DE3409080A1 - Verfahren zur herstellung von waessrigen dispersionen und deren verwendung zur herstellung von metalleffektlackierungen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von waessrigen dispersionen und deren verwendung zur herstellung von metalleffektlackierungen

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DE3409080A1 DE19843409080 DE3409080A DE3409080A1 DE 3409080 A1 DE3409080 A1 DE 3409080A1 DE 19843409080 DE19843409080 DE 19843409080 DE 3409080 A DE3409080 A DE 3409080A DE 3409080 A1 DE3409080 A1 DE 3409080A1
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Description

BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk Konzernverwaltung RP
Patentabteilung Pv-klu/c
12. März 1984
Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Dispersionen und deren Verwendung zur Herstellung von Metalleffektlackierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wäßriger Dispersionen auf Basis einer Polyester-, Alkydharz- oder Polyacrylatharzdispersion, Aluminiumbronze, sowie die Verwendung dieser Dispersionen zur Herstellung von Metalleffektlackierungen.
Metalleffektlackierungen erfreuen sich großer Beliebtheit, insbesondere bei den Käufern von Kraftfahrzeugen. Zur Beschichtung bedient man sich dabei vornehmlich des Zweischicht-Naß-in-Naß-Lackierverfahrens, wobei zunächst ein pigmentierter. Aluminiumbronze enthaltender Basislack aufgespritzt wird, der nach kurzer Zwischenablüftung ohne zwischenzeitliches Einbrennen mit einem Klarlack überspritzt wird. Beide Schichten werden anschließend gemeinsam eingebrannt. Dieses Zweischicht-Lackierverfahren vereinigt Produktionssicherheit mit hoher technischer Qualität der erhaltenen Lackierungen. Im Hinblick auf Umweltschutz und Rohstoffkosten ist es
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erwünscht, die Lacke in Form wäßriger Dispersionen einzusetzen.
Hauptproblem der Metalleffekt-Zweischicht-Lackierung bei Verwendung wäßriger Dispersionen ist eine verminderte Haftung des Klarlacks auf dem Basislack und ein ungleichmäßiger Metalleffekt.
Zu beachten ist weiterhin, daß zur Lösung des erfindungsgemäßen Problems nur solche Maßnahmen tauglich erscheinen, die ohne allzu hohe Scherenergie auskommen, da andernfalls die blättchenförmigen Aluminiumbronzeteilchen zerstört werden und der erreichbare Metalleffekt leiden würde.
Aus der europäischen Patentanmeldung 38 127 sind wäßrige Basislacke für Metalleffekt-Zweischicht-Lackierungen auf der Grundlage eines teilvernetzten polymeren Mikrogels bekannt, das pseudoplastischen oder thixotropen Charakter besitzt. Die europäische Patentanmeldung 69 936 betrifft ein Verfahren zur Herstellung wäßriger Dispersionen, die als Basislacke für Metalleffekt-Zweischicht-Lackierungen verwendet werden können, wobei ungesättigte Verbindungen in Gegenwart von Celluloseester polymerisiert werden. Beide Anmeldungen können jedoch die oben geschilderte Aufgabe nicht lösen.
überraschenderweise führt ein Verfahren zum Ziel, wonach man einer Bindemitteldispersion Pigment, Aluminium-
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·*■
bronze und einen Emulgator zugibt. Man erhält auf diese Weise einen unmittelbar applizierbaren wäßrigen Metalleffekt-Basislack für die Zweischicht-Lackierung. Daraus hergestellte Basislackierungen zeigen hervorragende Zwischenschichthaftung zum Klarlack und einen Metalleffekt, der beim Naß-in-Naß-Auftrag des Klarlacks störungsfrei erhalten bleibt.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung eines wäßrigen Metalleffekt-Basislacks auf Basis von
A) 10-30 Gew.-Teilen ölfreiem Polyester, Alkydharz und/oder Polyacrylatharz,
B) 2,5-15 Gew.-Teilen wasserlöslichem Aminoplastharz,
C) 2-10 Gew.-Teilen Aluminiumbronze,
D) 0,1-10 Gew.-Teilen nicht-ionischem Emulgator, E) organischem Lösungsmittel und gegebenenfalls P) weiteren Hilfsmitteln,
dadurch gekennzeichnet, daß man als Komponente A ein Harz mit einer Säurezahl von höchstens 30 und einer Hydroxylzahl von höchstens 150 verwendet und dieses in Form einer wäßrigen Dispersion mit einem Festkörpergehalt von 30 bis 50 Gew.-% mit den übrigen Komponenten mischt.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von derart hergestellten Dispersionen zur Herstellung von Metalleffekt-Zweischicht-Lackierungen.
Bevorzugte ölfreie Polyester und Alkydharze A) besitzen eine mittlere Funktionalität pro Molekül von 2,5 bis 10,
einen mittleren Kondensationsgrad pro Molekül von 10 bis 25, wobei der Kondensationsgrad die Summe der Monomerbausteine in der Kette des Polymermoleküls angibt,
einen mittleren ürethangruppengehalt pro Molekül von bis 6 und
Reste einkondensierter 2.2-Di(hydroxymethyl)carbonsäuren und/oder Hydroxypivalinsäure entsprechend einer Säurezahl von 15 bis 30 enthalten, die zu mindestens 80 % neutralisiert sind.
Unter "Alkydharzen" werden in dieser Anmeldung fettsäure-, öl- und Isocyanat-modifizierte Polyester verstanden.
Für die Synthese der Polyester bzw. Alkydharze A bevorzugte Säurekomponenten sind aliphatische, cycloaliphatische gesättigte oder ungesättigte und/oder aromatische mehrbasische Carbonsäuren, vorzugsweise Di-, Tri- und Tetracarbonsäuren, mit 2 bis 14, vorzugsweise 4 bis 12 C-Atomen pro Molekül oder deren veresterungsfähige Derivate (z.B. Anhydride oder Ester), z.B. Phthalsäureanhydrid, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Tetrahydro- und Hexahydrophthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäure,
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Bernsteinsäure, Glutarsäure, Sebacinsäure, Azelainsäure, Trimellithsäure und Trimellithsäureanhydrid, Pyromellithsäureanhydrid, Fumarsäure und Maleinsäure. Phthalsäureanhydrid ist die gebräuchlichste Säurekomponente. Die Polyester bzw. Alkydharze A sollen nicht mehr als 20 Mol-%, bezogen auf die einkondensierten Polycarbonsäurereste, Fumar- und Maleinsäurereste enthalten.
Für die Synthese der Polyester bzw. Alkydharze A bevorzugte Alkohole sind aliphatische, cycloaliphatische und/oder araliphatische Alkohole mit 1-15, vorzugsweise 2-6 C-Atomen, und 1-6, vorzugsweise 1-4, an nicht-aromatische C-Atome gebundenen OH-Gruppen pro Molekül, z.B. Glykole wie Ethylenglykol, Propandiol-1,2 und -1,3, Butandiol-1,2, -1,3, und -1,4, 2-Ethylpropandiol-1,3, 2-Ethylhexandiol-1,3, Neopentylglykol, 2,2-Trimethylpentandiol-1,3, Hexandiol-1,6, Cyclohexandiol-1,2 und -1,4, 1,2- und 1,4-Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexan, Adipinsäure-bis-(ethylenglykolester); Etheralkohole wie Di- und Triethylenglykol, Dipropylenglykol; Dimethylolpropionsäure, oxalkylierte Bisphenole mit zwei C^-CU-Oxalkylgruppen pro Molekül, perhydrierte Bisphenole; Butantriol-1,2,4, Hexantriol-1 ,2,6, Trimethylolethan, Trimethylolpropan, Trimethylolhexan, GIycerin, Pentaerythrit, D!pentaerythrit, Mannit und Sorbit; kettenabbrechende einwertige Alkohole mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen wie Propanol, Butanol, Cyclohexanol und Benzylalkohol, Hydroxypivalinsäure. Die gebräuchlichsten Alkohole sind Glycerin, Trimethylolpropan, Neopentylglykol und Pentaerythrit.
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Für die Herstellung der Polyester bzw. Alkydharze A bevorzugte Monocarbonsäuren sind aliphatische, cycloaliphatische gesättigte und ungesättigte und/oder aromatische Monocarbonsäuren mit 3-24 C-Atomen pro Molekül wie Benzoesäure, p-tert.-Buty!benzoesäure, Tolylsäure, Hexahydrobenzoesäure, Abietinsäure und Milchsäure.
Die Alkydharze bzw. Polyester A können auch einwertige Alkohole wie Methanol, Propanol, Cyclohexanol, 2-Ethylhexanol, Benzylalkohol in Mengen bis zu 15 Gew.-%, bezogen auf Alkydharz bzw. Polyester A, einkondensiert enthalten. Ebenso ist es möglich, bis zu 25 % der Esterbindungen durch Urethanbindungen zu ersetzen.
In den Alkydharzen A beträgt die öllänge, berechnet als Triglycerid und bezogen auf das Alkydharz, in der Regel 5 bis 50, vorzugsweise 20 b.is 40 Gew.-%. Die trocknenden oder nichttrocknenden Fettsäuren, die im allgemeinen 6 bis 24 C-Atome enthalten, können entweder als solche oder in Form ihrer Glycerinester (Triglyceride) eingesetzt werden.
Als bevorzugt sind pflanzliche und tierische öle, Fette oder Fettsäuren zu nennen, wie z.B. Kokos-, Erdnuß-, Ricinus-, Holz-, Oliven-, Sojabohnen-, Lein-, Baumwollsaatöl, Saffloröl oder -ölfettsäuren, dehydratisiertes Ricinusöl bzw. -fettsäure, einfach ungesättigte Fettsäuren, Schmalz, Talg und Trane,
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Tallölfettsäure sowie synthetische Fettsäuren, die durch Konjugierung oder Isomerisierung aus natürlichen ungesättigten ölen oder Fettsäuren hergestellt sein können. Bevorzugte gesättigte Fettsäuren sind z.B. Kokosölfettsäuren, oC-Ethylhexansäure, Isononansäure (3,4,4-Trimethylhexansäure) sowie Palmitin- und Stearinsäure und synthetische gesättigte verzweigte Fettsäuren.
Das als Zahlenmittel bestimmte Molekulargewicht der Polyester bzw. Alkydharze A beträgt 2000 - 10.000 (bis zu Molekulargewichten von 5000 dampfdruckosmometrisch bestimmt in Dioxan und Aceton, wobei bei differierenden Werten der niedrigere Wert als korrekt angesehen wird; bei Molekulargewichten über 5000 membranosmometrisch in Aceton bestimmt).
Bevorzugte Polyacrylatharze A erhält man durch Copolymerisation von Vinyl- bzw. Vinylidenmonomeren, wie z.B. Styrol, cC-Methylstyrol, o- bzw. p-Chlorstyrol, o-, m- oder p-Methylstyrol, p-tert.-Butylstyrol, (Meth-) Acrylsäure, (Meth-)Acrylnitril, Acryl- und Methacrylsäurealkylester mit 1 bis 8 C-Atomen in der Alkoholkomponente, beispielsweise Ethylacrylat, Methylacrylat, n- bzw. iso-Propylacrylat, n-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Isooctylacrylat, tert.-Butylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, n- bzw. iso-Propylmethacryiat, Butylmethacrylat, Isooctylmethacrylat und gegebenenfalls Mischungen derselben; Hydroxyalkyl(meth)acrylate mit
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■9-
2-4 C-Atomen in der A3,kylgruppe, z.B. 2-Hydroxyethyl-(meth)-acrylat, 2-Hydroxypropyl{meth-)acrylat, 4-Hydroxybutyl(meth-)acrylat; Trimethylolpropanmono(meth-)-acrylat, Pentaerythritmono(meth)-acrylat und deren Ester mit Fettsäuren, Diester der Fumarsäure, Itaconsäure, Maleinsäure mit 4-8 Kohlenstoffatomen in der Alkoholkomponente j Acrylnitril, (Meth)acrylsäureamid, Vinylester von Alkanmonocarbonsäuren mit 2-5 Kohlenstoffatomen wie Vinylacetat oder Vinylpropionat oder Mischungen der genannten Monomeren, N-Methoxymethyl(meth)acrylsäureamid.
Bevorzugte Monomere sind Styrol und (Meth)Acrylsäurealkylester mit 1-8 C-Atomen in der Alkoholkomponente, das Veresterungsprodukt aus Fettsäure und Hydroxyalkylacrylaten und deren Mischungen.
Die Polyacrylatharze A besitzen mittlere Molekulargewichte M von 1000-20 000, wobei die Molekulargewichte wie oben für die Polyester bzw. Alkydharze A beschrieben, bestimmt werden können.
Die Monomeren werden im wesentlichen in den gleichen Verhältnissen, wie sie zur Polymerisation eingesetzt sind, in das Copolymerisat A eingebaut, wobei die einpolymerisierten Einheiten im wesentlichen statistisch verteilt sind.
Bevorzugte Isocyanate für die Einführung der ürethangruppen in die Polyester bzw. Alkydharze I sind PoIy-
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isocyanate mit 4 bis 25, vorzugsweise 4 bis 16, C-Atomen und 2 bis 4, vorzugsweise 2, Isocyanatgruppen pro Molekül, also aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische und aromatische Diisocyanate, wie sie beispielsweise in "Methoden der Organischen Chemie" (Houben-Weyl), Bd. 14/2, 4. Aufl., Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1963, S. 61-70, und von W. Siefken, Liebigs Ann. Chem. 562, 75-136, beschrieben werden, z.B. 1,2-Ethylendiisoyanat, 1,4-Tetramethylendxisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 2,2,4- bzw. 2,4,4-Trimethyl-i,6-hexamethylendiisocyanat, 1,12-Dodecandiisocyanat, Cu ,O'-Diisocyanatodipropylether, Cyclobutan-1,3-diisocyanat, Cyclohexan-1,3- und -1,4-diisocyanat, 2,2- und 2,6-Diisocyanato-1-methylcyclohexan, 3-1socyanatomethy1-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat ("Isophorondiisocyanat"), 2,5- und 3,5-Bis-(isocyanatomethyl)-8-methyl-1,4-methano-decahydronapthalin, 1,5-, 2,5-, 1,6- und 2,6-Bis(isocyanatomethyl)-4,7-methano-hexahydroindan, 1,5-, 2,5-, 1,6- und 2,6-Bis-(isocyanato)-4,7-methano-hexahydroindan, Dicyclohexyl-2,4·- und -4,4'-diisocyanat, 2,4- und 2,6-Hexahydrotoluylendiisocyanat, Perhydro-2,4·- und -4,4'-diphenylmethandiisocyanat, £?,£c?'-Diisocyanato-1,4-diethylbenzol,
1.3- und 1,4-Phenylendiisocyanat, 4,4'-Diisocyanato-diphenyl, 4,4'-Diisocyanato-3,3'-dichlordiphenyl, 4,4'-Diisocyanato-3,3'-dimethoxy-diphenyl, 4,4'-Diisocyanato-3,3"-dimethyl-diphenyl, 4,4'-Diisocyanato-3,3'-diphenyldiphenyl, 2,4'- und 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan, Naphthylen-1,5-diisocyanat, Toluylendiisocyanate wie
2.4- bzw. 2,6-Toluylen-diisocyanat> N,N'-(4,4'-Dimethyl-3,3'-Diisocyanatodiphenyl)-uretdion, m-Xylylen-diisocyanat, aber auch die Triisocyanate wie 2,4,4'-Triisocyanato-diphenylether, 4,4',4"-Triisocyanatotriphenyl-
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methan, Tris(4-isocyanatophenyl)-thiophosphat, sowie beliebige Gemische dieser Isomeren.
Besonders bevorzugt werden in der Regel die technisch leicht zugänglichen aliphatischen und cycloaliphatischen Polyisocyanate, insbesondere Hexamethylendiisocyanat, 4,4'-Di(isocyanatocyclohexyl)-methan und 3-Isocyanatomethyl-3, 5,S-trimethylcyclohexylisocyanat.
Wasserlösliche Aminoplastharze B im Sinne der Erfindung sind gegebenenfalls modifizierte und plastifizierte Harnstoffharze, Melaminharze sowie Guanamin- und SuIfonamidharze. Es handelt sich dabei jeweils um Kondensationsprodukte von Formaldehyd mit Harnstoff, Melamin, Guanamin und Sulfonamid, die üblicherweise im alkalischen Medium hergestellt werden.
Bevorzugte Emulgatoren D sind in üllmann's Encyclopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 10, 449-473, Verlag Chemie, Weinheim 1975, und in Mc Cutcheon's "Detergents & Emulsifiers", McCutcheon Division, Mc Publishing Co., Glen Rock, N.J. (1979) 0 beschrieben.
Bevorzugte nichtionische Emulgatoren sind Verbindungen der Formel
R1 - O-R3 mH ; R2 -CO-O-R4 H
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-4Ζ·
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worin R und R eine aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische oder aromatische Gruppe mit 7-25 C-Ato-
3 4
men, R und R C3H5O, C3H7O oder C4H9O und m und η ganze Zahlen von 3 bis 100 bedeuten.
Ferner sind auch Oligomere und Polymere als Emulgatoren oder emulsxonsstabxlisierende Substanzen verwendbar. Darunter fallen z.B. Schutzkolloide wie Casein, teilweise und völlig verseiftes Polyvinylacetat, Polymerisate und Copolymerisate aus Vinylpyrrolidon.
Für die Herstellung der Emulgatoren D besonders bevorzugte Tenside sind Alkyl-, Acyl-, Aryl-, Alkylary!polyglykolether, die 10-20 C-Atome im Alkyl-, Acyl-, Aryl- oder Alkylarylrest aufweisen und durch Alkoxylierung von in der Tensidchemie üblichen Alkanolen, Carbonsäuren, Phenolen oder Alkylphenolen mit Ethylenoxid und/oder
' Propylenoxid entstehen. Bei diesen Ethylenoxid/Propylenoxid-mischethern kann es sich um in der Tensidchemie übliche Block-, Misch- oder Mischblockaddukte handeln.
Ganz bevorzugte Emulgatoren D sind solche, die sich von C12~C>ig-Alkyl- oder Octyl- oder Nonylphenylpolyethoxylaten ableiten, die im Mittel mehr als 10 Ethylenoxideinheiten und vorzugsweise mehr als 20 Ethylenoxideinheiten pro Molekül aufweisen, sowie deren Mischungen.
Bevorzugte organische Lösungsmittel F sind solche Lösungsmittel, die bei Raumtemperatur mit Wasser mischbar sind.
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Weitere 1HiIfsmittel G sind beispielsweise Wasser, Verlauf shilfsmittel, Thixotropiermittel, wachsähnliche Stoffe, wie Ethylen-Copolymerisate, Netzmittel, Verdicker, Konservierungsmittel und Pigmente.
Die Herstellung kann im Prinzip so erfolgen, daß man aus den Komponenten C und E eine Paste herstellt, die man dann mit der Alkylharzdispersion auflackt. In der Regel wird man jedoch vorziehen, eine Mischung bestehend aus den Komponenten A-F herzustellen.
Beide Herstellungsmethoden gewährleisten, daß die Aluminiumbronze homogen in den einzelnen Teilchen der dispersen Phase verteilt ist.
Die Zweischicht-Metalleffekt-Lackierung kann bei Temperaturen von 80 bis 1800C, vorzugsweise 110 bis 1400C eingebrannt werden.
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Beispiel 1
a) Zusammensetzung der Alkydharzdispersion:
11,88 Gew.-% hydrierte C^-C^-Fettsäuren, 7,82 Gew.-% Trimethylolpropan, 3,32 Gew.-% Pentaerythrit,
7,57 Gew.-% Phthalsäureanhydrid,
2.48 Gew.-% Dimethylolpropionsäure, 8,31 Gew.-% "Isophoron"diisocyanat,
1.49 Gew.-% Triethylamin,
5,94 Gew.-% N-Methylpyrrolidon,
0,4 Gew.-% Polyethylenoxid (auf Nonylphenol gestartet, durchschnittliche 20 Ethylenoxideinheiten pro Molekül), 50,79 Gew.-% Wasser.
Säurezahl des Alkydharzes : 26, Hydroxyzahl des Alkydharzes : 144.
b) Lackherstellung:
(1) Aufschlämmung von 50 g Aluminiumpaste, 65 gew.-%-ig in Wasser (= 32,5 g Aluminium), in 50 g Butylacetat;
Auflackung mit
144 g Alkydharzdispersion (a) (= 67,7 g Alkydharz), 35 g wasserlöslichem Melaminharz, 80 gew.-%-ig in
Wasser (= 28 g Melaminharz), 20 g (3-Benzyl-4-hydroxy-biphenyl)-polyglykolether ,
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-H-
15 g wasserverdünnbarem Polyurethan (Borchigel L 75)
und
130 g Wasser zur Viskositätseinstellung.
c) Verarbe itung:
Der Lack (b) wurde mittels Spritzpistole auf ein grundiertes und gefülltes Karosserieteil aufgebracht. Nach 5 Minuten Ablüften wurde mit einem handelsüblichen, lösungsmittelhaltigen Acrylatharz überspritzt und bei 1300C 30 Minuten eingebrannt.
d) Resultat:
Der überzug zeigte einen hervorragenden Bronzestand (sowohl in Silbergrau als auch in Buntmetallic).
Beispiel 2
b) Anreibung in Bindemittel mit
4g Aluminiumpaste, 65 gew.-%-ig in Testbenzin/
Aromatengemisch (= 2,6 g Aluminium), 5 g Aluminiumpaste, 65 gew.-%-ig in Wasser
(= 3,25 g Aluminium),
5 g Isopropanol,
5g Butylacetat,
1 g (3-Benzyl-4-hydroxy-biphenyl)-polyglykolether, 1 g auf Sorbit gestartetem Polypropylenoxid
(Funktionalität 4.3, OH-Gehalt 14.5 Gew.-%, Molekulargewicht ca. 500), 6g Alkydharzdispersion 1 a, 47 gew.-%-ig in
Wasser (= 2,82 g Alkydharz);
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Auflackung mit
26 g Alkydharzdispersion 1 a, 47 gew.-%-ig in Wasser (= 12,22 g Alkydharz),
3 g wasserverdunnbarem Polyurethan (Borchigel L 75), 1g (3-Benzyl-4-hydroxy-biphenyl)-polyglykolether, 1 g auf Sorbit gestartetem Polypropylenoxid (s.o.), 5 g wasserlöslichem Melaminharz, 80 gew.-%-ig in Wasser
I= 4 g Melaminharz), und
30 g Wasser zur Viskositätseinstellung.
(c) und (d) wie in Beispiel 1.
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Claims (2)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines wäßrigen Metalleffekt-Basislacks auf Basis von
A) 10-30 Gew.-Teilen ölfreiem Polyester, Alkydharz und/oder Polyacrylatharz,
B) 2,5-15 Gew.-Teilen wasserlösliches Aminoplastharz,
C) 2-10 Gew.-Teilen Aluminiumbronze,
D) 0,1-10 Gew.-Teilen nicht-löslichem Emulgator, E) organischem Lösungsmittel und gegebenenfalls
F) weiteren Hilfsmitteln,
dadurch gekennzeichnet, daß man als Komponente A ein Harz mit einer Säurezahl von höchstens 30 und einer Hydroxylzahl von höchstens 150 verwendet und dieses in Form einer wäßrigen Dispersion mit einem Festkörpergehalt von 30 bis 50 Gew.-% mit den übrigen Komponenten mischt.
2) Verwendung nach Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter Dispersionen zur Herstellung von Metalleffekt-Zweischicht-Lackierungen:
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