zugetropft. Nach weiteren 90 Min. wurden 17,4 g Benzildimethylketal (Photoinitiator) zugesetzt.
Das so erhaltene Produkt ließ sich durch Verrühren mit Wasser in eine über mehrere Monate stabile Emulsion überführen.
Beispiel 5
Analog Beispiel 1 wurden 193,8 g (= 0,6 Äquivalente
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NCO) einer 75 %igen Lösung eines Polyisocyanats aus 79,6 Gew.-% Toluylendiisocyanat, 6,1 Gew.-% Butandiol-1,3 und 14,3 Gew.-% Trimethylolpropan in Ethylacetat (NCO-Gehalt der Lösung 13 %) in Gegenwart von 0,1 g p-Methoxyphenol mit 34,8 g (= 0,3 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat umgesetzt. Nach 3 h wurden bei gleicher Temperatur 284 g (= 0,2 Äquivalente OH) eines linearen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polyesters aus Adipinsäure und Diethylenglykol (OH-Gehalt 1,2 %, Molgewicht M = 2000) zugegeben. Nach einer Reaktionszeit von 24 h war noch ein NCO-Gehalt von 1,2 % nachweisbar und dem Ansatz wurden 19,5 g (0,1 Mol =0,1 Äquivalente NH) p-Sulfanilsäure-Na-SaIz, suspendiert in 114 g Aceton, zugegeben. Nach weiteren 12 h wurde der Ansatz langsam mit 1100 ml Wasser verdünnt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die resultierende Emulsion war stabil und konnte nach dem Auftrocknen zu einem klaren Film mit Elektronenstrahlen zu einem unlöslichen, elastisehen überzug ausgehärtet werden.
Beispiel 6
In einem 3 1 Dreihalskolben mit Rührer, Trichter und Gaseinleitungsrohr wurden 840 g (10 Äquivalente NCO) Hexamethylendiisocyanat vorgelegt und unter Lufteinleiten bei 600C in Gegenwart von 0,36 g p-Methoxyphe-
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nol mit 232 g (2 Äquivalente OH) Hydroxyethylacrylat zur Umsetzung gebracht. Nach 12 h bei dieser Temperatur wurden 152 g (4 Äquivalente OH) Propylenglykol-1,3 und 134 g (3 Äquivalente OH) Trimethylolpropan, gelöst in 781 g Aceton, hinzugefügt und weitere 24 h reagieren gelassen. Nunmehr wurden 537 g einer 30 %igen Lösung in Wasser (1 Äquivalent NH) 2-Methylaminoethansulfonsäure-Na-Salz hinzugetropft. Nach einer weiteren Stunde wurde das Aceton bei reduziertem Druck abdestilliert und der Ansatz mit 117 ml Wasser emulgiert.
Auch diese Emulsion war über mehrere Monate stabil und ließ sich nach Zumischen von 5 Gew.-% Benzildimethylketal (Photoinitiator) bezogen auf polymerisierfähiges Harz, zur Verfestigung eines Vlieses benutzen.
Beispiel 7
Verfestigung eines KrempeIvIieses
Ein Faserflor aus Viskosefasern 1.7 dtex/40 mm mit
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einem Flächengewicht von 17 g/m wurde auf einer Krempel erzeugt. Die Verfestigung geschah mit einer 5-prozentigen Emulsion des ürethanharzes gemäß Beispiel 2. Die Bindemitte!applikation erfolgte in einem Siebbandfoulard. Nach Abtrocknen des Wassers wurde mit einem Hg-Hochdruckstrahler mit einer Leistung von 80 Watt/cm Strahlerlänge (Fabrikat Hanovia) bei einer
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Vorachubgeschwindigkeit des Vlieses von 10 m/Min, belichtet.
Die Bindeini ttelauflage wurde mit 20 % gemessen. Die Festigkeit betrug in Längsrichtung 2,8 MPa/cma t in Querrichtung 1,6 MPa/cma. Das Vlies besaß einen weichen Griff und war beständig auch bei Lagerung in Wasser während mehreren Wochen. Verwendungszweck: Windelumhüllung.
Beispiel 8
Verfestigung eines Naßvlieses
Eine Faserbahn, die aus 55 % Reyon 1.7 dtex/8 mm und 45 % Sulfatzellstoff besteht und auf einer Papiermaschine mit einem Gewicht von 35 g/m2 gelegt worden war, wurde nach Absaugen des überschüssigen Wassers mit einer 20 %igen Emulsion des Harzes gemäß Beispiel 2 besprüht. Nach Abtrocknen des Wassers wurde eine Bindemittelauflage von 25 % gemessen. Die Emulsion des Urethanacrylates war durch intensives Verrühren einer Mischung von 20 Teilen Harz und 80 Teilen Wasser bei Raumtemperatur mit einem Flügelrührer bei 200 UpM hergestellt worden.
Das Vlies wurde belichtet mit einem UV-Strahler, dessen Intensität 80 Watt/cm betrug, Bandgeschwindigkeit
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10 m/Min. Das Vlies besaß eine Festigkeit von 7,6 MPa/cm2 in trockenem und 1,1 MPa/cm2 in feuchtem Zustand. Verwendungszweck: z.B. Krankenhausbettwäsche.
Beispiel 9
Aus dem gemäß Beispiel 3 hergestellten ungesättigten Urethancrylat, dem 3 Gew.-% OC -Cyanoethylbenzoinethylether zugesetzt wurden, wurde durch Einrühren in Wasser eine 50 %ige Emulsion hergestellt. Diese Emulsion wurde in 60μ dicker Schicht auf ein HoIzbrett aufgezogen.
Nach 3 Min. bei Raumtemperatur hatte sich ein klarer Film gebildet, der in 8 cm Abstand bei einer Fördergeschwindigkeit von 15 m/Min, unter einer Quecksilberhochdrucklampe mit 80 W/cm Strahlerlänge (Fabrikat Hanovia) gehärtet wurde. Der resultierende Lackfilm war Wasser- und Lösungsmittel-fest und sehr gut schleifbar.
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Claims (5)

  1. 2936033
    Patentansprüche
    In Wasser dispergierbare Urethanacrylat-Bindemittel, bestehend aus einem Umsetzungsprodukt von
    A) 1 Grammäquivalent NCO eines Polyisocyanates mit 2-3 Isocyanatgruppen pro Molekül,
    B) 0,0-0,7 Grammäquivalenten OH eines Polyols mit mindestens 2 OH-Gruppen pro Molekül,
    C) 0,1-0,7 Grammäquivalenten OH eines Hydroxyalkylacrylats mit 2-6 C-Atomen in der Alkyl-
    gruppe,
    dadurch gekennzeichnet, daß das ümsetzungsprodukt zusätzlich
    D) 0,01-0,5 Grammäquivalente NH einer Aminosulfonsäure oder eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalzes einer Aminosulfonsäure, jeweils mit 1-4 Aminogruppen pro Sulfonsäuregruppe, eingebaut enthält und die Summe der OH- und NH-Grammäquivalente B bis D 1-1.2 ist.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung in Wasser dispergierbarer
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    ORIGINAL INSPECTED
    ürethanacrylat-Bindemittel aus Polyisocyanaten, Polyolen, Hydroxyalkylacrylaten und weiteren mit Isocyanatgruppen reaktionsfähigen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß bei 200C bis 1000C
    A) 1 Grammäquivalent NCO eines Polyisocyanates mit 2-3 Isocyanatgruppen pro Molekül mit
    B) 0,0-0,7 Grammäquivalenten OH eines Polyols mit mindestens 2 OH-Gruppen pro Molekül und
    C) 0,1-0,7 Grammäquivalenten OH eines Hydroxyalkylacrylates mit 2-6 C-Atomen in der Alkyl gruppe und
    daran anschließend mit
    D) 0,01 - 0,5 Grammäquivalenten NH einer Aminosulfonsäure oder eines Alkalimetall- oder
    Erdalkalimetallsalzes einer Aminosulfonsäure jeweils mit 1-4 Aminogruppen pro SuI-fonsäuregruppe,
    umgesetzt werden, wobei die Summe der OH- und NH-Grammäquivalante B bis D 1 - 1.2 ist.
  3. 3. Verwendung der strahlenhärtbaren Ürethanacrylat-Bindemittel gemäß Anspruch 1 in wäßriger Disper-
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    sion zur Herstellung von strahlengehärteten Überzügen und Beschichtungen auf Metallen, Papier, Holz, Glas, keramischen Materialien und Kunststoffen.
  4. 4. Verwendung der strahlenhärtbaren Urethanacrylat-Bindemitteln gemäß Anspruch 1 in wäßriger Dispersion zur Textilimprägnierung und Vliesverfestigung.
  5. 5. Verwendung der strahlenhärtbaren ürethanacrylat-Bindemittel gemäß Anspruch 1 in wäßriger Dispersion zur Herstellung von Anstrich- und Druckfarben.
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