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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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A. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entgasung eines
Acrylharzes in der Gegenwart eines Lichtstabilisators aus sterisch
gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
einer Zusammensetzung zum Pulverbeschichten, enthaltend einen Schritt
von Entgasen eines Acrylharzes und eine Zusammensetzung, die in
eine Zusammensetzung zum Pulverbeschichten umgeformt werden kann.
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B. Beschreibung des Standes
der Technik
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Bei
einer typischen Herstellung von Acrylharzen werden copolymerisierbare
Verbindungen, normalerweise Monomere, in einem geeigneten Lösungsmittel,
wie Xylol, zusammen mit einem Initiator gemischt und umgesetzt,
wobei das Acrylpolymer gebildet wird. Das Lösungsmittel und restliche Monomere
werden dann von dem Acrylharz bei einer erhöhten Temperatur und verringertem
Druck durch eine Technik, welche als Entgasung bezeichnet wird,
getrennt, wobei das Acrylharz zurückbleibt.
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Obwohl
Acrylharze eine Anzahl von Verwendungen haben, liegt eine wertvolle
Verwendung auf dem Gebiet Beschichtungen, insbesondere pulverförmige Beschichtungen,
wobei das Acrylharz mit anderen Beschichtungskomponenten und Additiven,
wie Lichtstabilisatoren, welche die Charakteristika der Beschichtung verbessern,
schmelzgemischt wird. Man lässt
die Mischung abkühlen
und sie wird dann zu einem Pulver umgeformt, welches auf verschiedene
Oberflächen
wie Automobilteile und -karosserien aufgebracht werden kann.
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Eines
der Probleme, welches beim Entgasungsverfahren auftritt, ist, dass
die Bedingungen, unter welchen das Lösungsmittel und die restlichen
Monomere von dem Acrylharz getrennt werden, einen Abbau der Acrylpolymerkette
verursachen, wobei Monomere und Oligomere mit geringem Molekulargewicht
gebildet werden. Dieses Phänomen
verursacht selbst eine niedrigere Ausbeute des gewünschten
Harzes und Variationen von Charge zu Charge bei den Eigenschaften
des Harzes. Darüber
hinaus fungiert die Gegenwart von Monomeren und Oligomeren als Weichmacher,
welche die Verarbeitungscharakteristika des Harzes beeinflussen können und
zu Fehlern, wie Mikroporosität
und Gelbfärben,
bei daraus hergestellten Beschichtungen führen können.
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Veranschaulichend
für das
Fachgebiet, welches Acrylharze betrifft, die hergestellt und verwendet
werden bei Pulverbeschichtungen, ist U.S. Patent Nr. 5,663,240,
welches die Herstellung einer Pulverbeschichtung aus einem Epoxy-funktionellen
Acryl-Copolymer und Carbonsäure
beschreibt. Wie in dem Patent dargelegt wird, wird ein veranschaulichendes
Epoxy-funktionelles Acryl-Copolymer
(Polymerbeispiel A) in einem Xylol-Lösungsmittel hergestellt und
einer Entgasung durch Vakuumdestillation über einen Zeitraum von vier
Stunden unterworfen, währenddessen
die Temperatur der Charge auf 356°F
(180°C)
erhöht
wurde. Um die Zusammensetzung zum Pulverbeschichten zu bilden, wird
das Copolymer mit anderen Komponenten, einschließlich eines Additivs zur Kontrolle
des Flusses, eines Mittels zur Freisetzung von Luft und eines Ultraviolett-Lichtstabilisators,
in einer Henschel-Schaufelmischvorrichtung gemischt, bei einer erhöhten Temperatur
extrudiert, ein Katalysator zugegeben, die Mischung dann weiter
gemischt, wieder extrudiert, durch eine Hammermühle laufen gelassen und klassifiziert.
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Zusätzliche
Zusammensetzungen zum Pulverbeschichten, welche mit verschiedenen
Additiven, einschließlich
Lichtstabilisatoren, gemischt wer den, werden in den U.S. Patenten
Nr. 5,212,245, 5,523,349 und 5,648,117 (Teilanmeldung des '349-Patents) beschrieben.
Eine Zusammensetzung zum Pulverbeschichten mit geringem Glanz, welche
auch verschiedene Additive, einschließlich Lichtstabilisatoren,
einschließt,
wird in U.S. Patent Nr. 5,744,522 dargelegt, welches auch eine Erörterung
des Hintergrundes von verschiedenen anderen Dokumenten über Pulverbeschichtungen
einschließt.
Ein weiteres Patent, welches eine Pulveranstrichmittelzusammensetzung
betrifft, ist U.S. Patent Nr. 6,008,301, welches eine Erörterung
von Dokumenten einschließt,
die im Abschnitt über
den Hintergrund des Patents auf die Pulverbeschichtungstechnologie
Bezug nehmen.
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Wenn
Gegenstände
wie Automobilkarosserien und -teile beschichtet werden, werden oft
mehrfache Beschichtungsschichten verwendet, wobei die obere Schicht
als eine Klarlackdeckschicht bezeichnet wird. Polymerzusammensetzungen
werden auch für
die obere Schicht verwendet und solche Zusammensetzungen können eine
Vielzahl von Additiven, einschließlich Lichtstabilisatoren,
einschließen.
Veranschaulichende Patente, welche Polymerzusammensetzungen für eine obere
Beschichtungsschicht offenbaren, sind die U.S. Patente Nr. 5,547,757,
5,609,960 und 5,891,958.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Trennung eines
Lösungsmittels
und eines Materials mit geringem Molekulargewicht von einem Acrylharz
bereit. Das Verfahren bezieht Zugeben eines Lichtstabilisators aus
sterisch gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe
aufweist, zu einer Mischung des organischen Lösungsmittels, des Acrylharzes
und des Materials mit geringem Molekulargewicht und Behandeln der
resultierenden Mischung bei erhöhter
Temperatur für
eine Zeit, die ausreicht, um das organische Lösungsmittel und das Material
mit geringem Molekulargewicht von dem Acrylharz durch Entgasung
zu entfernen, ein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer
Zusammensetzung zum Pulverbeschichten bereit. Das Verfahren bezieht
Zugeben eines Lichtstabilisators aus sterisch gehindertem Amin,
der mindestens eine Aminoether-Gruppe aufweist, zu einer Mischung,
die ein organisches Lösungsmittel,
ein Material mit geringem Molekulargewicht und ein Acrylharz umfasst,
und Behandeln der resultierenden Mischung bei erhöhter Temperatur
für eine
Zeit, die ausreicht, um das organische Lösungsmittel und das Material
mit geringem Molekulargewicht von dem Acrylharz durch Entgasung
zu entfernen, Mischen des Acrylharzes mit Komponenten, um eine Zusammensetzung
zu bilden, die geeignet ist für
die Beschichtung einer Oberfläche
und Umformung der Zusammensetzung in eine Zusammensetzung zum Pulverbeschichten
ein.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung bereit, welche
in eine Zusammensetzung zum Pulverbeschichten umgeformt werden kann,
die im Wesentlichen aus einem Acrylharz, einem Lichtstabilisator
aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe
oder einen Rest davon aufweist, und weniger als 4 Gewichtsprozent
eines Materials mit geringem Molekulargewicht, das ein Molekulargewicht
von weniger als 600 aufweist, besteht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Graph, der im Vergleich mit einem Kontrollbeispiel die relativ
kleine Veränderung
bei der Schmelzviskosität
veranschaulicht, welche gemäß den zwei
veranschaulichenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
vorstehend angegeben, betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zur Trennung eines Lösungsmittels und eines Materials
mit geringem Molekulargewicht von einem Acrylharz unter Verwendung
von Entgasung. Das Acrylharz, welches in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, wird aus einem oder mehreren Acryl-Monomeren der
Formel CH2=CR1C(O)OR2, wobei R1 ausgewählt ist
aus der Gruppe, die aus H und einem Alkylrest, der 1 bis 4 Kohlenstoffatome
enthält,
besteht, und R2 ausgewählt ist aus der Gruppe, die
aus N, einem Alkylrest, der 1 bis 24 Kohlenstoffatome enthält, einem
Hydroxy-substituierten Alkylrest, der 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthält, besteht,
und einem Oxiran-enthaltenden Monomer mit der Struktur R3CR4(O)CH2, wobei R3 einen
verzweigten oder unverzweigten Alkylrest, der 1 bis 20 Kohlenstoffatome
enthält,
darstellt und R4 H oder CH3 darstellt,
hergestellt. Mischungen von Monomeren können verwendet werden, wobei
in diesem Fall unterschiedliche Reste R vorhanden sein können. Veranschaulichende
Monomere schließen
Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Acrylatester, Methacrylatester, Glycidylacrylat, Glycidylmethacrylat, β-Methylglycidylacrylat, β-Methylglycidylmethacrylat,
1,2-Epoxybutylacrylat, Cyclohexylmethacrylat, Laurylmethacrylat,
Stearylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Hydroxypolycaprolactonacrylat
(erhältlich von
Union Carbide) und Mischungen davon ein. Bevorzugte Monomere schließen Methylmethacrylat,
n-Butylmethacrylat und Glycidylmethacrylat ein.
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Das
Acrylharz kann auch aus ethylenisch ungesättigten Verbindungen, welche
mit den Acryl-Monomeren copolymerisieren werden, gebildet werden.
Zum Beispiel können
verschiedene Vinyl-Verbindungen, wie N- Vinylpyrrolidon, Vinylacetat, Vinylneodecanoat,
in einer Weise, die dem Fachmann bekannt ist, verwendet werden.
Ein bevorzugter Typ der Vinyl-Verbindung sind Styrol-Verbindungen,
wie Styrol, alpha-Methylstyrol, Vinyltoluol, 4-Acetoxystyrol, wobei die bevorzugte
Styrol-Verbindung Styrol ist. Wenn vorhanden, werden die Vinyl-Verbindungen
typischerweise in einer Menge von 1 bis 50 Gewichtsprozent, bevorzugt
5 bis 35 Gewichtsprozent, relativ zu der Gesamtmenge der Monomere,
die zur Herstellung des Acrylharzes verwendet werden, zugegeben.
Andere Monomere, von welchen bekannt ist, dass sie bei der Herstellung
von Acrylharzen nützlich
sind, werden in den vorstehend erörterten U.S. Patenten, deren
Inhalte durch Bezugnahme aufgenommen werden, dargelegt.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Acrylharzes ist gemäß Techniken,
welche auf dem Fachgebiet bekannt sind. Typischerweise wird ein
Lösungsmittel
in einem geschlossenen Reaktor bereitgestellt, der so gewählt wird,
dass die Atmosphäre über der
Reaktionsmischung und die Temperatur der Reaktionsmischung kontrolliert
werden können
und die Reaktionsmischung gerührt
werden kann. Das Lösungsmittel
wird so gewählt,
dass die Monomere darin gelöst
werden können
und dass es sich unter den Reaktionsbedingungen nicht mit den Monomeren
umsetzt oder abgebaut wird. Typischerweise werden ein organisches
Lösungsmittel, wie
Xylol, Toluol und andere homologe aromatische Lösungsmittel, Alkyl- und Alkoxyacetat-Lösungsmittel,
wie n-Amylacetat, n-Butylacetat,
2-Methoxyethylacetat, 2-Ethoxyethylacetat und Mischungen davon verwendet.
In Hinblick auf Faktoren wie Kosten und Einfachheit der Trennung
von dem gebildeten Acrylharz durch Entgasung ist ein bevorzugtes
Lösungsmittel
Xylol. Die Menge an Lösungsmittel
ist nicht kritisch, wird aber normalerweise so gewählt, dass
sie ein wirksames Reaktionsmedium bereitstellt, sie ist aber nicht
so groß,
das wesentliche Energie und Zeit notwendig sind, um das Lösungsmittel
von dem Acrylharz durch Entgasung zu trennen. Im Allgemeinen wird
die Menge an Lösungsmittel
so gewählt,
dass das Gesamtgewicht an Mo nomeren 30 bis 90 Gewichtsprozent der
Gesamtreaktionsmischung, stärker
bevorzugt 50 bis 70 Gewichtsprozent der Gesamtreaktionsmischung,
beträgt.
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Luft
wird aus dem Reaktor und dem Lösungsmittel
entfernt, wie durch wiederholtes Spülen mit Stickstoff, während Lösungsmittel
gerührt
wird. Das Lösungsmittel
wird dann auf die Reaktionstemperatur erwärmt, worauf eine Mischung der
Reaktanden (typischerweise Monomere), welche zur Bildung des Acrylharzes
verwendet werden, dann in den Reaktor über einen Zeitraum von ungefähr einer
bis zehn Stunden eingebracht wird. Eine Temperatur von 100 bis 160°C wird abhängig vom
verwendeten Initiator verwendet. Die verwendeten Initiatoren sind
im Allgemeinen auf dem Fachgebiet bekannt. Typische Initiatoren
schließen
Peroxide wie t-Butylperoctoat, Benzoylperoxid und Di-t-butylperoxid, oder
Diazo-Verbindungen wie Azobisisobutyronitril ein. Der Initiator
kann zu den vorgemischten Monomeren gegeben werden oder getrennt
in den Reaktor gegeben werden. Die Menge an Initiator wird basierend
auf dem gewünschten
Molekulargewicht gewählt.
Im Allgemeinen erzeugt die Zugabe einer größeren Menge an Initiator mehr
Polymerketten und deshalb ein geringeres Molekulargewicht. Typischerweise
beträgt
die Menge an Initiator 0,3 bis 10 Gewichtsprozent der Monomere, bevorzugt
1 bis 7 Gewichtsprozent.
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Die
Umsetzung wird im Allgemeinen für
3 bis 7 Stunden bei einer Temperatur von 100 bis 160°C durchgeführt, um
ein Acrylharz zu bilden, welches typischerweise ein Gewichtsmittel
des Molekulargewichts von 3.000 bis 20.000, bevorzugt 3.000 bis
12.000, aufweist. Um die Umwandlung zu verbessern, kann eine weitere Menge
an Initiator (typischerweise in der Größenordnung von weniger als
ungefähr
1 %, bezogen auf das Gewicht der Monomere) am Ende des Polymerisationsschrittes
zugegeben werden. Trotz dieser anschließenden Zugabe an Initiator
verbleibt eine kleine Menge an nicht polymerisierten Monomeren zusammen
mit Oligomeren der Monomere, welche ein Material mit geringem Molekulargewicht
darstellen.
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Das
Acryl-Polymer wird dann von dem Lösungsmittel durch Entgasung
getrennt, was auch dazu dient, das Material mit geringem Molekulargewicht,
insbesondere die restlichen Monomere, zu entfernen. Die Bedingungen
des Entgasens sind nicht entscheidend, werden aber normalerweise
so gewählt,
dass eine wirksame Trennung des Acrylharzes von dem Lösungsmittel
erreicht wird. Allgemeine Bedingungen zum Entgasen sind bei einer
Temperatur von 100 bis 180°C,
bevorzugt 165 bis 170°C,
für 4 bis
5 Stunden bei einem verringerten Druck von 1 bis 20 mm Hg. Bei niedrigeren
Drucken von 1 bis 10 mm Hg kann die Temperatur erniedrigt werden,
wobei Temperaturen von 150 bis 160°C besonders wirksam sind. Ein
typisches Entgasungsverfahren bezieht Erwärmen der Polymerreaktionsmischung
auf den Siedepunkt bei Atmosphärendruck
und Abdestillieren eines Großteils
des Lösungsmittels
ein. An einem Punkt wird Vakuum angelegt, um eine gute Destillationsrate aufrecht
zu erhalten. Wenn maximales Vakuum (typischerweise 5 bis 15 mm Hg)
erreicht ist, wird das Harz für einen
Zeitraum von ungefähr
1 bis ungefähr
2 Stunden bei einer Temperatur von 150 bis 175°C gehalten. Durch das Entgasungsverfahren
weist das Acrylharz einen Gehalt an restlichem Monomer von niedriger
als 1 Gewichtsprozent, bevorzugt niedriger als 0,5 Gewichtsprozent,
auf.
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Eine
der Herausforderungen, welche durch das Entgasungsverfahren auftritt,
ist, dass die verwendeten Bedingungen bei oder nahe der Ceiling-Temperatur des Acrylharzes,
bei welcher eine Depolymerisation beginnt stattzufinden, sind. Da
eine Depolymerisation größtenteils
am terminalen Ende der Polymerkette stattfindet, resultieren freie
Monomere oder ihre Oligomerisationsprodukte, welche ein Material
mit geringem Molekulargewicht, gemischt mit dem organischen Lösungsmittel
und dem Acrylharz, bereitstellen. Abhängig vom besonderen Harz und
der Scherspannung, welche bei dem geschmolzenen Polymer verwendet
wurde, kann die Ceiling-Temperatur für Acrylharze bei nur 150°C liegen.
Während
das Entgasungsverfahren stattfindet und das Lösungs mittel und die restlichen
Monomere von dem Acrylharz entfernt werden, erzeugen demgemäß die Bedingungen
des Entgasens tatsächlich
weitere Monomere (welche Oligomere bilden können), was den Zweck des Entgasens
verfehlt und die Eigenschaften des Harzes nachteilig beeinflussen
kann. Die Monomere und ihre Oligomerisationsprodukte sind für das Harz
wirksame Weichmacher und können
die Verarbeitbarkeit des Harzes beim Pulverherstellungsverfahren
beeinflussen, sowie die physikalische Stabilität der Pulverbeschichtung selbst.
Auch können
die Monomere und Oligomere mit anderen Komponenten der Pulverbeschichtung
wechselwirken, wobei Gelbfärben
verursacht wird oder die Eigenschaften von gehärteten Beschichtungen aufgrund
einer niedrigen Funktionalität
oder keiner Funktionalität
beeinflusst werden. Da die Oligomere viel weniger flüchtig sind
als die typischen Monomere, ist es darüber hinaus schwierig, sie,
nachdem sie gebildet wurden, zu entfernen. Demgemäß ist es
von großem
Vorteil, ihre Bildung zu verhindern. Diese Depolymerisation kann
auch nicht konsistente Eigenschaften von einer Charge Harz zu einer
anderen verursachen. Dies kann besonders bei Glycidyl-Monomeren,
wie Glycidylmethacrylat, welche weniger flüchtig sind als andere Monomere
und deshalb nicht so einfach durch das Entgasungsverfahren entfernt
werden, mit Schwierigkeiten verbunden sein.
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Nachdem
das Entgasungsverfahren abgeschlossen ist, ist es oft notwendig,
das Harz im geschmolzenen Zustand zu halten, während zusätzliches Verarbeiten, wie die
Vorbereitung des Harzes in Stückenform
(typischerweise mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 10 mm), durchgeführt wird.
Während
dieser Zeit kann eine weitere Depolymerisation stattfinden.
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Um
eine Zusammensetzung zum Beschichten aus dem Acrylharz herzustellen,
kann jedwede bekannte Technik verwendet werden. Zum Beispiel kann
das Stückenharz
in eine Vormischvorrichtung zusammen mit einem Härtungsmittel, Stabilisator
aus sterisch gehindertem Amin, Ultraviolett- Absorptionsmittel, Benzoin (zum Entgasen),
Mitteln zur Kontrolle des Flusses, Härtungskatalysatoren, usw. gegeben
werden. Abhängig von
der Zusammensetzung macht das Acrylharz typischerweise 60 bis 80
Gewichtsprozent der Zusammensetzung aus. Das Mischen wird bei hoher
Scherung durchgeführt,
um eine Mischung zu erreichen, die so homogen wie möglich ist.
Die Mischung wird in einen Extruder gegeben, wo sie geschmolzen,
gemischt und extrudiert wird. Typischerweise liegen die Bedingungen
in dem Extruder unter der Ceiling-Temperatur (z.B. 100 bis 130°C), so dass
wenig zusätzliche
Depolymerisation stattfindet.
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Das
extrudierte Material wird auf eine kalte Walze aufgebracht und die
verfestigte Zusammensetzung wird Mahlen und Klassifizieren unterworfen,
so dass das pulverförmige
Beschichtungsmaterial einen Teilchengrößenbereich von 5 bis 125 µm aufweist,
wobei die mittlere Teilchengröße im Bereich
von 35 bis 70 µm
liegt. Die pulverförmige
Zusammensetzung zum Beschichten kann dann auf eine Vielzahl von
Oberflächen
aufgebracht, geschmolzen und gehärtet
werden, wobei eine harte, wetterbeständige Beschichtung gemäß bekannten
Techniken gebildet wird. Eines der Probleme, welches auftrat, als
ein Acrylharz mit einem hohen Gehalt an restlichem Monomer verwendet
wurde, war, dass die Weichmacherwirkung verursachte, dass die extrudierte Zusammensetzung
zum Beschichten an der kalten Walze haftete, was die Wirksamkeit
des Verfahrens nachteilig beeinflusst und die Ausbeute der pulverförmigen Zusammensetzung
zum Beschichten verringern kann. Zusätzlich kann die Gegenwart eines
hohen Gehalts an restlichem Monomer die Farbe der Zusammensetzung nachteilig
beeinflussen, insbesondere wo die pulverförmige Zusammensetzung zum Beschichten
zur Bildung einer Klarlackdeckschicht gestaltet (engl. designed)
ist, welche über
einer Grundschicht auf Wasserbasis aufgebracht wird.
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Bezugnehmend
auf das Depolymerisationsphänomen
mit größerer Ausführlichkeit
wurde gefunden, dass bei der Bildung des Acrylharzes die C-C- Bindungsenergie im
Gerüst,
benachbart zur endständigen
Radikalstelle, auf 15 bis 40 kcal/Mol abfällt. Folglich führt eine
Radikalstelle am Ende des Acrylharzes zu einer progressiven Depolymerisation
mit der Erzeugung von Monomeren während dem Entgasungsverfahren.
Dieser Mechanismus der Depolymerisation für ein Acryl-Copolymer, wobei
R1 und R2 gleich oder unterschiedlich sind, kann als das folgende
Schema veranschaulicht werden:
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Da
die meisten Acrylharze für
Pulverbeschichtungen durch Radikallösungspolymerisation hergestellt werden.
Die Kombination von hoher Temperatur, Vakuum und mechanischer Scherkraft
während
dem Entgasungsverfahren verschlechtert die Harzprodukte gemäß dem vorstehend
gezeigten Mechanismus der Depolymerisation. Die Verwendung von Vakuumbedingungen,
erhöhter
Temperatur und Rühren
mit hoher Scherung zur Entfernung des Lösungsmittels (und der Monomere)
erhöht
tatsächlich
die Rate der Depolymerisation.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf die wesentliche Herausforderung
auf dem Fachgebiet ab, welche aufgrund von Depolymerisation auftritt,
und in einer Ausführungsform
stellt sie ein Verfahren zur Trennung eines Lösungsmittels und eines Materials
mit geringem Molekulargewicht von einem Acrylharz bereit, enthaltend Zugeben
eines Lichtstabilisators aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens
eine Aminoether-Gruppe aufweist, zu einer Mischung des organischen
Lösungsmittels
und des Acrylharzes und Behandeln der resultierenden Mischung bei
erhöhter
Temperatur für
eine Zeit, die ausreicht, um das Lösungsmittel von dem Acrylharz durch
Entgasung zu entfernen.
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Lichtstabilisatoren
aus sterisch gehindertem Amin, welche mindestens eine Aminoether-Gruppe
aufweisen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind
auf dem Fachgebiet bekannt oder können einfach hergestellt werden.
Lichtstabilisatoren aus sterisch gehindertem Amin selbst sind gut
auf dem Fachgebiet bekannt und werden im Allgemeinen als „HALS" bezeichnet, welche
von einer Anzahl von kommerziellen Quellen wie Ciba Specialty Chemicals,
Inc., Clariant Corporation, Cytec Inc. und Ferro Corporation erhältlich sind.
In dieser Hinsicht gilt als vereinbart, dass diese Verbindungen
im Kontext der vorliegenden Erfindung nicht als ein „Lichtstabilisator" fungieren, aber
diese Terminologie wird hier verwendet, so dass der Fachmann den
Typ der Verbindungen, welche verwendet werden, versteht. Es soll
auch so verstanden werden, dass die meisten HALS keine Aminoether-Gruppe
enthalten. Obwohl bekannt ist, dass solche HALS ohne eine Aminoether-Gruppe
beim Stabilisieren von verschiedenen Zusammensetzungen, einschließlich Zusammensetzungen
zum Pulverbeschichten, wirksam sind, wurde gefunden, dass sie im
Vergleich mit den Verbindungen der vorliegenden Erfindung minderwertige
Ergebnisse bereitstellen, wenn sie im Entgasungsverfahren verwendet werden.
Ein Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin mit zwei Aminoether-Gruppen, der in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist TINU-VIN
® 123,
welcher kommerziell von Ciba Specialty Chemicals, Inc. erhältlich ist
und von welchem berichtet wird, dass er die folgende chemische Struktur
aufweist:
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Ein
weiterer Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin mit zwei
Aminoether-Gruppen, der in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann, ist ein Material, welches kommerziell von Ciba Specialty
Chemicals, Inc. unter der Bezeichnung CGL-052 erhältlich ist
und von welchem berichtet wird, dass es die folgende chemische Struktur
aufweist, wobei die freien Linien Methylgruppen zeigen:
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Der
Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin mit einer Aminoether-Gruppe
kann aus Lichtstabilisatoren aus sterisch gehindertem Amin ohne
eine Aminoether-Gruppe, aber mit einer Amin-Gruppe, die zur Umsetzung
mit einer aktivierenden Verbindung wie einer Persäure, die
durch 3-Chlorperoxybenzeosäure, Peroxybenzoesäure und
Mischungen davon beispielhaft dargestellt wird, zur Verfügung steht,
hergestellt werden. Die Umsetzung der Persäure mit dem sterisch gehinderten
Amin kann durch Mischen des sterisch gehinderten Amins mit 1 Gewichtsprozent
der Persäure
auf einer heißen
Platte bei 100°C
in einer Weise, die der Fachmann im Allgemeinen versteht, durchgeführt werden.
Nach dem Kühlen
wird die Mischung zu Pulver gemahlen. Eine Veranschaulichung dieses
Verfahrens ist die Umsetzung von TINUVIN
® 770
mit 1 Gewichtsprozent 3-Chlorperoxybenzoesäure, wobei ein Lichtstabilisa tor
aus sterisch gehindertem Amin, der eine Aminoether-Gruppe aufweist,
gebildet wird. TINUVIN
® 770 hat die folgende
chemische Struktur:
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Der
Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens
eine Aminoether-Gruppe aufweist, wird typischerweise am Ende des
Polymerisationsverfahrens und vor dem Entgasungsverfahren zugegeben,
um am stärksten
wirksam zu sein. Die Menge, die im Allgemeinen zugegeben wird, liegt
im Bereich von 500 bis 10.000 ppm, bevorzugt 1.000 bis 2.000 ppm,
bezogen auf die Gesamtmenge an Feststoffen, welche von dem Entgasungsverfahren
gewonnen werden. Es ist ersichtlich, dass Mischungen des Lichtstabilisators aus
sterisch gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe
aufweist, verwendet werden können. Es
ist nicht notwendig, den Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem
Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe aufweist, nach dem Ende
des Entgasungsverfahrens zu entfernen, da Lichtstabilisatoren aus
sterisch gehindertem Amin oft zugegeben werden, wenn eine Zusammensetzung
zum Beschichten hergestellt wird. Demgemäß stellt das Harz aus dem Entgasungsverfahren
eine Zusammensetzung bereit, welche in eine Zusammensetzung zum
Pulverbeschichten umgeformt werden kann, die im Wesentlichen aus
dem Acrylharz, einem Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem
Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe oder einen Rest davon
aufweist, und weniger als 4 Gewichtsprozent, bevorzugt weniger als
3 Gewichtsprozent, am stärksten
bevorzugt weniger als 2,5 Gewichtsprozent des Materials mit geringem
Molekulargewicht, das ein Molekulargewicht von weniger als 600 aufweist,
wie durch Gelpermeationschromatographie bestimmt wird, besteht. Die
Gegenwart von so niedrigen Mengen des Materials mit geringem Molekulargewicht
ist besonders vorteilhaft für
Acrylharze mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts von 3.000
bis 12.000. Wie hier verwendet, wird der Ausdruck „im Wesentlichen
bestehen aus" verwendet,
um zu zeigen, dass die Zusammensetzung nicht alle Komponenten enthält, die
für eine
Zusammensetzung zum Pulverbeschichten notwendig sind.
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Die
Gegenwart des Lichtstabilisators aus sterisch gehindertem Amin,
der mindestens eine Aminoether-Gruppe aufweist, dient zur Verhinderung
oder wesentlichen Verringerung der Depolymerisation der Polymerkette
während
dem Entgasungsverfahren. Man nimmt an, dass herkömmliche Lichtstabilisatoren
aus sterisch gehindertem Amin durch Licht und Sauerstoff als Teil
des Denisov-Zyklus aktiviert werden müssen, bevor sie eine Stabilisierungsfunktion
bereitstellen können.
Jedoch stellt der Denisov-Zyklus auch Dialkylperoxide bereit, wenn
mit einem Radikal umgesetzt wird, das durch Depolymerisation erzeugt
wurde, was seinerseits zusätzliche
Radikale bilden kann, was für
eine Ausbreitung der Umsetzung sorgt. Hingegen erzeugt der Lichtstabilisator
aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe
aufweist, einen Alkohol und eine Carbonyl-enthaltende Verbindung,
was nicht für
eine Ausbreitung von weiteren Radikalen sorgt. Da der Lichtstabilisator
aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens eine Aminoether-Gruppe
aufweist, eine niedrigere Basizität aufweist, kann zusätzlich die
Neigung zum Gelbfärben
verringert werden. In dieser Weise kann die Erfindung wesentliche
Verbesserungen bei der Ausbeute, der Einheitlichkeit des Produktes
innerhalb der selben Charge, den Variationen von Charge zu Charge
und dem Gehalt an freiem restlichen Monomer erreichen, was seinerseits
in verbesserten Pulverbeschichtungseigenschaften, wie erhöhter physikalischer
Stabilität
des Pulvers und verringertem Gelbfärben, bei Beschichtungen, die
daraus hergestellt werden, resultieren kann. Als noch ein weiterer
Vorteil kann der Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin,
der mindestens eine Aminoether-Gruppe aufweist, Verfahrensflexibilität bereitstellen,
indem die Verwendung von Lösungsmitteln
mit höherem
Siedepunkt bei dem Polymerisationsverfahren ermöglicht wird. Solche Lösungsmittel
mit höherem
Siedepunkt würden
höhere
Entgasungstemperaturen (oder ein höheres Vakuum als bei einem industriellen
Verfahren praktikabel wäre)
erfordern. Folglich kann die Entgasungstemperatur gemäß der vorliegenden
Erfindung 100° bis
200°C, bevorzugt
145° bis
200°C, betragen.
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Es gilt als selbstverständlich,
dass die vorliegende Erfindung durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist und nicht durch die speziellen Details der Beispiele.
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KONTROLLBEISPIEL 1 UND
BEISPIEL 1
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Zur
Veranschaulichung der Wirkung der vorliegenden Erfindung bei der
Herstellung eines Acrylharzes wird ein Edelstahlreaktor mit 7,6
Litern, der mit einem Rührer
und einer Stickstoffspülvorrichtung
ausgestattet ist, anfänglich
mit 1830 g Xylol beschickt. Das Xylol wird auf ungefähr 139°C erwärmt, während gerührt wird und
der Reaktor mit Stickstoff gespült
wird. Über
ungefähr
5 Stunden wird eine Mischung, die 240 g Styrol, 1170 g Methylmethacrylat,
120 g Isobutylacrylat, 30 Gramm Isobutylmethacrylat, 1380 g Glycidylmethacrylat und
216 g tert-Butylperoctoat (als Initiator) enthält, in den Reaktor gegeben.
Weitere 100 g Xylol werden dann verwendet, um die Leitungen der
zugegebenen Mischung zu spülen.
Danach wird die Temperatur des Reaktors auf ungefähr 130°C verringert,
60 g Styrol werden über
10 Minuten zugegeben und 10 Minuten nachdem die Styrol-Zugabe beendet
ist, wird eine Mischung von 60 g Xylol und 15 g tert-Butylperoctoat über 2 Stunden zugegeben,
gefolgt von einer Spülung
mit 10 g Xylol, worauf die Temperatur auf 100°C verringert wird. Die Inhalte
des Reaktors werden während
der ganzen Zeit gerührt.
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Die
Reaktionsmischung wird dann einem Entgasungsverfahren unterworfen,
welches bei 160°C
und 1 mm Hg für
1 Stunde durchgeführt
wird. Im Kontrollbeispiel wird das Verfahren ohne die Gegenwart
eines Lichtstabilisators aus sterisch gehindertem Amin, der mindestens
eine Aminoether-Gruppe aufweist, durchgeführt. In Beispiel 1 werden 0,5
Gewichtsprozent Tinuvin
® 123 (bezogen auf das
Gewicht des festen Harzes) vor dem Entgasungsverfahren zugegeben.
Das Harz wird für
3 Stunden auf die heiße
Ablage eines ICI Konus-Platte-Viskosimeters
gegeben, wobei jede 0,5 Stunden Viskositätsmessungen durchgeführt werden
(in Poise). In Tabelle 1 sind die Ergebnisse angegeben, welche zeigen,
dass das Kontrollbeispiel 1 kein stabiles Material bereitstellt,
wie durch die wesentliche Abnahme bei der Schmelzviskosität gezeigt
wird, während
das Beispiel 1 ein stabiles Material bereitstellt. TABELLE
1
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KONTROLLBEISPIEL 2 UND
BEISPIELE 2 und 3
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In
einen Parr-Reaktor mit 7,6 Litern werden 1830 g Xylol gegeben, die
bei 200 UpM gerührt
werden. Luft wird durch viermaliges aufeinanderfolgendes unter Druck
setzen und Entspannen des Reaktors auf 60 psig mit trockenem Stickstoff
entfernt. Die Mischung wird auf 139°C erwärmt, worauf eine Mischung von
150 g Styrol, 1350 g Methylmethacrylat, 300 g n-Butylacrylat, 1.200
g Glycidylmethacrylat und 207 g tert-Butylperoctoat in den Reaktor über 5 Stunden
bei 139°C
gepumpt wird. Die Beschickungspumpe und -leitungen werden mit 100
g Xylol gespült
und man lässt
die Acrylharz-Lösung
auf 130°C über 15 Minuten
abkühlen.
Eine Mischung von 60 g Xylol und 15 g tert-Butylperoctoat wird über zwei
Stunden zugegeben, wobei die Temperatur von 130°C auf 100°C fällt. Die Pumpe und die Leitungen
werden mit 10 g Xylol gespült
und die Acrylharz-Lösung
wird für
weitere 30 Minuten bei 100°C
gehalten.
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Die
Acrylharz-Lösung
wird aus dem Parr-Reaktor entnommen und in zwei Teile für das Entgasungs-(Abzieh)-Verfahren
aufgeteilt.
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Kontrollbeispiel
2: In einen Kolben mit fünf
Litern, der für
Destillation ausgestattet ist, werden 1730 g der Acrylharz-Lösung gegeben
und der Großteil
des Xylols wird bei einer Atmosphäre abdestilliert. Vakuum wird
dann angelegt, während
die Temperatur auf bis zu 160°C
gebracht wird. Das geschmolzene Material wird für 60 Minuten bei 160° ± 1 °C und 2 mm
Hg gerührt
und dann in eine Aluminiumschale gegossen, wobei ein krümeliges
Harz erhalten wird.
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Beispiel
2: 1730 g der Acrylharz-Lösung,
2 g Tinuvin® 123
werden in einen Kolben mit fünf
Litern, der für
Destillation ausgestattet ist, gegeben und der Großteil des
Xylols wird bei einer Atmosphäre
abdestilliert. Vakuum wird dann angelegt, während die Temperatur auf bis
zu 160°C
gebracht wird. Das geschmolzene Material wird für 60 Minuten bei 160° ± 1 °C und 2 mm
Hg gerührt
und dann in eine Aluminiumschale gegossen, wobei ein krümeliges
Harz erhalten wird.
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Beispiel
3: Das Verfahren von Beispiel 2 wird wiederholt, außer, dass
1730 g des Acrylharzes, welches wie in Kontrollbeispiel 2 hergestellt
wurde, 2 g CGL-052-Pulver in einen Kolben mit fünf Litern, der für Destillation
ausgestattet ist, gegeben werden und dass der Großteil des
Xylols wird bei einer Atmosphäre
abdestilliert wird. Vakuum wird dann angelegt, während die Temperatur auf bis
zu 160°C
gebracht wird. Das geschmolzene Material wird für 60 Minuten bei 160° ± 1 °C und 2 mm
Hg gerührt
und dann in eine Aluminiumschale gegossen, wobei ein krümeliges
Harz erhalten wird.
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Das
Acrylharz von jedem Beispiel wird dann für 2,5 Stunden bei 175°C gereift,
wobei der Gewichtsverlust am Ende der ersten Stunde bestimmt wird
und die Schmelzviskosität
der Proben am Anfang und nach jeden 0,5 Stunden bestimmt wird. Die
Ergebnisse des Gewichtsverlustes, der Schmelzviskosität und von
anderen Tests sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Zusätzlich wird
bei einer Probe des entgasten Harzes von Kontrollbeispiel 2 und
weiteren Proben, zu welchen 0,2 Gewichtsprozent Tinuvin
® 123
und CGL-052 gegeben wurden, die Viskositätserhaltung getestet, wobei
sie auf ein ICI Konus-Platte-Viskosimeter
(eingestellt auf 175°C)
gegeben werden, wobei die Viskosität jede 30 Minuten aufgezeichnet
wird. Die Ergebnisse sind graphisch in
1 gezeigt. TABELLE
2
- 2 Schmelzviskosität: wurde mit einem ICI Konus-Platte-Viskosimeter
(VR4752 mit VR4140-Konus) gemessen, wobei auf 150°C eingestellt
wurde.
- 3 EEQ: wurde mit einem Mettler Autotitrator
DL25 gemessen.
- 4 MW: wurde durch GPC (Gelpermeationschromatographie)
gemessen, HMWP (Anteil an hohem MW) wurde als % von Mw, welches
höher als
20.000 ist, definiert, und LMWP (Anteil an geringem MW) wurde als
% von Mw, welches niedriger als 600 ist, definiert.
- 5 Gelzeit: das Harz wurde mit 1,12-Dodecandisäure-Härtungsmittel
(bei einem Epoxy/COOH-Verhältnis
= 1/1) gemahlen und es wurde die Zeit gemessen, welche benötigt wurde,
bis die Pulverschmelzviskosität
400 Poise auf einem ICI Konus-Platte-Viskosimeter bei 150°C erreicht hatte.
- 6 MV-Stabilität: Geben des Harzes auf ein
ICI Konus-Platte-Viskosimeter (eingestellt auf 175°C) und Ablesen der
Viskosität
jede 30 Minuten, um zu sehen, ob die Viskosität stabil ist oder nicht. Wenn
sich das Polymer zersetzt, sollte die Viskosität während dem Reifen abnehmen.
- 7 Gewichtsverlust: unter Verwendung von 1
g Harzprobe wird der %-Gewichtsverlust nach dem Lagern der Probe
in einem Ofen bei 175°C
für eine
Stunde gemessen.
- 8 Gehärteter Testprüfkörper dB:
Mahlen des Harzes mit Dodecyldiamin-Härtungsmittel, Ultraviolett-Absorptionsmittel,
Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin und Benzoin. Dieses
formulierte Pulver wird in eine TEFLON-Form auf einer heißen Platte
mit 160°C
für 40
Minuten gegossen, um einen Chip mit 1,7 mm Dicke und 17 mm Durchmesser
herzustellen. Die Farbe des Chip (dB) wird mit einem X-Rite SP78-Spektrophotometer
gemessen.
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Das
Schmelzviskositätsstabilitätstestergebnis
für CGL-052
in Tabelle 2 zeigt, dass es, obwohl es im Vergleich zum Kontrollbeispiel
eine verbesserte Stabilität
bereitstellt, nicht so wirksam wie Tinuvin® 123
ist. Jedoch könnte
eine vergleichbare Stabilität
unter Verwendung einer etwas größeren Menge
an Additiv des CGL-052 erreicht werden.
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KONTROLLBEISPIEL 3. VERGLEICHSBEISPIELE
1–3 UND
BEISPIELE 4–5
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Das
Verfahren von Kontrollbeispiel 2 und der Beispiele 2 und 3 wird
im Wesentlichen wieder wiederholt, außer, dass die Mischung, welche
in den Reaktor gegeben wird, 50 g Styrol, 449 g Methylmethacrylat, 101
g n-Butylmethacrylat,
400 g Glycidylmethacrylat und 70 g tert-Butylperoctoat (als Initiator)
enthält.
Zusätzlich
wird nach der Vollendung der Monomer/Initiator-Mischung die Reaktionsmischung für eine Stunde
vorgehalten, während
Rückfluss
durchgeführt
wird, auf 100°C
gekühlt,
worauf weitere 2 g tert- Butylperoctoat
zugegeben werden und nach einer weiteren Stunde weitere 3 g tert-Butylperoctoat
zugegeben werden und die Reaktionsmischung für eine Stunde vorgehalten wird,
wobei 1742 g eines Acrylharz-Materials bereitgestellt werden, welches
1075 g Feststoffe (nicht flüchtige
Stoffe von 61,7 Gewichtsprozent) enthält. Entgasung wird für eine Stunde
bei 180°C
bei 10 mm Hg durchgeführt.
Das Acrylharz wird dann für
2 Stunden bei 175°C
gereift, wobei die Schmelzviskosität der Proben am Anfang und
nach jeden 0,5 Stunden bestimmt wird. Für Kontrollbeispiel 3 wird kein
Material zugegeben. Für
Vergleichsbeispiel 1 werden 0,2 Gewichtsprozent Tinuvin
® 144 (welches
sowohl einen Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin, der
aber keine Aminoether-Gruppe aufweist, als auch eine sterisch gehinderte
phenolische Antioxidationseinheit enthält) zugegeben. Für Vergleichsbeispiel
2 werden 0,2 Gewichtsprozent Tinuvin
® 770
(Lichtstabilisator aus sterisch gehindertem Amin, aber ohne eine
Aminoether-Gruppe) zugegeben. Für
Vergleichsbeispiel 3 werden 0,2 Gewichtsprozent Irganox
® 1010
(welches ein sterisch gehindertes phenolisches Antioxidationsmittel
ist) zugegeben. Für
Beispiel 4 werden 0,2 Gewichtsprozent Tinuvin
® 123
zugegeben. Für
Beispiel 5, 0,2 Gewichtsprozent Tinuvin
® 770,
das mit 0,02 Gewichtsprozent 3-Chlorperoxybenzeosäure umgesetzt
worden war, wobei eine Aminoether-Gruppe gebildet wird. Die Abnahme
bei der Schmelzviskosität,
relativ zur ursprünglichen
Schmelzviskosität,
für jedes der
Beispiele ist in Tabelle 3 dargelegt. TABELLE
3