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Die
Erfindung betrifft Härtemittel
für Epoxidharze,
die aus
- A) einem Addukt, das durch Umsetzen
a1) eines Polyethylenpolyamins mit bis zu sechs Stickstoffen im
Molekül
mit a2) einem Monoglycidylether erhältlich ist, und
- B) einem Addukt b1) eines Diamins oder Polyamins und b2) Acrylonitril
und/oder
- C) einem Polyaminoamid besteht
und betrifft härtbare Zusammensetzungen,
die des Weiteren eine Epoxidverbindung umfassen.
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Die
Verwendung dieser härtbaren
Zusammensetzungen zur Herstellung von Formteilen und flächenförmigen Strukturen
und ebenso für
Anwendungen im Klebstoff- und Dichtungsmittelsektor und für Epoxidharzmörtel wird
ebenfalls durch diese Erfindung bereitgestellt.
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Härtbare Zusammensetzungen,
die auf aminischen Härtemitteln
und Epoxidharzen basieren, werden weithin in der Industrie für die Beschichtung
und das Finishen von metallischen und mineralischen Substraten, als
Klebstoffe und Dichtungsmittel, als Matrixharze, als Werkzeugharze
oder sehr allgemein als Gießharze
zur Herstellung von Formteilen oder flächenförmigen Strukturen verwendet.
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Die
verwendeten aminischen Härtemittel
sind insbesondere aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische
Amine. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der härtbaren oder
gehärteten
Zusammensetzungen, die auf diesen Aminen basieren, sind für viele
Anwendungen ausreichend. In vielen Fällen in der Praxis haben diese
Produkte jedoch Nachteile, wie zum Beispiel schlechte Oberflächen oder
ernsthafte Bildung von Hydraten. Diese Oberflächendefekte sind jedoch nicht
nur eine visuelle Störung,
wie zum Beispiel in Falle eines Decklackmaterials. Die Oberflächendefekte,
insbesondere die Bildung von Hydraten, können in einer Situation resultieren,
bei der, wenn das Härtemittel überzogen
werden muss, wie zum Beispiel wenn es als Primer verwendet wird,
die Adhäsion
zwischen den Beschichtungen nicht ausreichend ist und sich das nachfolgend
aufgetragene Decklackmaterial wieder löst. Aus diesem Grund ist es
bevorzugt, Aminverbindungen zu verwenden, die einen geringen Gehalt
an freien Aminen haben. In diesen Fällen werden häufig Pre-Addukte
dieser Amine mit Epoxidharzen verwendet. Neben den verbesserten
Oberflächeneigenschaften,
liegen die Vorteile in einem geringeren Dampfdruck und verringern
somit ebenfalls die Geruchsbelästigung
und die Toxikologie. Da jedoch der Gehalt an freiem Amin bei diesen
Verbindungen immer noch sehr hoch ist, wird manchmal von dem, was
als "isolierte Addukte" bekannt ist, gebraucht
gemacht. In diesem Fall wird das überschüssige freie Amin durch Destillation
abgetrennt. Der Nachteil dieser Verbindungen ist jedoch ihre Viskosität, die zu
hoch ist. Um bei Raumtemperatur und bei niedriger Temperatur verarbeitet
werden zu können,
ist es notwendig, relativ große
Fraktionen von Verdünnungsmittel
hinzuzugeben. Dies führt
jedoch zu einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
des ausgehärteten
Duroplasten. Die Zugabe von Verdünnungsmitteln
führt aufgrund
von Emissionen zu einer ernsthaften Geruchsbelästigung. In einigen Fällen sind
diese Lösungsmittel
gesundheitsgefährlich
oder toxisch. Die Verschmutzung der Umwelt durch die ausgasenden Lösungsmittel
ist beträchtlich.
Lösungsmittel,
das insbesondere während
der Auftragung von dicken Schichten vorliegt, führt technisch gesehen ebenso
zu Problemen; zum Beispiel ist im Falle von Primern die Remanenz
des Lösungsmittels
in der Beschichtung zerstörend
und unerwünscht.
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Es
war deshalb ein Gegenstand der Erfindung Härtemittel für härtbare Zusammensetzungen basierend
auf Epoxidharzen bereitzustellen, die einen vergleichsweise geringen
Gehalt an freiem Amin haben, die aber gleichzeitig bei Raumtemperatur
eine niedrige Viskosität
haben und ohne die Zugabe von nicht reaktiven Verdünnungsmitteln
oder Lösungsmitteln
verarbeitbar sind und die Oberflächeneigenschaften
und mechanische Daten der ausgehärteten
Duroplasten haben, die im oberen Niveau sind.
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Dieser
Gegenstand ist in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch die Härtemittel
der Erfindung für Epoxidharze,
die aus
- A) 1–99 Gew.-%, bevorzugt 10–90 Gew.-%,
bevorzugter 30–70
Gew.-% eines Addukts, das durch Umsetzen a1) eines Polyethylenpolyamins
mit bis zu sechs Stickstoffen im Molekül mit a2) einem Monoglycidylether
erhältlich
ist, wobei das Addukt von a1) und a2) bevorzugt durch Entfernen
des Überschusses
an Polyethylenpolyamin isoliert wird, und
- B) 99–1
Gew.-%, bevorzugt 90–10
Gew.-%, bevorzugter 70–30
Gew.-% eines Addukts, das durch Umsetzen b1) eines Diamins oder
Polyamins mit b2) Acrylonitril erhältlich ist, und/oder
- C) 99 bis 1 Gew.-%, bevorzugt 90–10 Gew.-%, bevorzugter 70–30 Gew.-%
eines Polyaminoamids
bestehen, erreicht worden.
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Die
Härtemittel
der Erfindung haben vergleichsweise niedrige Viskositäten und
ermöglichen
das Verarbeiten bei Raumtemperatur, so dass es keinen Bedarf gibt,
zerstörende
Verdünnungsmittel
und/oder Weichmacher hinzuzugeben. Der Gehalt an freiem Amin bei
diesen Addukten ist gering.
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In
Vergleich zu herkömmlichen
Härtemitteln
wird eine ungefähr
vergleichbare Verarbeitungsdauer (Topfzeit) überraschenderweise mit der
Beobachtung einer schnelleren Härtegeschwindigkeit
kombiniert, insbesondere bei niedrigen Temperaturen (10°C). Dies
war nicht vorhersehbar. Stattdessen würde man für die ungefähr gleiche Verarbeitungsdauer
eine vergleichbare Härtegeschwindigkeit
erwarten, da normalerweise die Verarbeitungsdauer von der Härtegeschwindigkeit
abhängt.
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Die
Adduktkomponente a2), die zur Herstellung des Polyamin-Addukts A) verwendet
wird, beinhaltet monofunktionale, bevorzugt aromatische Glycidylether,
wie zum Beispiel Phenylglycidylether, Cresylglycidylether, Glycidylether,
die aus destilliertem Cashewnussöl
basieren, Glycidylether, die auf Monoalkoholen, Styroloxid etc.
basieren. Präferenz
wird der Verwendung von Phenylglycidylether und Cresylglycidylether
gegeben.
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Als
Aminverbindungen a1) werden Polyethylenpolyamine verwendet, die
nicht mehr als 6 (sechs) Stickstoffatome im Molekül haben.
Präferenz
wird Polyethylenpolyaminen gegeben, wie zum Beispiel Aminoethylpiperazin,
Ethylendiamin, Diethylentriamin oder Triethylentetramin. Aus besonderer Präferenz wird
die Verbindung a1) aus Ethylendiamin und/oder Diethylentriamin ausgewählt.
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Um
die isolierten Polyaminaddukte A) herzustellen, wird die Epoxidverbindung
zu einem Überschuss der
Aminkomponente bei 60°C
bis 80°C
unter Rühren
hinzugegeben und nachdem die Reaktion stattgefunden hat wird der Überschuss
der Aminverbindung durch Destillation gegebenenfalls unter verringertem
Druck abgetrennt.
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Um
die Addukte B) herzustellen, wird die Aminoverbindung in das Reaktionsgefäß gegeben
und Acrylonitril wird bei 50–100°C hinzugegeben.
Für die
vollständige
Umsetzung wird für
weitere 60 min gerührt.
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Der
Grad an Adduktbildung wird in Übereinstimmung
mit der Erfindung ausgewählt,
so dass 0.1 bis 2.5 mol, bevorzugt 0.5 bis 2 mol Acrylonitril pro
Mol der Aminverbindung vorliegen.
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Die
Amine b1), die verwendet werden können, beinhalten im Prinzip
alle Amine, die mindestens zwei reaktive Aminwasserstoffatome haben,
wobei Beispiele Piperazin, N-Aminoethylpiperazin; cycloaliphatische Amine,
wie zum Beispiel Isophorondiamin, 1,2-(1,3; 1,4)-Diaminocyclohexan,
Aminopropylcyclohexylamin, Tricyclodododecandiamin (TCD); araliphatische
Amine, wie zum Beispiel Xylylendiamin; aliphatische, optional substituierte
Amine, wie zum Beispiel Ethylendiamin, Propylendiamin, Hexamethylendiamin,
2,2,4(2,4,4)-Trimethylhexamethylendiamin, 2-Methylpentamethylendiamin;
Etheramin, wie zum Beispiel 1,7-Diamino-4-oxaheptan,
1,10-Diamino-4,7-dioxadecan, 1,14-Diamino-4,7,10-trioxatetradecan, 1,20-Diamino-4,17-dioaeicosan und insbesondere
1,12-Diamino-4,9-dioxadodecan.
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Etherdiamine,
die auf propoxylierten Diolen, Triolen und Polyolen ("Jeffamine®" von Huntsman) basieren,
können
ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich
ist es möglich,
Polyalkylenpolyamine, wie zum Beispiel Diethylentriamin, Triethylentetramin,
Dipropylentriamin, Tripropylentetramin und ebenfalls Amine mit hohem Molekulargewicht
oder Addukte oder Kondensate, die freien Aminwasserstoff enthalten,
zu verwenden.
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Präferenz wird
der Verwendung von Xylylendiamin und/oder Trimethylhexamethylendiamin
gegeben. Bei besonderer Präferenz
ist das Addukt B) ein Xylylendiamin-Acrylonitril-Addukt.
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Die
Polyaminoamide C) werden durch herkömmliche Verfahren, durch Kondensation
von Diaminen oder Polyaminen, bevorzugt Polyethylenpolyaminen, und
Carbonsäuren
hergestellt. Die verwendeten Polyethylenpolyamine sind Amine, die
3 oder mehr als 3 Stickstoffatome im Molekül haben, wie zum Beispiel Diethylentriamin,
Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin (TEPA), Pentaethylenhexamin
(PEHA), Hexaethylenheptamin (HEHA) und höhere Polyethylenpolyamine oder
Polyethylenaminmischungen.
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Präferenz wird
der Verwendung von Diethylentriamin und Triethylentetramin gegeben.
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Die
Säuren
oder Fettsäuren,
die für
die Kondensation der Polyethylenpolyamine verwendet werden, sind
monomer, dimer oder polymerisiert, gesättigt oder ungesättigt und
können
Kohlenwasserstoffreste mit 2-60 Kohlenstoffatomen enthalten. Erfindungsgemäß bevorzugt
sind Fettsäuren,
die mindestens 8 Kohlenstoffatome enthalten. Um die Polyaminoamide,
die gewöhnlich
Imidazolingruppen enthalten, herzustellen, wird das Polyethylenpolyamin
in das Reaktionsgefäß gefüllt und
die Fettsäure
wird bei 60–100°C hinzugegeben. Die
Reaktionsmischung wird auf 260°C
erwärmt
und das Wasser der Reaktion, das sich bildet, wird durch Destillation
entfernt. Das Molverhältnis
des Diamins oder Polyamins zu den Säuregruppen ist bevorzugt von
1:1 bis 1:1.5.
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Die
Erfindung stellt zusätzlich
eine härtbare
Zusammensetzung bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, das sie
eine härtbare
Epoxidverbindung, ein Härtemittel
der Erfindung und optional ein oder mehrere Hilfsstoffe und Additive,
die in der Epoxidharztechnologie üblich sind, umfasst.
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Die
Epoxidverbindungen, die ebenfalls in Übereinstimmung mit der Erfindung
für härtbare Zusammensetzungen
verwendet werden, sind handelsübliche
Produkte mit durchschnittlich mehr als einer Epoxidgruppe pro Molekül und leiten
sich von ein- und/oder mehrwertigen und/oder polynuklearen Phenolen,
insbesondere Bisphenol und ebenfalls Novolake, wie zum Beispiel
Bisphenol-A-diglycidylether und Bisphenol-Fdiglycidylether ab. Eine
umfangreiche Sammlung dieser Epoxidverbindungen kann in dem Handbuch "Epoxidverbindungen
und Epoxidharze" von
A. M. Paquin, Springer Verlag Berlin, 1958, Kapitel IV, und ebenfalls
in Lee & Neville, "Handbook of Epoxy
Resins", 1967, Kapitel
2, gefunden werden.
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Zusammensetzungen
von zwei oder mehreren Epoxidverbindungen können ebenfalls verwendet werden.
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Präferenz in Übereinstimmung
mit der Erfindung wird Zusammensetzungen von Glycidylethern, die auf
Bisphenol-A, Bisphenol-F oder Novolaken basieren, mit was als reaktive
Verdünnungsmittel
genannt wird, zum Beispiel Monoglycidylether von Phenolen, oder
Glycidylethern, die auf ein- oder mehrwertigen aliphatischen oder
cycloaliphatischen Alkoholen basieren, gegeben. Beispiele dieser
reaktiven Verdünnungsmittel
beinhalten Phenylglycidylether, Cresylglycidylether, p-tert-Butylphenylglycidylether,
Butylglycidylether, C12-C14 Alkoholglycidylether,
Butandiglycidylether, Hexandiglycidylether, Cyclohexan dimethyldiglycidylether
oder Glycidylether, die auf Polyethylenglycolen oder Polypropylenglycolen
basieren. Wenn notwendig kann die Viskosität der Epoxidharze weiter durch
Hinzufügen
dieser reaktiven Verdünnungsmittel
verringert werden.
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Das
Mischverhältnis
des Härtemittels
der Erfindung zu Epoxidharz wird bevorzugt gleich gewählt; d. h.
ein Epoxidäquivalent
wird für
jedes Aminäquivalent
verwendet. Abhängig
von der beabsichtigten Verwendung und den gewünschten Endeigenschaften des
gehärteten
Duroplasten ist es jedoch möglich,
eine überstöchiometrische
oder unterstöchiometrische
Menge der Härtemittelkomponnete
zu verwenden.
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Die
Erfindung sieht in einem Beispiel die Verwendung der härtbaren
Zusammensetzungen der Erfindung für die Herstellung von Formteilen
und flächenförmigen Strukturen
und ebenfalls die Anwendung im Klebstoff- und Dichtungsmittelsektor
und Epoxidharzmörtel
vor.
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Im
Falle einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
in Form einer reinen Kombination der Komponenten A) und B) – verglichen
mit einer reinen Kombination von A) und C) – neigen die resultierenden
Produkte dazu, ein schnelleres Härten
und bessere Oberflächen
aufzuweisen, wobei im Falle der Kombination A) und C) die Adhäsion an
verschiedene Substrate dazu neigt, eine bezeichnete Verbesserung
zu zeigen. Dem Benutzer wird deshalb die Möglichkeit bereitgestellt, in Übereinstimmung
mit dem gewünschten
Anforderungsprofil eine zweckmäßige Kombination
von A) und B) und/oder C) als Härtemittel
zu verwenden.
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Die
Erfindung stellt des Weiteren die gehärteten Produkte bereit, die
durch Härten
einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung
erhältlich
sind. Die ebenfalls verwendeten Epoxidharze können heiß oder kalt (Raumtemperatur)
mit den Härtemitteln
der Erfindung gehärtet
werden.
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Die
Epoxidharze können
in Gegenwart weiterer Hilfsmittel, wie zum Beispiel Hilfsstoffe
und Additive, die in der Epoxidharztechnologie üblich sind, gehärtet werden.
Beispiel, die genannt werden können,
beinhalten Kies, Sand, Silikate, Graphit, Siliziumdioxid, Talk,
Glimmer und so weiter in den Größenverteilungen
der Teilchen, die auf diesem Gebiet üblich sind. Zusätzlich ist
es möglich
Pigmente, Farbstoffe, Stabilisatoren, Fließkontrollmittel, Weichmacher,
nichtreaktive Extenderharze, Weichmacher und Beschleuniger zu verwenden.
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Die
härtbaren
Zusammensetzungen können
weiter die Härtemittel
umfassen, die in der Epoxidharztechnologie üblich sind, insbesondere aminische
Härtemittel,
als Co-Härtemittel.
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Die
Zusammensetzungen der Erfindung können ganz allgemein als Gießharze zur
Herstellung von gehärteten
Produkten verwendet werden und können
in der Formulierung verwendet werden, die für den besonderen Endverbrauch,
zum Beispiel als Klebstoffe, als Matrixharze, als Werkzeugharze
oder als Beschichtungsmaterialien zweckmäßig sind.
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Beispiele:
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Die
berichteten Viskositätswerte
jeweils bei 25°C
wurden unter Verwendung eines Haake VT 550 Rotationsviskosimeter
in Übereinstimmung
mit den Beschreibungen des Herstellers bestimmt.
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Beispiel 1: Herstellung eines isolierten
Addukts A)
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309
g Diethylentriamin (3 mol) werden in ein Reaktionsgefäß gefüllt. Nachdem
diese erste Füllung
auf ungefähr
60°C erwärmt worden
ist werden 185 g Cresylglycidylether (1 Epoxidäquivalent) über einen Zeitraum von ungefähr 60 Minuten
hinzugegeben. Die Temperatur steigt auf 90°C. Anschließend wird das Reaktionsprodukt
auf 260°C
erwärmt
und das überschüssige Amin
wird unter verringertem Druck (< 1
mbar) abgetrennt. Destillat: 206 g (2 mol DETA). Viskosität: 8500
mPa·s.
Theoretisches Aminäquivalent:
ungefähr
72.
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Beispiel 2: Herstellung eines Addukts
B)
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136
g Xylylendiamin werden in ein Reaktionsgefäß gefüllt und auf ungefähr 60°C erwärmt. Bei 50–70°C werden über einen
Zeitraum von ungefähr
60 Minuten 92.9 g Acrylonitril (1.75 mol) hinzugegeben. Für die vollständige Umsetzung
wird das Rühren
für 60
Minuten bei 60 bis 80°C
weitergeführt.
Viskosität:
200 mPa·s.
Theoretisches Aminäquivalent:
ungefähr
102.
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Beispiel 3: Herstellung eines Addukts
B)
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158
g Trimethylhexamethylendiamin werden in ein Reaktionsgefäß gefüllt und
auf ungefähr
60°C erwärmt. Bei
50–70°C werden über einen
Zeitraum von ungefähr
60 Minuten 53 g Acrylonitril (1.0 mol) hinzugegeben. Für die vollständige Umsetzung
wird das Rühren
für 60
Minuten bei 60 bis 80°C
weitergeführt.
Viskosität:
50 mPa·s.
Theoretisches Aminäquivalent:
ungefähr
70.
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Beispiel 4: Härtemittelformulierung umfassend
A) und B)
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500
g des Addukts von Beispiel 1 und 500 g des Xylylendiamin-Acrylonitril-Addukts
von Beispiel 2 werden bei 60 bis 70°C homogenisiert.
Viskosität: 900 mPa·s. Theoretisches
Aminäquivalent:
ungefähr
85.
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Beispiel 5: Härtemittelformulierung umfassend
A) und B)
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500
g des Addukts von Beispiel 1 und 500 g des Trimethylhexamethylendiamin-Addukts
von Beispiel 3 werden bei 60 bis 70°C homogenisiert.
Viskosität: 450 mPa·s. Theoretisches
Aminäquivalent:
ungefähr
71.
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Beispiel 6: Härtemittelformulierung umfassend
A) und C)
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500
g des Addukts von Beispiel 1 und 500 g Aradur 370 (Polyaminoamid,
das aus monomerer Fettsäure
und Triethylentetramin gebildet wird, von Huntsman) werden bei 60
bis 70°C
homogenisiert.
Viskosität:
1050 mPa·s.
Theoretisches Aminäquivalent:
ungefähr
81.
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Beispiel 7: Härtemittelformulierung umfassend
A) und B) und C)
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500
g des Addukts von Beispiel 1, 250 g des Xylylendiamin-Acrylonitril-Addukt
von Beispiel 2 und 250 g Aradur 370 (Polyaminoamid, das aus monomerer
Fettsäure
und Triethylentetramin gebildet wird, von Huntsman) werden bei 60
bis 70°C
homogenisiert.
Viskosität:
970 mPa·s.
Theoretisches Aminäquivalent:
ungefähr
83. Verwendungsbeispiele: Härtegeschwindigkeit
und Verarbeitungsdauer (Topfzeit) Shore Härte D bei 10°C mit dem
Epoxidharz Araldite GY 783
1) Härtemittel | MR2) | Shore D
nach Stunden bei 10°C
24h/48h/72h | Gelzeit |
Beispiel
4 | 45 | 45/64/77 | 77 min. |
Beispiel
5 | 38 | 40/63/78 | 89 min. |
Beispiel
6 | 42 | 35/62/79 | 92 min. |
Beispiel
7 | 43 | 41/65/79 | 85 min. |
Aradur
463 ) | 50 | 15/62/72 | 42 min. |
Aradur
32784) | 50 | n. m./35/66 | 80 min. |
- 1) Araldite GY
783 ist eine Bisphenol-A/Bisphenol-F Harzmischung, die mit einem
C12/C14 Glycidylether
modifiziert ist, und hat eine Viskosität von ungefähr 1000 mPa·s (23°C) und ein Epoxidäquivalentgewicht
von ungefähr
190;
- 2) MR = Mischverhältnis = Gramm an Härtemittel
pro 100 Gramm Araldite GY 783
- 3) Weichpolyamidaddukt. Standard Härtemittel
für Beschichtungen
und Bodenbeläge
- 4) Weichmacherfreies und lösungsmittelfreies
Polyaminamidhärtemittel
(von Huntsman)
- 5) n. m. = nicht messbar
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Diskussion der Ergebnisse:
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Die
Härtegeschwindigkeiten
der härtbaren
Zusammensetzungen der Erfindung sind bei 10°C sehr hoch, während die
Verarbeitungsdauer vergleichbar lang ist. Im direkten Vergleich
zwischen den erfindungsgemäßen Beispielen
und dem Vergleichsbeispiel, das durch Aradur 46 repräsentiert
wird, ist tatsächlich
ein viel schnelleres Aushärten
mit einer viel längeren
Topfzeit offensichtlich. Der Vergleich der Beispiele 5, 6 und 7
mit Aradur 3278 zeigt ein viel schnelleres anfängliches Härten für eine vergleichbare Topfzeit.
Die Härteleistung
dieser Art ist in der Praxis wünschenswert,
da auf der einen Seite der Bearbeiter ausreichend Zeit hat, die härtbare Mischung
anzuwenden, während
auf der anderen Seite, zum Beispiel auf dem Beschichtungssektor, die
Beschichtung sehr schnell in Anspruch genommen oder bearbeitet werden
kann. Dieses Ergebnis konnte nicht vorhergesagt werden. Stattdessen
hätte man
erwartet, dass eine relativ lange Verarbeitungsdauer ebenfalls mit
einer langsamen Härtegeschwindigkeit
verbunden gewesen wäre.
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Neben
der hervorragenden Härtegeschwindigkeit
in Verbindung mit einer vergleichsweise langen Verarbeitungsdauer
war es möglich,
ein sehr gutes Niveau in Bezug auf die Oberflächenqualität zu beobachten.
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In
diesem Zusammenhang sollte insbesondere die Beständigkeit gegenüber Strukturbildung/Hydratbildung
erwähnt
werden, da diese Merkmale neben der notwendigen Feuchtigkeitskompatibilität ebenfalls
eine wichtige Rolle in Bezug auf die Zwischenschichtadhäsion spielt.