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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Polyasparaginsäureester und insbesondere die
Verwendung von Polyasparaginsäureestermischungen
in Polyharnstoff-Beschichtungsanwendungen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zweikomponenten-Polyharnstoff-Beschichtungszusammensetzungen,
die ein Polyisocyanat in Kombination mit einer Polyasparaginsäurekomponente
enthalten, sind bekannt. Sie sind zur Bildung von Beschichtungen
geeignet und können
zur Erzeugung von Beschichtungen eingestellt werden, die hart, elastisch,
abriebbeständig,
lösungsmittelbeständig und
insbesondere witterungsbeständig
sind. Trotz ihrer weitverbreiteten Anwendung weisen bekannte Beschichtungszusammensetzungen
aber Nachteile auf, die ihre Verwendung bei wichtigen Anwendungen
einschränken.
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Beschichtungszusammensetzungen
mit einer beträchtlichen
Menge an Polyasparaginsäureestern
mit Dimethylgruppen wären
wünschenswert,
weil Dimethylgruppen aus solchen Zusammensetzungen hergestellte
Beschichtungen um erwünschte
Eigenschaften ergänzen
würden.
Das U.S.-Patent Nr. 5 126 170 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
von Polyurethanbeschichtungen, bei dem eine gegenüber Isocyanaten
reaktive Komponente b) eine Polyasparaginsäureester-Mischung einschließt, die
aus einem gegebenenfalls substituierten Maleinsäure- oder Fumarsäureester
und einem primären
Amin hergestellt ist. Obwohl das Patent lehrt, dass Maleinsäure- oder
Fumarsäureester
durch Dimethyl- Diethyl- und Di-n-butylester substituiert sein können, ist
beobachtet worden, dass bei der Michael-Additionsreaktion von Dimethyl maleat
und primären
Aminen Dimethylmaleat in Gegenwart von Aminen gemäß der folgenden
geometrischen Isomerisierungsreaktion zu Dimethylfumarat isomerisiert:
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Dimethylfumarat
bildet lange, nadelförmige
Kristalle; die an der Michael-Additionsreaktion
nicht mehr teilnehmen und einen vollständigen Ablauf der Reaktion
verhindern. Obwohl die resultierende Reaktion Ausbeuten von nur
etwa 30 bis 40% ergibt, ist die gesamte Zusammensetzung für kommerzielle
Zwecke nutzlos. Dies ist so, weil die Zusammensetzung eine Mischung
von Verbindungen enthält,
die die Bildung einer geeigneten Beschichtung verhindern. Die rohe
Mischung enthält
gewöhnlich
(i) Dimethylfumarat-Kristalle,
(ii) Diamin-Ausgangsstoff, (iii) Mono-primäres-Aminmonoaspartat und (iv)
Diaspartat. Das Vorhandensein von Kristallen in einer solchen Mischung
verhindert die Bildung einer Beschichtung. Das Abfiltrieren der
Kristalle von der Mischung stellt keine Option dar, weil durch die
Filtration eine beträchtliche
Menge des Ausgangsstoffs entfernt wird, wodurch wesentliche Kosten
entstehen. Eine filtrierte Mischung enthält auch nicht umgesetzte primäre Amine,
deren Vorhandensein die Vernetzungsreaktion auf nicht wünschenswerte
Weise beschleunigt.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5 126 170 lehrt die Herstellung von dessen Polyasparaginsäureestern
in einem Lösungsmittel.
Die Verwendung eines Reaktionsmediums mit 50% Methanol ist unter
Produktionsgegebenheiten aus den folgenden Gründen aber nicht praktisch.
Erstens bedeutet die Verwendung einer 50-%igen Lösung, dass die Produktausbeuten
die Hälfte
derjenigen betragen, die erreicht werden könnten, wenn die Reaktion ohne
Lösungsmittel
erfolgen würde.
Zweitens ist Methanol leicht brennbar, und sein Vorhandensein bei der
Herstellung würde
eine Sicherheitsgefahr darstellen. Schließlich müsste das Methanol vollständig entfernt werden,
um den Polyasparaginsäureester
mit Polyisocyanaten verwenden zu können. Sogar kleine Restmengen
an Methanol würden
mit Polyisocyanaten unter Bildung von Urethanen reagieren, die die
Vernetzungsdichte der Filme verringern und so eine Verschlechterung
der Eigenschaften bewirken würden.
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Aus
den obigen Gründen
ist es wünschenswert,
ein Verfahren zur Herstellung eines Bestandteils für Polyharnstoffbeschichtungen
zu entwickeln, der eine beträchtliche
Menge an dimethylsubstituierten Polyasparaginsäureestern enthält.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer asymmetrischen
Polyasparageinsäureester-Mischung
durch die nacheinander erfolgenden Vorgänge (a) der Bildung einer Estermischung,
die eine erste dimethylsubstituierte Esterkomponente und eine zweite,
durch eine Alkylgruppe mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen substituierte
Esterkomponente enthält,
und (b) der Umsetzung der Esterkomponente mit einer Propylenoxidaminkomponente,
sodass das Äquivalenz-Zahlenverhältnis der
ersten Esterkomponente und der zweiten Esterkomponente ausreichend
ist, um die Bildung einer die Reaktion stoppenden, Dimethylfumarat-Kristalle
enthaltenden rohen Mischung zu verhindern. Die Erfindung betrifft
auch eine Polyharnstoff-Beschichtungszusammensetzung,
die eine Polyisocyanatkomponente enthält, die zur Herstellung der
Polyasparaginsäureester-Mischung
verwendete Esterkomponente und die Mischung der asymmetrischen Polyasparaginsäureester,
ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit der Polyasparaginsäureester-Mischung und
eine mit der Mischung der asymmetrischen Polyasparaginsäureester
hergestellte Beschichtung. Diese und andere Merkmale, Aspekte und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf
die folgende Beschreibung und die anliegenden Ansprüche besser
verstanden.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung basiert auf dem überraschenden
Befund, dass die Kristallisation, die bei der Reaktion von dimethylsubstituierter
Maleinsäure
oder dimethylsubstituierter Fumarsäure mit einem Propylenoxidamin beobachtet
wird, wesentlich vermindert oder überhaupt eliminiert werden
kann, indem das Propylenoxidamin mit einer Mischung umgesetzt wird,
die Dimethylmaleat und eine kleine Menge wenigstens eines Dialkylmaleats
mit zwei der mehr Kohlenstoffatomen, z.B. Diethylmaleat, Dipropylmaleat,
enthält.
Durch das Praktizieren der Erfindung können Polyasparaginsäureester
auf der Grundlage von Dimethylmaleat ohne eine Kristallisation und
ohne eine Notwendigkeit für
Lösungsmittel
jetzt leicht und direkt hergestellt werden. Die hergestellten Mischungen
von asymmetrischen Polyasparaginsäureestern können dann als gegenüber Isocyanaten
reaktive Komponenten in Beschichtungszusammensetzungen zur Herstellung
von Polyharnstoffbeschichtungen mit einer neuen Struktur und verbesserten
Eigenschaften verwendet werden.
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Maleinsäureester
und Fumarsäureester
umfassen geeignete Dialkylmaleate oder Dialkylfumarate. Geeignete
Dialkylmaleate umfassen Dimethylmaleat, Diethylmaleat, Dipropylmaleat,
Dibutylmaleat, Methylpropylmaleat, Ethylpropylmaleat. Geeignete
Dialkylfumarate umfassen Dimethylfumarat, Diethylfumarat, Dipropylfumarat,
Dibutylfumarat, Methylpropylfumarat, Ethylpropylfumarat.
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Die
Propylenoxidamin-Komponente umfasst jedes Propylenoxidamin, das
die Aufgaben der Erfindung lösen
kann. Geeignete Polypropylenoxidamine umfassen gewöhnlich difunktionelle
und multifunktionelle Amine mit Polypropylenoxidgruppen. Diese Amine
sind wohlbekannt und können
durch Verfahren wie denjenigen hergestellt werden, die in der deutschen
Offenlegungsschrift Nr. 1 193 671, dem U.S.-Patent Nr. 3 236 895, dem
französischen
Patent Nr. 1 466 708 beschrieben sind. Geeignete Beispiele für solche
difunktionellen Amine umfassen Polypropylenoxiddiamin, das von der
Huntsman Corporation unter den Marken Jeffamine D-2000 erhalten
werden kann. Beispiele für
geeignete trifunktionelle Polypropylenoxidamine umfassen Polyoxypropylentriamin,
(Jeffamine T-403), Jeffamine T-3000 und Jeffamine T-5000, ebenfalls
von Huntsville erhältlich.
Es wird angenommen, dass multifunktionelle Propylenoxidamine, z.B.
tetrafunktionelle Polypropylenoxidamine, auch verwendet werden können.
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Das Äquivalenz-Zahlenverhältnis der
(i) Dimethylmaleate (oder der Dimethylfumarate) zu (ii) den Dialkylmaleaten
(Dialkylfumaraten) mit wenigstens 2 Kohlenstoffatomen ist ausreichend,
um die Bildung einer die Reaktion stoppenden, Dimethylfumarat-Kristalle
enthaltenden rohen Mischung zu verhindern. Im Allgemeinen beträgt das Äquivalenz-Zahlenverhältnis von
weniger als 7:3, vorzugsweise etwa 5:5 bis mehr als 0:10, noch mehr
bevorzugt von etwa 4,5:5,5 bis 1:9 und sogar noch mehr bevorzugt
von etwa 4:6 bis etwa 2:8. Wenn die Angabe auf der Grundlage eines
Prozentwertes erfolgt, beträgt
die Menge des vorhandenen dimethylsubstituierten Maleinsäureesters
oder Fumarsäureesters
von weniger als etwa 70% bis mehr als 0%, vorzugsweise von weniger
als 50% bis mehr als 0%, vorzugsweise von etwa 45% bis etwa 10%
und sogar noch mehr bevorzugt von etwa 40 bis etwa 20%, bezogen
auf die Gesamtmenge der Ester. Es ist gefunden worden, dass diese
folgenden Bereiche kritisch sind, um die Aufgaben der Erfindung
zu lösen.
Das Äquivalenz-Zahlenverhältnis der
Propylenoxidamin-Komponente zur Esterkomponente beträgt gewöhnlich etwa
1:1. Das Verhältnis der
ersten Esterkomponente zur zweiten Esterkomponente als solches muss
größer als
0:10 sein.
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Die
Polyisocyanatkomponente, die zur Umsetzung mit der Polyasparaginsäureester-Mischung
verwendet wird, umfasst jedes Polyisocyanat, das, wenn es gemäß der Erfindung
verwendet wird, die Aufgabe der Erfindung löst. Geeignete Polyisocyanate
zur Verwendung als Polyisocyanatkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung
umfassen die bekannten Polyisocyanate der Polyurethanchemie. Beispiele
für geeignete Polyisocyanate
mit niedriger Molmasse mit einer Molmasse von 168 bis 300 umfassen
1,4-Diisocyanatobutan, 1,6-Hexamethylendiisocyanat,
2,2,4- und/oder 2,4,4- Trimethyl-1,6-hexamethylendiisocyanat,
Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan, 1-Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan
(IPDI), 2,4'- und/oder
4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan,
2,4- und/oder 4,4'Diisocyanatodiphenylmethan
und Mischungen dieser Isomere mit deren höheren Homologen, die auf bekannte
Weise durch die Phosgenierung von Anilin/Formaldehyd-Kondensaten,
2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol und beliebigen Mischungen dieser Verbindungen
erhalten werden. Bevorzugte cyclische Isocyanate umfassen Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat (MDI),
Diphenylmethan-2,4'-diisocyanat,
2,4- und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol. Bevorzugte aliphatische Isocyanate
umfassen Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, 2,4'- und/oder 4,4'-Diisocyanatodicyclohexylmethan.
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Zusätzliche
geeignete Polyisocyanatkomponenten umfassen Derivate der oben erwähnten monomeren
Polyisocyanate, wie dies in der Beschichtungstechnologie üblich ist.
Diese Derivate umfassen Biuretgruppen enthaltende Polyisocyanate,
die zum Beispiel in den U.S.-Patenten Nr. 3 124 605 und 3 201 372
und DE-OS 1 101 394 beschrieben sind, Isocyanuratgruppen enthaltende
Polyisocyanate, die im U.S.-Patent Nr. 3 001 973, DE-PS 1 022 789,
1 222 067 und 1 027 394 und
DE-OS
1 929 034 und
2 004
048 beschrieben sind, Urethangruppen enthaltende Polyisocyanate,
die zum Beispiel in
DE-OS
953 012 , BE-PS 752 261 und den U.S.-Patenten Nr. 3 394
164 und 3 644 457 beschrieben sind, Carbodiimidgruppen enthaltende
Polyisocyanate, die in DE-PS 1 092 007, U.S.-Patent Nr. 3 152 162
und DE-OS 2 504
400, 2 537 685 und 2 552 350 beschrieben sind, und Allophanatgruppen
enthaltende Polyisocyanate, die zum Beispiel in GB-PS 994 890, BE-PS
761 626 und NL-OS 7 102 524 beschrieben sind. Geeignete Polyisocyanate
umfassen auch Polyisocyanate, die Uretdiongruppen enthalten. In
einer Ausführungsform
können
asymmetrische Trimere wie diejenigen im U.S.-Patent Nr. 5 717 091 verwendet werden.
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Isocyanatgruppen
enthaltende Prepolymere und Semi-Prepolymere auf der Grundlage von
Polyisocyanaten können
auch als Polyisocyanatkomponente verwendet werden. Diese Prepolymere
und Semi-Prepolymere haben gewöhnlich
einen Isocyanatgehalt, der von etwa 0,5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise
etwa 1 bis 20 Gew.-% reicht, und werden auf bekannte Weise durch
die Umsetzung von Ausgangsstoffen, z.B. gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen
wie Polyolen, mit einem NCO/OH-Äquivalenz-Zahlenverhältnis von
etwa 1,05:1 bis 10:1, vorzugsweise etwa 1,1:1 bis 3:1, hergestellt.
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Die
asymmetrischen Polyasparaginsäureester-Mischungen
der Erfindung werden hergestellt, indem eine geeignete Polyaminkomponente
mit einer Esterkomponente, die eine Maleinsäure/Fumarsäure-Mischung enthält, die
eine dimethylsubstituierte Maleinsäure und einen Maleinsäure/Fumarsäureester,
der durch eine wenigstens zwei Kohlenstoffatome enthaltende Alkylgruppe
substituiert ist, in geeigneten Mengen enthält, unter Bedingungen, die
die Reaktion der Reaktanden begünstigen,
vereinigt wird.
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Die
Dauer der Reaktion variiert. Reaktionen, die aliphatische Diamine
wie Hexandiamin und 2-Methyl-1,5-pentandiamin einschließen, können innerhalb
von zwei Wochen vollständig
abgeschlossen sein. Reaktionen, die cyclische Diamine wie H12MDI und 4'-Dimethyl-H12MDI
einschließen,
benötigen
in Abhängigkeit vom
verwendeten Polypropylenoxidamin gewöhnlich einige Monate, z.B.
2 – 3
Monate, bis die Reaktion zu 97 oder 98% abgeschlossen ist. Weil
es bis zu 52 bis 100 Wochen dauern kann, bis eine Reaktion zu 100%
abgeschlossen ist, ist es gewöhnlich
unpraktisch, auf den vollständigen
Abschluss zu warten. Spezielle Zeitdauern können durch routinemäßiges Experimentieren
erhalten werden. Die Ausbeuten, mit denen die Polyasparaginsäuren hergestellt
werden, betragen gewöhnlich
wenigstens etwa 70, 80 und vorzugsweise etwa 100%. Das Verfahren
wird üblicherweise
ohne eine nennenswerte Menge eines organischen Lösungsmittels, d.h. gewöhnlich mit
weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Lösung, und
sogar noch mehr bevorzugt ohne Lösungsmittel
praktiziert.
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Wenn
difunktionelle Amine verwendet werden, umfasst die asymmetrische
Polyasparaginsäuremischung
zusätzlich
zu reinen Verbindungen gewöhnlich
einen Polyasparaginsäureester
mit der Formel:
wobei X eine Polypropylenoxidgruppe
ist, die durch das Entfernen von Aminogruppen von einem der Formel X-(NH
2)
n entsprechenden
Amin erhalten wird, wobei R
1 und R
2 jeweils gleich oder verschieden sind und
jeweils eine Alkylgruppe mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen sind
und n zwei ist. Wenn trifunktionelle Amine verwendet werden, umfasst
die Zusammensetzung zusätzlich
zu reinen Verbindungen einen der folgenden Polyasparaginsäureester:
oder beide
davon, wobei X eine Polypropylenoxidgruppe ist, die durch das Entfernen
von Aminogruppen von einem der Formel X-(NH
2)
n entsprechenden Amin erhalten wird, wobei
R
1 und R
2 jeweils
gleich oder verschieden sind und jeweils eine Alkylgruppe mit wenigstens
zwei Kohlenstoffatomen sind und n drei ist.
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Das
Verfahren bietet zuvor nicht erhältliche
Vorteile. Weil beim Verfahren die Kristallisation vermieden wird,
die üblicherweise
erfolgt, wenn dimethylsubstituierte Ester von Malein- oder Fumarsäure mit
Aminen reagieren, wird beim Verfahren die Bildung einer kommerziell
nutzlosen, die Reaktion stoppenden, Dimethylfumarat-Kristalle (und
andere Verbindungen) enthaltenden rohen Mischung, die bei bekannten
Verfahren typischerweise gebildet wird, vermieden. Weil beim Verfahren
der Erfindung die Verwendung von Lösungsmitteln, z.B. Methanol,
ebenfalls nicht erforderlich ist, werden Polyasparaginsäureester-Mischungen
mit höheren
Ausbeuten als bei Systemen auf der Grundlage von Lösungsmitteln
erzeugt und Feuergefahren, die mit entflammbaren Lösungsmitteln
typischerweise assoziiert sind, vermieden. Weil beim Verfahren auch
keine Lösungsmittel
wie Methanol verwendet werden, werden die Vernetzungsdichte und
die Eigenschaften der Filme durch die Polyurethane, die durch die
Reaktion restlicher Mengen an Methanol, das mit Polyisocyanaten
unter Bildung von Urethanen reagieren würde, gebildet würden, nicht
nachteilig beeinflusst.
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Eine
Polyharnstoff-Beschichtungszusammensetzung kann leicht gebildet
werden, indem geeignete Mengen (a) einer Polyisocyanatverbindung
und (b) einer wirksamen, eine Beschichtung bildenden Menge der Mischung
der asymmetrischen Polyasparaginsäureester vereinigt werden.
Eine Beschichtung wird aus einer solchen Beschichtungszusammensetzung
hergestellt, indem (a) ein Substrat mit einer Beschichtungszusammensetzung
beschichtet wird, die wirksame, eine Beschichtung bildende Mengen
(i) einer Polyisocyanatkomponente und (ii) der Mischung der asymmetrischen
Polyasparaginsäureester
einschließt.
Die Polyisocyanatkomponente und die Mischung der asymmetrischen
Polyasparaginsäureester
werden in einem Verhältnis
vermischt, das gewöhnlich
wenigstens 0,9:1,1, vorzugsweise etwa 1:1 Äquivalente:Äquivalente, vorzugsweise etwa
0,9:1,0 Äquivalente:Äquivalente
bis 1,5:1,0 und noch mehr bevorzugt von etwa 0,9:1,0 Äquivalente:Äquivalente
bis 1,1:1 Äquivalente:Äquivalente
beträgt.
Nachdem die Beschichtungszusammensetzungen auf ein geeignetes Substrat
aufgetragen wurden, werden die Zusammensetzungen durch ein Härten bei
einer geeigneten Temperatur, z.B. von etwa 30°C bis 150°C, gehärtet. In einer Ausführungsform
reagieren die Polyisocyanatkomponente und die effektiven, beschichtungsbildenden
Mengen der Mischung von asymmetrischen Polyasparaginsäureestern
auch mit einem Polyol. Geeignete Polyole umfassen ein geeignetes
Polyol, z.B. Polyether wie diejenigen im U.S.-Patent Nr. 5 126 170.
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Die
Beschichtung kann auf Substraten wie Zement, Asphalt, Metall, Glas
und Holz hergestellt werden. Die Beschichtungen sind bei Anwendungen
wie Sprühelastomer-,
langzeitbeständigen
Instandhaltungs-, Produkt-Oberflächenbehandlungs-,
Kraftfahrzeug- und Fußbodenanwendungen
besonders brauchbar.
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Die
Erfindung wird jetzt in den folgenden veranschaulichenden Beispielen
beschrieben. Alle Bezüge auf
Prozentwerte sind auf das Gewicht bezogen, sofern nichts anderes
aufgeführt
ist.
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BEISPIELE
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BEISPIEL 1
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Ein
Dreihals-Rundkolben ist mit einem Rührer, einem Thermometer, einem
Stickstoffeinlass, einem Einfülltrichter
und einer Heizvorrichtung ausgestattet. 1000 g (0,5 Äquivalente)
Polypropylenoxiddiamin (Jeffamine D-2000, erhältlich von der Huntsman Corporation)
werden bei 40°C
in den Reaktor gegeben. Durch den Einfülltrichter werden 0,5 Äquivalente
einer 1:1-Äquivalent:Äquivalent-Mischung
von Dimethylmaleat und Diethylmaleat zugegeben. Die Reaktion ist
exotherm, sodass gekühlt
wird, um eine Temperatur unterhalb von 80°C beizubehalten. Nachdem die
Zugabe abgeschlossen ist, wird die Reaktion für weitere 10 h auf 60 bis 80°C erwärmt. Dann
wird das Harz unter Umgebungs-Laborbedingungen aufbewahrt, bis die
Reaktion abgeschlossen ist. Es bilden sich keine Kristalle.
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BEISPIEL 2
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Das
Verfahren von Beispiel 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, dass
eine 0,65:35-Äquivalenzmischung
von Dimethylmaleat und Diethylmaleat verwendet wird. Es bilden sich
keine Kristalle.
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VERGLEICHSBEISPIEL
A
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Das
Verfahren von Beispiel 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, dass
1000 g (0,5 Äquivalente)
Polypropylenoxiddiamin (Jeffamine D-2000, erhältlich von der Huntsman Corporation)
bei 40°C
in den Reaktor gegeben werden, um das Amin zu schmelzen. 72,1 g
(0,5 Äquivalente)
Dimethylmaleat werden in einem Zeitraum von 1 h zugegeben. Die Reaktion
wird für
9 h auf 60°C
erwärmt,
wonach nadelförmige
Kristalle zu wachsen beginnen.
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VERGLEICHSBEISPIEL
B
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Das
Verfahren von Beispiel 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, dass
eine 0,8:0,2-Äquivalenzmischung
von Dimethylmaleat und Diethylmaleat verwendet wird. Es bilden sich
Kristalle.
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Obwohl
die Erfindung oben zu veranschaulichenden Zwecken ausführlich beschrieben
worden ist, gilt als vereinbart, dass solche Einzelheiten nur zu
veranschaulichenden Zwecken dienen und von Fachleuten Variationen
daran vorgenommen werden können,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.