-
-
E oxid-Phos horsäure-Addukte und Verfahren zu deren
-
Herstellung Gegenstand der Erfindung sind diejenigen Produkte die
bei der Reaktion von Epoxiden ungesättigter Fetteauren und/oder derer Derivate mit
Phosphorsäure (H3Po4> entstehen. Zur Erfindung gehören auch die Produkte, die
bei der gleichzeitigen oder zeitlich gestaffelten Reakticn von den genannten Epoxiden
und von irgendwelchen anderen Epoxiden mit Phosphorsure entstehen. Alle diese erfindungsgemäßen
Produkte werden in der vorliegenden Schrift kurz Epoxid-Phosphorssure-Addukte genannt.
Sie sind nicht vorbeschrieben und nach derzeitigem Stand ohemischen Wissens weieen
sie Atomgruppierungen des Typs
auf, d.h. sie enthalten zu Phosphorsäureester-Gruppen beta-ständige Hydroxy-Grupren.
-
Die Erfindung umfallt auch Verfahren zur Herstellung von Epoxid-Phosphorsure-Addukten.
Derartige Verfahren sind ebenfalls nicht vorbeschrieben.
-
Weiterhin gehört die Verwendung von Epoxid-Phosphorsure-Addukten allein
oder im Gemisch mit anderen Substanzen zur Erfindung.
-
Die erfindungsgemäßen Epoxid-Phosphorsäure-Addukte können u.a. als
grenzflächenaktive, hydrophobierende, schmierende, korrosionsschützende, Stein konservierende,
auch als antistatisch wirksame Substanzen verwendet werden. Insbesondere sind sie
in Form öliger und wässeriger Flüssigkeiten für Metallbearbeitungszwecke verwendbar
und besitzen gegenüber bekannten derartigen Medien verbesserte ScEmier- und Korrosionnschutzzeigenschaften.
Sie
sind beispielsweise als Bohr- und SchneidflUssigkeiten, als Walz- und Ziehmittel
verwendbar. Erfindumngsgemäße Epoxid-Phosphorsäure-Addukte eignen sich aber auch,
um Stein und Bauwerke vor Schädigung durch aggressive Bestandteile der Luft zu bewahren.
-
Unter den bekannten Metallbearbeitungsmedien sind Phosphorsäureester
an sich bekannt, jedoch fehlen diesen stets bet.t-sthndige Hydroxy-Gruppen. Die
bekannten Metallbearbeitungsmedien vom Phosphorsäureester-Typ können sämtlich durch
die allgemeine Form
dargestellt werden. So bedeuten bei durch einschlagigen Gebrauch bekannten flammwldrigen
Schmiermedien X,Y,Z aromatlsche Reste. Diese Schmiermedien bieten fast keinen Korrosionsschutz.
Das Gleiche gilt für die in der DT-OS 24 21 977 ( C 10 M 3/40 ) beschriebenen PhosphorsLureester>
bei denen X,P,Z Alkyl-, Aryl-, Alkylaryl-Gruppen bedeuten. Aus der DT-OS 29 21 572
( C 07 F 9/09 ) sind Metallbearbeitungsmedien bekannt, in denen entweder X oder
X,Y Polyethylenoxyn-butan-1,4-diol-ether-Gruppen sind und Y,Z oder Z anstelle von
H stehen. Die in dieser Schrift angegebenen Rostschutzwerte zeigen die Uberlegenheit
der erfindungsgemLfen Epoxid-Phosphorsäure-Addukte, wie im 1. Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Schrift dargelegt ist. Auch die in der GAF-Druckschrift SP VM-616/68
beschriebenen nach obiger allgemeinen Formel strukturierten - hier bedeuten X oder
X,Y Alkylarylpolyethylenoxy-Gruppen - PhosphorsËureester messen im Rostschutz durch
andere Mittel, meistens Natriumnitrit, wie aus der Druckschrift hervorgeht, unterstUtzt
werden.
-
Natriumnitrit ist bekanntlich das fUr Metallbearbeitungsmedien wirkungsvollste
Rostschutzmittel. Es wird in dieser Wirkung weder von den bekannten Phosphorsäureestern
noch von den Ubrigen bekannten Rostschutzmitteln, wie Suldonaten,
Amin-Salzen
und dgl. Ubertroffen, auch nicht von den in der DT-OS 25 56 471 ( C 10 M 3/40 )
erwähnten Amin-Salzen saurer Fettalkohol-Phosphorsäureester. Da es aber mit sekundären
Aminen leicht stark cancerogen-verd&chtige Nitrosamine bildet und sekundäre
Amine in vielen Metallbearbeltungsmedien enthalten sind, ist seine Verwendung zumindest
nicht unbedenklich. Dieses umsomehr, da in der Metallbearbeitung tätige Personen
heufig jahrelang mit diesen Medien in stsndigen Hautkontakt kommen, vielfach sogar
deren durch die hohen Drehzahlen der Werkzeugmaschinen erzeugte Sprshnebel einatmen.
Daher besteht seit langem ein BedUrfnis nach harmlosen aber auch wenigstens gleichwirksamen
Rostschutzmitteln.
-
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, solche Rostschutzmittel zu bieten.
Dardberhinaus ist es aber auch Aufgabe der Erfindung, überhaupt neuartige technisch
vorteilhaft verwendbare Reaktionsprodukte von Epoxiden mit PhosphorsLure zu schaffen
und deren Herstellung zu ermöglichen. Auf dem Gebiet der Metallbearbeitung stellt
sich die Erfindung nicht nur die Aufgabe, verbesserte Rostschutzmittel zu bieten,
sondern auch Substanzen, die Nichteisenmetalle vor Korrosion schützen, die zugleich
verbesserte schmierende und konservierende Eigenschaften besitzen und Uberdies umweltfreundlich
sind. Sie sollen bei Anwendung in Form wässeriger Lösungen oder Emulsionen auch
biologisch abbaubar sein. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
-
Die Erfindung löst die Aufgaben mittels Reaktionsprodukten von Epoxiden
mit Phosphorsaure, die dadurch gekennzeichnet sind, daß Epoxide ungesËttlgter Fettsäuren
und/oder derer Derivate Reaktionskomponenten sind. Unter Derivaten ungesättigter
Fettsäuren werden hier beispielsweise alle nach bekannten Verfahren aus ungesättigten
FettsLuren herstellbareuSubstanzen> wie deren Ester und Amide, aber auch Fettalkohole
und Ihre Ester und Ether, auch Fettamine und ihre
Salze sowie aus
ihnen hergestellte Amide verstanden. 3evorzugt werden ungesättigte Fettsaureglyceride
unter Derivaten ungesättigter Fettsäuren verstanden. Mit Epoxiden der ungesättigten
Fettsäuren und Epoxiden der Derivate ungesättigter Fettsäuren sind hier Verbindungen
gemeint, bei denen eine oder mehrere ungesättigte Atomgruppierungen .-CH=CH-.
-
durch die Epoxy-Gruppe
ersetzt sind. Die Herstellung der Epoxide ist nicht Gegenstand der Erfindung. Sie
können durch Umsetzen der unges:t tigten Fetta;uren oder derer Derivate mit Persäuren
erhalten werden. Fl.r die Erfindung ist es bedeutungslos, in welcher Reihenfolge
Epoxide von Fetts:urederivaten hergestellt werden. Es könnten zuerst die Fettaturen
epoxidiert werden und aus den erhaltenen Epoxiden die Derivate hergestellt werden
oder dber auch die Fettesurederivte direkt epoxidiert werden, Epoxide, die aus ungesättigten
Fettsäuren oder deren Derivaten hergestellt werden könnten, jedoch auf andere Weisen,
etwa Uber Olefine, synthetisiert worden sind, gelten selbstverständlich auch als
Epoxide ungesättigter Fettsäuren oder derer Derivate.
-
Erfindungsgemle Epoxid-Phosphorsäure-Addukte werden hergestellt, indem
man die Epoxide mit wasserhaltiger Phosphorsäure vermischt und durch RUhr- oder
Knetvorrichtungen fUr eine feine Dispersion der Reaktionspartner sorgt. Das Einsetzen
der Reaktion kann durch anfängliches Erwärmen, besonders bei zGhflUssigen Epoxiden,
beschleunigt werden. Da die Reakt-ion exotherm ist, muß im weiteren Verlauf der
Reaktion je nch angesetzter Menge mehr oder weniger gekUhlt werden.
-
Ein bevorzugtes Verfahren besteht jedoch darin, daß die Reaktionspartner
in verdünnter oder gelöster Form miteinander umgesetzt werden. Als VerdUnnungs-
oder Lösungsmittel eignen sich beispielsueise niedrigmolekulare Alkohole, Ketone,
Ester,
Ether, auch innere Ether. Unter den niedrigmolekularen Alkoholen ist Isopropanol
( CH3CH(OH)CH3 ) wegen seines günstigen Siedepunktes, u.a. auch wegen seiner Nassermi3chbarkeit
besonders geeignet.
-
Das Grundsätzliche des bevorzugten Verfahrens besteht darin, daß man
wasserhaltige Phosphorsaure beispielsweise in Isopropanol löst und in diese Lösung
das oder die umzusetzenden Epoxide in berechneter Menge einmischt. Alle hier in
Betracht kommenden Epoxide unabhängig von der Struktur und Zusammensetzung ihres
Kohlenwasserstoffgerüsts mit eine Epoxidseuerstoff-Gehalt über 5 Gewichts- und Epoxide
mit Wasserstoffbrückenbindungen ermöglichenden Grup?cn im Molekül und geringerem
Epoxidsauerstoff-Gehalt sind bei Temperaturen unter 800C in Isopropanol löslich.
Deshalb können außer der Phosphorsäure auch die Epoxide in Isoproyanol gelcst werden
und beide Lösungen miteinander vermischt werden. 3-tUrlich kann auch wasserhaltige
Phosphorsäure in die isopropanolische Epoxidlösung eingemischt werden. Um jedoch
die bei der exothertren Reaktion freiwerdende Wärme durch Rhlune gut unter Kontrolle
halten zu können, werden vorteilhaft sowohl die Epoxide als auch die wasserhaltige
Phosphcrs:ure fUr sich in Isopropanol gelöst und die Lösungen in berechneten Mengen
und in mit dem KUhlverfhren abgestimmten Zeitraten miteinander vermischt. Diese
Arbeitsweise führt zu besonders einheitlichen Produkten und ist für ein kontinuierliches
Herstellen der Addukte geeignet.
-
Sollen die Epoxid-Phosphorsure-Addukte frei von Isopropanol oder dem
jeweils verwendeten Lösungsmittel sein - für viele Anwendungen sind allerdings gerade
ihre Lösungen zwecknXssig - , kann die Reaktion zeitlich auch so gefUhrt werden,
daß die Temperatur des Reaktionsgemisches nach ausreichender Reaktionsdauer über
die Siedetemperatur des betreffenden Lösungsmittels ansteigt und somit freiwerdende
Reaktionswarme wenigstens teilweise zum Abdestillieren des Lösungsmittels ausgenutzt
wird. Der Reaktionsverlauf ist sich anhand von
ständigen Probenahmen
und deren Brechungsindizes oder IR-Spektren gut verfolgen.
-
Die einzusetzenden Epoxide und die Mengenverhältnisse Epoxid : Phosphorsäure
werden nach dem beabsichtigten Verwendungszweck ausgewählt.
-
Fiir-Metallbèarbeitlmgsrlledien mit verbesserten Schmier- und Korrosionsschutzeigenschaften
haben sich höhermolekulare Epoxid-Phosphorsäure-Addukte mit sauren Eigenschaften
und deren Salze als vorteilhaft erwiesen, Sie werden in einem Mengenverhältnis,
bei dem auf ein Molekül Phosphorsäure weniger als drei Epoxy-Gruppen entfallen,
hergestellt und zwar vorzugsweise aus Epoxiden mit mehreren Epoxy-Gruppen pro Molekül.
Geeignete Epoxide sirid beispielsweise epoxidierte Leinölfettsäuren, epoxidiertes
Leinöl, auch epoxidierte fette Öle mit mehreren ungesättigten Fettsäureketten pro
Triglyceridmolekül. Die erhaltenen Epoxid-Phosphorsäure-Addukte bilden mit Alkanolaminen,
natürlich auch mit Alkalihydroxiden oder anderen Basen Salze. Die Wasserlöslichkeit
dieser Salze ist durch das Mengenver hältnis Epoxid : Phosphorsäure und auch durch
die zeitliche Staffelung der Umsetzung regulierbar. Je mehr freie Phosphorsäure-Gruppen
ein Addukt-Nolekül aufweist, desto besser ist die tasserlöslichkeit der Salze dieses
Addukts.
-
Um festhaftende korrosionsschützende Überzüge auf metallischen Konstruktionen
oder konservierende Oberflächenimprägnierungen von Mauerwerken zu erhalten, ist
es nach der Erfindung vorteilhaft, zusätzlich andere Epoxide, æ B, die aus Epichlorhydrin
und Bisphenol A hergestellten Diepoxide, oder auch Lekutherm(R)-Marken (LEKUTHERM
ist eingetragenes Warenzeichen der Firma Bayer), in die Reaktion einzubringen.
-
Nach der Erfindung erhält man Produkte mit ausgeprägten anti-
statischen
Eigenschaften, wenn zusätzlich Glycidol (2,3-Epoxy-1-propanol) in die Reaktion eingebracht
wird. Verwendet man statt Glycidol seine Ester und Ether (Glycidester und Glycidether),
so erhält man Phosphatidsäuren, die u.a. als Emulgatoren verwendbar sind, sowie
Ausgangsstoffe fr pharmazeutisch interessante Phospholipide.
-
Auch um bestimmte Eigenschaften der Epoxid-Phosphorsäure-Addukte,
wie etwa ihr Quell- oder Lösungsverbalten gegen-ber gewissen Lössungsmitteln zu
beeinflussen, können sie durch Einbringen irgendwelcher zusitzlicher anderer Epoxide
in die Reaktion modifiziert werden.
-
Werden zusätzlich andere Epoxide in die Reaktion eingebracht, so können
diese mit den Epoxiden ungestttigter Fettsäuren und/oder derer Derivate gleichzeitig,
d.h. im Gemisch. oder in gemeinsamer Lösung mit diesen zur Reaktion mit Phosphorsaure
gebracht werden. Es ist auch möglich, zunächst die erst- oder zweitgenannten Epoxide
mit Eberschüssiger PhosFhorsaure zu einem sauren Produkt reagieren zu lassen und
dieses danach mit den anderen Epoxiden zum endgültigen Prcdukt umzusetzen.
-
Die folgenden AusfUhrungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung ohne deren AllgemeingUltigkeit auf diese Beispiele zu beschränken.
-
1. Ausführungsbeispiel 2 Gewichtsteile Edenol(R) B 316 (EDENOL ist
eingetragenes Warenzeichen der Firma Hen':el, Edenol(R) B 31: ist epoxidiertes Leinöl
mit über 8 % Epoxidsauerstoff) wurden in 2 Geuichtsteilen Isopropanol gelöst (Lösung
I). 1 Gewic?:tsteil wässeriger Phosphorsäure (80 % H3P04) wurden in G,5 Gewichtsteilen
Isopropanol gclöst (Lösung II). Lösung II wurde portionsweise in Lösung I eingeriihrt,
so daß die Temperatur im gekiihlten Kolben 700C erreichte. Nach beendeter Reaktion
wurden 15 Gew.-Tl. Wasser und 7,5 Gew.-Tl.
-
Triethanolamin unter kräftigem Rühren dazugemischt.
Es
entstand eine klare Flüssigkeit (Lösung III), die als Stammlösung ir folgende Versuche
benutzt wurde.
-
Lösung III enthalt 10 P Leinölepoxid-Phosphorsäure-Addukt.
-
Aus Lösung III wurden verschiedene Verdünnungen mit lei.
-
tungswasser hergestellt und mit nicht ins Gewicht fallenden Mengen
von Triethanolamin jeweils auf den pH-Wert 8 eingestellt. Es zeigte sich, daß eine
VerdLinnung, die nur 0,015 « Leinölepoxid-Phosphorsäure-Addukt enthält, guten Frostschutz
bietet.
-
Das Rostschutzvermögen der verschiedenen VerdUnnungen wurde nach einem
verbesserten gebräuchlichen Verfahren folgendermaßen getestet. 0,1 g Eisenpulver
(Ferrum reductum) wurden auf einem quadratischen Filtrierpapier von 4 cm Seitenlnge
derart verteilt, da eine Kreisflche von ca. 2 cm Durchmesser bedeckt war. Das Filtrierpapier
lag auf einer Glasplatte.
-
Von der zu testenden VerdUnnung wurden 0,5 ml auf ss Eisenpulver geträufelt.
Das Ganze wurde in einer Kammer bei ca.
-
2000 und ca. 80 relativer Luftfeuchtigkeit eine Stunde aufbevahrt.
Dsnech wurde das Eisenpulver abgespült und das Filtrierpapier nach dem Trocknen
mit einer Lupe auf Rostpunkte untersucht. Be: absoluter Punktfreiheit des Filtrierpapiers
wurde der Frostschutz als gut bezeichnet. Dieser Test ist empfindlicher als der
bekannte Herbert-Test.
-
DemgegenUber sind nach der DT-OS 29 21 572 von den dort beanspruchten
Phosphorsäureestern 0,3 P oder 0,1 % in Verbin-)dung mit 0,02 % Natriumnitrit für
ausreichenden Rostschutz erforderlich.
-
2. Ausführwngsbeispiel iwei gleichartige Bauteile aus Leichtmetall
(Al-Si-Legierung) wurden am gleichen Ort ein Jahr lang der Witterung ausgesetzt.
Das eine Bauteil war unbehandelt, das andere war zuvor mit der Lösung III des 1.
Ausführungsbeispi els
eingesprücht worden. Nach diesem Test war
das unbehandelte Teil dicht mit weißen Pickeln bedeckt, daß behandelte Teil dagegen
unverändert.
-
3. AusfUhrungebeispiel 1 Gewichtsteil Edenol(R)B 316 (vgl. 1. Ausführungsbeispiel)
und 1 Gewichtsteil eines niedrigviskosen in bekannter Weise aus Epichlorhydrin und
Bisphenol A hergestellten Dieyoxiris wurden unter Erwärmen auf 65°C in 3 Gewichtsteilen
Isopropanol gelöst. Die Apparatur war mit Außenheizung, Innerkühler, Rückflußkühler,
Rührer, Tropftrichter und Kontaktthermometer ausgestattet, so daß die Temperatur
ständig zwischen 6500 und 7500 gehalten werden konnte. Eine Lösung von 0,9 Gewichtsteilen
wässeriger Phosphorsäure (80 % H3PO4) in 0,9 Gewichtsteilen isopropanol wurde im
Verlsuf von 20 min zugegeben. Danach wurde das Reaktionsgemisch weitere 40 min in
der Apparatur bei der angegebenen Temperatur gehalten.
-
Es entstand eine syrupartige Flüssigkeit, die mit etwa gleichem Volumen
Aceton verdUnnt und mittels einer Spritzpistole auf angerostete Stahlteile gesprüht
wurde. Die Stahlteile waren nach einjähriger Lagerung im Freien nicht weitergerostet.
-
4. AusftihrunFsbeispiel 683 Gewichtsteile Edenol(R)D 81 (vgl. 1. Ausführungsbeispiel;
Edenol (R) D 81 ist epoxidiertes Sojaöl mit über 6 s Epoxidsauerstoff) wurden in
138 Gewichtsteilen Isopropanol gelöst (Lösung I). 618 Gewichtsteile wässerige Phosphorsäure
(87 % H3P04) wurden mit 48 Gewichtsteilen Wasser und 223 Gewichtsteilen Isopropanol
gemischt (Lösung II).
-
331 Gewichtsteile Lösung I wurden unter Kühlung mit 175 Gewichtsteilen
II verrürht. Das Reaktionsprodukt war eine klare gelbliche viskose Flbssigkeit (Lösung
III), die mit beliebigen Mengen Isopvopanol verdünnt werden konnte.
-
Eine Verdunnung der Lösung III mit Isopropanol, die 0,1 % Epoxid-Phosphorsure-Addukt
enthielt, wurde auf Proben verschiedener Kalkstein- und Kalksaidteinarten gesprüht.
Diese Proben wurden gemeinsam mit unbehandelten Proben gleicher Steinarten 3 Wochen
einer schwefelige Säure enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt. Danach konnten von den
unbehandelten Proben mit den Fingern teilweise mehrere Millimeter dicke Schichten
abgerieben werden. Die Oberflächen der behandelten Proben waren völlig fest geblieben.
-
Ferner wurden 141 Gewichtsteile Lösung I mit 95 Gewichtsteilen der
Lösung II umgesetzt. Auch hier entstand eine klare, leicht gelbliche Flüssigkeit
(lösung IV). Lösung IV wurde zu einem "Schneidöl" weiterverarbeitet und unter Betriebabedingungen
erfolgreich getestet. U. a. wurden Gewinde in Edelstahlstücke geschnitten. Bei allen
Tests war das Schneidöl bestehend aus 85 Gewichtsteilen Lösung IV, 75 Gewichtateilen
Diethylenglykol, 41 Gewichtsteilen Isopropanol und 11 Gewichtsteilen Wasser mehreren
handelsüblichen Schneidölen hinsichtlich Schneidleistungen und WerkzeuS-standzeiten
aberlegen.
-
5. Ausf!:hrungsbeisi lel 0,2 Mol ÖlsEture wurden in bekannter Weise
mit 0,1 Mol Diethylentriamin zu einem Amidgemisch kondensiert. Das Reaktionswasser
wurde zu 92 % der theoretischen Menge abdestilliert. Las wasserhaltige Amidgemiscb
wurde mit Wasserstoffperoxid in bekannter Weise epoxidiert. Das Reaktionsprodukt
wurde mit gleicher Gewichtsmenge Isopropanol verditnnt. 1 Gewichtsteil dieser Verdi-tnnung
wurde mit 1,8 Gewichtsteilen der Lösung II des 1. Ausführungsbeispiels (wässerige
Phosphorsäure in Isopropanol) vermischt. Es entstand eine opalisierende Flüseigkeit.
Diese Flüssigkeit zeigte noch in einer Verdünnung 1:120 mit Leitungswasser und nach
Einstellung auf den pH-Wert 6 guten Rostschutz. Das Rostschutzvermögen wurde nach
dem Verfahren des 1. AusfUhrungsbeispiels getestet.
-
6. Ausführungsbeispiel Dieses Ausfahrungsbeispiel soml die Effekte
unterschiedlicher zeitlicher Staffelungen der Umsetzungen erläutern und die sich
daraus ergebenden Möglichkeiten, die Strukturen der Epoxid-Phosphorsäure-Addukt-Moleküle
gezielt zu beeinflussen.
-
Es wurden die Lösungen I und II des 1. Ausführungsbeispiels frisch
bereitet und die Apparatur des 3. Ausführungsbeispiels benutzt.
-
Im ersten Versuch wurden 4 Gewichtsteile I vorgelegt und 1,7 Gewichtsteile
II im Verlauf von 6 Stunden unter Rühren gleichmäLig zutropfen gelassen. Während
der ganzen Zeit wurde die Temperatur zwischen 6000 und 7000 gehalten. Es entstand
eine homogene Flüssigkeit (Produkt A).
-
Im zweiten Versuch wurden wieder 4 Gewicutstelle I vorgelegt und 1,7
Gewichtsteile II diesmal innerhalb von 10 Minuten zugegeben und weitere 5 Stunden
und 50 Minuten gerishrt. während der Gesamtzeit von 6 Stunden wurde die Temperatur
zwischen FOOC und 700C gehalten. Es entstand ebenfalls eine homogene FltissigReit
(Produkt B).
-
Im dritten Versuch wurden 1,7 Gewichtsteile II vorgelegt und 4 Gewichtsteile
I im Verlauf von 6 Stunden unter Rühren gleichmr.£ig zutropfen gelassen. Wieder
wurde die Temperatur während der ganzen Zeit zwisccn 60°C und 7000 gehalten. Auch
hier entstand eine homogene Flüssigkeit (Produkt C).
-
der Produkte Die Viskositäten nahmen deutlich in der Reihenfolge
A,B,C ab und die mittleren Zahlen freier Phosphorsäure-Gruppen pro Addukt-Molekül
zu, wie sich analytisch nachweisen ließ.