DE3787519T2 - Eine Zusammensetzung enthaltend ein Polyepoxyd und ein Katalysator für Epoxydvorverlängerungsverfahren, und ein Verfahren zur Herstellung von vorverlängerten Epoxydharzen. - Google Patents

Eine Zusammensetzung enthaltend ein Polyepoxyd und ein Katalysator für Epoxydvorverlängerungsverfahren, und ein Verfahren zur Herstellung von vorverlängerten Epoxydharzen.

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Description

  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verhältnismäßig wasserunempfindliche lagerfähige Zusammensetzung geschaffen, die ein niedermolekulares Epoxyharz und ein Bis(trihydrocarbylphosphin)iminiumsalz umfaßt. In einem spezifischen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Umsetzung der vorstehenden Zusammensetzung mit einer Phenolverbindung in einer sogenannten "Epoxyfusionsreaktion". Epoxy"fusions"reaktionen werden manchmal auch als Epoxyverlängerungsreaktionen bezeichnet.
  • Es ist bekannt, Epoxyharze durch Umsetzen einer Verbindung, die eine vicinale Epoxidgruppe aufweist, wie Epichlorhydrin, mit 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) in Anwesenheit von Natriumhydroxid herzustellen. Zur Bereitung linearer, hochmolekularer Epoxyharze ist es übliche Praxis, zunächst ein Epoxyharz mit einem verhältnismäßig niedrigen Epoxyäquivalentgewicht (EEG, englisch EEW) herzustellen und dieses dann in Anwesenheit einer katalytischen Menge eines geeigneten Katalysators mit einer phenolische Hydroxylgruppen enthaltenden Verbindung umzusetzen. In derartigen Fusionsreaktionen wurden verschiedene Katalysatoren verwendet, einschließlich Phosphoniumsalze, wie jene, die in den US-Patentschriften 3 477 990 und 4 438 254 beschrieben sind. In diesen beiden Dokumenten werden verschiedene Klassen von Phosphoniumsalz-Fusionskatalysatoren beschrieben.
  • Derartige Phosphoniumkatalysatoren sind zur Förderung der Epoxyfusionsreaktion zur Ausbildung eines hochmolekularen Epoxyharzes hoch aktiv. Häufig ist es wünschenswert, "vorkatalysierte" Gemische des Epoxyharzes mit dem Fusionskatalysator zu bereiten, die eine gute Lagerstabilität selbst bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Die Verwendung einiger Phosphoniumkatalysatoren führt zu einem vorkatalysierten System, das bei Lagerung, insbesondere unter erhöhten Temperaturen, eine verminderte Aktivität zeigt. Einige Phosphoniumkatalysatoren sind, wie in der US-Patentschrift 4 438 254 erörtert wird, sehr empfindlich gegenüber Wasser, wodurch eine sorgfältige Beschränkung von Wasser im Verlängerungsreaktionsgemisch benötigt wird.
  • Es stellt daher ein Ziel der Erfindung dar, neue Epoxyzusammensetzungen zu schaffen, die in der Fusionsreaktion hoch aktiv sind und eine gute Lagerstabilität und eine niedrige Wasserempfindlichkeit aufweisen.
  • Der Epoxyharzfusionskatalysator der Erfindung kann durch die Formel
  • beschrieben werden, worin jedes R unabhängig voneinander aus substituiertem oder unsubstituiertem Hydrocarbyl ausgewählt ist und X ein verträgliches Anion darstellt.
  • Die Gruppen R können aliphatisch oder aromatisch sein. Die aliphatischen Gruppen R werden im allgemeinen in die Klasse C&sub1;-C&sub1;&sub0;Alkyl fallen. Vorzugsweise ist wenigstens eine Gruppe R pro Phosphoratom eine aromatische Gruppe. Zufolge ihrer Verfügbarkeit im Handel sind die bevorzugten Epoxyfusionskatalysatoren Bis(triphenylphosphin)iminiumsalze.
  • Das verträgliche Anion X kann aus einem weiten Bereich von chemischen Individuen ausgewählt werden. Bevorzugte Anionen sind Halogenide, vorzugsweise Bromid, Chlorid oder Iodid; Carboxylate, wie Formiat, Acetat, Oxalat oder Trifluoracetat; konjugierte Basen schwacher anorganischer Säuren, wie Bicarbonat, Fluorid oder Dihydrogenphosphat, und konjugierte Basen eines Phenols, wie Phenolat oder ein von BPA abgeleitetes Anion. Die am meisten bevorzugten Anionen sind Halogenide, wobei das am meisten bevorzugte Halogenid das Chlorid ist. Reines Bis(triphenylphosphin)iminiumchlorid ist im Handel erhältlich. Die Herstellung derartiger Salze ist in der Technik bekannt, beispielsweise aus Inorganic Synthesis, 15, 84-87 (1974).
  • Die vorstehend beschriebenen Bis(trihydrocarbylphosphin)iminiumsalze können als Katalysatoren für Umsetzungen von Verbindungen mit einer vicinalen Epoxygruppe mit sauren Fusionsverbindungen, wie Phenolen, Thiophenolen und Carbonsäuren von Nutzen sein. Als Beispiel einer derartigen Reaktion dient ein Epoxyfusionsprozeß, worin ein niedermolekulares Epoxyharz mit einer der vorstehenden sauren Fusionsverbindungen umgesetzt wird, um ein hochmolekulares Fusionsprodukt zu ergeben. Das niedermolekulare Epoxyharz-Ausgangsmaterial wird vorzugsweise ein flüssiges Polyepoxid mit im Durchschnitt mehr als einer vicinalen Epoxygruppe je Molekül und mit einem Epoxyäquivalentgewicht von kleiner als 500, üblicherweise kleiner als 300 sein. Bevorzugte Polyepoxide umfassen flüssige Glycidylpolyether mehrwertiger Phenole und mehrwertiger Alkohole. Am meisten bevorzugt sind die Glycidylpolyether von BPA mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht zwischen 340 und 900 und mit einem Epoxyäquivalentgewicht (ASTM D-1652) zwischen 170 und 500. Derartige flüssige Epoxyharze sind im Handel erhältlich, wie z. B. EPIKOTE-828, ein flüssiges Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalentgewicht von 185-192.
  • Die bevorzugten sauren Fusionsverbindungen sind Phenole, die wenigstens eine, an einen aromatischen Kern gebundene Hydroxylgruppe aufweisen. Die Phenole können einwertig oder mehrwertig sein und können substituiert oder unsubstituiert sein. Beispiele für geeignete Phenole umfassen Phenol, Resorcin, ortho-Cresol, meta-Cresol, para-Cresol, Chlorphenol, Nitrophenol, Hydrochinon, BPA, 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)pentan und dergleichen, sowie polymere mehrwertige Phenole, die durch Kondensieren einwertiger oder mehrwertiger Phenole mit Formaldehyd erhalten worden sind.
  • Bevorzugte Phenole sind mehrwertige Phenole mit einem Gehalt an 2 bis 6 Hydroxylgruppen und mit bis zu etwa 30 Kohlenstoffatomen, einschließlich jener, die durch die Formel
  • dargestellt werden, worin Y einen mehrwertigen Rest darstellt und jedes R' unabhängig voneinander unter Wasserstoff, Halogen und Mydrocarbyl ausgewählt ist. Die bevorzugten, durch Y dargestellten Reste sind Sauerstoff, Schwefel, zweiwertige Kohlenwasserstoffreste mit einem Gehalt an bis zu 10 Kohlenstoffatomen, und Sauerstoff-, Silicium-, Schwefel-, Phosphor- und Stickstoff-hältige Kohlenwasserstoffreste. Das bevorzugte Phenol ist BPA, worin jedes R' für Wasserstoff steht und Y Isopropyliden bedeutet.
  • Die Menge des in einer Epoxyfusionsreaktion verwendeten Bis- (trihydrocarbylphosphin)iminiumsalz-Katalysators kann innerhalb eines weiten Bereiches variieren, doch im allgemeinen wird der Katalysator in dem Fusionsreaktionsgemisch in einer Menge von 0,001 bis 8 Gew.-%, vorzugsweise von 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polyepoxids, zugegen sein.
  • Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines verlängerten Epoxyharzes mit einem Epoxyäquivalentgewicht von wenigstens 500 durch Inberührungbringen der das Polyepoxid und den Katalysator umfassenden Zusammensetzung mit einer sauren, aus der aus Phenolen, Thiophenolen und Carbonsäuren bestehenden Gruppe ausgewählten Fusionsverbindung bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 200ºC.
  • Die Fusionsreaktion kann in Anwesenheit oder in Abwesenheit von Lösungsmitteln oder Verdünnungsmitteln ausgeführt werden. Im allgemeinen werden die Reaktanten flüssig sein und die Umsetzung kann ohne Zugabe von Lösungsmitteln oder Verdünnungsmitteln vorgenommen werden. Wenn es für wünschenswert angesehen wird, die Umsetzung in einem Verdünnungsmittel vorzunehmen, wird im allgemeinen ein inerter Kohlenwasserstoff, wie Xylol, Toluol oder Cyclohexan gewählt werden.
  • Die Fusionsreaktion wird vorzugsweise dadurch ausgeführt, daß das Polyepoxid und die sauren Fusionsverbindungen bei einer Ausgangstemperatur von 100 bis 120ºC zusammengebracht werden und der exotherme Reaktionsablauf bis zu einer Temperatur von 160 bis 200ºC fortgeführt wird, zweckmäßig für eine Zeit von 1 bis 2 Stunden. Die Relativmengen der Reaktanten hängt von den Eigenschaften, insbesondere dem Molekulargewicht des gewünschten Produktes ab. Für die bevorzugten hochmolekularen phenolische Hydroxyether-Harzprodukte mit einem Epoxyäquivalentgewicht zwischen 500 und 7.000 werden 0,4 bis 1 Mol BPA mit je einem Mol flüssigem BPA-Diglycidylether umgesetzt werden.
  • Der Fusionskatalysator ist verhältnismäßig wasserunempfindlich. Die Fusionsreaktion kann somit in Anwesenheit oder in Abwesenheit von Wasser vorgenommen werden, abhängig von dem gewünschten Fusionsprodukt. Für Epoxyharze mit einem Gehalt an einer kleinen Wassermenge von etwa bis zu 2% besteht daher keine Notwendigkeit, das Wasser zu entfernen. Im allgemeinen wird selbst dann ein zufriedenstellendes Produkt erhalten werden, wenn 0,01 Gew.-% Wasser oder mehr im Reaktionsgemisch enthalten sind. Eine Wassermenge von 0,03 bis 1,0 Gew.-% ist im Ausgangspolyepoxid nicht unüblich, und die Umsetzung wird in äußerst bequemer Weise ohne Entfernung dieser Wassermenge ausgeführt.
  • Sobald die Fusionsreaktion zu einem verlängerten oder fortgeschrittenen Epoxyharzfusionsprodukt mit dem gewünschten Epoxyäquivalentgewicht von im allgemeinen 500 oder darüber fortgeschritten ist, wird die Deaktivierung des Katalysators durch Zusetzen der gewünschten Menge einer Säure oder eines Sulfoniumsalzes einer Säure mit einem Gehalt an einem Anion mit niedriger Nukleophilität (beispielsweise HBF&sub4;, CF&sub3;SO&sub3;H, HPF&sub6; und HSbF&sub6;) unter Rühren zum Fusionsreaktionsgemisch vorgenommen. Die Temperatur, bei welcher die Deaktivierung ausgeführt wird, ist nicht kritisch und wird im allgemeinen bei jener Temperatur des Fusionsreaktionsgemisches zum gewünschten Beendigungszeitpunkt der Fusionsreaktion liegen, der im allgemeinen 180ºC betragen wird. Nach der Deaktivierung des Katalysators wird das verlängerte Epoxyharz gewonnen und nach üblichen Methoden verarbeitet.
  • Häufig wird es vorteilhaft sein, den Katalysator nicht zu desaktivieren, sondern den Bis(trihydrocarbylphosphin)iminiumkatalysator im gewonnenen Fusionsprodukt in einem aktiven Zustand aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht die Verwendung des restlichen Iminiumsalzes zum Katalysieren anschließender chemischer Prozesse, in denen das Fusionsprodukt als ein Ausgangsmaterial zum Einsatz gelangt. Beispielsweise kann das hochmolekulare, katalysatorhältige Fusionsprodukt mit einer Dimersäure verestert werden, ohne zusätzlichen Veresterungskatalysator, um ein Oberflächenbeschichtungsharz zu ergeben. Die Verwendung von verlängerten Epoxyharzen, die unter Verwendung von im wesentlichen während der Verlängerungsreaktion desaktivierten Katalysatoren hergestellt worden sind, erfordert entweder die Zugabe eines Veresterungskatalysators oder einer Base, wie Natriumcarbonat, um eine Gelierung zu verhindern, bevor eine zufriedenstellend niedrige Säurezahl im veresterten Epoxyharz erreicht wird.
  • Die vorkatalysierte Zusammensetzung der Erfindung weist eine lange Lagerdauer und eine gute Stabilität in Gegenwart von Wasser auf. Das hochmolekulare Fusionsprodukt ist für Überzüge auf Lösungsmittelbasis, Pulverbeschichtungen oder Elektrolaminieren geeignet.
  • BEISPIEL
  • Dieses Beispiel gibt die Ergebnisse von zwei Versuchen zur Bestimmung der Lagerstabilität bei 129ºC von vorkatalysierten Zusammensetzungen an. Vorkatalysierte Harzproben wurden aus einem flüssigen Polyepoxid mit einem Epoxyäquivalentgewicht von 185 (EPIKOTE 828, erhältlich von Shell Chemical Company) und einem Katalysator in einer Konzentration von 0,25 mÄqu/100g Harz erhalten.
  • Im ersten Versuch wurde das Epoxyäquivalentgewicht des gealterten Epoxyharzes der Bis(triphenylphosphin)iminiumchlorid enthaltenden Zusammensetzung zu verschiedenen Lagerzeiten bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Eine Phosphor-NMR-Aufnahme der 34 Tage gealterten vorkatalysierten Probe zeigte keinen Unterschied gegenüber der nicht gealterten Probe, ein weiterer Hinweis auf die Lagerstabilität des Iminiumkatalysators.
  • TABELLE 1 Lagerstabilität der vorkatalysierten Zusammensetzung
  • Lagerzeit, Tage bei 129ºC Epoxyäquivalentgewicht
  • 0 187
  • 11 210
  • 34 220
  • Nach der angegebenen Lagerzeit wurden Proben des ersten Versuches sowie Proben, die mit einer korrespondierenden Menge an Ethyl triphenylphosphoniumiodid-Katalysator hergestellt worden waren, in einem kleinen Maßstab reagieren gelassen, um die Beibehaltung der Aktivität in den gelagerten Zusammensetzungen zu bewerten.
  • 10 g vorkatalysierte Zusammensetzung wurden mit ausreichend BPA, der sauren Fusionsverbindung, vermischt, um ein Produkt mit einem Epoxyäquivalentgewicht von 500 bis 100%iger BPA-Umwandlung zu ergeben. Die Reaktionsgemische wurden 45 Minuten auf 160ºC gehalten. Es wurde kein Versuch unternommen, Wasser aus den Reaktionsgemischen zu entfernen. Die in Tabelle 2 angeführten Ergebnisse stimmen sehr gut mit dem theoretischen Epoxyäquivalentgewicht überein und zeigen eine gute Aktivitätsretention für die den Iminiumkatalysator umfassende Zusammensetzung. Die mit dem Phosphoniumkatalysator hergestellte Zusammensetzung wird nach einer Woche inaktiv. TABELLE 2 Katalysatoraktivität von gelagerten Zusammensetzungen Lagerzeit, Tage bei 129ºC Epoxyäquivalentgewicht des verlängerten Epoxyharzes (Vergleich) A: Auf Basis von Bis(triphenylphosphin)iminiumchloridkatalysator. B: Auf Basis von Ethyltriphenylphosphoniumiodid-Katalysator, nur zu Vergleichszwecken. C: Zielwert, basierend auf Berechnungen, die die Ergebnisse der Tabelle 1 berücksichtigen. * Katalysator im wesentlichen inaktiv.

Claims (11)

1. Zusammensetzung mit einem Gehalt an einem Polyepoxid mit im Durchschnitt mehr als einer vicinalen Epoxidgruppe je Molekül und einem Gewicht je Epoxid von unter 500, und an einem Epoxyfusionskatalysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator der Formel
entspricht, worin jedes R unabhängig voneinander unter substituiertem oder unsubstituiertem Hydrocarbyl ausgewählt ist und X ein verträgliches Anion darstellt.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyepoxid ein 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan-diglycidylether ist.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des verwendeten Katalysators zwischen 0,01 und 2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polyepoxids, beträgt.
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator wenigstens eine Phenylgruppe je Phosphoratom aufweist.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Halogenid als Anion enthält.
6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Bis(triphenylphosphin)iminiumchlorid ist.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung zusätzlich 0,03 bis 1,0 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gewicht des Polyepoxids, umfaßt.
8. Verfahren zur Herstellung eines verlängerten Epoxyharzes mit einem Epoxyäquivalentgewicht von wenigstens 500 durch Inkontaktbringen einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer sauren, aus der aus Phenolen, Thiophenolen und Carbonsäuren bestehenden Gruppe ausgewählten Fusionsverbindung bei einer Temperatur im Bereich von 100ºC bis 200ºC.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die saure Fusionsverbindung 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines veresterten Epoxyharzes durch Umsetzen des Produktes des Verfahrens nach Anspruch 8 mit einer Dimersäure.
11. Epoxyharz oder verestertes Epoxyharz, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10.
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