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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein chemisch resistentes wärmehärtbares Harz, das einen sehr
geringen Gehalt an flüchtigen
organischen Bestandteilen aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung
verbesserte ungesättigte Polyesterharze,
insbesondere ungesättigte
Isophthalatpolyesterharzzusammensetzungen, die geeignete Bestandteile
für Produkte
sind, die einen niedrigen Gehalt an ethylenisch ungesättigtem
reaktiven Lösungsmittel-Monomer
aufweisen. Die wärmehärtbaren
Harze der Erfindung, die einen verringerten Gehalt an Styrolmonomer
und die verbesserten ungesättigten
Polyester aufweisen, wiesen ausgezeichnete physikalische Eigenschaften
auf, ebenso wie eine ausgezeichnete Beibehaltung der Stärke und
der Härte
in einem korrosivem Umfeld.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
vielseitig verwendbare Gruppe von wärmehärtbaren Materialien, die als
ungesättigte
Polyesterharze bekannt ist, umfasst Polyesterpolymere mit niedrigem
Molekulargewicht, die von ungesättigten
zweibasigen Säuren
und/oder Anhydriden, die in ungesättigen Vinylmonomeren aufgelöst sind,
abstammen. Während
ungesättige
Polyesterharze überwiegend
in Verbindung mit Glasfaser oder Kohlenstofffaserverstärkung zur
Bildung von laminaren Verbundstoffen verwendet werden, werden ungesättigte Polyesterharze
zudem auch bei Gießverfahren
verwendet, die für
gewöhnlich
einen hohen Gehalt an Füllstoffen
oder Mineralstoffaggregaten umfassen.
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Die
Eigenschaften der wärmehärtbaren
Materialien, die durch die Stufenwachstumsveresterung von Glykolen
und zweibasigen Säuren
gebildet werden, können
weitgehend durch die Wahl der mitreagierenden Rohmaterialien beeinflusst
werden können.
Die Reaktivität,
die für
die Mehrheit der im Handel erhältlichen
Harze grundlegend ist, stammt von dem Maleinsäureanhydrid als ungesättigtem
Bestandteil in dem ungesättigten Polyester,
und dem Styrol als Verdünnungsmittel
und als mitreagierendes Monomer ab. Propylenglykol wird in den meisten
Zusammensetzungen als Hauptglykol verwendet, und ortho-Phthalsäureanhydrid
ist zur Mäßigung der
Reaktivität
und Leistung der endgültigen
Harze die wichtigste zweibasige Säure. Obwohl Phthalsäureharze
bei Herstellungsverfahren unter Normalbedingungen weite Anwendung
finden, werden Isophthalsäureharze
häufiger
bei Produkten verwendet, bei denen Formgebungsverfahren unter hohen
Temperaturen angewendet werden.
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Durch
das Ersetzen von Phthalsäureanhydrid
mit Isophthalsäure
wird eine verbesserte mechanische und thermische Leistung sowie
eine verbesserte Beständigkeit
gegenüber
korrosiven Umgebungen zur Verfügung
gestellt, wobei dies wesentliche Eigenschaften für eine Vielzahl an Produkten
sind, einschließlich
für Benzinlagertanks
und Kanalisations- und Wasserrohre mit großem Durchmesser.
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Der
Schmelzpunkt des Isophthalsäurepolymers
mit einem höheren
Molekulargewicht ist jedoch viel höher als derjenige von ortho-Phthalsäureharzen,
und die Mischtemperaturen müssen
beim Styrol erhöht
werden, um ein Herausfrieren des Polymers zu vermeiden. Aufgrund
des hohen Molkulargewichts und der hohen Viskosität dieser
Isopolyesterharze im Styrol, werden zu Steuerung der Viskosität der Mischung
höhere
Styrolmengen benötigt.
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Immer
striktere Regelungen und Vorschriften zum Umweltschutz haben den
Bedarf an wärmehärtbaren
Materialien erhöht,
insbesondere den Bedarf an ungesättigten
Polyesterharzen, die einen sehr geringen Gehalt an flüchtigen
organischen Bestandteilen aufweisen, d. h. die einen sehr geringen
VOC ("volatile organic contents") aufweisen. So sind
zum Beispiel ungesättigte
Isopolyesterharze bei laminaren Verbundstoffen mit Glasfaserverstärkung zur
Verbesserung der Temperaturbeständigkeit
erwünscht,
ebenso wie zur Herstellung von stärkeren, elastischeren, verbundenen
Kunststoffen, die eine verbesserte Beständigkeit gegen chemische Angriffe
zeigen. Da ungesättigtes
Isopolyesterharz oft einen wesentlichen Teil einer Gesamtzusammensetzung
ausmacht, ist Harz mit einem sehr niedrigen Gehalt an flüchtigen
organischen Bestandteilen zur Erzielung eines sehr niedrigen VOC
für die
Gesamtzusammensetzung sehr wichtig.
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Es
war bisher jedoch schwierig, einen Gehalt an flüchtigen organischen Inhaltsstoffen,
der so niedrig wie erwünscht
war, bei vernetzten Kunststoffen zu erzielen, die ungesättigte Polyesterharze
verwenden, insbesondere bei Systemen, die eine Kombination aus ungesättigtem
Isopolyester mit Styrol als Verdünnungsmittel
und mitreagierendem Monomer verwenden. Das Entfernen von Styrol
aus den Zusammensetzungen, die Isopolyesterharze enthalten, bei
dem Versuch, einen niedrigen Gehalt an flüchtigen organischen Inhaltsstoffen
zu erzielen, ist von wesentlichen Nachteilen begleitet, die unter
anderem zu einem Anstieg der Viskosität der Harzzusammensetzungen
in einem nicht erwünschten
Maße führen, und/oder
den Verlust der benötigten
physikalischen Eigenschaften oder Korrosionsbeständigkeitseigenschaften verursachen.
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Aus
diesem Grund besteht gegenwärtig
Bedarf an wärmehärtbaren
Harzzusammensetzungen, die einen niedrigen Gehalt an flüchtigen
organischen Bestandteilen aufweisen.
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Es
ist erwünscht,
dass verbesserte ungesättigte
Polyesterharze, insbesondere ungesättigte Isophthalatpolyesterharze,
geeignete Bestandteile für
Produkte sind, die einen niedrigen Gehalt an ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittelmonomeren
aufweisen. So sollten zum Beispiel ungesättigte Isopolyesterharze, die
in laminaren Verbundstoffen mit Glasfaserverstärkung zur Verbesserung der
Temperaturwechselbeständigkeit
erwünscht
sind, auch stärkere,
elastischere vernetzte Kunststoffe, die eine verbesserte Beständigkeit
gegen chemische Angriffe aufweisen, erzeugen.
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Vorteilhafterweise
sollen derartige Verbesserungen in einem wärmehärtbaren Harz mit einem verringerten
Gehalt an Styrolmonomer kombiniert werden, und eine derartig verbesserte
Zusammensetzung kann in korrosiven Umgebungen ausgezeichnete physikalische
Eigenschaften, eine ausgezeichnete Retention der Festigkeit sowie
eine ausgezeichnete Härte
aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung soll die obenstehend erläuterten Probleme lösen, und
wärmehärtbare Harze
zur Verfügung
stellen, die einen niedrigen Gehalt an flüchtigen organischen Bestandteilen
aufweisen. Ein ungesättigtes
Polyesterharz ist wünschenswert,
insbesondere eine ungesättigte
Isophthalatpolyesterharzzusammensetzung, die ein geeigneter Bestandteil
für wärmehärtbare Produkte
ist, die einen niederen Gehalt an einem ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittelmonomer
aufweisen, und dennoch ausgezeichnete physikalische Eigenschaften
aufweisen und in korrosiven Umgebungen ihre Stärke und Härte beibehalten.
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Die
wärmehärtbaren
Harze der Erfindung weisen bei 25°C
vorzugsweise eine Brookfield Viskosität von weniger als 1,5 Pa (1500
cP) auf, besonders bevorzugt von weniger als etwa 1,2 Pa (1200 cP),
und ganz besonders bevorzugt von weniger als etwa 1,0 Pa (1000 cP).
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Aspekte
dieser Erfindung umfassen chemisch resistente wärmehärtbare Harze, die einen niedrigen Gehalt
an flüchtigen
organischen Bestandteilen aufweisen, umfassend
- (i)
einen geringeren Gewichtsteil an einem ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittel,
- (ii) einen größeren Gewichtsteil
an ungesättigtem
Polyester.
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Das
erfindungsgemäße ungesättigte Polyester
wird durch ein Verfahren hergestellt, umfassend:
- (a)
die Kondensation eines zweiwertigen Alkohols mit wenigstens einer
Dicarbonsäure
und/oder eines Anhydrids aus Dicarbonsäure, zur Bildung eines veresterten
Polymeres, das eine Säurezahl
in einem Bereich ab 5 mg KOH/g Polymer aufweist, und
- (b) die Umsetzung des veresterten Polymers mit einer Menge Glycidylmethacrylat
zur Bildung eines ungesättigten
Polyesters, das eine Säurezahl
in einem Bereich unterhalb von 15 mg KOH/g ungesättigtem Polyester aufweist.
Vorzugsweise weist das ungesättigte
Polyester eine Säurezahl
auf, die im Bereich von 1 bis 15 mg KOH/g eines ungesättigten
Polyesters liegt, besonders bevorzugt liegt die Säurezahl
in einem Bereich von 1 bis 10, und ganz besonders bevorzugt liegt
die Säurezahl
des ungesättigten Polyesters
in einem Bereich von 1 bis 5 mg KOH/g des ungesättigten Polyesters.
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Die
Gewichtsverhältnisse
von Glycidylmethacrylat zu dem veresterten Polymer liegen im Allgemeinen in
einem Bereich unter 0,005 AN, d. h., dem Produkt von 0,005 und der
Säurezahl
des veresterten Polymers. Das Gewichtsverhältnis des Glycidylmethacrylats
zu dem Veresterungspolyester liegt vorzugsweise in einem Bereich
von 0,001 AN bis 0,005 AN. Das Gewichtsverhältnis des Glycidylmethacrylats
zu dem veresterten Polymer liegt ganz besonders bevorzugt in einem
Bereich von 0,001 AN bis 0,004 AN, und am meisten bevorzugt in einem
Bereich von 0,001 AN bis 0,003 AN.
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Das
veresterte Polymer wird vorzugsweise durch ein Verfahren gebildet,
das zunächst
die Kondensierung eines zweiwertigen Alkohols, der 2 bis 10 Kohlenstoffatome
enthält,
und einer aromatischen Dicarbonsäure,
umfasst. Dabei wird das Kondensationswasser zur Bildung einer Polymerschmelze
abdestilliert, die eine Säurezahl
im Bereich von 5 bis 15 mg KOH/g des Polymers umfasst, und das Polymer
wird dann mit einer ungesättigen
Dicarbonsäure
und/oder einem Anhydrid einer ungesättigten Dicarbonsäure und/oder
einem Anhydrid kondensiert, während
das Kondensationswasser abdestilliert wird, damit ein verestertes
Polymer mit einer Säurezahl,
AN, in einem Bereich von mehr als 10 mg KOH/g Polymer gebildet wird.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist ein chemisch widerstandsfähiges wärmehärtbares
Harz, das einen niedrigen Gehalt an flüchtigen organischen Bestandteilen
aufweist, umfassend (i) 35 bis 45 Gewichtsteile eines ethylenisch
ungesättigten
reaktiven Lösungsmittels,
und (ii) 65 bis 55 Gewichtsteile eines ungesättigten Polyesters, das durch
ein Verfahren hergestellt wurde, umfassend (a) eingangs die Kondensation
eines zweiwertigen Alkohols, der von 2 bis zu 10 Kohlenstoffatome
aufweist, und Isophthalsäure,
wobei das Kondensationswasser abdestilliert wird, um eine Polymerschmelze
zu bilden, die eine Säurezahl
in einem Bereich von 5 bis 15 mg KOH/g Polymer aufweist, und danach
Kondensation des Polymers und des Maleinsäurenanhydrids, während das
Kondensationswasser zur Bildung eines Veresterungspolymers, das
eine Säurezahl,
AN, von wenigstens 10 aufweist, abdestilliert wird; und
(b)
ferner das derartige Umsetzen veresterten Polymers mit einer Menge
an Glycidylmethacrylat, dass das Gewichtsverhältnis von Glycidylmethacrylat
zu dem Kondensationspolymer in einem Bereich von 0,001 AN bis 0,004
AN liegt, zur Bildung eines ungesättigen Isopolyesters, der eine
Säurezahl
in einem Bereich von 1 bis 15 mg KOH/g an ungesättigtem Polyester aufweist.
Bevorzugt weist das veresterte Polymer eine Säurezahl in einem Bereich von
10 bis 30 mg KOH/g Polymer auf und besonders bevorzugt liegt AN
in einem Bereich von 15 bis 25.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verbundstoffzusammensetzung,
die eine Beständigkeit
gegenüber
einem chemischen Angriff aufweist, umfassend: 25 bis 500 Gewichtsteile
eines faserartigen Verstärkungsmaterials
und/oder Füllmittels;
35 bis 45 Gewichtsteile eins ethylenisch ungesättigten reaktiven Lösungsmittels;
und 65 bis 55 Gewichtsteile eines ungesättigten Polyesters. Vorteilhafterweise
wird das ungesättigte Polyester
durch ein Verfahren hergestellt, umfassend:
- (1)
die anfängliche
Kondensation des zweiwertigen Alkohols, der von 2 bis zu 10 Kohlenstoffatome
enthält, und
der Isophthalsäure,
wobei das Kondensationswasser abdestilliert wird, um eine Polymerschmelze,
die eine Säurezahl
von 5 bis zu 15 mg KOH/g Polymer aufweist, zu bilden,
- (2) die nachfolgende Kondensation des Polymers und des Maleinsäureanhydrids,
wobei das Kondensationswasser abdestilliert wird, um ein verestertes
Polymer mit einer Säurezahl,
AN, in einem Bereich von 15 bis zu 25 mg KOH/g Polymer zu erhalten,
und
- (3) ferner die Umsetzung des veresterten Polymers mit einer
Menge an Glycidylmethacrylat, derart, dass das Gewichtsverhältnis des
Glycidylmethacrylats zu dem Kondensationspolymer in einem Bereich
von 0,001 AN bis zu 0,004 AN liegt, um ein ungesättigtes Isopolyester zu bilden,
das eine Säurezahl
in einem Bereich von 1 bis zu 10 mg KOH/g des ungesättigten
erfindungsgemäßem Polyesters
gebildet wird.
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Zum
vollständigen
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird hiermit auf die untenstehend näher erläuterten
und anhand der Beispiele der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen
Bezug genommen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
den chemisch beständigen
wärmehärtbaren
Harzen der Erfindung umfasst das ethylenisch ungesättigte reaktive
Lösungsmittel
ein beliebiges Material, das mit dem ungesättigten Polyester copolymerisieren kann.
Das ethylenisch ungesättigte
reaktive Lösungsmittel,
das mit den ungesättigten
Polyestern der Erfindung copolymerisiert, umfasst wenigstens ein
Mitglied aus der Gruppe bestehend aus Styrol, Vinyltoluol, t-Butylstyrol, Chlorstyrol,
Divinylbenzol, α-Methylstyrol,
Diacetonacrylamid, Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylacrylat, Methylacrylat,
Methylmethacrylat, Butylmethacrylat, und Butylacrylat.
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Das
ethylenisch ungesättigte
reaktive Lösungsmittel
umfasst bevorzugt Styrol oder Vinyltoluol, und die Menge des Lösungsmittelmonomers
liegt in einem Bereich von 25 bis zu 45 Gewichtsprozent des Harzes
vor. Besonders bevorzugt liegt die Menge des ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittels
in einem Bereich von 35 bis zu 45 Gewichtsprozent des Harzes vor.
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Mehrwertige
Alkohole, die bei der Herstellung der Polyester verwendbar sind,
umfassen Diole, Triole und Alkohole mit höherer Funktionalität. Bevorzugt
ist der zweiwertige Alkohol wenigstens ein Mitglied aus der Gruppe
bestehend Ethylenglykol, Propylenglykol, Neopentylglykol, 1,3-Butandiol,
1,4-Butandiol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, Trimethylpentandiol,
und Trimethylendiol. Besonders bevorzugt ist der zweiwertige Alkohol
wenigstens ein Mitglied der Gruppe bestehend aus Ethylenglykol,
Propylenglykol, Neopentylglykol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, Diethylenglykol,
Dipropylenglykol und Trimethylpentandiol. Ganz besonders bevorzugt ist
der zweiwertige Alkohol wenigstens ein Mitglied aus der Gruppe bestehend
aus Ethylenglykol, Propylenglykol und Neopentylglykol. Propylenglykol
bietet gute physikalische Eigenschaften zu geringen Kosten. Durch die
Verwendung von Neopentylglykol kann eine verbesserte Beständigkeit
gegenüber
Verwitterung und gegenüber
alkalischen Chemikalien erzielt werden.
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Polycarbonsäuren, die
bei der Verwendung der Polyester verwendbar sind, umfassen Dicarbonsäuren oder
Anhydride, Dicarbonsäurehalogenide
und Dicarbonsäurenester.
Bevorzugt ist die aromatische Dicarbonsäure und/oder Anhydrid wenigstens
ein Mitglied aus der Gruppe bestehend aus Orthophthalsäure, Isophthtalsäure, Terephthalsäure und
Orthophthalsäureanhydrid.
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Geeignete
ungesättigte
Polycarbonsäuren,
und deren entsprechende Anhydride und Säurehalogenide, die polymerisierbare
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen umfassen, umfassen Maleinsäureanhydrid,
Maleinsäure
und Fumarsäure.
Vorzugsweise ist die aromatische Dicarbonsäure eine Isophthalsäure, und das
ungesättigte
Dicarbonsäureanhydrid
ist ein Maleinsäureanhydrid,
und mehr bevorzugt weist der ungesättigte Polyester eine Säurezahl
im Bereich unterhalb von 10 mg KOH/g des ungesättigten Polyesters auf.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Isophthalsäureharze
werden durch ein zweistufiges Verfahren hergestellt, um die Auflösung der
Isophthalsäure
zu vereinfachen. Bei der ersten Stufe werden das Glykol und die
Isophthalsäure
unter einer inerten Atmosphäre
bei Temperaturen von 210°C
umgesetzt, um eine klare Schmelze zu erzeugen. Eine Verarbeitung unter
Hochdruck (207 kPa (30 psi)) sowie Veresterungskatalysatoren wie
zum Beispiel hydratisiertes Monobutylzinnoxid, werden zudem häufig verwendet,
um die Zykluszeiten des zweistufigen Verfahrens zu verringern. Maleinsäureanhydrid
wird in der zweiten Stufe hinzugefügt, und das endgültige Harz
wird zur Steuerung der Farbentwicklung und der Molekulargewichtsentwicklung
bei 240°C
fertig gestellt. Isophthalsäureharze,
die zur Korrosionsanwendung vorgesehen sind, werden zu dem höchsten Molekulargewicht
verarbeitet, das den Viskositätsanforderungen
eines vorgegebenen Styralgehalts entsprechen kann. Der Reaktionszyklus
beträgt
ca. 24 Stunden.
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Die
Polyveresterungsreaktion wird für
gewöhnlich
in Edelstahlbehältern
durchgeführt,
die im Bereich von 8.000–20.000
Litern liegen, und die durch inwendige Spiralen erhitzt und gekühlt werden.
Balkenrührwerke,
die mit 70–200
U/Minute umlaufen, sind zur Umwälzung
der mobilen Reaktanten mit einer niedrigen Viskosität wirksam,
die unter einer inerten Atmosphäre
von Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid während der Umsetzung bei Temperaturen
bis zu 240°C
beibehalten werden.
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Durch
Dosierbehälter
oder Messgefäße werden
die flüssigen
Glykole in den Reaktor bemessen. Feststoffe werden für gewöhnlich aus
25-kg Säcken
oder 1000-kg Riesensäcken
hinzugefügt.
Bei Isophthalsäure werden
häufig
Silo und Einzugsschnecken verwendet, wohingegen Phthalsäureanhydrid
und Maleinsäureanhydride
in geschmolzener Form dosiert werden. Ein befüllter Kondensator trennt auf
wirksame Art und Weise Wasser von Glykol. Das Glykol wird in dem
Reaktor unter Rückfluss
erwärmt
und das verbleibende Kondensat wird unter Verwendung eines thermischen
Oxydationsmittels auf der Stelle eingeäschert. Sobald das Polymer gebildet
ist, wird es auf unter 180°C
abgekühlt
und unter kräftiger
Agitation in einen gekühlten
Mischbehälter, der
Styrolmonomer umfasst, abgeleitet.
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Mit
Glas ausgekleidete Reaktorsysteme werden gelegentlich für halogenierte
Harze verwendet, um die Korrosion der Reaktorbestandteile zu verhindern.
Auskleidungen mit Kupfer und Messing sollten aufgrund deren signifikanten
Einflusses auf die Harzhärtungseigenschaften
vermieden werden.
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Andere
Glykole können
verwendet werden, um diesen einfachen Zusammensetzungen selektive
Eigenschaften zu verleihen. Ethylenglykol (EG) wird in einem begrenzten
Maße zur
Kostensenkung verwendet, wohingegen Diethylenglykol (DEG) ein flexibleres
Polymer erzeugt, das bei einer Einwirkung eines Schlages einer Sprungbildung
widersteht. Neopentylglykol (NPG) wird in den meisten handelsüblichen
Produkten zur Verbesserung der UV-Beständigkeit sowie der Wasserbeständigkeit
verwendet. Alkoxylierte Derivate von Bisphenol A (BPA) verleihen
nicht nur eine hohe Beständigkeit
gegenüber
stark sauren oder alkalinen Umgebungen, sondern stellen auch eine
Beständigkeit
gegenüber
Verformung zur Verfügung
und kriechen bei erhöhten Temperaturen.
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Langkettige
alipathische Säuren,
wie zum Beispiel Adipinsäure,
werden für
gewöhnlich
zur Verbesserung der Flexibilität
sowie zur Verbesserung der Schlagbeständigkeitseigenschaften verwendet,
wobei sie eine leichte Verbesserung gegenüber Harzen zeigen, die mit
den Etherglykolen (Diethylenglykol) und Polyetherglykolen (Polypropylenglykolen)
modifizierten wurden.
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Die
folgenden Beispiele werden hinsichtlich der Merkmale und Vorteile
der chemisch beständigen
wärmehärtbaren
Harze, die gemäß der vorliegenden
Erfindung einen sehr niedrigen Gehalt an flüchtigen organischen Bestandteilen
aufweisen, zur Verfügung
gestellt, im Vergleich zu den bekannten Systemen mit verringertem
Gehalt an ethylenisch ungesättigtem
reaktivem Lösungsmittel,
wie bisher verwendet. Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung
bestimmter spezifischer Ausführungsformen
der hiermit offenbarten Erfindung. Diese Beispiele sollen den Umfang
der neuen Erfindung in keiner Weise einschränken, da es, wie der Fachmann
erkennen wird, viele Variationen gibt, die an der Erfindung vorgenommen
werden können,
ohne dass dadurch vom Geist der Erfindung abgewichen wird.
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BEISPIEL 1
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Die
Herstellung des ungesättigten
Isopolyesters der Erfindung wurde in einem 4-Liter-Glasreaktor,
der für
die Polyestersynthese mit einem mechanischen Rührer, einer Destillationssäule mit
Dampfmantel, einem wassergekühlten
Kondensator und einer Stickstoff-Sprühvorrichtung ausgestattet ist,
ausgeführt.
Anfangs wurde der Reaktor mit 1760 gr (10,6 Mol) Isophthalsäure, 1773
gr (23,3 Mol) Propylenglykol (PG), und 0,9 g (0,025 Gewichtsprozent
des Gesamtangfangsmaterials) eines handelsüblichen Katalysators (FASCAT
4100 von Atochem) beladen. Die Stickstoffflussgeschwindigkeit betrug
0,5 Standard-Kubikfuß pro Stunde
(SCFH). Durch ein etwa einstündiges
Erhitzen erreichte die Umsetzungsmischung eine Temperatur von 170°C. Die Temperatur
der Mischung wurde schrittweise auf 200°C erhöht, um eine angemessene Rückflussgeschwindigkeit
zur Abtrennung von Wasser durch Destillation beizubehalten. Der
Veresterungsprozess wurde durch die Säurezahltitration mit 0,1 N
KOH auf eine Zielsäurezahl
von etwa 10 mg KOH/gm Harz überwacht.
Nach etwa 7 Stunden wurde die Säurezahl
7,6 mg KOH/gm Harz beobachtet. Danach wurde die Polymerschmelze über Nacht
auf Raumtemperatur abkühlen
gelassen. Der Verlust an Propylenglykol durch die Destillation wurde durch
die Messung eines Brechungskoeffizienten des Kondensats bestimmt.
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Das
Polymer wurde auf 150°C
erhitzt. Danach wurde der Reaktor mit den folgenden Materialien
beschickt: 1039 g (10,6 Mol) eines geschmolzenen Maleinsäureanhydrids
und PG als Zusatzchemikalie (33 g basierend auf einen PG-Verlust von 8%).
Die Temperatur der Umsetzungsmischung wurde innerhalb von 1,5 Stunden
auf 230°C
erhöht.
Das Wasser der Umsetzung wurde wieder aus dem Reaktor entfernt,
kondensiert und gesammelt. Nach etwa 3,5 Stunden war das Polymer
zu der Säurezahl
(AN) von 21 mg KOH/g verarbeitet worden. Das veresterte Polymer
wurde auf eine Temperatur von etwa 165°C gekühlt.
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Vor
dem nächsten
Schritt wurde 1 g Hydroquinon (150 ppm an Feststoffen) dem veresterten
Polymer in dem Reaktor hinzugefügt.
Bei einer Temperatur von etwa 170°C
wurden 193,4 g Glycidylmethacrylat (186 mL, 1,32 Mol, 92% des theoretischen
Wertes basierend auf GMA 97% × 0,95 Äquivalent
pro COOH-Endgruppe) dem Reaktor in einem Abschnitt von einem Zeitraum
von 10 Minuten hinzugefügt.
Ein begleitendes Exotherm von 1–2°C wurde beobachtet.
In diesem Beispiel betrug das Gewichtsverhältnis von Glycidylmethacrylat zu
dem veresterten Polymer etwa 0,00229 × AN des veresterten Polymers.
In weniger als 1 Stunde hatte die Säurezahl des ungesättigten
Isopolyesters 3 mg KOH/g des ungesättigten Isopolyesters erreicht,
die Reaktion wurde jedoch eine weitere Stunde fortgeführt, um
die Vervollständigung
sicher zu stellen. Die Säurezahl
des ungesättigten
Isopolyesters hatte 1 mg KOH/g erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wurde
das heiße,
gelbe, ungesättigte
Isopolyester in eine Folienwanne gegossen und zu einem harten, glasartigen
Feststoff abkühlen
gelassen.
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Wärmehärtbare Harze
wurden mit dem ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittel
Styrol gebildet. Ungesättigtes
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei einer Konzentration von
etwa 35 und 40 Gewichtsprozent Styrol, basierend auf dem Gesamtgewicht
des Isopolyesters und des Monomers aufgelöst. Die Zusammensetzungen wurden
mit 1-35 und 1-40 gekennzeichnet. Die Brookfield Viskosität von 1-35
betrug bei 25°C
1,13 Pa (1130 cP) und von 1-40 betrug sie 0,42 Pa (420 cP). Probeabschnitte
wurden gebildet, wobei 1% Benzoylperoxid (BPO) als ein Initiator
verwendet wurde, und in einem Ofen gemäß dem folgenden Zeitplan gehärtet: über Nacht,
16 Stunden bei etwa 57°C
(135°F);
1 Stunde bei etwa 82°C
(180°F);
1 Stunde bei etwa 104°C
(220°F);
und 1 Stunde bei etwa 120°C
(248°F).
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Testabschnitte
wurden in den folgenden Medien exponiert: 1) 100 Stunden lang in
kochendem Wasser, und 2) Benzin mit 10% Methanol bei 22°C. Die Daten
für den
Test der 100-stündigen
Exponierung in kochendem Wasser sind in Tabelle II dargestellt.
Für Benzin-Methanol
wurden repräsentative
Abschnitte entfernt und nach einem, zwei, drei und vier Monaten
getestet. Die Daten der 3-Monats-Aussetzung
sind in Tabelle III dargestellt.
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Die
laminaren Verbundstoffe für
die Korrosionsuntersuchung wurden gemäß ASTM C581 hergestellt. Die
resultierenden Verbundstoffe betrugen 24 Gew.-% Verstärkung bestehend
aus 2 Lagen aus einer 1,5 oz Glasfasermatte, deren Oberfläche mit
0,245 (10 ml) "C" Hüllen und
76% Isopolyesterharz behandelt wurde. Jedes Harz verwendete ein
Gel-System aus Methylethylketonperoxid (MEKP, 9% aktiver Sauerstoff),
das mit Kobaltoktoat promoviert wird, das so angepasst wurde, dass
es eine Topfzeit von etwa zwanzig Minuten hat. Die Laminate wurden über Nacht
bei Raumtemperatur gehärtet.
Die Proben wurden zurechtgeschnitten, 102 mm (4 in) auf 152 mm (6
in), und die Ecken wurden zur späteren
Identifikation graviert. Die Ecken der Proben wurden beschichtet
und die Gravur wurde mit demselben Harz, das auch bei dem Verbundstoff
verwendet wurde, beschichtet.
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Durch
das Versiegeln der Ecken der Proben wurden die Glasfaserenden, die
exponiert waren, wenn die Platten geschnitten wurden, geschützt, so
dass ein Einsickern der Lösungen
in diese Bereiche der Probe kein Faktor bei der Untersuchung der
Korrosionsbeständigkeit
sein konnte. Danach wurden die Proben bei 100°C zwei Stunden lang nachgehärtet und
bei Raumtemperatur abkühlen
gelassen. Der Gesamt-Glasverstärkungsgehalt
jedes Verbundstoffs wurde gemäß ASTM-Verfahren
bestimmt.
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BEISPIEL 2
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes ungesättigtes
Isopolyester wurde wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, mit
der Ausnahme, dass das Gewichtsverhältnis von Glycidylmethacrylat
zu dem veresterten Polymer etwa 0,00115 × AN des veresterten Polymers
betrug. Anfangs wurde der vier-Liter-Glas-Reaktor wieder mit 1760
gr (10,6 Mol) Isophthalsäure
1773 gr (23,3 Mol) Propylenglykol (PG), und 0,9 g (0,025 Gew.-%
der gesamten Anfangsmaterialien) eines handelüblichen Katalysators (FASCAT
4100 von Atochem) beschickt. Nach etwa 7 Stunden wurde eine Säurezahl
von 19 mg KOH/gr Harz beobachtet.
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Das
Polymer wurde auf 150°C
erhitzt. Danach wurde der Reaktor mit den folgenden Materialien
beladen: 1039 g (10,6 Mol) eines geschmolzenen Maleinsäureanhydrids
und PG als Zusatzchemikalie. Das Polymer wurde zu einer Säurezahl
(AN) von 21 mg KOH/g verarbeitet.
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Nachdem
1 g Hydrochinon (150 ppm an Feststoffteilchen) dem veresterten Polymer
in dem Reaktor hinzugefügt
worden war, wurden etwa 94 g Glycidylmethacrylat dem Reaktor hinzugefügt. Nach
der vollständigen
Beendigung hatte die Säurezahl
des ungesättigten
Isopolyesters 10 mg KOH/g erreicht.
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Dieses
ungesättigte
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei einer Konzentration von
etwa 35 und 40 Gew.-% Styrol, basierend auf dem Gesamtgewicht des
Isopolyesters und Monomers, aufgelöst. Die Zusammensetzungen wurden
mit 2-35 und 2-40
gekennzeichnet. Die Brookfield Viskosität von 2-35 betrug 1,26 Pa (1260
cP), und von 2-40 betrug sie 0,45 Pa (450 cP). Die Testproben wurden
wie in Beispiel 1 beschrieben gebildet.
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BEISPIEL 3
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Ein
weiterer erfindungsgemäßer ungesättigter
Isopolyester wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt,
mit der Ausnahme, dass das Gewichtsverhältnis des Glycidylmethacrylats
zu dem veresterten Polymer etwa 0,00236 × AN des veresterten Polymers
betrug. Zu Beginn wurde der vier-Liter-Glasreaktor wieder mit 1760
gm. (10,6 Mol) Isophthalsäure,
1773 gm. (23,3 Mol) Propylenglykol (PG), und 0,9 g (0,025 Gew.-% des
Gesamtgewichts der Ausgangsmaterialien) eines handelsüblichen
Katalysators (FASCAT 4100 von Atochem) beschickt. Nach etwa 7 Stunden
wurde eine Säurezahl
von 9,4 mg KOH/gm Harz beobachtet.
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Das
Polymer wurde auf 150°C
erhitzt. Danach wurde der Reaktor mit den folgenden Materialien
beschickt: 1039 g (10,6 Mol) geschmolzenes Maleinsäureanhydrid
und Auffüll-PG Das Polymer wurde
zu der Säurezahl
(AN) von 33 mg KOH/g verarbeitet.
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Nachdem
1 g Hydrochinon (150 ppm an Feststoffen) dem veresterten Polymer
in dem Reaktor hinzugefügt
wurde, wurde etwa 310 g Glycidylmethacrylat dem Reaktor hinzugefügt. In weniger
als einer Stunde hatte die Säurezahl
des ungesättigen
Isopolyesters 3,5 mg KOH/g an ungesättigem Isopolyester erreicht,
doch die Umsetzung wurde eine weitere Stunde fortgeführt, um
die Fertigstellung sicher zu stellen. Die Säurezahl des ungesättigten
Isopolyesters hatte 4 mg KOH/g erreicht.
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Dieses
ungesättigte
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei einer Konzentration von
etwa 35 und 40 Gew.-% Styrol, basierend auf dem Gesamtgewicht an
Isopolyester und Monomer aufgelöst.
Die Zusammensetzungen wurden mit 3-35 und 3-40 gekennzeichnet. Die
Brookfield Viskosität
von 3-35 betrug
0,42 Pa (420 cP) und von 3-40 betrug sie 0,165 Pa (165 cP). Die
Testabschnitte wurden wie in Beispiel 1 gebildet.
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BEISPIEL 4
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes ungesättigtes
Isopolyester wurde, wie in Beispiel 3 beschrieben, hergestellt,
mit der Ausnahme, dass das Gewichtsverhältnis von Glycidylmethacrylat
zu dem veresterten Polymer etwa 0,00115 × AN des veresterten Polymers
betrug. Dieses ungesättigte
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei einer Konzentration von
etwa 35 und 40 Gew.-% Styrol basierend auf dem Gesamtgewicht von
Isopolyester und Monomer aufgelöst.
Die Zusammensetzungen wurden mit 4-35 und 4-40 gekennzeichnet. Die Brookfield
Viskosität
von 4-35 betrug
0,74 Pa (740 cP), und von 4-40 betrug sie 0,265 Pa (265 cP). Die
Testverbindungen wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben, gebildet.
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VERGLEICHSBEISPIEL
A
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes ungesättigtes
Isopolyester wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt,
mit der Ausnahme, dass kein Glycidylmethacrylat mit dem veresterten
Polymer umgesetzt wurde. Zu Beginn wurde der vier-Liter-Glasreaktor
mit 1760 gr (10,6 Mol) Isophthalsäure, 1773 gm (23,3 Mol) Propylenglycol
(PG), und 0,9 g (0,025 Gew.-% der Gesamtausgangsmaterialien) eines
handelsüblichen
Katalysators (FASCAT 4100 von Atochem) beschickt. Nach etwa 7 Stunden
wurde die Säurezahl
9,6 mg KOH/gm Harz beobachtet.
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Das
Polymer wurde auf 150°C
erhitzt. Danach wurde der Reaktor mit den folgenden Materialien
beschickt: 1039 g (10,6 Mol) an geschmolzenen Maleinsäurenanhydrid
und Auffüll-PG.
Das Polymer wurde zur der Säurezahl
(AN) 28 mg KOH/g verarbeitet.
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Dieses
ungesättigte
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei der Konzentration von etwa
35 und 40 Gew.-% Styrol basierend auf dem Gesamtgewicht von Isopolyester
und Monomer aufgelöst.
Die Zusammensetzungen wurden mit A-35 und A-40 gekennzeichnet. Die
Brookfield Viskosität
bei 25°C
von A-35 betrug 0,59 Pa (590 cP) und die Brookfield Viskosität von A-40
betrug 0,21 Pa (210 cP). Die Testabschnitte wurden wie in Beispiel
1 beschrieben gebildet.
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VERGLEICHSBEISPIEL
B
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes ungesättigtes
Isopolyester wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt,
mit der Ausnahme, dass kein Glycidylmethacrylat mit dem veresterten
Polymer umgesetzt wurde. Zu Beginn wurde der vier-Liter-Glasreaktor
wieder mit 1760 gm (10,6 Mol) Isophthalsäure, 1773 gm. (23,3 Mol) Propylenglykol
(PG), und 0,9 g (0,025 Gew.-% der gesamten Ausgangsmaterialien)
eines handelsüblichen
Katalysators (FASCAT 4140 von Atochem) beschickt. Nach etwa 7 Stunden
wurde die Säurezahl
von 8,6 mg KOH/gm Harz beobachtet.
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Das
Polymer wurde auf 150°C
erhitzt. Danach wurde der Reaktor mit den folgenden Materialien
beschickt: 1039 g (10,6 Mol) an geschmolzenem Maleinsäurenanhydrid
und Auffüll-PG.
Das Polymer wurde auf die Säurezahl
(AN) von 21 mg KOH/g verarbeitet.
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Dieses
ungesättigte
Isopolyester wurde in Styrolmonomer bei einer Konzentration von
etwa 40 Gew.-% Styrol basierend auf dem Gesamtgewicht von Isopolyester
und Monomer aufgelöst.
Die Zusammensetzungen wurden mit B-40 gekennzeichnet. Die Brookfield
Viskosität
von A-40 betrug bei 25°C
0,38 Pa (380 cP). Die Testabschnitte wurden wie in Beispiel 1 beschrieben
gebildet.
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Die
initialen physikalischen Eigenschaften der unbehandelten klar gegossenen
Platten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse des 100-stündigen Test
einer Aussetzung in kochendem Wasser und der chemischen Beständigkeit
gegenüber
Benzin-Methanol (90/10 Volumenprozent) bei einer 12-wöchigen Aussetzung sind
in den Tabellen II und III dargestellt.
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Die
laminaren Verbundstoffplatten für
die Korrosionsuntersuchung wurden gemäß ASTM C581 hergestellt. Die
resultierenden laminaren Verbundstoffe betrugen 24 Gew.-% Verstärkung bestehend
aus 2 Lagen aus einer 42,5 g (1,5 oz) Glasfasermatte, deren Oberfläche mit
0,245 mm (10 ml) "C" Hüllen und
mit 76% Harz behandelt wurde. Jedes Harz verwendete ein Gel-System
aus Methylethylketonperoxid (MEKP, 9% aktiver Sauerstoff), das mit
Kobaltoktoat promoviert wird, das so angepasst wurde, dass es eine
Topfzeit von etwa zwanzig Minuten hat. Die Laminate wurden über Nacht
bei Raumtemperatur gehärtet.
Die Proben wurden zurechtgeschnitten, 102 mm (4 in) auf 152 mm (6
in), und die Ecken wurden zur späteren
Identifikation graviert. Die Ecken der Proben wurden beschichtet
und die Gravur wurde mit demselben Harz, das auch bei dem Verbundstoff
verwendet wurde, beschichtet. Durch das Versiegeln der Ecken der
Proben wurden die Glasfaserenden, die exponiert wurden, wenn die
Platten geschnitten wurden, geschützt, so dass ein Einsickern
der Lösungen
in diese Bereiche der Probe kein Faktor bei der Untersuchung der
Korrosionsbeständigkeit
sein kann. Die Proben wurden dann bei 100°C zwei Stunden lang nachgehärtet und
bei Raumtemperatur abkühlen
gelassen. Der Gesamt-Glasverstärkungsgehalt
jedes Verbundstoffs wurde gemäß ASTM-Verfahren
bestimmt.
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Die
laminaren Verbundstoffplatten aus den Isopolyesterharzen der Beispiele
1, 2, 3 und B, als 1-40L, 2-40L,
3-40L und B-40L bezeichnet, wurden in verschiedene Chemikalien eingetaucht.
Die Proben wurden in monatlichen Intervallen zur Untersuchung entnommen.
Bei den meisten korrosiven Chemikalien ergab dieses Isopolyesterharz
eine ausgezeichnete Beständigkeit.
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Die
anfänglichen
Biegeeigenschaften sowie die Barcol-Härte
wurden durch die Untersuchung von Proben jeder Formulierung bestimmt.
Die anfänglichen
physikalischen Daten und Ergebnisse für den ersten Monat der Aussetzung
gegenüber
Benzinmethanol (90/10 Volumenprozent) bei 22°C sind in den Tabellen IV und V
dargestellt.
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Tabelle
1
Physikalische Eigenschaften von unbehandelten klar gegossenen
Platten
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Tabelle
2
Retention der physikalischen Eigenschaften der klar gegossenen
Platten
Test in kochendem Wasser, Aussetzung 100 Stunden
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Tabelle
3
Retention der physikalischen Eigenschaften der klar gegossenen
Platten
Chemische Beständigkeit
gegenüber
Benzin-Methanol, Aussetzung 12 Wochen
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Tabelle
4
Physikalische Eigenschaften der unbehandelten Laminat-Verbundstoff-PLATTEN
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Tabelle
5
Retention der physikalischen Eigenschaften der Laminat-Verbundstoff-PLATTEN
Chemische
Beständigkeit
gegenüber
Benzin-Methanol, Aussetzung 1 Monat
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Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung wird „geringere Menge" als weniger als
etwa 50% definiert und "größere Menge" wird als mehr als
etwa 50% definiert. Die Menge des ethylenisch ungesättigten
reaktiven Lösungsmittels
in dem erfindungsgemäßen wärmehärtbaren
Harz liegt vorzugsweise in dem Bereich von 25 bis zu 45 Gew.-% des
Harzes, besonders bevorzugt im Bereich von 35 bis zu 45 Gew.-%.
Die Menge des ungesättigen
Polyesters liegt vorzugsweise etwa im Bereich von 75 bis zu 55 Gew.-%
des Harzes, besonders bevorzugt im Bereich von 65 bis zu 55 Gew.-%. "Im Wesentlichen" wird als mit ausreichender
Häufigkeit
geschehend definiert oder mit dem Vorhandensein in derartigen Verhältnissen,
dass sie die makroskopischen Eigenschaften einer damit verbundenen
Verbindung oder eines damit verbundenen Systems messbar beeinflussen.
Ist die Häufigkeit
oder das Verhältnis
einer derartigen Beeinflussung nicht klar, soll im Wesentlichen
als etwa 20% oder mehr angesehen werden. Der Begriff "notwendigerweise" wird als absolut
angesehen, mit Ausnahme, dass kleinen Abweichungen, die nicht mehr
als nur eine vernachlässigbare
Wirkung auf die makroskopischen Eigenschaften und das Endergebnis
haben, zulässig
sind, typischerweise bis zu etwa 1%.
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Die
hierin dargestellten Beispiele sowie die hierin aufgestellten Hypothesen
wurden aufgeführt,
um bestimmte Facetten der Erfindung deutlicher zu machen. Der Umfang
der Erfindung wird einzig durch den Umfang der anhängenden
Ansprüche
bestimmt.