DE4039030A1 - Verfahren zur herstellung eines linearen, vernetzbaren polyesteramids mit mehreren 2-oxazolinringen im molekuel und die verwendung der erhaeltlichen polyesteramide in beschichtungsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von linearen vernetzbaren Polyesteramiden mit mehreren 2-Oxazolinringen im Molekül, die für Bindemittelzusammensetzungen mit einer besonderen Eignung zur Erzeugung von wärmevernetzbaren Anstrichstoffen verwendbar sind.

Es ist bekannt, daß 2-Oxazoline mit organischen Verbindungen reagieren können, wenn diese genügend acide Wasserstoffatome enthalten. Durch Ringöffnungsreaktion bilden sich sekundäre Amine. Geeignete, aktiven Wasserstoff enthaltende organische Verbindungen, die diese Reaktion ermöglichen, sind Carbonsäuren, Thiole und Phenole in monofunktioneller und polyfunktioneller Form.

Die Reaktion zwischen einer 2-Oxazolin-Komponente mit einem carboxyfunktionellen Stoff, zu einer organischen Verbindung mit Amid- und Estergruppen, durch Ringöffnungsreaktion zwischen der 1- und 5-Position des 2-Oxazolinringes, wurde von E. M. Fry, "Journal of Organic Chemistry", 15, 802 (1950) beschrieben.

Die Ringöffnungspolymerisation von 2-Oxazolinen wurde von Ivin und Saegusa in "Ring-opening-Polymerization", Vol. 1, Elsevier Applied Publishers, Seiten 46 und 47 (1984) nach folgendem Reaktionsschema beschrieben:

worin R ein organischer Rest ist.

Aus der US-PS 34 76 782 ist es bekannt, daß bei Reaktion von etwa äquimolaren Mengen von Bis(2-oxazolin) mit einer Dicarbonsäure ein lineares Polyesteramid gemäß folgendem Reaktionsschema erhalten wird:

worin R und R′ zweiwertige Kohlenwasserstoffreste sind und n eine positive ganze Zahl ist.

In der US-PS 44 74 942 und der EP-A-0 141 345 wird die Reaktion mit Dicarbonsäuren in Anwesenheit elektrophiler Katalysatoren, wie zum Beispiel Phosphorsäureestern und Sulfonsäureestern in der Wärme unter Bildung von vernetzten Polyesteramid-Kunstharzen, beschrieben.

Die EP-A-0 181 603 beschreibt ein vernetztes Polyesteramid, daß in Anwesenheit spezieller Katalysatoren durch Reaktion eines Bis(2-oxazolins) mit Dicarbonsäureanhydrid entsteht.

Die bisher beschriebenen Umsetzungen von Dicarbonsäuren mit Bis(2-oxazolinen) erfolgte in Masse; die dabei erhaltenen Produkte konnten beispielsweise als Formmassen eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von vernetzbaren Polyesteramiden, die für Beschichtungszusammensetzungen geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst, daß einen Gegenstand der Erfindung bildet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden neue Makromonomere mit mehreren 2-Oxazolin-Funktionen bereitgestellt, die durch Reaktion von Bis(2-oxazolinen) mit einer Komponente, die mindestens ein aktives Wasserstoffatom enthält, erhalten werden. Diese funktionellen Makromonomeren sind zur weiteren Reaktion fähig und können beispielsweise in Lösung zur Bereitung von wärmehärtbaren organischen Beschichtungszusammensetzungen verwendet werden.

Die erfindungsgemäß herstellbaren vernetzbaren Produkte entstehen durch Reaktion einer Bis(2-oxazolin)-Verbindung mit einem Polyesterharz, das zwei Carboxylgruppen enthält. Als Reaktionsmechanismus wird angenommen, daß ein aktives Wasserstoffatom einer Carboxylgruppe die Ringöffnung eines 2-Oxazolinrings bewirkt und durch Umlagerung dann die Säureamidgruppe einer sek-Aminogruppe entsteht. Die Reaktion schreitet fort und bildet eine Polymerkette, in der Ester- und Amidgruppen alternierend angeordnet sind, wobei die überschüssigen 2-Oxazolinring-Gruppen als vernetzungsaktive Funktionen des erhaltenen Bindemittels dienen.

Im Gegensatz zu den bekannten Umsetzungen von Dicarbonsäurensäuren mit Bis(2-oxazolinen) wird das erfindungsgemäße Verfahren in Lösemitteln durchgeführt. Hierzu wird das Polyesterharz in Lösemittel gelöst vorgelegt und das Bis(2-oxazolin) wird in fester Form zugesetzt. Der Zusatz des Bisoxazolins kann portionsweise erfolgen oder kann das gesamte Bisoxazolin in fester Form zugefügt werden. Es ist günstig die Reaktion unter Bewegen des Reaktionsgemisches, beispielsweise unter Rühren, durchzuführen. Die Reaktionstemperatur liegt bevorzugt bei 100 bis 200°C.

Als Lösemittel kommen für das erfindungsgemäße Verfahren aliphatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Glykole, Ether oder Ester in Betracht, die allein oder im Gemisch eingesetzt werden können. Sie lösen das eingesetzte Polyesterharz, stellen jedoch im allgemeinen kein Lösemittel für das feste Bis(2-oxazolin) dar. Es ist günstig Lösemittel bzw. Lösemittelgemische einzusetzen, die auf dem Lackgebiet üblich sind, so daß das erhaltene vernetzbare Produkt direkt in dem Lösemittel zur weiteren Verwendung für Beschichtungszwecke eingesetzt werden kann.

Die Reaktionstemperatur wird so gewählt, daß der Siedepunkt des eingesetzten Lösemittels oder Lösemittelgemisches nicht überschritten wird. Bevorzugt werden Temperaturen von 150°C nicht unterschritten.

Die Reaktion kann unter Sauerstoffausschluß, beispielsweise unter Verwendung von Stickstoff als Schutzgas, durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäß herstellbaren vernetzbaren Polyesteramide werden hergestellt ausgehend von Bis(2-oxazolinen), wobei es aus Zugänglichkeits- und Kostengründen günstig ist, solche Verbindungen zu wählen, die sich von Di- und Polycarbonsäuren ableiten. Besonders bevorzugt sind Dicarbonsäuren, wie z. B. Isophthtalsäure, Terephthalsäure und 1,4- Cyclohexandicarbonsäure. Die polyfunktionellen 2-Oxazolinkomponenten können daraus leicht durch Reaktion der entsprechenden Ester der Di- bzw. Polycarbonsäuren mit Ethanolamin hergestellt werden. Die Bis(2-oxazoline) entsprechenden der allgemeinen Formel:

worin R ein zweiwertiger Kohlenwasserstoffrest, bevorzugt zweiwertiger Alkylen-, Cycloalkylen- oder Arylenrest ist. Bevorzugt ist R ein Phenylenrest. Beispiele für derartige Bis(2-oxazoline) sind 1,3-Phenylen- bis(2-oxazolin); 1,4-Phenylen-bis(2-oxazolin) und 1,4-Cyclohexyl-bis(2-oxazolin).

Die Polyesterharzkomponente, die erfindungsgemäß mit den Bis(2-oxazolinen) umgesetzt wird, stellt ein Oligo- oder Polyesterharz mit zwei freien Carboxylgruppen dar, das erhältlich ist aus Dimerfettsäuren und Diolen. Die Dimerfettsäure wird bevorzugt hergestellt durch Diels-Alder-Reaktion von ungesättigten Fettsäuren und ist gegebenenfalls hydriert, partiell hydriert oder nicht-hydriert. Sie kann auch größere Mengen an Trimerfettsäure enthalten.

Als Diolkomponente für die Bildung der Polyesterharzmoleküle sind aliphatische Diole, wie z. B. Diethylenglykol, 1,6-Hexandiol oder 1,2-Propylenglykol einzeln oder als Gemische geeignet.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Polyesterharze weisen bevorzugt Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 500 bis 2500, besonders bevorzugt von 1000 bis 2000, auf. Derartige Molekulargewichte können beispielsweise durch Wahl der entsprechenden Dimerfettsäure- und Diolkomponenten und/oder der Reaktionsbedingungen bei der Herstellung erzielt werden.

Das Molverhältnis zwischen der Bis(2-oxazolin)-Komponente und dem Polyester beträgt zweckmäßig nicht mehr als 2 Mol zu 1 Mol. Bevorzugt ist ein Bereich von über 1 : 1 bis 1,5 : 1 oder 1,2 : 1, wodurch 2-Oxazolinringe als reaktive Gruppen am Ende und entlang der erhaltenen Polymerkette gebildet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die gewünschte Molmenge von zwei oder mehrere Carboxylgruppen enthaltenden Polyesterharzen gelöst in einem oder mehreren Lösemitteln, mit der gewünschten Molmenge an Bis(2-oxazolin) umgesetzt, wobei die Mischung auf Temperaturen über 100°C, wie erwähnt bevorzugt auf über 150°C, erhitzt wird. Die Reaktionszeit hängt von der Art und der Menge der Polycarboxylkomponente und der Art und Menge der Bis(2-oxazolin)-Komponente ab. Sie liegt beispielsweise im Bereich von etwa 1 bis 10 Stunden.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise werden Polyesteramide mit 2- Oxazolinringen entlang und am Ende der Polymerkette erhalten. Diese Produkte enthalten reaktionsfähige 2-Oxazolinringe und sind daher vernetzbar. Sie können daher als Makromonomere zur Herstellung von wärmehärtenden Beschichtungen verwendet werden. Im Idealfall weisen die erfindungsgemäß hergestellten Polyesteramide der ausschließlich linearen Reaktion folgende Formel auf:

worin R′ eine Polyesterkette darstellt, n eine positive ganze Zahl bedeutet (in Abhängigkeit des Molekulargewichts) und Ph den Phenylrest, als bevorzugtes Beispiel für den in der vorstehenden Formel der einsetzbaren Bis(2-oxazoline) angegebene Rest R bedeutet.

Das erfindungsgemäß herstellbare Polyesteramid kann jedoch auch mehr als zwei 2-Oxazolinringe aufweisen, beispielsweise durch weitere Reaktion des Amidstickstoffs der vorstehend aufgezeigten linearen Formel mit Bis(2-oxazolinen).

Die erfindungsgemäß herstellbaren Polyesteramide können durch weitere Reaktion, d. h. ringöffnende Addition der enthaltenen 2-Oxazolinringe mit den im Produkt enthaltenen Amidstrukturen vernetzt werden unter Ausbildung von dreifunktionellen Raumnetzwerken an den Stickstoffatomen nach dem folgenden Reaktionsschema:

Die Vernetzungsreaktion der Bis(2-oxazolin)-Gruppen enthaltenden Makromonomeren, die in den linearen Polymerstrukturen auch -NHCO-Gruppen enthalten, kann beispielsweise in Anwesenheit von elektrophilen Katalysatoren erfolgen. Die Vernetzungstemperaturen liegen bei über 100°C, bevorzugt im Bereich von 140 bis 240°C. Die Reaktionszeit oder Gelierzeit hängt vom Molekulargewicht und der 2-Oxazolinfunktionalität des Materials und der Art und Menge der verwendeten Katalysatoren ab. Sie kann beispielsweise 10 Minuten bis einige Stunden betragen und durch entsprechende Auswahl entsprechend eingestellt werden.

Die Katalysatoren können in Mengen von beispielsweise 0,5 bis 5,0 Gew.-%, bevorzugt von 0,5 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Polyesteramid eingesetzt werden. Beispiele für verwendbare Katalysatoren sind elektrophile Katalysatoren organischer und anorganischer Natur, wie Sulfonsäureester, Schwefelsäureester, organophosphorige Säureester und Organophosphonsäureester, sowie anorganische Salze. Die Katalysatoren können auch in Form von Mischungen eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäß herstellbaren Polyesteramide sind besonders geeignet für die Verwendung in Beschichtungsmitteln. Die Erfindung betrifft daher auch Bindemittelsysteme, die die erfindungsgemäß herstellbaren mehrfunktionellen 2-Bisoxazolin-Polyesteramidharze enthalten. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Produkte zur Herstellung von Bindemittel- bzw. Beschichtungsmittel-Systemen, die als Korrosionsschutz Bindemittel, zur Herstellung von Zwischenschichten oder zur Herstellung von steinschlagfesten Überzügen verwendet werden.

Die erfindungsgemäß herstellbaren Bindemittel können in übliche Lackformulierungen eingearbeitet werden, die übliche Inhaltsstoffe, wie Lösungsmittel, Pigmente, Füllstoffe und Additive enthalten.

Die erfindungsgemäßen in Lösemitteln hergestellten vernetzbaren Polyesteramide mit Ester-, sec-Amid- und tert-Amid-Gruppen im Makromolekül, haben gute Adhäsionseigenschaften an verschiedenen technisch verwendeten Substraten, wie Metallen und Kunststoffen. Außerdem können die Polyesteramide mit einer großen Variationsbreite der physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Elastizität und Härte im vernetzten Zustand hergestellt werden, beispielsweise durch geeignete Auswahl der Rohstoffe und des Molverhältnisses von Bis(2-oxazolin) zu Polyesterharzkomponente. Im vernetzten Zustand werden Filme gebildet, die flexibel-elastisch bis zähhart eingestellt werden können. Sie eignen sich besonders günstig für die Herstellung von steinschlagbeständigen Lackfilmen. Die erfindungsgemäßen in Lösemitteln erhaltenen Polyesteramide sind daher besonders geeignet für die Herstellung von steinschlagfesten Zwischenschichten bei Mehrschichtlackierungen. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß sie besonders günstig auf grundierte Bleche, beispielsweise kathodisch tauchlackierte Bleche, aufgetragen werden können, naß-in-naß mit einem Füller beschichtet und zusammen mit dem Füller gemeinsam eingebrannt werden können. Es ergeben sich dann weiter überlackierbare besonders steinschlagfeste Lackaufbauten. Die erfindungsgemäß hergestellten Polyesteramide sind somit insbesondere zum Einsatz auf dem Kraftfahrzeugsektor, Landmaschinen, Bau- und Bergwerksgeräte beispielsweise zur Herstellung von Mehrschichtlackierungen geeignet.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung:

Beispiel 1

Eine Mischung von 53 g (0,5 Mol) Diethylenglykol, 59 g (0,5 Mol) 1,6-Hexandiol und 1190 g (2 Mol) Dimerfettsäure wurde unter Stickstoff als Schutzgas auf 210°C erwärmt. Nach fünf Stunden bei dieser Temperatur wurde ein Polyesterharz erhalten, welches eine leicht gelbliche, klare, hochviskose Flüssigkeit, mit einer Viskosität von 10,110 mPa s, (bei 25°C) einer Säurezahl von 98 mgKOH/g Festharz und einem Gewichtsmittel der Molmasse von 1100 darstellte.

Beispiel 2

Eine Mischung von 4 g Isodecanol, 12 g Xylol, 47 g Solvesso 100 (Gemisch aromatischer Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 100°C), 12 g Solvesso 150 (Gemisch aromatischer Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 150°C) und 143 g Polyesterharz, wie in Beispiel 1 angegeben, wurde unter Stickstoff als Schutzgas auf 70°C erwärmt. Dann wurden 34 g Phenylen-1,4-bis(2-oxazolin) zugesetzt. Die Mischung wurde bis zum Rückfluß erhitzt und sechs Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlung auf 80°C wurde das erhaltene Multi-2-Bisoxazolinpolyesteramid mit 40 g n-Butanol verdünnt. Auf diese Weise wurde von der Verbindung eine 60gew.-%ige bernsteinfarbene Kunstharzlösung, mit einer Säurezahl von 2,5 mgKOH/g (Festharz) und einer Auslaufzeit von 480 Sek. nach DIN 53 211 ⌀ 4 mm erhalten. Das IR-Absorptionsspektrum, gemessen auf einem KBr-Träger zeigt Peaks im Bereich von 3290 cm^-1 und 3080 cm^-1 infolge der p-CONH und s-CONH Strukturen, bei 1735 cm^-1 und 1165 cm^-1 infolge der COO Strukturen und bei 1694 cm^-1 und 1655 cm^-1, infolge der 2-Oxazolin-Gruppen.

Beispiel 3

Eine Mischung von 4 g Isodecanol, 12 g Xylol, 47 g Solvesso 100 und 143 g Polyesterharz, wie in Beispiel 1 angegeben, wurde unter Stickstoff als Schutzgas auf 50°C erwärmt. Dann wurden 32 g Phenylen-1,3-bis(2-oxazolin) zugesetzt. Die Mischung wurde bis zum Rückfluß erhitzt und fünf Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlen auf 80°C wurde das erhaltene 2-Bisoxazolinpolyesteramid mit 40 g n-Butanol verdünnt. Auf diese Weise wurde von der Verbindung eine 60gew.%ige bernsteinfarbene Kunstharzlösung mit einer Säurezahl von 1,2 mgKOH/g (Festharz) und einer Auslaufzeit von 456 Sekunden nach DIN 53 211 ⌀ 4 mm erhalten. Das IR-Absorptionsspektrum zeigte typische Signale für Amid und Esterverbindungen und 2-Oxazolinringe.

Beispiel 4

Eine Mischung von 5 g Isodecanol, 15 g Xylol, 60 g Solvesso 100, 15 g Solvesso 150 und 143 g Polyesterharz, wie in Beispiel 1 angegeben, wurde unter Stickstoff als Schutzgas auf 70°C erwärmt, dann wurden 32 g Phenylen 1,4-Bis(2-oxazolin) zugesetzt. Die Mischung wurde bis zum Rückfluß erhitzt und sechs Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlung auf 80°C wurde das erhaltene 2-Bisoxazolinpolyesteramid mit 50 g n-Butanol verdünnt. Auf diese Weise wurde von der Verbindung eine 55gew.-%ige Kunstharzlösung mit einer Säurezahl von 0,6 mgKOH/g (Festharz) und einer Auslaufzeit von 146 Sekunden nach DIN 53 211 ⌀ 4 mm erhalten. Das IR-Absorptionsspektrum zeigte typische Signale für Amid und Esterverbindungen und 2-Oxazolinringe.

Beispiel 5

Eine Mischung von 4 g Isodecanol, 12 g Xylol, 47 g Solvesso 100, 12 g Solvesso 150 und 143 g Polyesterharz, wie in Beispiel 1 angegeben, wurde unter Stickstoff als Schutzgas auf 60°C erwärmt. Dann wurden 32 g Cyclohexenyl 1,4-Bis(2-oxazolin) zugesetzt. Die Mischung wurde bis zum Rückfluß erhitzt und fünf Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Abkühlung auf 80°C wurde das erhaltene 2-Bisoxazolinpolyesteramid mit 50 g n-Butanol verdünnt. Auf diese Weise wurde von der Verbindung eine 55gew.-%ige Kunstharzlösung mit einer Säurezahl von 1,4 mgKOH/g (Festharz) und einer Auslaufzeit von 124 Sekunden nach DIN 53 211 ⌀ 4 mm erhalten. Das IR-Absorptionsspektrum zeigte typische Signale für Amid und Esterverbindungen und Oxazolinringe.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines vernetzbaren Polyesteramids mit mehreren 2-Oxazolinringen im Molekül, durch Umsetzung eines zwei freie Carboxylgruppen enthaltendem Polyesterharz mit Bis(2-oxazolin) dadurch gekennzeichnet, daß man ein zwei freie Carboxylgruppen enthaltendes Polyesterharz auf der Basis von Dimerfettsäuren und Diolen in einem Lösemittel löst und in der Lösung mit einem in fester Form zugesetzten Bis(2-oxazolin) umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein zwei freie Carboxylgruppen enthaltendes Polyesterharz mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 500 bis 2500 einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Bis(2-oxazolin) der Formel verwendet, worin R einen Alkylen-, Cycloalkylen- oder Arylenrest darstellt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur von 100 bis 200°C arbeitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem Molverhältnis von Bis(2-oxazolin) zu Polyesterharz von 1 : 1 bis 2 : 1 arbeitet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Polyesteramid mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 7000 bis 18 000 herstellt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in Anwesenheit von aliphatischen Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Glykolen, Ethern oder Estern allein oder im Gemisch, als Lösemittel durchgeführt wird.

8. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhältlichen Polyesteramide in wärmehärtbaren organischen Beschichtungsmassen.

9. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhältlichen Polyesteramide in organischen Beschichtungsmitteln zur Herstellung von Zwischenschichten in Mehrschichtlackierungen.

10. Verwendung nach Anspruch 9 zur Herstellung von steinschlagfesten Zwischenschichten.

11. Verwendung nach Anspruch 10 zur Herstellung von steinschlagfesten Zwischenschichten zwischen einer Grundierungsschicht und einer naß-in-naß aufzutragenden Füllerschicht.