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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft latente Härter und Beschleuniger für Epoxidharze,
einschließlich wäßrigen Zusammensetzungen,
insbesondere wäßrige Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen bzw.
-Epoxidzusammensetzungen. "Latente" Härter sind
jene Härter,
die in einem formulierten System bei normalen Umgebungsbedingungen
inaktiv bleiben, bei erhöhten
Temperaturen jedoch leicht mit Epoxidharz reagieren. "Beschleuniger" sind jene Materialien,
die die Reaktion zwischen Epoxidharz und einem Härter beschleunigen. "Einkomponenten"-Epoxidharzzusammensetzungen
sind typischerweise ein Gemisch von Epoxidharz, Härter und
Beschleuniger, sowie auch Zusätzen
und Füllstoffen.
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Gegenwärtige wäßrige Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen
enthalten Dicyandiamid als einen latenten Härter, der in wäßrigen Epoxidharzemulsionen
dispergiert ist. Diese Zusammensetzungen zeigen eine hervorragende
Lagerungsbeständigkeit,
erfordern zum Härten
jedoch eine sehr hohe Temperatur. Wasserlösliche Beschleuniger, wie Imidazole,
können
mit Dicyandiamid verwendet werden, um die Reaktivität zu verbessern,
solche Beschleuniger beeinflussen jedoch die Lagerungsbeständigkeit
von Zusammensetzungen nachteilig.
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Handelsübliche latente
Härter
zeigen bei Zusammensetzungen mit 100% Feststoffen eine lange Lagerungsbeständigkeit
und ein gutes Härten
bei niedrigen Temperaturen. Sie sind jedoch in wäßrigen Zusammensetzungen nicht
vorteilhaft, wenn nicht ein Colösungsmittel
verwendet wird, um den latenten Härter zu lösen. Die Verwendung von Lösungsmitteln
erhöht
den VOC (Gehalt an flüchtigen
organischen Komponenten) und beeinflußt die Lagerungsbeständigkeit
der Epoxidharzzusammensetzung nachteilig.
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Es
besteht Bedarf nach einem wasserlöslichen Beschleuniger für einen
latenten Härter
aus Dicyandiamid in wäßrigen,
wärmehärtenden
Epoxidharzzusammensetzungen.
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Es
besteht Bedarf nach einer Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzung
mit 100% Feststoffen, die durch Dicyandiamid gehärtet wird und ein gutes Gleichgewicht
zwischen dem Härten
bei niedrigen Temperaturen und der Lagerungsbeständigkeit zeigt.
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Es
besteht Bedarf nach einer wäßrigen Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzung,
die durch Dicyandiamid gehärtet
wird und ein gutes Gleichgewicht zwischen dem Härten bei niedrigen Temperaturen
und der Lagerungsbeständigkeit
zeigt.
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US 3,329,652 offenbart das
Härten
von Polyepoxiden mit Säureanhydriden
unter Verwendung von Imidazolsalzen als Aktivatoren für das Säureanhydrid.
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US 3,356,645 und 3,418,333
offenbaren das Härten
von Polyepoxiden mit Imidazolsalzen.
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US 3,746,686 offenbart härtbare Epoxidharzzusammensetzungen,
die ein Polyepoxid und ein Salz einer Polycarbonsäure oder
ein Anhydrid und ein Imidazol umfassen.
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US 3,755,253 offenbart die
Katalyse des Diaminodiphenylsulfon-Härtens von Polyepoxiden mit
einem Imidazolsalz.
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T.
Kaman, et al., "Curing
of Epoxy Resins. VI. Curing of Epoxy resins with Acid Salts of Imidazole", Shikizai Kyokaishi
(1977), 50 (1), S. 2–7
offenbart eine Untersuchung des Härtens von Epoxidharzen mit
Alkylcarbonsäure-
und Phophorsäuresalzen
einiger Imidazole.
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JP 58083023 beschreibt
einen latenten Härter
für Epoxidharze,
der hergestellt wird, indem 2-Heptadecylimidazolin in Wasser gegeben
wird, Orthophosphorsäure
zugesetzt wird, 10 Minuten gemischt wird, filtriert und vakuumgetrocknet
wird.
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"Epoxy Dispersion
In Adhesive Applications",
Adhesives Age, Mai 1995, S. 34–37
offenbart die Verwendung von 2-Methylimidazol und Dicyandiamid in
wäßrigen Epoxidharzzusammensetzungen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Imidazolphosphatsalze als Beschleuniger
für latente
Härter
aus Dicyandiamid und deren Verwendung in wärmehärtenden Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen, insbesondere
wäßrigen Zusammensetzungen.
Die Salze sind das Reaktionsprodukt von einem Imidazol und Phosphorsäure.
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Erläuternde
Beispiele der Imidazole, die für
die Herstellung der Beschleuniger nützlich sind, sind jene Verbindungen
der Struktur A
worin R
1,
R
2, R
3 und R
4 unabhängig
voneinander Wasserstoff, eine C
1-C
18-Alkylgruppe, eine Phenylgruppe oder eine
C
7-C
12-Alkylaryl gruppe
sind, wobei diese Substituenten gegebenenfalls eine Funktionalität, wie Ether,
Alkohol, Amin, Nitril, Mercaptan und Thiol, enthalten, die jedoch
nicht darauf begrenzt ist.
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Die
Reaktion dieser Imidazole mit Phosphorsäure ergibt das Dihydrogenphosphatsalz
oder Biphosphat mit der folgenden Struktur B
worin R
1,
R
2, R
3 und R
4 wie vorstehend angegeben sind.
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Die
Erfindung stellt folgendes bereit:
- • Beschleuniger
für Dicyandiamid-Härter in
wärmegehärteten Epoxidharzzusammensetzungen;
- • einen
wasserlöslichen
Beschleuniger für
mit Dicyandiamid gehärtete,
wärmehärtende,
wäßrig Epoxidharzzusammensetzungen;
- • Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen
mit 100% Feststoffen, die ein Imidazolphosphatsalz, Dicyandiamid
und ein Epoxidharz umfassen, die ein gutes Gleichgewicht zwischen
dem Härten
bei niedrigen Temperaturen und einer längeren Lagerungsbeständigkeit
zeigen;
- • wäßrige Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen,
die ein Imidazolphosphatsalz, Dicyandiamid und ein Epoxidharz umfassen, die
ein gutes Gleichgewicht zwischen dem Härten bei niedrigen Temperaturen
und der Lagerungsbeständigkeit
zeigen.
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Die
Imidazolphosphatsalze sind wasserlöslich und beschleunigen Epoxidreaktionen
mit Dicyandiamid.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Imidazolsalze (IM-salze) von Phosphorsäure und
deren Verwendung als Beschleuniger für Dicyandiamid beim Härten von
Epoxidharzen. (Phosphorsäure
ist auch als Orthophosphorsäure
bekannt und als 85%ige Phosphorsäure
im Handel erhältlich.)
Obwohl irgendein Imidazol geeignet verwendet werden kann, das mit
Phosphorsäure
ein Salz bildet, wobei dieses Salz für wäßrige Zusammensetzungen vorzugsweise
wasserlöslich
ist, sind die für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugten Imidazole
jene mit der Struktur A. Salze mit der Struktur B sind monobasische
Salze oder Dihydrogenphosphatsalze, die durch die Umsetzung von
1 Mol Imidazol mit 1 Mol Phosphorsäure nach folgendem Reaktionsschema
erzeugt werden:
worin
R
1, R
2, R
3 und R
4 unabhängig voneinander
Wasserstoff, eine C
1-C
18-Alkylgruppe,
vorzugsweise eine C
1-C
3-Alkylgruppe,
eine Phenylgruppe oder eine C
7-C
12-Alkylarylgruppe, vorzugsweise eine C
7-C
8-Alkylarylgruppe,
sind. Solche Alkylgruppen können
gegebenen falls eine Funktionalität,
wie Ether, Alkohol, Amin, Nitril, Mercaptan und Thiol, enthalten,
dies ist jedoch nicht darauf begrenzt.
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Zu
geeigneten Alkylgruppen gehören
z.B. Methyl, Ethyl, n- und Isopropyl, n-, Iso-, sek.- und tert.-Butyl, 2-Ethyhexyl,
Octyl, Decyl, Dodecyl und Heptadecyl.
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Zu
geeigneten Alkylarylgruppen gehören
Tolyl, Xylyl and Ethylphenyl.
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Die
bevorzugten Imidazole für
die Reaktion mit Phosphorsäure
schließen
Imidazol, 1-Methylimidazol, auch als N-Methylimidazol bezeichnet,
2-Phenylimidazol und 2-Methylimidazol ein.
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Die
bei der Synthese der Phosphatsalze angewendete Stöchiometrie
kann irgendeine Kombination sein, z.B. im Bereich von 0,1 bis 5,0
Mole Imidazol und 0,1 bis > 5,0
Mole Phosphorsäure.
Das Imidazol und die Phosphorsäure
werden im allgemeinen in einem Molverhältnis von 0,9 bis 1,1, vorzugsweise
einem Molverhältnis
von 0,95 bis 1 umgesetzt. Typischerweise wird die handelsübliche 85%ige
Orthophosphorsäure
verwendet, in dieser Erfindung kann jedoch irgendeine Konzentration
verwendet werden. Die Reaktionen können mit oder ohne Verwendung
eines Lösungsmittels
durchgeführt
werden. Die Lösungsmittel
können
Wasser, Methanol, Ethanol, THF und dergleichen sein, sind jedoch
nicht begrenzt. Es kann irgendein Lösungsmittel verwendet werden,
das einen der Reaktanten oder das Produkt löst. Es kann irgendeine Reihenfolge
der Zugabe angewendet werden, und die Reaktion kann bei irgendeiner
gewünschten
Temperatur oder irgendeinem gewünschten
Druck durchgeführt
werden, wenn diese für
die Bildung des Salzes nicht kritisch sind. Das bevorzugte Syntheseverfahren
besteht darin, Imidazol in Methanol zu lösen und dieser Imidazollösung langsam
die Orthophosphorsäure
zuzusetzen. Das entstehende ge fällte
Salz wird durch Filtration aufgefangen, mit Methanol gewaschen und
luftgetrocknet.
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Imidazol/Phosphorsäuresalze
können
als Beschleuniger für
latente Dicyandiamid-Härter
in Einkomponenten-Epoxidklebemitteln, Dekorations- und Schutzbeschichtungen,
einschließlich
Pulverbeschichtungen, beim Aufwickeln von Filamenten, bei gedruckten
Leiterplatten und ähnlichen
Anwendungszwecken von Epoxidharz verwendet werden. Typischerweise
werden in der Epoxidharzzusammensetzung 0,5 bis 10 Gewichtsteile
(Gew.-Teile) Dicyandiamid pro 100 Gew.-Teile Epoxidharz, vorzugsweise
2 bis 6 Gew.-Teile Dicyandiamid verwendet.
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Der
Imidazolphosphat-Beschleuniger mit dem Dicyandiamid-Härter wird
mit einem Epoxidharz kombiniert, das eine Polyepoxyverbindung ist,
die mehr als eine 1,2-Epoxygruppe pro Molekül enthält. Solche Epoxide sind auf
dem Fachgebiet von Epoxiden allgemein bekannt und sind bei Y. Tanaka, "Synthesis and Characteristics
of Epoxides", in
C. A. May, Herausg., Epoxy Resins Chemistry and Technology (Marcel
Dekker, 1988) beschrieben. Zu Beispielen gehören jene Epoxide, die in
US 5,599,855 (Spalte 5/6
bis 6/20) offenbart sind, das hier als Bezug erwähnt wird. Die bevorzugten Polyepoxyverbindungen
sind die Diglycidylether von Bisphenol A, die weiterentwickelten
Diglycidylether von Bisphenol A, die Diglycidylether von Bisphenol
F und die Epoxid-Novolakharze. Bei Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen
werden sowohl flüssige
Epoxidharze als auch feste Epoxidharze verwendet. Pulverbeschichtungszusammensetzungen
würden
ein festes Epoxidharz, ein Imidazolphosphatsalz und Dicyandiamid
umfassen.
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Im
allgemeinen wird eine wirksame Menge der Imidazolphosphatsalze für die Beschleunigung
des Härtens
der Epoxidharze mit Dicyandiamid verwendet. Als ein Beschleuniger
für Dicyandiamid
würden
pro 100 Gewichtsteile Epoxidharz 0,5 bis 10 Gewichtsteile (Gew.-Teile)
des Phosphatsalzes verwendet.
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Zusammensetzungen,
die aus Phosphorsäuresalzen
eines Imidazols, Dicyandiamid und Epoxidharzen hergestellt sind,
können
mit einer großen
Vielzahl von Bestandteilen formuliert werden, die dem Fachmann für Beschichtungsformulierungen
allgemein bekannt sind, dazu gehören,
Lösungsmittel,
Füllstoffe,
Pigmente, Pigmentverteiler, Viskositätsveränderer, thixotrope Mittel,
Fließ-
und Verlaufshilfsmittel, Entschäumer
usw.
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Obwohl
Epoxidharzzusammensetzungen verwendet werden können, die 1 bis 90 Gew.-% organische Lösungsmittel
oder 100% Feststoffe enthalten, ist es bevorzugt, daß die Epoxidzusammesetzung
wäßrig, d.h. ein
wäßriges Epoxidsystem
ist, das 20 bis 80 Gew.-% Feststoffe, vorzugsweise 50 bis 60 Gew.-%
Feststoffe enthält.
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Die
erfindungsgemäßen Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen
können
durch irgendeine Anzahl von Verfahren als Beschichtungen aufgebracht
werden, dazu gehören
Sprühen,
Streichen, Walzen, Aufstreichen mit einem Handschuh (paint mitt)
und dergleichen. Für
das Aufbringen der erfindungsgemäßen Beschichtungen
sind zahlreiche Substrate mit geeigneter Vorbereitung der Oberfläche geeignet,
wie es auf diesem Fachgebiet selbstverständlich ist. Zu solchen Substraten
gehören
viele Arten von Metall, insbesondere Stahl und Aluminium, sowie
auch Beton, sie sind jedoch nicht darauf begrenzt.
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Die
erfindungsgemäßen Einkomponenten-Epoxidharzbeschichtungszusammensetzungen
können aufgebracht
und bei erhöhten
Temperaturen im Bereich von etwa 80 bis etwa 240°C gehärtet werden, wobei Härtetemperaturen
von 120 bis 160°C
bevorzugt sind.
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Beispiele 1 bis 7
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Diese
Beispiele zeigen die Herstellung von Imidazolphosphatsalzen, die
durch die Reaktion von Imidazol (IM), 1-Methylimidazol (1MI), 2-Methylimidazol
(2MI), 2-Ethylimidazol (2EI), 2-Phenylimidazol (2PI), 2-Heptadecylimidazol
(2HDI) und 2-Ethyl-4-methylimidazol (24EMI) mit 85%iger Phosphorsäure in einem
Molverhältnis
von 1:1 hergestellt werden. Das angewendete Verfahren für die Herstellung
dieser Imidazolphosphate war wie folgt:
In einen 250 ml 3-Hals-Rundkolben,
der mit einem Magnetrührer,
einem Thermoelement, einem Kondensator und einem Tropftrichter ausgestattet
war, wurden 100 ml Methanol und die geeignete Menge des gewünschten Imidazols,
z.B. 17,3 g (0,25 Mol) Imidazol (IM) gegeben. Nachdem das Imidazol
vollständig
gelöst
war, wurde die 85%ige Phosphorsäure
innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten tropfenweise zugesetzt.
Nach Abschluß der
Zugabe wurde die entstandene Suspension 15 Minuten gemischt. Das
feste Produkt wurde durch Filtration in einem Buchner-Trichter abgetrennt,
mit 50 ml frischem Methanol gewaschen und luftgetrocknet.
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Die
Mengen der Reaktanten, die Ausbeuten des Imidazolphosphatsalzes,
deren Schmelzpunkte, die durch Kalorimetrie mit Differentialabtastung
(DSC) bestimmt wurden, und der pH-Wert einer 5%igen Lösung jedes
Präparats
sind in Tabelle 1 aufgeführt:
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Beispiele 8 bis 14
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Diese
Beispiele von Epoxidharzsystemen mit 100% Feststoffen zeigen die
Imidazolphosphatsalze als Beschleuniger für mit Dicyandiamid gehärtete Epoxidharze.
Zu 6 Gewichtsteilen (Gew.-Teile) jedes in den Beispielen 1 bis 7
hergestellten Imidazolphosphatsalzes wurden 6 Gew.-Teile Dicyandiamid
(DICY), 1 Gew.-Teil Quarzstaub und 100 Gew.-Teile Epoxidharz Epon
828 gegeben. Die entstandenen Gemische wurden 2 Minuten gründlich gemischt,
wobei ein Mischer mit haubenförmigen
(cowls) Schaufeln mit starker Scherung verwendet wurde. Unmittelbar
nach der Herstellung wurden die Gemische mittels DSC geprüft, um den
Anfangspunkt der Exotherme (Tb), die Starttemperatur
(T0), die Temperatur bei der maximalen Exotherme
(Tm), die Reaktionswärme (ΔH) und den Umwandlungspunkt
zweiter Ordnung (Tg) festzustellen. Die
DSC-Analyse wurde mit einer Temperaturerhöhungsrate von 2°C/min bei
einer Materialprobe mit etwa 10 mg durchgeführt. Der Tg wurde
erhalten, indem das Gerät
und die Testprobe auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurden und die DSC-Abtastung
der Probe erneut durchgeführt
wurde. Die resultierenden Werte sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Beispiele 15 bis 21
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Diese
Beispiele von Epoxidharzsystemen mit 100% Feststoffen zeigen die
Imidazolphosphatsalze als Beschleuniger für mit Dicyandiamid gehärtete Epoxidharze.
Die in den Beispielen 8 bis 13 hergestellten Gemische wurden in
einen Ofen mit konstanter Temperatur gegeben, die bei 42,5°C gehalten
wurde. Nach unterschiedlichen Zeiträumen wurden die Gemische der
Beispiele 8 bis 13 dem Ofen mit konstanter Temperatur entnommen
und mittels DSC auf die restliche Reaktionswärme (ΔH) analysiert, wobei dem gleichen
Verfahren wie in den Beispielen 8 bis 14 beschrieben gefolgt wurde.
Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, daß die Gemische gegenüber der
Epoxidpolymeristaion bei 42,5°C
stabil waren, indem sie fast die gesamte Reaktionswärme behielten,
die in den Beispielen 8 bis 13 beobachtet wurde.
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Beispiele 22 bis 26
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Diese
Beispiele zeigen die Imidazolphosphatsalze als wasserlösliche latente
Beschleuniger für
wäßrige Epoxidharzemulsionen,
die mit Dicyandiamid gehärtet
wurden. Die in den Beispielen 1 und 2 hergestellten Imidazolphosphatsalze
wurde in Wasser gelöst,
um eine Lösung
mit 50 Gew.-% herzustellen. Ein Gemisch wurde hergestellt, indem
100 Gew.-Teile Epoxidharzemulsion, 3 Gew.-Teile Dicyandiamid und
6 Gew.-Teile der wäßrigen Imidazolphosphatlösung mit
50 Gew.-% gemischt wurden. Die verschiedenen hergestellten Epoxidharzemulsionen
und Imidazolphosphatkombinationen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Aus
jeder Formulierung wurden dünne
Schichten auf Glasplatten gegossen, wobei ein Abzugsstab mit 5 mil
verwendet wurde, und diese konnten 24 Stunden bei Umgebungstemperatur
trocknen. Dann wurden Proben der Schichten mit jeweils etwa 10 mg
durch DSC getestet, um die Starttemperatur (T0),
die Reaktionswärme
(ΔH) und
den Umwandlungspunkt zweiter Ordnung (Tg)
der Schicht zu bestimmen. Die DSC-Analyse wurde mit einer Temperaturerhöhungsrate
von 2°C/min
bei einer Materialprobe bei etwa 10 mg durchgeführt. Der Tg wurde
erhalten, indem das Gerät
und die Testprobe auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurden und die DSC-Abtastung
der Probe erneut durchgeführt
wurde. Die resultierenden Werte sind in Tabelle 4 mit den Formulierungen
aufgeführt.
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Beispiele 27 bis 29
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Diese
Beispiele zeigen Imidazolphosphatsalze als wasserlösliche latente
Beschleuniger für
wäßrige Epoxidharzemulsionen,
die mit Dicyandiamid gehärtet
wurden. Die in den Beispielen 22, 23 und 24 hergestellten Formulierungen
einer wäßrigen Epoxidharzemulsion
wurden 110 Tage bei 22°C
aufbewahrt und als Beispiele 27, 28 bzw. 29 bezeichnet. Danach wurden
aus jeder Formulierung dünne
Schichten auf Glasplatten gegossen, wobei ein Abzugsstab mit 5 mil
verwendet wurde, und diese konnten 24 Stunden bei Umgebungstemperatur
trocknen. Dann wurden Proben der Schichten mit jeweils etwa 10 mg
durch DSC getestet, um die Starttemperatur (T0)
und die Reaktionswärme
(ΔH) der
Schicht zu bestimmen. Die DSC-Analyse wurde bei einer Temperaturerhöhungsrate
von 2°C/min
bei einer Materialprobe mit etwa 10 mg durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 5 gezeigt.
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Phosphorsäuresalze
eines Imidazols können
als einzige Härter
oder als Härtebeschleuniger
für Dicyandiamid
in Epoxidharzzusammensetzungen mit 100% Feststoffen als auch wäßrigen Epoxidharzzusammensetzungen,
wie Epoxidklebemittel, Beschichtungen, einschließlich Pulverbeschichtungen,
beim Aufwickeln von Filamenten, gedruckten Leiterplatten und ähnlichen
Anwendungszwecken, eingesetzt werden. Diese Salze dissoziieren nicht,
bis sie nicht erhöhten
Temperaturen ausgesetzt werden. Deshalb bieten solche Materialien
eine gute Lagerungsbeständigkeit
bei Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen mit 100% Feststoffen
oder wäßrigen Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen.
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Feststellung
der industriellen Anwendbarkeit
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Die
Erfindung stellt Imidazolphosphatsalze als Beschleuniger für Dicyandiamid
in wäßrigen Einkomponenten-Epoxidharzzusammensetzungen
und Epoxidharzzusammensetzungen mit 100% Feststoffen bereit.