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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf verbesserte flüssige Ultraviolett (UV)-Harzzusammensetzungen
gerichtet, die Harzverbindungen gemischt mit mehreren definierten
zusätzlichen
Chemikalien umfassen. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen weisen
die Eigenschaft auf, dass bei Bestrahlung der Zusammensetzung mit
Ultraviolettlicht die Zusammensetzung im ganzen Volumen des ganzen
Zusammensetzung zu einem Feststoff härtet. Diese Eigenschaft ermöglicht es,
dass die Zusammensetzung in Anwendungen brauchbar ist, in denen
die Möglichkeit,
die ganze Fläche
(und das darunter liegende Volumen) der Zusammensetzung Ultraviolettstrahlung
auszusetzen, nicht vorhanden ist. Dieser Härtungsprozess, der die Härtung durch
Verwendung eines durch das Ultraviolettlicht bereitgestellten Triggermechanismus
fortsetzt, ist als Schattenhärtung bezeichnet
worden. Mit der vorliegenden Erfindung wird in Bereichen gehärtet, die
keinem Licht ausgesetzt sind, indem eine neue und überraschende
Chemie eingesetzt wird.
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Diese
Harzzusammensetzungen weisen verbesserte Eigenschaften auf, die
sie zu zweckmäßigen Materialien
für eine
ständig
steigende Zahl von kommerziellen Verwendungen machen. Diese Anwendungen beinhalten:
- (a) industrielle Verwendungen, wie als Dichtmaterial
für Coils
und Leiterplatten, Vergussmassen und Dichtmassen, allgemein und
als Klebstoffe,
- (b) chirurgische und medizinische Verwendungen, wie Abdichten
von medizinischer Ausrüstung,
die elektronische Komponenten enthält,
- (c) eine Reihe von Anwendungen bei der Automobilherstellung,
einschließlich
industrielles Einbetten und Abdichten von verschiedenen Automobilteilen,
und
- (d) elektronische Anwendungen, in denen feste und zuverlässige Abdichtungen
erforderlich sind, einschließlich
Einbetten von elektronischen Komponenten und Teilen.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung beinhalten:
- (a)
einfache Verwendung als Einkomponenten-Produkt, das kein Mischen
von zwei oder mehr Komponenten vor Ort erfordert,
- (b) verringerte Freisetzung flüchtiger organischer Verbindungen
(VOC) in die Atmosphäre,
- (c) rasche, tiefe und vollständige
Härtung
durch das ganze Volumen der Harzzusammensetzung bei Anwendung von
Ultraviolettlicht und ohne Notwendigkeit des Erwärmens vor Ort.
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Hintergrund der Erfindung
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Harzzusammensetzungen,
die bei Belichtung mit Ultraviolettstrahlung härten, sind in der Technik bekannt.
Derartige Zusammensetzungen, die man heute im tatsächlichen
kommerziellen Einsatz findet, sind aber in den vorstehend diskutierten
Gebieten nur von geringer Zahl. Eine sogar noch geringere Anzahl
von solchen Zusammensetzungen sind in der Technik bekannt, die bei
kurzem Belichten mit Ultraviolettstrahlung in Bereichen, die durch
dieses Licht nicht erreicht werden, vollständig härten.
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Beschreibung
Stand der Technik
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Nachstehend
wird als Hintergrund interessanter Stand der Technik erörtert.
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Reaktionen
zwischen Epoxiden und Verbindungen mit aliphatischen Hydroxylgruppen
sind bekannt gewesen. Solche Reaktionen sind im allgemeinen bei
erhöhten
Temperaturen durch Erwärmen
der Reaktanten in Anwesenheit von basischen oder sauren Katalysatoren
durchgeführt
worden. Das US-Patent Nr. 2914490 beschreibt z.B. die thermischen
Reaktionen einer Reihe von Epoxiden mit verschiedenen Arten von Polyolen,
einschließlich
Copolymeren enthaltend reaktive Hydroxylgruppen. Diese Reaktionen
schreiten in Anwesenheit eines Katalysators bei Raumtemperatur sehr
langsam voran, so dass erhöhte
Temperaturen erforderlich sind, um vernünftige Reaktionsgeschwindigkeiten
und brauchbare Eigenschaften zu erhalten.
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Das
Patent Nr. 3450613 offenbart photopolymerisierbare Epoxyzusammensetzungen
umfassend das Reaktionsprodukt von einem Epoxyharz-Präpolymer
und einer ethylenisch ungesättigten
Säure,
ein Photosensibilisierungsmittel und gegebenenfalls polyfunktionelle
Säuren
oder Basen. Bei Belichtung mit Ultraviolettlicht gibt es eine photoinduzierte
Polymerisation des ethylenisch ungesättigten Teils des Reaktionsprodukts.
Die. Härtung
der Zusammensetzung wird durch Erwärmen von außen zur Hervorrufung der Reaktion
des Epoxyharz-Teils der Zusammensetzung vervollständigt. Zusammensetzungen
wie diese und handelsübliche
Produkte, die ihren Mechanismustyp verwenden, besitzen wegen der
Notwendigkeit von sowohl Licht als auch Wärme zur Vervollständigung
der Polymerisationshärtung
der ganzen Zusammensetzung einen geringen Nutzen. Diese Zusammensetzungen
sind häufig
sauerstoffempfindlich und weisen gewöhnlich eine geringe thermische Stabilität auf.
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Das
US-Patent Nr. 4256828 beschreibt photocopolymerisierbare Zusammensetzungen,
die Epoxide, organisches Material mit Hydroxylfunktionalität und ein
lichtempfindliches aromatisches Sulfonium- oder Iodoniumsalz von
einem Halogen enthaltenden Komplexion enthalten. Das US-Patent Nr.
5837398 verweist auf das US-Patent Nr. 4256828 und beschreibt eine
Batterie-Dichtmaterial-Zusammensetzung, die kein organisches Lösungsmittel
erfordert.
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Das
US-Patent Nr. 4699802 zeigt ein Beschichtungsverfahren mit dualer
Härtung
unter Verwendung flüssiger
Silicone, die durch Ultraviolettlicht härtbar sind, auf einem Substrat,
das keine ohne weiteres zugänglichen
Bereiche für
direktes UV-Licht
aufweist, wobei ein Verfahren verwendet wird, bei dem zuerst bestrahlt und
dann die bestrahlte Zusammensetzung einer Feuchtigkeitshärtung ausgesetzt
wird. Siehe auch das US-Patent Nr. 5008301, das ein Dreimechanismus-Härtungssystem
unter gesonderter Verwendung der Mechanismen Licht, Wärme und
Feuchtigkeit von außen
zeigt.
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Das
US-Patent Nr. 5017406 beschreibt eine UV-härtbare Zusammensetzung, die
mit Polysilan mit einem Peroxid-Photoinitiator gehärtet wird.
Eingesetzte Peroxide beinhalten Dibenzoylperoxid und Wasserstoffperoxid.
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Das
US-Patent Nr. 5712231 gibt in der Beschreibung des Stands der Technik
an, dass wärmeaktivierte Peroxide
zu Acryl-, Epoxy-, Silicon- und Polyurethan-Systemen gegeben werden könnten, aber
nicht eingesetzt werden konnten, wo wärmeempfindliche elektronische
Komponenten beteiligt waren.
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Das
US-Patent Nr. 5514729 offenbart eine UV-härtbare Zusammensetzung, die
einen leitfähigen
Füllstoff
und eine niedrigviskose Harzformulierung umfasst, wobei letztere
eine Epoxyverbindung, einen Photoinitiator und einen Initiator für die thermische
Härtung
umfasst. Die vollständige
Härtung
der Zusammensetzung von
US 5514729 wird
mit Hilfe eines thermischen Härtungsschritts
der Abscheidung aller leitfähigen
Spuren folgend erreicht.
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EP-A-1061101
offenbart eine kationisch härtbare
Zusammensetzung, welche eine difunktionelle kationisch polymerisierbare
Verbindung, einen Diaryliodonium-Photoinitiator
und eine Verbindung, die bei Erwärmung
Radikale freisetzt und eine Halbwertszeit von 1 h bei einer Temperatur
von weniger als 100°C
aufweist, umfasst.
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Es
hat ein lang anhaltendes Bedürfnis
nach thermisch stabilen, einteiligen, photohärtbaren Harzzusammensetzungen,
wie Epoxyzusammensetzungen, gegeben, die eine flexible oder feste
Beschichtung und eine sichere vollständige Härtung und Abdichtung bereitstellen.
Eine solche Zusammensetzung ist bislang durch die vielen Fachleute
auf dem Gebiet nicht bereitgestellt worden.
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Ziel und Zusammenfassung
der Erfindung
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Ziel der Erfindung
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Ein
Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines flüssigen Harzprodukts,
das bei Aktivierung durch Ultraviolettlicht in seinem ganzen Volumen,
einschließlich
des Volumens, das durch das Ultraviolettlicht nicht erreicht wird,
zu einem Feststoff oder einem flexiblen Feststoff härtet.
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Ein
spezielles Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von kommerziellen
härtbaren
Einkomponenten-Harzzusammensetzungen, die für Dichtstrukturen brauchbar
sind, bei denen eine wesentlicher Teil der Harzzusammensetzung hinter
Strukturen und Komponenten abgeschirmt und daher nicht von Licht
erreichbar ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Harzzusammensetzung, die einen verbesserten
chemischen Schattenhärtungs-Mechanismus
besitzt, d.h. die Zusammensetzung härtet durch Belichtung mit Ultraviolettstrahlung
im ganzen Volumen, ohne das irgendwelche anderen Anregungen von
außen
erforderlich sind.
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Die
Erfindung betrifft eine durch Ultraviolettstrahlung härtbare Zusammensetzung
mit verbesserten Härtungseigenschaften
durch intern erzeugte Wärme
in den Bereichen im Schatten nach anfänglicher Aktivierung durch
Ultraviolettstrahlung. Die Zusammensetzung ist eine stabile, lagerfähige Flüssigkeit
bei Raumtemperatur und verwandelt sich nach Aktivierung durch Ultraviolettlicht
in ein hartes oder flexibles festes Material im ganzen Volumen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht diese Erfindung aus einer Harzzusammensetzung enthaltend
einen thermischen organischen Peroxyketal- Peroxidinitiator und einen oder mehrere
kationische Dialkyliodoniumsalz-Photoinitiatoren, die mit einem
oder mehreren alpha-Hydroxyketonen sensibilisiert sind. Die Zusammensetzung
liefert eine sich eigenständig
fortpflanzende thermische Härtungsreaktion,
zuerst aktiviert durch eine kurzzeitige Ultraviolettstrahlung an
der Oberfläche.
Die thermische Reaktion ist nicht gerichtet, wodurch die Begrenzung
der Visierrichtung bei derzeitigen Ultraviolettstrahlungs-Härtungsverfahren
beseitigt wird. Die vollständige
Härtung
der Zusammensetzung kann in sehr kurzer Zeit erreicht werden; häufig bloß nach ein
paar Minuten oder weniger. Die Aktivierungsperiode kann durch nur
ein paar Sekunden Ultraviolettlicht unter Verwendung einer breiten
Vielfalt von handelsüblichen
Ultraviolett-Lichtquellen bereitgestellt werden.
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Die
Ultraviolettstrahlungs-Polymerisation und -Vernetzung von Epoxy-
und Vinyletherharzen, z.B. durch die derzeitige kationische Photoinitiatorchemie,
war bis jetzt auf dünne
Beschichtungen gewöhnlich
mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm (0,06 Zoll) und sogar weniger,
wenn die Zusammensetzung Pigmente enthält, beschränkt. Diese heutigen Produkte
und Verfahren leiden an den Beschränkungen der Visierrichtung, weil
die Harzzusammensetzung, die nicht direkt mit Ultraviolettlicht
beleuchtet wird, nicht härtet.
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Das
erfindungsgemäße Produkt
verwendet im Vergleich zur bekannten gewerblichen Technik die Aktivierung
durch Ultraviolettlicht und durch Verwendung eines in situ verfügbaren chemischen
Prozesses führt der
Oberflächen-UV-Bestrahlungsschritt
zur Aktivierung eines chemischen Härtungsprozesses.
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Dieses
Härtungsverfahren
erzeugt eine anhaltende exotherme Reaktion, die die Härtung des
Harzes in größeren Tiefen
fortsetzt, als es derzeit mit der bekannten Chemie möglich ist.
Dieses Verfahren hat zumindest zwei hauptsächliche Vorteile, es ermöglicht eine
gründliche
Härtung
in opaken Harzen und beseitigt die Beschränkung der Visierrichtung von
vorhandenen Produkten durch Einsatz einer UV-getriggerten exothermen
Reaktion, die sich in der ganzen Zusammensetzung ausbreitet.
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In
einem bevorzugten Aspekt werden in der Zusammensetzung Diaryliodoniumsalze
in Kombination mit alpha-Hydroxketon-Photoinitiatoren eingesetzt,
um die durch Ultraviolett aktivierte Polymerisation zu steigern.
Dies bewirkt eine ausreichende exotherme Reaktion, um einen thermischen
organischen Peroxyketal- Peroxidinitiator
zu zersetzen. Die von dem Peroxid erzeugten Radikale reduzieren
ferner das Iodoniumsalz unter Bildung von Lewis-Säure, die
das Harz weiter polymerisiert und eine sich eigenständig fortpflanzende exotherme
Polymerisationsreaktion erzeugt, die fortschreitet, bis eine vollständige Härtung erfolgt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Einkomponentensystem bereit, das
bei Raumtemperatur über
Monate stabil ist.
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Weiter
Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie der Umfang, die Art und
die Verwendung der Erfindung werden den Fachleuten aus der nachstehend
aufgeführten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Zusammensetzungen der Erfindung können unter Verwendung einer
Vielfalt von Materialien und durch eine Vielfalt von Verfahren,
die nachstehend offenbart sind oder die nach Offenbarung dieses
Patent offensichtlich erscheinen, hergestellt werden. Der Anmelder
beabsichtigt nicht, die Materialien oder Verfahren zur Herstellung
solcher Additive durch die folgenden Beschreibungen zu beschränken.
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Ein
wichtiger Aspekt der Erfindung ist eine flüssige, Ultraviolett-härtbare Harzzusammensetzung,
umfassend:
- a) 25 bis 95 Gew.-% eines flüssigen Harzes
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus cycloaliphatischen Epoxiden und Vinylethern
und Mischungen davon mit Epoxypolyolefinen;
- b) wenn Komponente a) ein cycloaliphatisches Epoxid enthält, 1 bis
70 Gew.-% eines hydroxy-funktionellen Materials, das mit dem flüssigen Harz
der Komponente a) bei Anwendung eines Stimulus durch Ultraviolettlicht
reagiert;
- c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer kationischer Iodoniumsalz-Photoinitiatoren,
welche bei Einwirkung von Ultraviolettlicht Lewis-Säure bilden;
- d) 0,1 bis 0,5 Gew.-% eines Sensibilisatormaterials, welches
die Komponente c) sensibilisiert, um ihre Reaktivität zu erhöhen; und
- e) 0,2 bis 0,5 Gew.-% eines organischen Peroxyketal-Peroxids,
das eine Zehn-Stunden-Halbwertszeit von etwa 65°C bis 110°C hat.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine flüssige Harzzusammensetzung,
die durch Ultraviolettlicht härtbar
ist:
- a) 80 bis 99,6 Gew.-% eines flüssigen Harzes
ausgewählt
aus der Gruppe von Vinylethern und Mischungen davon mit Epoxypolyolefinen;
- b) 0,1 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer kationischer Iodoniumsalz-Photoinitiatoren,
welche bei Einwirkung von Ultraviolettlicht eine Lewis-Säure bilden;
- c) 0,1 bis 5,0 Gew.-% eines Sensibilisatormaterials, welches
die Komponente b) sensibilisiert, um ihre Reaktivität zu erhöhen; und
- d) 0,2 bis 5,0 Gew.-% eines organischen Peroxyketal-Peroxids,
das eine Zehn-Stunden-Halbwertszeit von etwa 65°C bis 110°C hat.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zusammensetzung
die folgenden Komponenten:
- a) 0,1 bis 10 Gew.-%
eines oder mehrerer kationischer Iodoniumsalz-Photoinitiatoren, welche bei Einwirkung
von Ultraviolettlicht eine Lewis-Säure bilden;
- b) 0,1 bis 5,0 Gew.-% eines Sensibilisatormaterials, welches
die Komponente b) sensibilisiert, um ihre Reaktivität zu erhöhen; und
- c) 0,2 bis 5,0 Gew.-% eines organischen Peroxyketal-Peroxids,
das eine Zehn-Stunden-Halbwertszeit von etwa 65°C bis 110°C hat.
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Die
Harzzusammensetzungen der Erfindung können auch andere Materialien
enthalten, die zur Aufnahme in Ultraviolett-härtbaren Harzzusammensetzungen
bekannt sind, z.B. Weichmacher, Pigmente, Fließverbesserer und farbgebende
Mittel.
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Für die Komponente
a) geeignete Harze sind in der Technik wohlbekannt und sind von
einer Vielzahl von Quellen im Handel erhältlich. Repräsentative
bevorzugte Harze, die gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, sind:
- 1) Cycloaliphatische
Epoxide – Epoxide,
die in den Zusammensetzungen der Erfindung besonders geeignet sind,
sind eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Oxiranring,
der durch Ringöffnung
polymerisierbar ist. Diese Materialien enthalten eine oder mehrere
reaktive Gruppen, die sich aus der Verbindung von einem Sauerstoffatom
mit zwei Kohlenstoffatomen unter Spannung in einer Ringstruktur
ergeben, die folgendermaßen
verbunden sind:
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Solche
cycloaliphatischen Epoxide beinhalten monomere Epoxyverbindungen
und Epoxide vom Polymertyp. Diese Materialien haben im allgemeinen
im Durchschnitt mindestens 1,0 polymerisierbare Epoxygruppen pro
Molekül
(bevorzugt zwei oder mehr Epoxygruppen pro Molekül). Bei den Epoxiden kann es
sich um reine Verbindungen handeln, im allgemeinen handelt es sich
aber um Mischungen, die ein, zwei oder mehr Epoxygruppen pro Molekül enthalten.
Die "mittlere" Anzahl von Epoxygruppen
pro Molekül
wird durch Dividieren der Gesamtzahl an Epoxy im Epoxy enthaltenden
Material durch die Gesamtzahl von vorhandenen Epoxymolekülen bestimmt.
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Geeignete
cycloaliphatische Epoxidmaterialien beinhalten solche, die Cyclohexenoxid-Gruppen
enthalten, wie die Epoxycyclohexancarboxylate, wofür 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat
und Bis(3,4-epoxy-6-methylcyclohexylmethyl)adipat typische Beispiele
sind.
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Diese
Epoxide können
von niedermolekularen monomeren Materialien bis zu hochmolekularen
Polymeren variieren und sie können
in großem
Umfang in der Art des Gerüsts
und der Substituentengruppen variieren. Mischungen von verschiedenen
Epoxidmaterialien können
in den Zusammensetzungen der Erfindung auch verwendet werden.
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Beispiele
von Epoxiden des Typs, der bei der Durchführung der Erfindung eingesetzt
werden kann, sind in "Handbook
of Epoxy Resins" von
Lee und Neville, McGraw-Hill Book Co., New York (1967), beschrieben.
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Insbesondere
ist Union Carbide ein wichtiger Hersteller in den Vereinigten Staaten
von für
die Erfindung geeigneten cycloaliphatischen Epoxiden, die unter
der Marke Cyracure kommerziell vertrieben werden. Degussa Corporation
bietet ebenfalls für
die Erfindung geeignete cycloaliphatische Epoxide an, die hauptsächlich in
Europa vertrieben werden. ERL 4221 von Union Carbide (3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat)
war besonders brauchbar.
- 2) Vinylether – Zusammensetzungen,
die in der Erfindung geeignet sind, sind Materialien mit mindestens einer
Gruppe, die eine Doppelbindung gefolgt von Sauerstoffatom wie folgt
aufweist:
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Eine
Art von in der vorliegenden Erfindung zu verwendenden, bevorzugten
Vinylethern sind solche von ISP, eine Tochtergesellschaft von GAF,
unter der Marke Rapi-cure. Besonders geeignet sind solche, die eine duale
Funktionalität
von Vinylethergruppen und Hydroxylgruppen am gleichen Molekül enthalten.
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Andere
besonders geeignete Vinylether sind Hydroxybutylvinylether und Cyclohexandimethanolmonovinylether.
Auch geeignet sind Cyclohexandimethanoldivinylether und Propenylether
von Propylencarbonat. Vinylether von Allied Signal, die unter der
Handelsbezeichnung Vectomer vertrieben werden, sind auch brauchbar,
insbesondere einschließlich
VE 4010 (1,3-Benzoldicarbonsäurebis[4(ethenyloxy)butyl]ester)
und VE 4200 (1,3-Pentandiocsäurebis[4(ethenyloxy)methyl,
cyclohexyl]methylether) ebenso wie höheren Oligomeren, die als VE
1214 und VE 1312 vertrieben werden.
- 3) Epoxypolyolefine – diese
Verbindungen beinhalten Polyolefinharze mit einer Epoxyfunktion,
die aus Polyethylenen, Polypropylenen, Polybutylenen, Polymethylpentan,
Polyisoprenen und Copolymeren davon; Copolymeren von Olefinen und
anderen Monomeren, wie Ethylen-Vinylacetat, Ethylen-Säure-Copolymeren
und Ethylen-Vinylalkoholen, bestehen können. Es wurde festgestellt,
dass auch epoxidierte natürliche Öle, wie
Sojaöl
und Leinöl,
epoxidierte Polybutenpolyglycol-Epoxyharze,
Epoxyharze auf Bis A-Basis und Epoxy-Novolakharze brauchbar sind.
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Materialien,
die in den erfindungsgemäßen Zusammensetzung
besonders geeignet sind, deren Wirksamkeit für die exotherme Reaktion ermittelt
wurde, waren die Elf Atochem-Reihe der Vikolox-Epoxypolyolefine,
einschließlich
Vikolox 16 (C16H32O),
die Dow Chemicals-Reihe der D. E. R.-Polyglycolharze und die Union Carbide-Reihe
der Cyracure-Produkte, einschließlich 1,2-Epoxyhexadecan. Auch
als geeignet ermittelt wurden die Dow D. E. N.-Reihe von Epoxy-Novolakharzen
und die Dow D. E. N.-Reihe von Epoxyharzen auf Bis A-Basis.
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Die
Verbindung(en) (b) der Erfindung werden verwendet, wenn Verbindung
(a) ein cycloaliphatisches Epoxid enthält, und es kann sich um jede
hydroxyfunktionelle Chemikalie oder jedes hydroxyfunktionelle Material
handeln, die bzw. das mit Verbindung a) reagiert, um ein festes
Reaktionsprodukt zu bilden. Jedes Polyol mit primärer oder
sekundärer
Hydroxylfunktionalität
ist geeignet. Auch geeignet wäre
ein Triol oder ein höheres Polyol
mit drei oder mehr funktionellen Gruppen. Bei dem Hydroxyl enthaltenden
Material, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
kann es sich um jedes flüssige
oder feste organische Material mit einer Hydroxylfunktionalität von mindestens
1 und bevorzugt mindestens 2 oder mehr handeln.
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Im
allgemeinen sollte das Hydroxyl enthaltende Material frei von Gruppen
sein, die thermisch oder photolytisch instabil sein können; d.h.
das Material sollte bei Temperaturen unter etwa 100°C oder in
Anwesenheit von Ultraviolettlicht, die während der gewünschten
Härtungsbedingungen
für die
erfindungsgemäße Harzzusammensetzung
beteiligt sind, sich nicht zersetzen.
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Vorzugsweise
enthält
das Material zwei oder mehr primäre
oder sekundäre
aliphatische Hydroxylgruppen (d.h. die Hydroxylgruppe ist direkt
an ein nicht aromatisches Kohlenstoffatom gebunden). Die Hydroxylgruppe
kann endständig
angeordnet sein oder sie kann seitenständig von einem Polymer oder
Copolymer sein. Das Molekulargewicht (d.h. das Zahlenmittel des
Molekulargewichts) des Hydroxyl enthaltenden organischen Materials
kann von sehr niedrig (z.B. 31) bis sehr hoch (z.B. eine Million
oder mehr) variieren. Das Äquivalentgewicht
(d.h. das Zahlenmittel des Äquivalentgewichts)
des Hydroxyl enthaltenden Materials liegt bevorzugt im Bereich von
etwa 31 bis 5.000. Wenn Materialien von höherem Äquivalentgewicht verwendet
werden, neigen sie dazu, die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Copolymerisation
zu verringern.
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Repräsentative
Beispiele für
geeignete Materialien mit einer Hydroxylfunktionalität von 1
beinhalten Alkanole, Monoalkylether von Polyoxyalkylenglycolen,
Monoalkylether von Alkylenglycolen und andere, die in der Technik
bekannt sind.
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Andere
Beispiele von geeigneten polymeren Hydroxyl enthaltenden Materialien
beinhalten Polyoxyethylen- und Polyoxypropylenglycole; Polytetramethylen glycole;
Copolymere von Polyvinylacetalverbindungen enthaltend seitenständige Hydroxylgruppen,
Cellulosepolymere, wie hydroxyethylierte und hydroxypropylierte Cellulose;
Polyester mit Hydroxy-Endgruppe; Polyacetone mit Hydroxy-Endgruppe;
Silicone mit Hydroxy-Endgruppe; und Polyalkadiene mit Hydroxy-Endgruppe.
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Spezielle
Materialien, die als besonders geeignet für Verbindung b) ermittelt wurden,
sind Polycaprolactone, wie die Tone-Reihe von Union Carbide, wie
Tone 0301 und Tone 305, Polyoxypropylenglycole, wie LHT 240 von
Union Carbide, und die Reihe von Dupont von Polytetramethylenglycolen,
wie Tetrathane 650.
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Die
Menge an Hydroxyl enthaltendem Material, das in den Zusammensetzungen
der Erfindung verwendet wird, kann in Abhängigkeit von Faktoren, wie
der Kompatibilität
des Hydroxyl enthaltenden Materials mit dem Epoxidharz-Material,
dem Äquivalentgewicht
und der Funktionalität
des Hydroxyl enthaltenden Materials, den physikalischen Eigenschaften,
die der Abnehmer in der fertigen gehärteten Zusammensetzung wünscht, und
der erforderlichen Zeit und Geschwindigkeit der Härtung, über weite
Bereiche variieren. Ein bevorzugtes Verhältnis des cycloaliphatischen
Anteils der Komponente a) zur Komponente b) variiert zwischen 1,5
zu 1 und 10 zu 1.
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Mischungen
von Hydroxyl enthaltenden Materialien können verwendet werden, falls
gewünscht.
Man kann z.B. Mischungen von zwei oder mehr polyfunktionellen Hydroxymaterialien
verwenden.
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Komponente
c) ist ein oder mehrere kationische Iodoniumsalz-Photoinitiatoren.
Besonders geeignete Iodoniumsalze sind aromatische Salze einschließlich Diaryliodoniumhexafluorantimonat.
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Der
kationische Photoinitiator initiiert die Reaktion der Epoxyfunktionalität am Harz
am häufigsten
an der Oberfläche
der Zusammensetzung, wenn belichtet wird. Der kationische Photoinitiator
erzeugt bei Bestrahlung mit Ultraviolettlicht eine Supersäure (Lewis-Säure), die
den kationischen Härtungsprozess
katalysiert. Die Säure,
die im Photolyseschritt erzeugt wird, reagiert mit dem epoxyfunktionellen
Material unter Addition eines Protons an die Epoxygruppe. Nach Umlagerung
reagiert diese positiv geladene Spezies dann weiter mit einem zusätzlichen
mol Epoxy, was zu einer weiteren Fortpflanzung der wachsenden Polymerkette
führt.
In Anwesenheit der Hydroxylgruppen enthaltenden Verbindungen findet
eine Kettenübertragungsreaktion
statt.
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Beispielhafte
Typen von im Handel erhältlichen
geeigneten funktionellen Photoinitiatoren, die für die Erfindung geeignet sind,
beinhalten Sarcat CD-1012 von Sartomer und ein chemisch ähnliches
Produkt von General Electric.
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Komponente
d) ist ein Sensibilisatormaterial, bei der es sich um jede Chemikalie
handeln kann, die die vorstehend beschriebenen Photoinitiatoren
sensibilisiert, um ihre Reaktivität zu steigern und für eine tiefere Eindringung,
wodurch die Reduktion des Iodoniumsalz in die Lewis-Säure gesteigert
wird. Diese Verbindungen absorbieren gewöhnlich Ultraviolettlicht über einen
breiteren Wellenlängenbereich
als die vorher erörterten kationischen
Photoinitiatoren. Diese Materialien zerfallen in hydroxyfunktionelle
Radikale, die dann direkt das Iodoniumsalz zu Lewis-Säure reduzieren,
wodurch Lewis-Säure
sowohl in einer tieferen Eindringung des Lichts als auch über einen
breiteren Wellenlängenbereich
erzeugt wird.
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Materialien,
die als besonders geeignet ermittelt wurden, sind alpha-Hydroxyketone. 1-Hydroxylcyclohexylketon
(C13H16O2) und 2-Hydroxyl-2-methylphenylpropan-1-keton
(C10H2O2)
sind besonders wirksam. Daracure 1173 und Iracure 184, die beide
von Ciba-Geigy geliefert werden, sind besonders brauchbar.
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Komponente
e) ist ein organisches Peroxyketal-Peroxid, das eine Zehn-Stunden-Halbwertszeit
von etwa 65°C
bis 110°C
aufweist. Jedes Peroxyketal-Peroxid
kann verwendet werden, wobei solche Verbindungen, die geschlossene
Kohlenstoffringgruppen aufweisen, am meisten bevorzugt sind. Dieses
Material hält eine
fortgesetzte chemische Reaktion aufrecht, nachdem der Photoinitiator
durch Ultraviolettlicht aktiviert wurde. Dieses Licht erzeugt eine
ausreichende Exotherme, um das Peroxid anfänglich zu zersetzen.
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Die
Polymerisationswärme
zersetzt das Peroxid thermisch, was ein Radikal erzeugt, das weiter
das Iodoniumsalz zu Lewis-Säure
reduziert. Die Lewis-Säure
reagiert mit dem noch nicht gehärteten
Harz und erzeugt zusätzliche
Wärme,
um mehr Peroxid zu zersetzen. Das erwärmte Peroxid setzt so die Reduktion
des Iodoniumsalzes (nachdem die Ultraviolett-Lichtquelle entfernt
wird) durch fortgesetzte Erzeugung von Radikalen fort, die die Reduktion
des Salzes in die Lewis-Säure fortsetzen,
bis das ganze Epoxid oder der ganze Vinylether in der ganzen Zusammensetzung
reagiert hat.
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Besonders
geeignete organische Peroxyketal-Peroxide beinhalten 1,1-Di-(tert.-butylperoxycyclohexan)
und 1,1-Di-(tert.-amylperoxycyclohexan). Spezielle Beispiele von
geeigneten handelsüblichen
Peroxiden beinhalten Lupersol 331-80B und Lupersol 531-80B von Elf-Atochem.
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Ohne
an eine Theorie gebunden sein zu wollen oder auf spezielle eingesetzte
Chemikalien beschränkt sein
zu wollen, folgt ein theoretischer Vortrag des Reaktionsprozesses
der Komponenten der Erfindung bei Aktivierung durch Ultraviolettlicht:
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Die
Zusammensetzungen der Erfindung können als Mischung der einzelnen
Komponenten unter Verwendung gewöhnlicher
Labor- oder Produktionsausrüstung
hergestellt werden.
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Die
Chemikalien können
in jeder Reihenfolge zugegeben werden. Eine Mischvorrichtung, die
in der Technik gut bekannt ist, kann zur Erzielung einer vollständigen Mischung
eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter
erläutert.
Alle Teile und Prozente beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht
anders angegeben. Die chemischen Namen für die verwendeten Abkürzungen
sind nachstehend angegeben.
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Abkürzungsschlüssel
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- ERL 4221
- 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexancarboxylat
- TONE 0310
- Polycaprolacton
- CD 1012
- Diaryliodoniumhexafluorantimonat
- ITX
- Isopropylthioxanthon
- CQ
- Kampherchinon
- BP
- Benzophenon
- DEAP
- 2,2-Diethoxyacetophenon
- I 819
- Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphinoxid
- BDK
- 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon
- D 1173
- 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on
- I 2959
- 4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl(2-hydroxy-2-methylpropyl)keton
- KIP 150
- Oligo[2-hydroxy-2-methyl-1-[4-(1-methylvinyl)phenyl]propanon]
- I 184
- 1-Hydroxycyclohexylphenylketon
- I 369
- 2-Benzyl-2-N,N-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanon
- I 907
- 2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl-2-morpholino]propan-1-on
- ODAB
- 2-Ethylhexyl-p-dimethylaminobenzoat
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Beispiel 1
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Zur
Steigerung der Reaktivität
und so der Härtungstiefe
von einer Epoxy/Polyol-Mischung mit CD 1012 in Kombination mit alpha-Hydroxyketon
wurde der Einsatz von sich thermisch zersetzenden Peroxidinitiatoren bewertet,
um zu bestimmen, ob sie Radikale produzieren können, die das Diaryliodoniumantimonatsalz
weiter zu Lewis-Säure
reduzieren.
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Die
Wärme,
die zur Zersetzung des Peroxids erforderlich ist, wurde bereitgestellt
durch die anfängliche Exotherme
aus der mit Ultraviolett initiierten Polymerisation des Epoxy/Polyols
durch die erzeugte Lewis-Säure durch
die Kombination von alpha-Hydroxyketon, was eine große Menge
(große
Tiefe) des Diaryliodoniumsalzes reduziert.
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Eine
Epoxy/Polyol-Basis wurde folgendermaßen hergestellt:
ERL
4221 | 57,8
Teile |
TONE
0310 | 42,2
Teile |
CD
1012 | 1,0
Teile |
Iracure
184 | 3,0
Teile |
| gesamt 104 Teile |
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Eine
Reihe von Peroxiden wurde dann zur Basis gegeben und eine Reihe
von Tests wurden bei einem Füllniveau
von 2,5 cm (1 Zoll) durchgeführt.
Die untersuchten Peroxide sind in nachstehender Tabelle 1 zusammengefasst,
worin die Peroxide 1 bis 6 und 9 Zusammensetzungen nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung bilden, die aber zum Vergleich mit den Zusammensetzungen
der Erfindung, die unter Verwendung der Peroxide 7 und 8 gebildet
werden, aufgenommen sind.
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Die
beobachteten Testergebnisse sind in nachstehender Tabelle 2 dargestellt.
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Diskussion der Ergebnisse
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Der
Peroxide Nr. 7 und 8, die von der Klasse der Peroxyketale sind,
arbeiteten am besten. Die besten Ergebnisse wurden mit Nr. 8, einem
Amylperoxyketal geliefert, das eine vollständige Härtung bis zu einer Tiefe von
2,5 cm (1 Zoll) ergab. Zur Erreichung einer Härtung bis zu einer Tiefe von
2,5 cm (1 Zoll) brauchte es für die
Probe Nr. 8 nur etwa 3 min Nachhärtung
bei RT nach UV-Belichtung, um die Reaktion mit einer Dosis von 1.000
mJ/cm2 mit einer (D)-Birne zu starten. Bei
der Härtung
wurde eine stark exotherme Reaktion beobachtet.
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Beispiel 2
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Dieses
Beispiel erläutert
eine Bewertung unter Verwendung von Vinylethern. Die Verwendung
von Vinylethern als Basisharzen wurde mit einem Iodoniumsalz, α-Hydroxyketon und
einer Amylperoxyketal-Mischung bewertet. Vinylether können durch
eine starke Lewis-Säure
durch kationische Reaktion (Polymerisation) gehärtet werden. Basisformulierung
Vectomer
VE 1214 | 100,0
(Polyesterdivinylether) |
CD
1012 | 1,0
Epoxid-Äquivalentgewicht
(EÄW) =
~560 |
I 184 | 3,0 |
Lupersol
531-80B | 2,5 |
| insgesamt 106,5 |
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Das
gleiche Verfahren und die gleichen Chemikalien wie im vorigen Beispiel
wurden verwendet.
Tiefe der Härtung = 2,5 cm (1.000 mil)
(vollständige
Härtung)
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Diskussion der Ergebnisse
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Durch
Verwendung eines Iodoniumsalzes, von alpha-Hydroxyketonen und einer
Amylperoxyketal-Mischung wurde eine vollständige tiefe Reaktionshärtung in
einem kationischen Vinylether-Härtungssystem
erreicht.
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Beispiel 3
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Unter
Verwendung eines ähnlichen
Epoxy/Polyol-Systems wie in Beispiel 1 erfolgte eine Bewertung der
Sensibilisierung von Diaryliodoniumantimonat-Salz in einem Epoxy/Polyol-System
unter Verwendung verschiedener Sensibilisierungsmittel. Auch bewertet
wurde der Einsatz von unterschiedlichen Wellenlängen von UV-Licht unter Verwendung
unterschiedlicher Birnen-Fusionssysteme bei einer Dosis von 1.000
mJ/cm2 über 250–415 mm,
um die Härtung
der Systeme zu steigern. Die Probenzusammensetzungen und Testergebnisse sind
in nachstehender Tabelle 3 dargestellt.
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TABELLE
3 Verschiedene
handelsübliche
Radikalbildner (keine alpha-Ketone) Lauf
Nummer
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TABELLE
3 (Fortsetzung) – verschiedene
alpha-Ketone Lauf
Nummer
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TABELLE
3 (Fortsetzung) – andere
Radikalbildner (keine alpha-Ketone) Lauf
Nummer
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TABELLE
3 (Fortsetzung) – Ergebnisse
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Diskussion der Ergebnisse
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Das
Iodoniumsalz kann durch einige Radikale PI sensibilisiert werden.
Die ist aber im Fall des α-Hydroxyketons
am wirksamsten, siehe nämlich
die Ergebnisse für
die Proben 8 bis 11. Dies liegt wahrscheinlich in der Tatsache begründet, dass
das α-Hydroxyradikal,
das gebildet wird, direkt das Iodoniumsalz reduziert und so eine
sehr starke Lewis-Säure
erzeugt. Die Absorption längerer
Wellenlängen
des α-Hydroxyketons PI
ergibt eine tiefere UV-Eindringung in die Masse des Epoxy-Vergussmaterials
unter Erzeugung einer großen
Exotherme, die auch die Reaktivität der Lewis-Säure steigert.