DE3224689C1 - Verfahren zum Flexibilisieren von Epoxidharzen - Google Patents
Verfahren zum Flexibilisieren von EpoxidharzenInfo
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Description
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35
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum FIexibilisieren
von Epoxidharzen durch Zusatz von Acrylatpolymerisaten.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, Epoxidharze zu flexibilisieren. So
kann z. B. eine Flexibilisierung dadurch erreicht werden, daß man spezielle Härter, wie z. B. Polyaminoamide, verwendet.
In vielen Fällen hat man jedoch bezüglich der Härter keine Wahlmöglichkeit, z. B. wenn die. Härtungstemperatur, die Aushärtungsgeschwindigkeit oder die
Glastemperatur des gehärteten Epoxidharzes vorgeschrieben sind. In diesen Fällen ist man gezwungen, Härter,
wie Dicyandiamid, Polycarbonsäureanhydride oder kurzkettige aliphatische Polyamine, zu verwenden, welche
jedoch zu spröden Aushärtungsprodukten führen. Es ist dann notwendig, die Epoxidharze durch Zusatz von
Modifizierungsmitteln zu flexibilisieren. Aber auch im Falle flexibler Härter, z. B. der Polyaminoamide, ist häufig
eine zusätzliche Flexibilisierung des Epoxidharzes erwünscht. Die Modifizierungsmittel können dabei in
dem Epoxidharz in Form eines physikalischen Gemisches verteilt sein oder mit dem Epoxidharz reagieren.
Die meisten der bekannten Modifizierungsmittel gehören der Gruppe der nichtreaktiven Zusätze an. Zu diesem
Stand der Technik wird auf das Buch von H. Jahn »Epoxidharze«, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie,
Leipzig, 1969, verwiesen. Als reaktive Modifizierungsmittel wählt man Produkte aus, die Gruppen
aufweisen, welche mit den Epoxidgruppen des Epoxidharzes zu reagieren in der Lage sind, z. B. Carboxylgruppen.
Es ist dem Fachmann verständlich, daß bei der Reaktion mit dem Modifizierungsmittel nur ein Teil der
Epoxidgruppen reagieren darf, um die Aushärtung der Epoxidharze noch möglich zu machen, der Anteil des
eingebauten Modifizierungsmittels jedoch so groß sein muß, daß die angestrebte Flexibilisierung erzielt wird.
Als reaktive Modifizierungsmittel sind aus der US-PS 39 48 849 Butadienacrylnitrilcopolymerisate eines Molekulargewichtes
von 3000 mit endständigen Carboxylgruppen bekannt. Die Modifizierung der Epoxidharze
erfolgt vor der Aushärtung durch Erwärmung der das Modifizierungsmittel enthaltenden Epoxidharze auf
160° C für etwa 30 Minuten. Bei Verwendung derartig modifizierter Epoxidharze als Klebmittel erhält man Verklebungen
mit elastischen Fugen. Ein Nachteil dieser Verbindungen ist jedoch, daß im Gerüst des ausgehärteten
modifizierten Epoxidharzes olefinische Doppelbindungen zurückbleiben, die aufgrund ihrer Oxidierbarkeit
die chemischen und physikalischen Eigenschaften der ausgehärteten Harze beeinträchtigen.
In der europäischen Patentanmeldung 81107629.8 ist ein Verfahren zur Flexibilisierung von Epoxidharzen
durch Zusatz .von Carboxylgruppen aufweisenden Polymerisaten bekannt, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß man den Epoxidharzen vor der Härtung Copolymerisate, die durch gemeinsame Polymerisation von
ai) 40 bis 87 Gew.-96 eines oder mehrerer Alkylester der
Acryl und/oder Methacrylsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
a2) 10bis40 Gew.-96 Viirylacetat und/oder Acrylnitril,
a3) 1 bis 20 Gew.-96 Acryl-, Methacryl- und/oder Itaconsäure,
a.4) 1 bis 5 Gew.-96 Glycidylacrylat und/oder
Glycidylmethacrylat,
Glycidylmethacrylat,
a5) 0 bis 35 Gew.-96 Acryl- und/oder Vinylmonomeren,
die von den Monomeren a0 bis a4) verschieden sind,
in Gegenwart eines mercaptogruppenhaltigen Reglers, welcher mindestens eine Carboxylgruppe aufweist, erhalten
worden sind, und wobei die Copolymerisate ein mittleres im Dampfdruckosmometer gemessenes Molekulargewicht
von 1000 bis 3000 haben, in solchen Mengen zusetzt, daß 1 bis 60 Mol.-96 der Epoxidgruppen mit den
Carboxylgruppen des Copolymerisates reagieren.
Man kann dabei das Modifizierungsmittel der Gesamtmenge des Epoxidharzes zusetzen. Man kann jedoch
auch die Gesamtmenge des Modifizierungsmittels nur einem Teil der Gesamtmenge des Epoxidharzes zusetzen.
Man muß dabei nur beachten, daß diese modifizierte Teilmenge des Epoxidharzes noch genügend Epoxidgruppen
aufweist, daß beim Vermischen dieser Menge mit dem restliehen Epoxidharz und dem nachfolgenden Aushärten
ein reaktiver Einbau dieser modifizierten Teilmenge gewährleistet ist. Die so modifizierten Epoxidharze
verbinden hohe Elastizität mit guter Haftung an
Grenzflächen. Die Viskosität der Epoxidharze wird durch die Modifizierungsmittel nur wenig erhöht. Die modifizierten
Epoxidharze sind in ausgehärtetem Zustand chemisch und physikalisch beständig.
Ein gewisser Nachteil dieses Modifizierungsverfahrens besteht darin, daß man vor der Aushärtung des Epoxidharzes
entweder die Gesamtmenge des Epoxidharzes oder eine Teilmenge desselben mit dem als Modifizierungsmittel
dienenden Acrylatpolymerisat umsetzen muß. Diese zusätzliche Umsetzungsstufe erhöht die Her-Stellungskosten
des fertigen Epoxidharzes.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein reaktives Modifizierungsmittel für Epoxidharze
zu finden, welches die vorgenannten Vorteile hoher Flexibilisierung der Epoxidharze bei Erhalt der
guten Haftung an Grenzflächen beibehält, wobei jedoch der zusätzliche Verfahrensschritt der Umsetzung der
Modifizierungsmittel mit dem Epoxidharz vor der Aushärtung vermieden wird.
Die Lösung dieser erfindungsgemäßen Aufgabe gelingt dadurch, daß man den Epoxidharzen vor der Härtung
Copolymerisate, die durch gemeinsame Polymerisation von
a,) 35 bis 83 Gew.-SS eines oder mehrerer Alkylester der
Acryl- und/oder Methacrylsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
a2) 10bis40Gew.-% Vinylacetat und/oder Acrylnitril,
Sl1) 7 bis 35 Gew.-% Glycidylacrylat und/oder
Glycidylmethycrylat und
a,() 0 bis 35 Gew.-% Acryl- und/oder Vinylmonomeren,
die von den Monomeren &\) bis a3) verschieden sind, gegebenenfalls
in Gegenwart eines mercaptogruppenhaltigen Reglers
30
35
erhalten worden sind und den zusätzlichen Bedingungen entsprechen, daß ihr mittleres, im Dampfdruckosmometer
gemessenes Molekulargewicht 1000 bis 3000 beträgt und im Mittel je Molekül mindestens 1 Glycidylgruppe
vorhanden ist, in Mengen von 3 bis 45 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Summe von Acrylatpolymerisat und
Epoxidharz, zusetzt.
Besonders bevorzugt setzt man dem Epoxidharz Copolymerisate mit einem mittleren Molekulargewicht
von 1500 bis 2500 zu.
Insbesondere bevorzugt sind solche Copolymerisate als Modifizierungsmittel, die im Mittel je Molekül 1,5 bis 2,2
Glycidylgruppen aufweisen.
Die Copolymerisate werden in an sich bekannter Weise durch radikalische Polymerisation der Monomeren
erhalten. Man bedient sich dabei in bekannter Weise eines Initiators, wie z. B. Azodiisobuttersäuredinitril. Die
Einstellung des gewünschten Molekulargewichtes gelingt z. B. durch Verwendung mercaptogruppenhaltiger Regler
oder durch Telomerisation in radikalbildenden Lösungsmitteln, wie Tetrachlorkohlenstoff. Als mercaptogruppenhaltige
Regler werden vorzugsweise solche Verbindungen eingesetzt, die zusätzlich noch mindestens eine
Hydroxylgruppe aufweisen. Beispiele derartiger mercaptogruppenhaltiger Regler sind 2-Mercaptoethanol oder
Thioglycerin.
Es empfiehlt sich, die Polymerisation in Gegenwart von Lösungsmitteln, wie z. B. Toluol, durchzuführen.
Die Polymerisation erfolgt bei Temperaturen von 100 bis 120°C, zweckmäßig bei der Temperatur des siedenden
Lösungsmittels, z. B. bei der Siedetemperatur des ToIuols.
Die vom Lösungsmittel und von restlichen Monomeren befreiten Polymerisate sind bei Raumtemperatur mittel-
bis hochviskos.
Die Monomeren ai), die den Hauptanteil des Copolymerisates
bilden, sind Alkylester der Acryl- und/oder Methacrylsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
z. B. Methylacrylat oder -methacrylat, Ethylacrylat oder -methacrylat, Butylacrylat oder -methacrylat, 2-Ethylhexylacrylat
oder -methacrylat.
Die Monomeren a4), welche gegebenenfalls, aber nicht
notwendigerweise, im Copolymerisat enthalten sind, können z. B. Acrylamid oder Methacrylamid, Styrol,
Isopropylidenacetat oder Vinylpropionat sein. Die Monomeren sollen frei von Gruppen sein, die mit den
Glycidylgruppen unter den Polymerisationsbedingungen zu reagieren befähigt sind.
Die Copolymerisate werden den Epoxidharzen in solchen Mengen zugesetzt, daß die Copolymerisate, bezogen
auf das Gewicht der Summe von Copolymerisat und Epoxidharz, 3 bis 45 Gew.-% ausmachen. Bevorzugt ist
ein Gehalt von 10 bis 25 Gew.-% Copolymerisat im Gemisch.
Als Epoxidharze können im Prinzip die dem Fachmann bekannten Epoxidharze verwendet werden. Besonders
bevorzugt sind Epoxidharze auf Basis Bisphenol-A oder F und Epichlorhydrin. Weitere Beispiele von
Epoxidharzen sind der Diglycidylether des hydrierten Bisphenol-A, p-Glycidyloxy-NJ^-diglycidylanilin oder
cycloaliphatische Polyepoxidverbindungen, wie sie z. B. in H. Jahn »Epoxidharze«, VEB Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie, Leipzig, 1969, oder in H. Batzer und F. Lohse in »Ullmanns Enzyklopädie der technischen
Chemie«, Band 10, Seiten 563 ff., 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1975, beschrieben sind.
Für die Härtung der modifizierten Epoxidharze kann man die aus dem Stand der Technik bekannten Härter
verwenden. Die folgenden Härter sind insbesondere für die Heißhärtung, d. h. die Härtung bei Temperaturen
oberhalb 130° C bis etwa 2200C, brauchbar: Dicyandiamid und dessen Derivate; Poly carbonsäureanhydride,
wie Phthalsäureanhydrid; Methylhexahydrophthalsäureanhydrid; Pyromellitsäuredianhydrid. Für Warmhärtung
bei Temperaturen um 100° C eignen sich aromatische Polyamine, wie m-Phenylendiamin; cycloaliphatische
Polyamine. Die Härtung bei Raumtemperatur kann mit Polyaminoamiden, Polyaminoimidazolinen, modifizierten
aliphatischen Polyaminen oder Polyetherpolyaminen durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft sind für die
Härtung bei Raumtemperatur Mischungen aus Polyaminoamiden bzw. Polyaminoimidazolinen einerseits und
aliphatischen Polyaminen oder Polyetherpolyaminen andererseits. Bei Verwendung einer derartigen Härtermischung
erhält man mit den modifizierten Epoxidharzen bei der Verklebung besonders hohe Festigkeitswerte. Die
jeweilige Härtungstemperatur und/oder die Härtungszeit kann durch Verwendung bekannter Beschleuniger herabgesetzt
bzw. verkürzt werden. Solche Beschleuniger sind z. B. tertiäre Amine.
Die erfindungsgemäß modifizierten Epoxidharze weisen die geforderte erhöhte Flexibilität auf. Sie haften gut
an Grenzflächen und bilden eine elastische Klebfuge. Man kann aber auch mit den modifizierten, jedoch noch
nicht ausgehärteten Epoxidharzen Trägerbahnen, wie z. B. Glasfaservliese oder Gewebe, imprägnieren und zu
Schichtstoffen aushärten. Laminate können z. B. in der Elektroindustrie für die Herstellung von Leiterplatten
verwendet werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit dieser sogenannten Prepregs besteht in der Herstellung von
Formteilen, wie z. B. im Bootsbau, sowie für Reparatur-
zwecke, ζ. B. im Karosseriebau, Desweiteren ist eine Verwendung der modifizierten Epoxidharze als Lackrohstoffe
oder als Gießharze vorteilhaft.
In der europäischen Patentanmeldung 81107629.8, die bereits eingangs erwähnt worden ist, enthalten zwar die
Monomerengemische zur Herstellung der modifizierenden Copolymerisate 1 bis 5 Gew.-1O Glycidylacrylat
und/oder Glycidylmethacrylat. Diese relativ geringen
Mengen an Glycidylverbindungen reagieren aber zumindest teilweise mit den Carboxylgruppen der im Monomerengemisch
gleichfalls enthaltenen Acryl-, Methacryl- und/oder Itaconsäure und der Carboxylgruppe des mercaptogruppenhaltigen
Reglers. Die gegebenenfalls verbleibenden geringen restlichen Mengen an Glycidylgruppen
reichen aber nicht aus, daß das Modifizierungsmittel bei der Aushärtung über diese Gruppen in das Epoxidharz
eingebaut wird.
In den folgenden Beispielen wird die nicht beanspruchte Herstellung der Modifizierungmittel gezeigt,
und es werden die Eigenschaften der ausgehärteten modifizierten Epoxidharze beschrieben.
Herstellung der niedermolekularen Acrylpolymerisate
Zu 85 g siedendem Toluol wird unter Rühren und Einleiten
von Stickstoff eine Lösung aus 450 g Monomerengemisch,
1,8 g Azodüsobuttersäuredinitril und 13,5 bis 18 g 2-Mercaptoethanol innerhalb von 1,5 Stunden zugetropft,
wobei der Rückfluß erhalten bleiben soll. Danach wird weitere 2 Stunden unter Rückfluß erwärmt. Nach
Zusatz von 1,3 g Azodiisobuttersiiuredinitril wird erneut
1,5 Stunden unter Rückfluß erwärmt. Das Lösungsmittel und geringe Mengen von nicht umgesetzten Monomeren
werden im Vakuum bei einer Temperatur von 90 bis 1200C abgezogen. Die erhaltenen ICKKigen Acrylpolymerisate
sind bei Raumtemperatur mittel- bis hochvis-
15 kos.
XMe Mo.nomerenzusammensetzung, der Reglergehalt und einige Kenndaten der Acrylpolymerisate sind der
Tabelle 1 zu entnehmen.
Die in Tabelle 1 enthaltenen mittleren Molekulargewichte wurden mit dem Dampfdruckosmometer gemessen.
Tabelle 1 — Zusammensetzung und Eigenschaften der Acrylpolymerisate
Lfd. Nr. Monomerenzusammensetzung Regler')
Gew.-% Gew.-°/o
Gew.-% Gew.-°/o
mittl. Molekulargewicht Viskosität bei
25° C
mPas
25° C
mPas
Epoxid-Äquivalent
75,0 n-Butylacrylat ai) 30
15,0 Vinylacetat a2)
10,0 Glycidylacrylat a3)
15,0 Vinylacetat a2)
10,0 Glycidylacrylat a3)
75,0 n-Butylacrylat ai) 49
12,5 Vinylacetat a2)
12,5 Glycidylacrylat a3)
12,5 Vinylacetat a2)
12,5 Glycidylacrylat a3)
74,0 n-Butylacrylat a0 40
12,0 Vinylacetat a2)
14,0 Glycidylacrylat a3)
12,0 Vinylacetat a2)
14,0 Glycidylacrylat a3)
51,0 n-Butylacrylat a0- 3,5
14,0 2-Ethylhexyl-
14,0 2-Ethylhexyl-
acrylat &ύ
12,0 Vinylacetat a2) ,
13,0 Glycidylacrylat a3)
13,0 Glycidylacrylat a3)
67,0 n-Butylacrylat aj 3,0
11,0 Vinylacetat a2)
10,0 Glycidylacrylat a3)
12,0 Vinylpropionat a.4)
2000
1550
1600
1800 40 000
22 000
85 000
28000
1300
1050
960
1030
2050 55 000
1330
') 2-Mercaptoethanol, bezogen auf 100 Gew.-Teile Monomerengemisch
Nachweis der flexibilisierenden Wirkung
der Acrylpolymerisate in Epoxidharzen
der Acrylpolymerisate in Epoxidharzen
Zum Nachweis der flexibilisierenden Wirkung der Acrylpolymerisate in Epoxidharzen wird eine Festigkeitsprüfung,
der Rollenschälversuch nach DIN 53289, herangezogen. Dazu werden 85 g Epoxidharz, Bisphenol A-Basis,
Epoxid-Äquivalent 185, mit 15 g Acrylpolymerisat Nr. 1 bis 5 vermischt und mit der äquivalenten Menge
verschiedener Härter versetzt. Die Gemische werden auf durch Chromat-Schwefelsäure gebeizte Aluminiumbleche
(Stärke der Bleche 0,5 und 1,6 mm, Länge 250 mm, Breite 30 mm) der Qualität AI Cu Mg 2pl in einer
Menge von 50 bis 100 g/m2 aufgetragen. Nach dem
55
60
65 Zusammenfügen der Aluminiumbleche wird das Gemisch unter leichtem Anpreßdruck gehärtet.
Es werden folgende Härter und Härtungsbedingungen angewendet:
a) Dicyandiamid, Härtung 1 Stunde bei 185° C,
b) handelsübliches, modifiziertes, cycloaliphatisches
Polyamin mit einem Η-Äquivalent von 111, Härtung 30 Minuten bei 100° C,
c) handelsübliches, modifiziertes Polyamin mit einem Η-Äquivalent von 92, Härtung bei Raumtemperatur
■ über 2 Tage, danach Erwärmen bei 80° C während 30 Minuten. - .
Die ausgehärteten Probekörper werden anschließend
bei 200C dem Rollenschältest nach DIN 53289 unterzogen,
wobei das 0,5 mm starke Aluminiumblech abgeschält wird.
Die ermittelten Rollenschälfestigkeitswerte sind der
Tabelle 2 zu entnehmen. Es zeigt sich, daß die erfin-
dungsgemäß modifizierten Epoxidharzsysteme erheblich höhere Schälfestigkeitswerte aufweisen und demnach
deutlich llexibler sind als die nicht modifizierten Epoxidharzsysteme.
Tabelle II — Rollenschälfestigkeit verschieden gehärteter Epoxidharzsysteme
Modifizierung mit | 1 | Rollenschälfestigkeit in N/mm | Härter | 2,3 | c) Polyamin |
Acrylpolymerisat Nr. | 2 | b) cyctoaliphatisches | 2,5 | ||
3 | a) Dicyandiamid | Polyamin | 2,7 | ||
4 | 2,4 | 5,6 | |||
CG | 5 | 2,6 | 5,2 | ||
ε | 4,1 | 4,9 | |||
<D COl |
3,6 | 5,1 | |||
3 | 3,8 | 5,0 | |||
ind | 4,0 | ||||
M-H (U |
3,3 | ||||
unmodifiziertes
S? Epoxidharz
0,9
0,3
- Leerseite -
- Leerseite -
- Leerseite -
Claims (4)
1. Verfahren zum Flexibilisieren von Epoxidharzen durch Zusatz von Acrylatpolymerisaten, dadurch
gekennzeichnet, daß man Epoxidharzen vor der Härtung Copolymerisate, die durch gemeinsame Polymerisation
von
at) 35 bis 83 Gew.-96 eines oder mehrerer Alkylester
der Acryl- und/oder Meth- ι ο acrylsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen
im Alkylrest,
a2) 10 bis 40 Gew.-% Vinylacetat und/oder Acrylnitril,
a3) 7 bis 35 Gew.-96 Glycidylacrylat und/oder
Glycidylmethacrylat und
a,i) 0 bis 35 Gew.-96 Acryl- und/oder Vinylmonomeren,
die von den Monomeren ai) bis a3) verschieden sind,
gegebenenfalls in Gegenwart eines mercaptogruppenhaltigen Reglers
erhalten worden sind und den zusätzlichen Bedingungen
entsprechen, daß ihr mittleres, im Dampfdruckosmometer gemessenes Molekulargewicht 1000 bis
3 000 beträgt und im Mittel je Molekül mindestens 1 Glycidylgruppe vorhanden ist,
in Mengen von 3 bis 45 Gew.-9&, bezogen auf das Gewicht der Summe von Acrylatpolymerisat und
Epoxidharz, zusetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Copolymerisate mit einem mittleren
Molekulargewicht von 1500 bis 2500 zusetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Copolymerisate, die im Mittel
je Molekül 1,5 bis 2,2 Glycidylgruppen aufweisen, zusetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen mercaptogruppenhaltigen
Regler verwendet, der zusätzlich mindestens eine Hydroxylgruppe aufweist.
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GB08313297A GB2123010B (en) | 1982-07-02 | 1983-05-13 | A process for flexibilising epoxy resins |
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FR8310638A FR2529560B1 (fr) | 1982-07-02 | 1983-06-28 | Procede de flexibilisation de resines d'epoxyde |
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IT8348548A0 (it) | 1983-06-21 |
GB8313297D0 (en) | 1983-06-22 |
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