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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Verwendung von Dialkyltartramiden, um die
Oberflächenspannung
bei wäßrigen Systemen
zu verringern.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
Möglichkeit,
die Oberflächenspannung
von Wasser zu verringern, ist bei von Wasser getragenen Beschichtungen,
Tinten, Klebemitteln, Sprühverteilerlösungen und
Formulierungen für
die Landwirtschaft von großer
Bedeutung, da sich eine geringere Oberflächenspannung bei praktischen
Formulierungen als besseres Benetzen des Substrat zeigt. Die Verringerung
der Oberflächenspannung
bei wäßrigen Systemen
wird im allgemeinen durch die Zugabe von oberflächenaktiven Mitteln bzw. Tensiden
erreicht. Die Leistungsmerkmale, die sich aus dem Zusatz von oberflächenaktiven
Mitteln ergeben, schließen
eine bessere Bedeckung der Oberfläche, weniger Defekte und eine
gleichmäßigere Verteilung
ein. Die Leistung in bezug auf die Oberflächenspannung im Gleichgewicht
ist ein wichtiges Merkmal für
die Fähigkeit
eines oberflächenaktiven
Mittels, die Oberflächenspannung
in wäßrigen Systemen
zu verringern, wenn das System im Ruhezustand ist.
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Herkömmliche
nichtionische oberflächenaktive
Mittel, wie Alkylphenol oder Alkoholethoxylate und Copolymere von
Ethylenoxid (EO)/Propylenoxid (PO), und anionische oberflächenaktive
Mittel, wie Natriumdialkylsulfosuccinate, weisen eine gute Leistung
in bezug auf die Oberflächenspannung
im Gleichgewicht auf. Viele dieser oberflächenaktiven Mittel sind jedoch
schäumend,
und das kann bei der Verwendung, wie als Beschichtungen, Tinten,
Klebemittel, Sprühvertei lerlösungen,
Formulierungen für
die Landwirtschaft, Chemikalien für die Elektronik und Reinigungsformulierungen,
und bei anderen Anwendungszwecken, bei denen der Schaum zu Oberflächendefekten,
einer schlechten Adhäsion
und Verarbeitungsproblemen führen
kann, Probleme hervorrufen. Außerdem
kann die fertige Beschichtung durch anionische oberflächenaktive
Mittel wasserempfindlich werden.
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Zusätzlich zur
Entwicklung von oberflächenaktiven
Mitteln mit hoher Leistung besteht in der Industrie ein beträchtliches
Interesse an oberflächenaktiven
Mitteln mit besseren Umwelteigenschaften. Umweltbedenken haben zu
einer stärkeren
Verwendung von umweltverträglichen
oberflächenaktiven
Mitteln geführt,
da nunmehr Alternativen zur Verfügung
stehen. Außerdem
hat die Verwendung von weniger vorteilhaften Produkten, wie oberflächenaktiven
Mitteln aus Alkylphenolethoxylat (APE), abgenommen. Das beruht teilweise
auf den schlechten Umwelteigenschaften der oberflächenaktiven
Mittel in Form von APE, wie einem unvollständigen biologischen Abbau und
dem Verdacht, daß sie
als endokrine Nachahmer wirken können.
Der Bedarf nach hochleistungsfähigen,
umweltfreundlichen oberflächenaktiven
Mitteln hat die Anstrengungen bei der Entwicklung neuer oberflächenaktiver
Mittel stimuliert. Durch diese Arbeit ist eine neue Gruppe von oberflächenaktiven Mitteln,
die als oberflächenaktive
Mittel aus Alkylpolyglycosid (APG)bezeichnet werden, als biologisch
leicht abbaubare, umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen
oberflächenaktiven
Mitteln entstanden. Diese Materialien können schäumend sein und sind somit für viele
Anwendungszwecke als Beschichtung, Tinte, Klebemittel, Sprühverteilerlösung, Agrochemikalien
und Chemikalien für
die Elektronik und für
Reinigungszwecke nicht geeignet, bei denen die Schaumbildung unerwünscht ist.
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Somit
ist nicht nur erwünscht,
oberflächenaktive
Mittel zu erhalten, die eine hervorragende Fähigkeit zur Verringerung der
Oberflächenspannung
und wenig Schaum zeigen, sondern es ist auch sehr er wünscht, daß diese
neuen oberflächenaktiven
Mittel umweltfreundlich sind. Da zudem ein wesentliches Interesse
an der Entwicklung von umweltfreundlichen oberflächenaktiven Mitteln besteht,
wäre es
ein wesentliches Merkmal, wenn diese neuen oberflächenaktiven
Mittel nicht nur die vorstehend genannten erwünschten Leistungsmerkmale aufweisen
würden,
sondern auch von natürlich
vorkommenden Verbindungen oder deren synthetischen Äquivalenten
abgeleitet wären.
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Die
Bedeutung der Verringerung der Oberflächenspannung bei Anwendungszwecken,
wie als Beschichtungen, Tinten, Klebemitteln, Formulierungen für die Landwirtschaft
und Chemikalien für
die Elektronik und die Reinigung ist auf diesem Fachgebiet selbstverständlich.
Die Möglichkeit,
die Oberflächenspannung von
wäßrigen Medien
zu verringern, ohne daß Schaum
erzeugt wird, ist kritisch, wenn man energiearme oder verunreinigte
Substrate benetzen möchte.
In einem Artikel von J. C. Padget mit dem Titel "Additives for Water-based Coatings – A Polymer
Chemist's View" in Additives for
Water-based Coatings, D. R. Karsa, Herausg., Cambridge, UK: Royal
Societey of Chemistry, 1990,S. 1 – 29, wird die Bedeutung von
oberflächenaktiven
Mitteln bei der Verringerung der Oberflächenspannung von wäßrigen Systemen
hervorgehoben, um eine Benetzung auf energiearmen Materialien, wie
Kunststoffen und öligem
Stahl, zu erreichen.
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Auf
dem Fachgebiet der Graphik ist es allgemein bekannt, daß oberflächenaktive
Mittel die Oberflächenspannung
von wäßrigen Medien
verringern und somit das Drucken auf energiearmen Substraten, wie Kunststoffen,
beschichteten Papieren, beschichteten Pappen und Folien, und das
Benetzen von Pigmenten unterstützen,
um Dispersionen zu erzeugen. In Dispersions: Characterization, Testing
and Measurement, Marcel Dekker, Inc. 1990, ist ein ganzes Kapitel
dem Thema der Benetzbarkeit und der Notwendigkeit der Verringerung
der Oberflächenspannung
gewidmet, um das Verdrängen
von Luft aus der Umgebung kleiner Pigmentpartikel zu erreichen und
das Benetzen und Aus breiten auf der Pigmentoberfläche zu ermöglichen.
Es ist bekannt, daß oberflächenaktive
Mittel als Benetzungsmittel wirken, um hydrophobe Bereiche der Druckplatte beim
Offsetdruck zu befeuchten (R. Kubler, "Printing Inks", in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd.
A22, 1993, S. 143 – 156),
und bestimmte oberflächenaktive
Mittel waren bei der Verringerung der Schaumbildung beim Sprühverteilen
von Tinten für
den Flexodruck und den Rotationstiefdruck vorteilhaft (R. W. Bassemir,
et al., "Inks" in Kirk-Othmer Encyclopedia
of Chemical Technology, 4. Aufl., Bd. 14, S. 482 – 503).
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Außerdem haben
die Forderungen der Industrie für
die Halbleiterherstellung zu einem Bedarf nach hochleistungsfähigen oberflächenaktiven
Mitteln und Benetzungsmitteln für
Entwicklerformulierungen für
Photoresists geführt.
Da die Leitungsanschlüsse
immer kleiner werden und die Natur der Substratmaterialien des Photoresists
immer stärker
aliphatisch wird (d.h. eine geringere Oberflächenenergie), werden wäßrige Entwicklerlösungen immer
mehr mit die Oberflächenspannung
verringernden Mitteln formuliert. Eine weitere Anforderung an diese
Entwickler, die dadurch verstärkt
wird, daß zu
größeren Wafers übergegangen
wird, besteht darin, daß sie
wenig Schaum aufweisen. Das ist besonders wichtig, wenn beim Aufbringen
der Entwicklerlösung
sogenannte Spray-Puddle-Verfahren angewendet werden, bei denen der
Entwickler auf immer größere Flächen aufgesprüht wird.
Selbst bei der Anwendung von Puddle- oder Tauchverfahren kann das
Mitreißen winziger
Blasen beim Ausbreiten der Lösung
auf der Oberfläche
des Photoresists zu Defekten führen.
Andere Anwendungszwecke in der Elektronikindustrie, die wäßrige Behandlungsmedien
verwenden, können
aus einer guten Benetzung und wenig Schaum ebenfalls Vorteile ziehen.
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Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH) stellt laut Microlithography, Science and Technology, J.
R. Sheats und B. W. Smith, Herausg., Marcel Dekker, Inc. 1998, S.
551 – 553
bei wäßrigen alkalischen
Lö sungen die
gewählte
Chemikalie für
die Entwicklung von Photoresists dar. Den wäßrigen TMAH-Lösungen werden oberflächenaktive
Mittel zugesetzt, um die Entwicklungszeit zu verkürzen und
das Schäumen
zu vermindern und die Benetzung der Oberfläche zu verbessern.
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Amide
von Weinsäure
(2,3-Dihydroxybutandisäure),
die auch als Tartramide bezeichnet werden, sind bekannt. L-Weinsäure kommt
in der Natur in Trauben vor und wird aus den Rückständen erzeugt, die sich bei der
Weinherstellung im Gärbottich
abgelagert haben. Sie wird von der U. S. Food and Drug Administration
als GRAS (allgemein als sicher anerkannt) klassifiziert und gewöhnlich von
der Lebensmittel-, Pharmazie- und Weinanbauindustrie verwendet.
Die racemische Form, DL-Weinsäure,
ist ebenfalls bekannt. Sie wird durch Oxidation mit Maleinsäure oder
Racemisierung von L-Weinsäure
erzeugt.
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In
der Literatur sind Weinsäureamide
bekannt. Die Fähigkeit
von Tartramiden, die Oberflächenspannung
in wäßrigen Medien
zu verringern, wurde jedoch noch nicht erkannt.
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US 4,782,005 offenbart die
Verwendung bestimmter N,N'-Dialkyltartramide,
bei denen die Alkylgruppen 2 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten,
als Zusätze,
damit die Sauerstoff-Antikatalyse von UV-strahlungsempfindlichen
Acryl- oder Methacrylsäureestern
abnimmt.
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Synthesis,
Dezember 1993, S. 1233 – 1234,
Konig, et al., offenbart die Herstellung von N,N'-Bis-(tert.-butyl)tartramid für die Verwendung
als Zwischenprodukt bei der Herstellung von N-tert.-Butylglyoxylamid.
Die Reaktion wird erreicht, wenn zwei Äquivalente NaIO4 und
11 Äquivalente
Wasser in 60 Äquivalenten
einer Methylenchloridlösung
verwendet werden.
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Proceedings
of the Oklahoma Academy of Science, 1972, 52, S. 66 – 69, Dermer
und George, offenbart die Herstellung verschiedener Tartramide durch
die Reaktion der Tartratester mit primären Aminen. Es wurden Tartramide
abgetrennt und gekennzeichnet, die auf Methyl-, Ethyl-, n-Butyl-,
Cyclohexyl- und Hydroxyethylaminen basieren.
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DE 4424533 A1 offenbart
Oligohydroxydicarbonsäure-Derivate,
einschließlich
bestimmter Tartramide, die von Fettalkülaminen abgeleitet sind, als
synthetische Schutzlipide in Hautpflegeprodukten.
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DE 4041184 A1 offenbart
die Verwendung von C
1-C
26-Amiden
von Weinsäure
als Ölschaumverhütungsmittel
bei der Papierherstellung.
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US 5,776,494 offenbart die
Verwendung von Alkylamiden von Di- und Tricarbonsäuren als
Gelbildner in pharmazeutischen Zusammensetzungen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt wäßrige Zusammensetzungen
bereit, die eine organische oder anorganische Verbindung enthalten,
insbesondere eine wäßrige organische
Beschichtung, eine wäßrige Tinte,
ein wäßriges Klebemittel,
eine wäßrige Sprühverteilungslösung, eine
wäßrige Agrochemikalie
und wäßrige Zusammensetzungen
zum Reinigen von Elektronikprodukten, die eine geringere Oberflächenspannung
aufweisen, indem eine wirksame Menge eines N,N'-Dialkylamids von Weinsäure, hier
nachstehend als Tartramid bezeichnet, mit der folgenden Struktur
eingeführt
wird:
worin R
1 und
R
2 C
4-C
8-Alkylgruppen
sind und zumindest einer der Reste R
1 und
R
2 eine verzweige C
4-C
8-Alkylgruppe ist. Es ist auch erwünscht, daß eine wäßrige Lösung des
Tartramids bei einer Konzentration von nicht mehr als 5 Gew.-% in
Wasser bei 25°C
eine Oberflächenspannung
im Gleichgewicht von weniger als 52 mN/m (dyne/cm) aufweist, wobei
das Wilhelmy-Plattenverfahren angewendet wird. Das Wilhelmy-Plattenverfahren
zum Messen der Oberflächenspannung
ist in einem Artikel von L. Wilhelmy in Ann. Phys. 1863, 119, 177
beschreiben, der hier als Bezug erwähnt wird.
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Mit "auf Wasser basierend", "wäßrig" oder "wäßrigem Medium" meinen wir für die Zwecke
dieser Erfindung ein Lösungsmittel
oder ein flüssiges
Dispersionsmittel, das mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens
95 Gew.-% Wasser aufweist. Es ist naheliegend, daß auch ein
reines wäßriges Medium
eingeschlossen ist.
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Es
wird auch ein Verfahren zur Verringerung der Oberflächenspannung
solcher wäßriger Zusammensetzungen
im Gleichgewicht angegeben, indem diese Tartramidverbindungen eingeführt werden.
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Es
wird auch ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung einer
wäßrigen,
eine anorganische oder organische Verbindung enthaltenden Zusammensetzung
auf eine Oberfläche
angegeben, um die Oberfläche
teilweise oder vollständig
mit der wäßrigen Zusammensetzung
zu überziehen,
wobei die Zusammensetzung eine wirksame Menge einer Tartramidverbindung
mit der vorstehend aufgeführten
Struktur enthält,
um die Oberflächenspannung
der wäßrigen Zusammensetzung
im Gleichgewicht zu verringern.
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Mit
der Verwendung dieser Tartramide in wäßrigen, eine organische Verbindung
enthaltenden Zusammensetzungen, wie wäßrigen Beschichtungen, wäßrigen Tinten,
wäßrigen Klebemitteln,
wäßrigen Sprühverteilungslösungen,
wäßrigen Formulierungen
für die
Landwirtschaft und wäßrigen Formulierungen
einer Chemikalie für
die Elektronik und wäßrigen Reinigungsformulierungen,
einschließlich
Entwick lerzusammensetzungen für
Photoresists, sind signifikante Vorteile verbunden, und zu diesen
Vorteilen gehören:
- – wäßrige Beschichtungen,
Tinten, Klebemittel, Sprühverteilungslösungen,
Formulierungen für
die Landwirtschaft und Formulierungen einer Chemikalie für die Elektronik,
die mit einer hervorragenden Benetzung der Substratoberflächen auf
eine Vielzahl von Substraten aufgebracht werden können;
- – eine
Verringerung der Beschichtungs- oder Druckfehler, wie Orangenhaut
und Mängel
beim Fließen/Verlaufen;
- – wäßrige Reinigungs-
und Behandlungslösungen
für Elektronikprodukte
mit einer geringen Oberflächenspannung,
einschließlich
Entwicklerlösungen
für Photoresists,
die eine gute Benetzung und sehr wenig Schaum bieten;
- – schaumarme
oberflächenaktive
Mittel, die die Oberflächenspannung
verringern können;
- – wäßrige Zusammensetzungen,
die ein oberflächenaktives
Mittel verwenden, das von natürlichen,
erneuerbaren Ressourcen abgeleitet ist, wodurch diese Formulierungen
für die
Umwelt vorteilhaft sind.
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Aufgrund
ihrer Eigenschaften als oberflächenaktives
Mittel und der Fähigkeit,
den Schaum zu regeln, finden diese Materialien wahrscheinlich bei
vielen Anwendungszwecken Verwendung, bei denen die Verringerung
der Oberflächenspannung
und wenig Schaum von Bedeutung sind. Solche Anwendungszwecke, bei
denen wenig Schaum wichtig ist, schließen verschiedene Textilnaßbehandlungsverfahren,
wie das Färben
von Fasern, die Faserreinigung und das Kesselkochen ein, bei denen
Eigenschaften einer geringen Schaumbildung besonders vorteilhaft
sind; sie können
auch bei Seifen, auf Wasser basierenden Parfums, Shampoos, Waschmitteln,
Kosmetika und der Lebensmittelverarbeitung Verwendung finden, bei
denen ihre deutliche Fähigkeit,
die Oberflächenspannung
zu verringern und gleichzeitig wenig Schaum zu erzeugen, sehr erwünscht sein
können.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Verwendung von N,N'-Dialkylamidverbindungen mit der Struktur
worin R
1 und
R
2 C
4-C
8-Alkylgruppen
sind und zumindest einer der Reste R
1 und
R
2 eine verzweige C
4-C
8-Alkylgruppe, vorzugsweise C
5-C
8 und besonders bevorzugt C
6-C
8 ist, für
die Verringerung der Oberflächenspannung
in wäßrigen Beschichtungen
im Gleichgewicht, die eine organische Verbindung enthalten, insbesondere Zusammensetzungen
einer Beschichtung, Tinte, Sprühverteilungslösung, eines
Klebemittels, einer Agrochemikalie und einer Entwicklerzusammensetzung
für Photoresists,
die organische Verbindungen, wie Polymerharze, Detergenzien, Herbizide,
Fungizide, Insektizide oder Mittel zur Modifizierung des Pflanzenwachstums enthalten.
Es ist auch erwünscht,
daß eine
wäßrige Lösung des
Tartramids bei einer Konzentration von 5 Gew.-% oder weniger in
Wasser bei 25°C
eine Oberflächenspannung
im Gleichgewicht von weniger als 52 mN/m (dyne/cm) aufweist, wobei
das Wilhelmy-Plattenverfahren angewendet wird.
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Nach
einem Gesichtspunkt der Erfindung zeigen die Tartramide mit der
vorstehend aufgeführten
Formel die hervorragende Fähigkeit,
die Oberflächenspannung
im Gleichgewicht zu verringern, wobei wenig oder kein Schaum erzeugt
wird.
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Diese
Materialien können
durch die Reaktion primärer
Amine mit Weinsäure
oder Weinsäureestern hergestellt
werden. Die Reaktion ist nachstehend erläutert:
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Die
Aminierungsreaktion kann unter Anwendung einer Vielzahl von Bedingungen
durchgeführt
werden, wie es in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,
4. Aufl., Bd. 2, S. 348 – 351
beschrieben ist. Das bevorzugte Verfahren beinhaltet die Umsetzung
eines Weinsäureesters
mit 2 oder mehr Äquivalenten Amin
in einem protischen Lösungsmittel.
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Alle
primären
Amine oder Gemische primärer
Amine, die mindestens ein verzweigtes C4-C8-Alkylamin enthalten, können für die Herstellung der erfindungsgemäßen N,N'-Dialkyltartramide
verwendet werden, wobei Amine mit Alkylgruppen mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen
bevorzugt und jene mit 6 bis 8 Kohlenstoffatomen besonders bevorzugt
sind. Die N,N'-Dialkyltartramide
können
insgesamt 8 bis 16 Kohlenstoffatome der Alkylgruppe des Amids enthalten,
wobei jene mit insgesamt 10 bis 16 Kohlenstoffatomen der Alkylgruppe
des Amids bevorzugt und jene mit insgesamt 12 bis 16 Kohlenstoffatomen
der Alkylgruppe des Amids besonders bevorzugt sind. Alkylgruppen,
die geeignet sind, sollten ausreichend Kohlenstoffatome, um dem
Material Oberflächenaktivität zu verleihen
(d.h. die Fähigkeit
die Oberflächenspannung
von Wasser zu verringern), jedoch nicht ausreichend Kohlenstoffatome
aufweisen, um die Löslichkeit
soweit zu verringern, daß die
Fähigkeit
des Materials, die Oberflächenspannung
zu verringern, für
eine bestimme Anwendung unzureichend wird. In der Praxis dieser
Erfindung ist es im allgemeinen erwünscht, die Alkylgruppen des
Amids so auszuwählen,
daß die entstehenden
N,N'-Dialkyltartramide eine
Löslichkeit
aufweisen, die die gewünschte
Verringerung der Oberflächenspannung
erzielt.
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Die
Alkylgruppen in den erfindungsgemäßen Tartramiden können gleich
oder verschieden und linear oder verzweigt sein, sofern zumindest
eine der Alkylgruppen eine verzweigte Alkylgruppe ist. Beispiele
geeigneter verzweigter Alkylgruppen sind Isobutyl, sek.-Butyl, 2-Pentyl, 3-Pentyl,
Isopentyl, Neopentyl, 2-Methylbutyl, 3-Metyhl-2-butyl, 2-Hexyl, 3-Hexyl, 2-Ethylbutyl,
4-Methyl-2-pentyl, 2-Ethylhexyl, 1-Methylhexyl, 1,5-Dimethylhexyl,
1-Methylheptyl usw. Von den Tartramid-Derivaten sind jene bevorzugt,
die insgesamt 8 bis 16 Kohlenstoffatome der Alkylgruppe des Amids
enthalten, und jene die 10 bis 16 Kohlenstoffatome der Alkylgruppe enthalten,
sind besonders bevorzugt, insbesondere in den Fällen, bei denen R1 =
R2 = 1,5-Dimethylhexyl, 2-Ethylhexyl, 1-Methylhexyl
und 1-Methylheptyl ist.
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Es
wird die Menge der N,N'-Dialkyltartramidverbindung
zugesetzt, die eine Verringerung der Oberflächenspannung der wäßrigen,
eine anorganische oder organische Verbindung enthaltenden Zusammensetzung
im Gleichgewicht bewirkt. Eine solche wirksame Menge kann in Bereich
von 0,001 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 0,01 bis 10 Gew.-% und
besonders bevorzugt von 0,05 bis 5 Gew.-% der wäßrigen Zusammensetzung liegen.
Natürlich
hängt die
wirksamste Menge von der bestimmten Verwendung und der Löslichkeit des
Tartramids ab.
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Die
Dialkyltartramide sind für
die Verwendung in einer wäßrigen Zusammensetzung
geeignet, die in Wasser eine anorganische Verbindung, die ein Mineralerz
oder in Pigment ist, oder eine organische Verbindung umfassen, die
ein Pigment, ein polymerisierbares Monomer, wie Additions-, Kondensations-
und Vinylmonomere, ein oligomeres Harz, ein polymeres Harz, ein
Detergens, ein alkalisches Reinigungsmittel, ein Herbizid, ein Fungizid,
ein Insektizid oder ein das Pflanzenwachstum modifizierendes Mittel
ist.
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In
den folgenden Zusammensetzungen einer wäßrigen organischen Beschichtung,
einer wäßrigen Tinte,
eines wäßrigen Klebemittels,
einer wäßrigen Sprühverteilungslösung, einer
wäßrigen Agrochemikalie und
einer wäßrigen Entwicklerzusammensetzung
für Photoresists,
die ein erfindungsgemäßes Dialkyltartramid enthalten,
sind die anderen aufgeführten
Komponenten solcher Zusammensetzungen jene Materialien, die den
auf dem entsprechenden Fachgebiet Arbeitenden allgemein bekannt
sind.
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Eine
typische wäßrige schützende oder
dekorative organische Beschichtungszusammensetzung, der die erfindungsgemäßen oberflächenaktiven
Mittel aus Dialkyltartramid zugesetzt werden können, würde in einem wäßrigen Medium
30 bis 80 Gew.-% einer Beschichtungszusammensetzung umfassen, die
folgende Komponenten enthält:
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Eine
typische wäßrige Tintenzusammensetzung,
der die erfindungsgemäßen oberflächenaktiven
Mittel aus Dialkyltartramid zugesetzt werden können, würde in einem wäßrigen Medium
20 bis 60 Gew.-% einer Tintenzusammensetzung umfassen, die folgende
Komponenten enthält:
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Eine
typische wäßrige Agrochemikalie,
der die erfindungsgemäßen oberflächenaktiven
Mittel aus Dialkyltartramid zugesetzt werden können, würde in einem wäßrigen Medium
0,01 bis 80 Gew.-% einer Agrochemikalie umfassen, die folgende Komponenten
enthält:
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Eine
typische wäßrige Sprühverteilungszusammensetzung
für den
Flachdruck würde
folgende Komponenten umfassen:
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Eine
typische wäßrige Klebemittelzusammensetzung,
der die erfindungsgemäßen oberflächenaktiven Mittel
aus Dialkyltartramid zugesetzt werden können, würde in einem wäßrigen Medium
30 bis 65 Gew.-% einer Klebemittelzusammensetzung umfassen, die
folgende Komponenten enthält:
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Ein
typischer wäßriger Entwickler
für Photoresists
oder eine typische wäßrige Reinigungszusammensetzung
für die
Elektronik, der die erfindungsgemäßen oberflächenaktiven Mittel aus N,N'-Dialkyltartramid
zugesetzt werden können,
würde folgende
Komponenten umfassen:
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Die
Beispiele 1 bis 5 erläutern
die Synthese verschiedener erfindungsgemäßer N,N'-Dialkyltartramide. Alle N,N'-Dialkyltartramide
wurden synthetisiert und dann durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie)
gekennzeichnet. Alle hergestellten Tartramide hatten eine Reinheit
im Bereich von ~ 50 bis > 99
%.
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N,N'-Diisopentyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von Isopentylamin mit Diethyl-L-tartrat
hergestellt. In einen Rundkolben wurden Diethyl-L-tartrat (5,133
g, 1,0 Äqu.),
Methanol (30 ml) und Isopentylamin (4,338 g, 2,0 Äqu.) gegeben.
Die klare hellgelbe Lösung
wurde 16 Stunden bei Raumtemperatur gerührt, danach wurden das Methanol
und das Ethanol unter Vakuum und mittels Erwärmen (< 100°C)
entfernt (6,01g, Ausbeute 84 %).
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N,N'-Di-1-methylheptyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von 1-Methylheptylamin
mit Diethyl-L-tartrat hergestellt. In einen Rundkolben wurden Diethyl-L-tartrat
(10,008 g, 1,0 Äqu.),
Methanol (32 ml) und 1-Methylheptylamin (12,548 g, 2,0 Äqu.) gegeben.
Die klare hellgelbe Lösung
wurde 5,5 Stunden bei 75°C erwärmt, wobei
Methanol und Ethanol entfernt wurden. Es wurde ein oranges Wachs
erhalten (14,07 g, Ausbeute 78 %). Die Ergebnisse der GC/MS zeigten,
daß zusätzlich zum
gewünschten
Produkt auch kleinere Mengen von ungebundenem Amin, N-1-Methylheptyl-L-tartarimid
und eines Zwischenproduktes aus Halbester/Halbamid vorhanden waren.
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N,N'-Di-1,5-dimethylhexyl-L-tartramid
wurde die Reaktion von 1,5-Dimethylhexylamin
und Diethyl-L-tartrat hergestellt. In einen Rundkolben wurden Diethyl-L-tartrat
(10,036 g, 1,0 Äqu.),
Methanol (32 ml) und 1,5-Dimethylhexylamin (12,589 g, 2,0 Äqu.) gegeben.
Die klare hellgelbe Flüssigkeit
wurde 10 Stunden bei 75°C
erwärmt,
wobei Methanol und Ethanol entfernt wurden. Es wurde eine orange
viskose Flüssigkeit
erhalten (9,25 g, Ausbeute 51 %). Die Ergebnisse der GC/MS zeigten,
daß zusätzlich zum
gewünschten
Produkt auch kleinere Mengen von ungebundenem Amin, N-1,5-Dimethylhexyl-L-tartrimid
und eines Zwischenproduktes aus Halbester/Halbamid vorhanden waren.
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N,N'-Di-1-methylhexyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von 2-Aminoheptan
mit Diethyl-L-tartrat hergestellt. In einen Rundkolben wurden Diethyl-L-tartrat
(10,020 g, 1,0 Äqu.),
Methanol (32 ml) und 2-Aminoheptan (11,198 g, 2,0 Äqu.) gegeben.
Nachdem 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt worden war, wurden Methanol
und Ethanol unter einem Vakuum entfernt, wodurch eine klare hellgelbe
Flüssigkeit
erhalten wurde. Diese Flüssigkeit
wurde 8 Stunden bei 60°C
erwärmt
und dann 8 Stunden auf 70°C
erhitzt, wobei Methanol und Ethanol entfernt wurden. Es wurde eine
orange viskose Flüssigkeit
erhalten. Die Ergebnisse der GC/MS zeigten, daß zusätzlich zum gewünschten
Produkt auch kleinere Mengen von ungebundenem Amin, N-1-Methylhexyl-L-tartrimid
und eines Zwischenproduktes aus Halbester/Halbamid vorhanden waren.
Die 13C NMR bestätigte das Vorhandensein einiger
Spezies, was mit den Ergebnissen der 1H
NMR und der GC/MS übereinstimmte,
und die im Gemisch vorhandene Menge von N,N'-Di-1-methylhexyl-L-tartramid wurde
auf der Basis der Integration der 7 Peaks des Carbonyl-Kohlenstoffs
mit ~ 54 % errechnet.
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N,N'-Di-2-ethylhexyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von 2-Ethylhexylamin
mit Diethyl-L-tartrat hergestellt. Diethyl-L-tartrat (19,147 g,
1,0 Äqu.)
und Methanol mit HPLC-Qualität
(40 ml) wurden in einen 250 ml Rundkolben abgewogen, der mit einem
mit Teflon beschichteten Magnetrührstab
ausgestattet war. 2-Ethylhexylamin (24,005 g, 2,0 Äqu.) wurde
langsam in die gerührte
Diehtyl-L-tratratlösung
gegossen. Es wurden eine gewisse Rauchbildung und eine Farbänderung
von wasserklar zu schwachgelb beobachtet. Weiteres Methanol (10
ml) diente dazu, das gesamte Amin in den Reaktionskol ben zu spülen. Nachdem
die Lösung über Nacht
bei Umgebungstemperatur gerührt
worden war, wurde das Lösungsmittel
mittels Erwärmen
(< 100°C) unter
einem Vakuum entfernt, wodurch ein viskoses Öl erhalten wurde, das sich
beim Abkühlen
zu einem Wachs verfestigte (31,26 g, 83,9 mMol, Ausbeute 90 %).
Die Reinheit des Produktes betrug ~ 90 %.
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N,N'-Di-n-propyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von N-Propylamin mit Diethyl-L-tartrat
hergestellt. Diethyl-L-tartrat (20,027 g, 1,0 Äqu.) und Methanol mit HPLC-Qualität (40 ml)
wurden in einen 250 ml Rundkolben abgewogen, der mit einem mit Teflon
beschichteten Magnetrührstab
ausgestattet war. N-Propylamin (12,038 g, 2,0 Äqu.) wurde langsam in die gerührte Diehtyl-L-tartratlösung gegossen.
Es wurden eine gewisse Rauchbildung und eine Farbänderung
von wasserklar zu schwachgelb beobachtet. Weiteres Methanol (10
ml) diente dazu, das gesamte Amin in den Reaktionskolben zu spülen. Nachdem
die Lösung
30 Minuten bei Umgebungstemperatur gerührt worden war, begann das
Produkt, aus der Lösung
zu kristallisieren. Das Reaktionsgemisch konnte sich für 2 Stunden
bei Umgebungstemperatur absetzen. Die flachen weißen Kristalle
wurden filtriert, mit Methanol gewaschen (2 × 50 ml), mit Diethylether
gewaschen (2 × 30
ml) und vakuumgetrocknet. Der erste Ertrag des Produktes wurde mit
einer Ausbeute von 35 % erhalten (7,977 g, 34,34 mMol). Anschließend wurde
ein zweiter Kristallanschluß (1,80
g, 7,75 mMol) aus der Stammflüssigkeit
abgetrennt.
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N,N'-Di-n-butyl-L-tartramid
wurde durch die Umsetzung von n-Butylamin mit Diethyl-L-tartrat
hergestellt. Diethyl-L-tartrat (20,010 g, 1,0 Äqu.) und Methanol mit HPLC-Qualität (40 ml)
wurden in einen 250 ml Rundkolben abgewogen, der mit einem mit Teflon
beschichteten Magnetrührstab
ausgestattet war. n-Butylamin (14,906 g, 2,0 Äqu.) wurde langsam in die gerührte Diehtyl-L-tartratlösung gegossen.
Es wurden eine gewisse Rauchbildung und eine Farbänderung
von wasserklar zu schwachgelb beobachtet. Weiteres Methanol (10
ml) diente dazu, das gesamte Amin in den Reaktionskolben zu spülen. Nachdem
die Lösung
30 Minuten gerührt
worden war, wurde der Kolben mit einem Stopfen versehen und bei
etwa 45°F
(7°C) gekühlt. Das
Produkt kristallisierte nach 30 minütigem Kühlen aus; es konnte jedoch
3 Tage im Kühlschrank
bleiben. Die weißen nadelartigen
Kristalle wurden filtriert, mit Methanol (~ 150 ml) gewaschen, mit
Diethylether gewaschen (2 × 30 ml)
und vakuumgetrocknet. Das Produkt wurde mit einer Ausbeute von 56
% erhalten (14,275 g, 54,8 mMol).
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N,N'-Di-n-hexyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von n-Hexylamin mit Diethyl-L-tartrat hergestellt. Diethyl-L-tartrat
(20,007 g, 1,0 Äqu.)
und Methanol mit HPLC-Qualität
(40 ml) wurden in einen 250 ml Rundkolben abgewogen, der mit einem
mit Teflon beschichteten Magnetrührstab
ausgestattet war n-Hexylamin (20,614 g, 2,0 Äqu.) wurde langsam in die gerührte Diehtyl-L-tartratlösung gegossen.
Es wurden eine gewisse Rauchbildung und eine Farbänderung
von wasserklar zu schwachgelb beobachtet. Weiteres Methanol (10
ml) diente dazu, das gesamte Amin in den Reaktionskolben zu spülen. Es
kam zu einer Fällung
des Produktes, nachdem die Lösung
30 Minuten bei Umgebungstemperatur gerührt worden war. Der weiße wachsartige
Feststoff wurde filtriert, mit Methanol gewaschen (3 × 30 ml),
mit Diethylether gewaschen (2 × 30
ml) und vakuumgetrocknet. Der erste Ertrag des Produktes wurde mit
einer Ausbeute von 14 % erhalten (4,366 g, 13,80 mMol). Ein zweiter
Ertrag des Produktes wurde erhalten, indem die gemischten Filtrate
in 50 ml Wasser gegeben wurden. Nach dem Filtern, Waschen mit Diethylether
(2 × 30
ml) und Vakuumtrocknen wurden 9,382 g eines weißen wachsartigen Feststoffs
erhalten. Die summierte Ausbeute der Reaktion betrug 45 %.
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N,N'-Dicyclohexyl-L-tartramid
wurde durch die Reaktion von Cylohexylamin mit Diethyl-L-tartrat
hergestellt. Diethyl-L-tartrat (19,997 g, 1,0 Äqu.) und Methanol mit HPLC-Qualität (40 ml)
wurden in einen 250 ml Rundkolben abgewogen, der mit einem mit Teflon
beschichteten Magnetrührstab
ausgestattet war. Cyclohexylamin (20,205 g, 2,0 Äqu.) wurde langsam in die gerührte Diehtyl-L-tartratlösung gegossen.
Es wurden eine gewisse Rauchbildung und eine Farbänderung
von wasserklar zu schwachgelb beobachtet. Weiteres Methanol (10
ml) diente dazu, das gesamte Amin in den Reaktionskolben zu spülen. Nachdem
die Lösung
30 Minuten gerührt
worden war, wurde der Kolben mit einem Stopfen versehen und bei
etwa 45°F
(7°C) gekühlt. Das Produkt
kristallisierte nach 3 Tagen bei 45°F (7°C). Die weißen Kristalle wurden filtriert,
mit Methanol gewaschen (2 × 15
ml) und vakuumgetrocknet. Auf diese Weise wurde ein erster Ertrag
mit 3,952 g erhalten (12,65 mMol, Ausbeute 13 %) und ein zweiter
Ertrag mit 16,063 g wurde erhalten, indem das Lösungsmittel unter einem Vakuum
entfernt wurde. Die gesamt Ausbeute betrug 66 %.
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Beispiele 10 bis 18
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Es
wurden gesättigte
Lösungen
der Materialen der Beispiele 1 bis 9 in destilliertem Wasser hergestellt. Nachdem
die Lösungen
~ 24 Stunden geschüttelt
worden waren, wurde das ungelöste
Material durch Filtration entfernt. Die Werte für die Oberflächenspannung
im Gleichgewicht (EST) wurden unter Anwendung des Wilhelmy-Plattenverfahrens
erhalten. Werte für
die Oberflächenspannung
im Gleichgewicht zwischen 65 und 72 mN/m (dyne/cm) werden als auf
eine fehlende Oberflächenaktivität (d.h.
fehlende Oberflächenwirksamkeit) hinweisend
angesehen.
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In
Tabelle 1 sind die Grenzwerte für
die Oberflächenspannung
im Gleichgewicht angegeben. Die Grenzwerte der Oberflächenspannung
geben die niedrigsten Oberflächenspannungen
in Wasser an, die bei einem gegebenen oberflächenaktiven Mittel unabhängig von
der verwendeten Menge des oberflächenaktiven Mittels
erreicht werden können,
und dienen der Auswertung der Wirksamkeit eines oberflächenaktiven
Mittels. Geringere Oberflächenspannungen
würden
für die
Beseitigung von Defekten beim Auftragen einer Formulierung auf energiearme
Oberflächen
sorgen.
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Die
Werte in Tabelle 1 erläutern,
daß bestimmte
N,N'-Dialkyltartramide
die Fähigkeit
aufweisen, die Oberflächenspannung
wäßriger Zusammensetzungen
zu verringern, wohingegen das bei anderen nicht der Fall ist. Die
Beispiele 10 bis 14 zeigen, daß N,N'-Dialkyltartramide,
die verzweigte C5-C8-Alkylgruppen
enthalten, bei einer Konzentration von ≤ 1,5 Gew.-% in Wasser bei 25°C Werte für die Oberflächenspannung
von weniger als 52 mN/m (dyne/cm) aufwiesen. N,N'-Di-1-methylheptyl-L-tartramid (Bsp.
11), N,N'-Di-1,5-dimethylhexyl-L-tartramid
(Bsp. 12), N,N'-Di-1-methylhexyl-L-tartramid
(Bsp. 13) und N,N'-Di-2-ethylhexyl-L-tartramid (Bsp.
14) sind bei der Verringerung der Oberflächenspannung von Wasser im
Gleichgewicht besonders wirksam. Deshalb sind die N,N'-Dialkyltartramide,
die verzweigte Alkylgruppen mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen enthalten,
für die
Verringerung der Oberflächenspannung
von Wasser in wäßrigen,
eine organische Verbindung enthaltenden Zusammensetzungen besonders
bevor zugt, dazu gehören
wäßrige Beschichtungen,
wäßrige Tinten,
wäßrige Klebemittel,
wäßrige Sprühverteilungslösungen,
wäßrige Formulierungen
für die
Landwirtschaft und wäßrige Chemikalien
für die
Elektronik. Die abschließende
Auswahl des N,N'-Dialkyltartramids hängt jedoch
von der Anwendung ab.
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Beispiele 19 bis 22
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Es
wurden die Schaumbildungseigenschaften von wäßrigen Lösungen von N,N'-Diisopentyl-L-tartramid
(Bsp. 1) N,N'-Di-2-ethylhexyl-L-tartramid (Bsp. 5)
und von zwei repräsentativen
nichtionischen oberflächenaktiven
Mitteln, ein handelsübliches
oberflächenaktives
Mittel aus Nonylphenol 15 Mol Ethoxylat und eine handelsübliches
oberflächenaktives
Mittel aus C8-Alkylglycosid, überprüft, wobei
ein Verfahren angewendet wurde, das auf ASTM D 1173-53 basiert.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Bei
diesem Test wurde ein wäßriges Gemisch
der Tartramide hergestellt, irgendwelche ungelösten Feststoffe wurden abfiltriert,
und das Filtrat wurde aus einer angehobenen Glaspipette in ein Aufnahmegefäß aus Glas
gegeben, das das gleiche Filtrat enthielt. Bei den kommerziellen
Materialien wurde eine Lösung
des oberflächenaktiven
Mittels mit 0,1 Gew.-% aus einer angehobenen Glaspipette in ein
Aufnahmegefäß aus Glas gegeben,
das die gleiche Lösung
enthielt. Die Schaumhöhe
wurde nach Abschluß der
Zugabe gemessen ("anfängliche
Schaumhöhe"), und es wurde die
erforderliche Zeit, damit der Schaum an der Grenzfläche zwischen Luft/Flüssigkeit
verschwindet ("Zeit
bis 0 Schaum"),
erfaßt.
Dieser Test bietet einen Vergleich zwischen den Schaumbildungseigenschaften
verschiedener oberflächenaktiver
Mittel. Im allgemeinen ist bei Beschichtungen, Tinten, Klebemitteln,
Formulierungen für
die Landwirtschaft und Reinigungsformulierungen für Elektronikprodukte
Schaum unerwünscht,
da er die Handhabung kom pliziert macht und zu Beschichtungs- und
Druckfehlern und einem ineffizienten Austrag der Agrochemikalien
führt.
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Die
Werte in Tabelle 2 zeigen, daß die
erfindungsgemäßen Verbindungen
sehr wenig anfänglichen Schaum
bildeten, und daß der
Schaum, der sich gebildet hatte, sehr schnell verschwand. Zusätzlich zu
ihrer Fähigkeit,
die Oberflächenspannung
von organische Verbindungen enthaltenden wäßrigen Systemen zu verringern,
haben oberflächenaktive
Mittel aus N,N'-Dialkyltartramid
erwünschte
Schaumeigenschaften bei ihrer Verwendung in Beschichtungen, Tinten,
Klebemitteln, einer Sprühverteilungslösung, Formulierungen
für die Landwirtschaft
und chemischen Formulierungen für
die Elektronik.
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Die
Möglichkeit,
den Schaum zu regeln, ist bei vielen Anwendungszwecken vorteilhaft,
dazu gehören Beschichtungen,
Tinten, Klebemittel, Sprühverteilungslösungen,
Formulierungen für
die Landwirtschaft und Reinigungsformulierungen für die Elektronik.
Ein Nachteil der Verwendung vieler herkömmlicher oberflächenaktiven
Mittel besteht bei diesen Anwendungszwecken darin, daß in diesen
Systemen beträchtliche
Mengen eines lange haltenden Schaums erzeugt werden. Bei solchen
Anwendungszwecken ist es erwünscht,
daß ein oberflächenaktives
Mittel möglichst
wenig Schaum bildet und daß der
Schaum, der sich gebildet hat, schnell verschwindet.
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Feststellung
der industriellen Anwendbarkeit
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Die
Erfindung stellt Zusammensetzungen bereit, die für die Verringerung der Oberflächenspannung
im Gleichgewicht von einer wäßrigen Beschichtung,
einer wäßrigen Tinte,
einem wäßrigen Klebemittel,
einer wäßrigen Sprühverteilungslösung, einer
wäßrigen Agrochemikalie,
einer wäßrigen Reinigungszusammensetzungen
für die
Elektronik und wäßrigen Entwicklerzusammensetzungen
für Photoresists
geeignet sind.