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1) Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes, cyclisches, aliphatisches
Polyamin. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Härtungsmittel
für ein
Epoxyharz, das das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin
enthält,
eine Epoxyharzzusammensetzung, die das Härtungsmittel für das Epoxyharz
enthält,
und ein gehärtetes
Epoxyharzprodukt, das man durch Härten der Epoxyharzzusammensetzung
erhält.
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Das
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin ist als ein Härtungsmittel
für ein
Epoxyharz und ein Rohmaterial für
ein Härtungsmittel
davon anwendbar, die in einem außerordentlich weiten Bereich
nutzbar sein sollen, einschließlich
Anwendungen auf ein Beschichtungsmaterial wie etwa eine galvanische
Metallabscheidungsbeschichtung für
Automobile, eine leistungsstarke Korrosionsschutzfarbe für Schiffe,
Brücken,
und Eisenbauwerke auf dem Land und im Meer, und Innenbeschichtungen
für Getränkedosen;
Anwendung in der Elektrizität
und Elektronik, die in elektrischen Haushaltsprodukten verwendet
werden sollen, Kommunikationsausrüstungen und Steuersysteme für Automobile
und Flugzeuge, wie etwa eine laminierte Platte, eine Versiegelungsverbindung
für elektrische
Halbleiter, eine isolierende Pulverbeschichtung und eine Imprägnierung
für Wicklungen;
eine Anwendung im Bauwesen und auf Baumaterialien, wie etwa Erdbebensicherung
von Brücken,
Verkleidung, Verstärkung
und Reparatur von Betonbauwerken, ein Fußbodenmaterial für Bauwerke,
Verkleidung von Wasserversorgungseinrichtungen und Kanalisation
und Pflasterung für
Abwasser und Sickerwasser; Anwendung auf Klebstoff für Automobile
und Flugzeuge und Anwendung auf Kompositmaterialien für Flugzeuge,
Industriematerialien und Sportausrüstung und auf einen Kettenextender
und Rohmaterial für
einen Kettenextender daraus für
ein Polyurethanharz, das in einem sehr weiten Feld einsetzbar sein
soll, einschließlich
Bekleidung, Sportausrüstungen,
Haushaltsgeräte,
Elektronik, medizinische Geräte,
Automobile, Transporteinrichtungen, Bauwesen und Konstruktion und
industrielle Materialien als Schaum, Elastomer, Beschichtung, Klebstoff,
Bindemittel, Faser, Leder, Bodenbelagsmaterial, wasserbeständiges Material,
Sportmaterial, Versiegelungsmittel, Verkokung, medizinische Materialien
und Faserbehandlungsmittel.
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2) Stand der Technik
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Es
ist weithin bekannt gewesen, dass verschiedene Polyamine als ein
Härtungsmittel
für Epoxyharz und
als Rohmaterial für
Härtungsmittel
davon oder als ein Kettenextender für Polyurethanharz und ein Rohmaterial
für Kettenextender
davon verwendet werden.
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Repräsentative
Beispiele für
die Polyamine sind die folgenden: aliphatische Polyamine wie etwa
Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin,
Pentaethylenhexamin, Hexamethylendiamin, Polyoxypropylendiamin und
Polyoxypropylentriamin; alicyclische Polyamine, wie etwa Methandiamin, Isophorondiamin,
Bis(aminomethyl)cyclohexan, Diamindicyclohexylmethan, Bis (4-amino-3-methylcyclohexyl)methan,
N-Aminomethylpiperazin und Norbornandiamin; aliphatische Polyamine
mit aromatischem Ring, wie etwa Xylylendiamin; aromatische Polyamine,
wie etwa Phenylendiamin, Diaminodiphenylmethan, Diaminodiphenylsulfon
und Diethyltoluoldiamin.
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Diese
Polyamine werden jedoch kaum als ein Härtungsmittel für Epoxyharz
ohne Modifikationen verwendet, wie sie sind. In den meisten Fällen werden
sie nach verschiedenen Modifikationen verwendet, die für ihre eigenen
Eigenschaften geeignet sind, die durch die Reaktivität ihrer
Aminogruppen verursacht werden, nämlich ihre aktiven Wasserstoffatome,
die jedes Polyamin hat, abhängig
von der beabsichtigten Zielsetzung, wie etwa einer Verbesserung
der Sicherheit und Hygiene, eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit
und eine Ausstattung mit geeigneten Eigenschaften von Härtungsprodukten,
die für
ihre eigene Anwendung geeignet sind.
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Repräsentative
Verfahren für
eine Modifikation von Polyaminen schließen folgende ein: 1) eine Modifikation
durch die Mannich-Reaktion mit einer Phenolverbindung und einer
Aldehydverbindung, 2) eine Modifikation durch Reaktion mit einer
Epoxyverbindung, 3) eine Modifikation durch Reaktion mit einer Verbindung mit
einer Carboxylgruppe, 4) eine Modifikation durch die Michael-Reaktion
mit einer Acrylverbindung und 5) irgendwelche Kombinationen von
1) bis 4).
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Durch
diese Modifikationen kann eine Verringerung von schädlichem
Dampf, eine Verbesserung der Eigenschaft der exothermen Reaktion
zur Zeit der Aushärtung
und eine Verbesserung der Adhäsionseigenschaft,
Wasserbeständigkeit
und chemischen Beständigkeit
der gehärteten
Produkte erzielt werden.
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Beispielsweise
hat ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
unter Verwendung von Isophorondiamin als ein Rohmaterial solche
Eigenschaften, dass es einen Beschichtungsfilm bereitstellt, der
sowohl hinsichtlich Glanz als auch Verlauf ausgezeichnet ist, und
ein gehärtetes
Produkt bereitstellt, das sowohl hinsichtlich der Wasserbeständigkeit
als auch der chemischen Beständigkeit
ausgezeichnet ist, verglichen mit einem Härtungsmittel für Epoxyharz,
das eine aliphatische Polyaminverbindung enthält, oder ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
unter Verwendung einer aliphatischen Polyaminverbindung als ein
Rohmaterial. (Siehe "New
Development Of A Curing Agent For Epoxy Resin", herausgegeben von Hiroshi Kakiuchi,
veröffentlicht
von CMC Co. Ltd., S.41–49,
31. Mai 1994).
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Im
Allgemeinen ist es bevorzugt, dass ein Härtungsmittel für Epoxyharz
vom Standpunkt der Bearbeitbarkeit hat eine niedrige Viskosität. Es ist
jedoch bekannt, dass modifizierte Polyamine, die man durch verschiedene
Modifizierungen unter Verwendung von Polyaminen als Rohmaterial
erhält
im Allgemeinen eine hohe Viskosität und eine schlechte Bearbeitbarkeit
haben.
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Um
die Ziele, wie etwa eine Verringerung von schädlichem Dampf, eine Verbesserung
der Eigenschaft der exothermen Reaktion zum Zeitpunkt der Härtung und
eine Verbesserung der Adhäsionseigenschaft,
der Wasserbeständigkeit
und der chemischen Beständigkeit
der gehärteten
Produkte zu erreichen und um ein Härtungsmittel für Epoxyharz
zu erhalten, das eine niedrige Viskosität hat, wird deshalb im Allgemeinen
ein solches Verfahren angewendet, bei dem ein Polyamin durch Reaktion
mit erhöhtem
Modifikationsverhältnis
modifiziert wird und das auf diese Weise erhaltene Reaktionsprodukt
mit einem Lösungsmittel
und/oder Verdünnungsmittel
verdünnt
wird, um ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
herzustellen. Seit kurzem wird jedoch erwartet, dass ein Härtungsmittel,
das für
Epoxyharz verwendet wird, ein lösungsmittelfreies
Mittel ist, weil es eine starke Tendenz gibt, vom Standpunkt der
Verhinderung globaler Umweltverschmutzung keine Lösungsmittel zu
verwenden. Da es gewünscht
wird, die Verwendung eines Lösungsmittels
im Hinblick auf die Umweltprobleme und die Tatsache zu vermeiden,
dass die Zugabe eines Verdünnungsmittels
wahrscheinlich die Verschlechterung der Eigenschaften eines gehärteten Epoxyharzproduktes
verursacht, ist es somit notwendig, die Zugabemenge eines Lösungsmittels
und/oder Verdünnungsmittels
zu beschränken.
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Obwohl
es möglich
ist, ein modifiziertes Polyamin mit einer niedrigen Viskosität durch
Reaktion mit verringertem Modifikationsverhältnis herzustellen, enthält andererseits
das auf diese Weise erhaltene Reaktionsprodukt restliches unreagiertes
Polyamin des Rohmaterials in großer Menge, und es ist schwierig,
gute Ergebnisse in der Verringerung von schädlichem Dampf, eine Verbesserung
der Eigenschaften der exothermen Reaktion zum Zeitpunkt der Aushärtung und
eine Verbesserung der Adhäsionseigenschaft,
Wasserbeständigkeit und
chemischen Beständigkeit
der gehärteten
Produkte zu erzielen.
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Das
japanische Patent Kokai (offengelegt) Nr. 2002-161076 betrifft eine
Aminoverbindung, die man durch Modifizieren von Metaxylylendiamin
oder dergleichen als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
erhält,
und es beschreibt, dass diese Aminoverbindung eine relativ niedrige
Viskosität
besitzt.
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EP 0 380 029 A2 beschreibt
Brücken-Cyclohexylamine,
die durch die Formel dargestellt werden:
worin R
1 bis
R
4 Alkylgruppen mit 1 bis 3, 1 bis 6, 1
oder 2 bzw. 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bezeichnen, worin R
4 auch Wasserstoff darstellen kann, x 0 oder
1 ist, und y 0 oder 1 ist, worin A CO, -CH
2-
oder -C((CH
3)R
3)-
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein modifiziertes Polyamin
bereitzustellen, das eine niedrige Viskosität und einen geringen Anteil
an unreagiertem Polyamin hat, das, wenn es als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
verwendet wird, eine Epoxyharzzusammensetzung bereitstellen kann,
die einem gehärteten
Epoxyharzprodukt eine ausgezeichnete Eigenschaft verleiht.
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Als
ein Ergebnis ausführlicher
Untersuchungen haben die Erfinder herausgefunden, dass eine besondere
Art von modifiziertem, cyclischem, aliphatischem Polyamin eine niedrige
Viskosität
und einen verhältnismäßig kleinen
Gehalt an unreagiertem, cyclischem, aliphatischem Polyamin hat,
und eine Epoxyharzzusammensetzung, die ein Härtungsmittel für Epoxyharz,
umfassend das obige modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin,
umfasst, eine ausgezeichnete Eigenschaft eines gehärteten Epoxyharzproduktes
bereitstellt, und haben die vorliegende Erfindung vollendet.
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung stellt das Folgende bereit:
- 1) Ein modifiziertes, cyclisches, aliphatisches Polyamin, das
man durch Additionsreaktion eines cyclischen, aliphatischen Polyamins
und einer Alkenylverbindung erhält,
worin das cyclische, aliphatische Polyamin zumindest eines ist,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin,
und die Alkenylverbindung Styrol ist.
- 2) Das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin gemäß 1), worin
das Modifikationsverhältnis
des cyclischen, aliphatischen Polyamins durch die Alkenylverbindung
ausgewählt
wird aus dem Bereich, worin die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome,
die von den Aminogruppen des cyclischen, aliphatischen Polyamins herrühren, nach
der Modifikation größer als
1 ist.
- 3) Eine Aminoverbindung, die durch folgende Formel (1) dargestellt
wird:
- 4) Eine Aminoverbindung, die durch die folgende Formel (2) dargestellt
wird:
- 5) Eine Aminoverbindung, die durch die folgende Formel (3) dargestellt
wird:
- 6) Verfahren zur Herstellung einer Aminoverbindung, die durch
die folgenden Formeln (1), (2) oder (3) dargestellt wird, das den
Schritt einer Additionsreaktion von Isophorondiamin und Styrol umfasst:
- 7) Ein Härtungsmittel
für Epoxyharz,
umfassend das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin gemäß 1) oder
2) oder die Aminoverbindung gemäß 3) bis
5).
- 8) Eine Epoxyharzzusammensetzung, umfassend ein Epoxyharz und
das Härtungsmittel
für Epoxyharz
gemäß 7).
- 9) Ein gehärtetes
Epoxyharzprodukt, das man durch Härten der Epoxyharzzusammensetzung
gemäß 8) erhält.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein GC-MS-Chromatogramm des modifizierten, cyclischen, aliphatischen
Polyamins A, das im Beispiel 1 synthetisiert wird.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Das
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin der vorliegenden
Erfindung kann man durch Additionsreaktion eines cyclischen, aliphatischen
Polyamins und Styrol erhalten, worin das cyclische, aliphatische Polyamin
ausgewählt
wird aus der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin.
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Außerdem können andere
Polyaminverbindungen zu dem obigen cyclischen, aliphatischen Polyamin zugemischt
werden. Wenn jedoch die Menge der anderen Polyaminverbindungen,
die zugemischt werden sollen, größer ist
als die Menge des cyclischen, aliphatischen Polyamins, können die
Merkmale des modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins
der vorliegenden Erfindung nicht aufrechterhalten werden. Deshalb
ist es bevorzugt, dass die Menge der anderen Polyaminverbindungen
1 Mol-Teil oder darunter je 1 Mol-Teil des cyclischen, aliphatischen
Polyamins der vorliegenden Erfindung ist.
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Beispiele
der anderen Polyaminverbindungen, die mit dem cyclischen, aliphatischen
Polyamin gemischt werden sollen, schließen aliphatische Polyamine
ein, wie etwa Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin,
Hexamethylendiamin und Polyoxyalkylenpolyamin; aromatische Polyamine,
wie etwa Metaphenylendiamin, Diamindiphenylmethan und Diamindiphenylsulfon.
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Das
Additionsreaktionsprodukt, das man auf diese weise erhält, kann
als ein modifiziertes, cyclisches, aliphatisches Polyamin der vorliegenden
Erfindung direkt, d.h. beispielsweise ohne Reinigung, verwendet
werden. Da die Flüssigkeit
des Reaktionsprodukts gewöhnlich
ein unreagiertes cyclisches, aliphatisches Polyamin als einen Rest
enthält,
ist diese im Allgemeinen eine Mischung eines Additionsprodukts,
das man durch die Additionsreaktion erhält, und eines unreagierten
cyclischen, aliphatischen Polyamins.
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Was
das Modifikationsverhältnis
des cyclischen, aliphatischen Polyamins durch Styrol der vorliegenden
Erfindung angeht, kann es wie üblich
geeignet ausgewählt
werden. Wenn das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin
der vorliegenden Erfindung beispielsweise als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
verwendet wird, wird es vorzugsweise aus dem Bereich ausgewählt, worin
die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome, die von den Aminogruppen
in dem cyclischen, aliphatischen Polyamin nach der Modifikation
herrühren,
größer als 1
ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Anzahl der aktiven
Wasserstoffatome, die von den Aminogruppen in dem cyclischen, aliphatischen
Polyamin herrühren,
die in dem modifizierten, cyclischen aliphatischen Polyamin ohne
Teilnahme an der Modifikation verbleibt, wenigstens 2 ist.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
Aminoverbindung, die durch die folgende Formel (1) dargestellt wird,
worin eine Phenethylgruppe an die Methylenaminogruppe des Isophorondiamins
gebunden ist, eine Aminoverbindung, die durch die folgende Formel
(2) dargestellt wird, worin eine Phenethylgruppe an die Aminogruppe
des Isophorondiamins gebunden ist, und eine Aminoverbindung, die durch
die folgende Formel (3) dargestellt ist, worin zwei Phenethylgruppen
an die Methylenaminogruppe bzw. Aminogruppe des Isophorondiamins
gebunden ist. Diese Verbindungen erhält man durch Additionsreaktion von
Isophorondiamin und Styrol.
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In
der vorliegenden Erfindung kann das durch Additionsreaktion von
Isophorondiamin und Styrol erhaltene Reaktionsprodukt als ein modifiziertes,
cyclisches, aliphatisches Polyamin oder eine Aminoverbindung (im
Folgenden hauptsächlich
als "ein modifiziertes,
cyclisches, aliphatisches Polyamin") der vorliegenden Erfindung direkt
verwendet werden, wie es ist.
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Weiter
bevorzugt ist somit das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin
der vorliegenden Erfindung eine Mischung, enthaltend zumindest eine
Verbindung, die ausgewählt
wird aus der Gruppe von Aminoverbindungen, die durch die Formeln
(1) bis (3) dargestellt werden. Zusätzlich ist es üblicherweise
eine Mischung, die unreagiertes Isophorondiamin und dergleichen,
das sich von der Aminoverbindung bzw. den Aminoverbindungen, ausgewählt aus der
Gruppe der Aminoverbindungen, dargestellt durch die Formeln (1)
bis (3), unterscheidet.
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Um
die Aminoverbindung bzw. die Aminoverbindungen, die man durch Additionsreaktion
von Isophorondiamin und Styrol, wie oben erwähnt, erhält, als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
zu verwenden, ist der Gesamtgehalt der Aminoverbindung bzw. der
Aminoverbindungen, dargestellt durch die Formeln (1), (2) und (3), vorzugsweise
15 Gew.-% oder mehr, mehr bevorzugt 30 Gew.-% oder mehr, bezogen
auf das Gewicht des Härtungsmittels
für Epoxyharz.
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In
einem Verfahren zum Herstellen des modifizierten, cyclischen, aliphatischen
Polyamins der vorliegenden Erfindung ist das Reaktionsverhältnis von
Styrol zu einem cyclischen, aliphatischen Polyamin, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, unter
der Bedingung, dass Gelbildung vermieden werden kann, nicht beschränkt. Wenn
das Reaktionsverhältnis
von Styrol zu einem Polyamin, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, klein ist, wird die Menge
an unreagiertem Polyamin groß.
Andererseits wird, wenn das Reaktionsverhältnis von Styrol zu einem Polyamin,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin,
groß ist,
die Anzahl von aktiven Wasserstoffatomen in einer Aminogruppe klein.
Deshalb ist das bevorzugte Reaktionsverhältnis gewöhnlich 0,1 bis 4 mol Styrol
und vorzugsweise 0,5 bis 2 mol Styrol zu 1 mol cyclischem, aliphatischem
Polyamin, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin.
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Bevorzugte
Katalysatoren, die in dem Verfahren zum Synthetisieren eines modifizierten,
cyclischen, aliphatischen Polyamins der vorliegenden Erfindung verwendet
werden sollen, schließen
jede Substanz ein, die eine starke Basizität zeigen. Beispiele solcher
Katalysatoren schließen
Alkalimetalle, Alkalimetallamide und alkylierte Alkalimetalle ein.
Darunter ist ein Alkalimetallamid von der allgemeinen Formel MNRR', worin M ein Alkalimetall,
N Stickstoff und R und R' unabhängig voneinander
Wasserstoff oder eine Alkylgruppe sind, bevorzugt und Lithiumamid
(LiNH2) ist weiter bevorzugt.
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Die
Katalysatormenge hängt
von den Bedingungen, wie etwa der Art des Rohmaterials, dem Reaktionsverhältnis und
der Reaktionstemperatur, ab und ist gewöhnlich 0,05 bis 5 Gew.-% und
vorzugsweise 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des
Rohmaterials. Wenn die Katalysatormenge zu klein ist, kann die Reaktionsrate
abnehmen, ist sie dagegen zu groß, nimmt die Reaktionsrate
nicht zu, was nicht ökonomisch
ist.
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Die
Reaktionstemperatur beim Synthetisieren des modifizierten, cyclischen,
aliphatischen Polyamins der vorliegenden Erfindung ist gewöhnlich 50
bis 130°C.
Wenn die Reaktionstemperatur zu niedrig ist, ist die Reaktionsrate
des cyclischen, aliphatischen Polyamins, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, und Styrol niedrig, wenn
sie dagegen zu hoch ist, wird leicht ein Polymer von Styrol als
Nebenprodukt gebildet. Deshalb ist es wünschenswert, die Reaktionstemperatur
in Abhängigkeit
von den Arten des Rohmaterials, dem Reaktionsverhältnis und
den Arten und der Menge des verwendeten Katalysators auszuwählen.
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Da
ein stark basischer Katalysator, wie etwa Alkalimetallamid, leicht
mit Feuchtigkeit oder Kohlendioxid in der Luft reagiert, ist es
bevorzugt, den Einfluss von Feuchtigkeit und Kohlendioxid auszuschließen, indem man
die Reaktion in der Atmosphäre
eines inerten Gases, wie etwa Stickstoff, Helium oder Argon, ausführt.
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Da
die Reaktion eines cyclischen, aliphatischen Polyamins, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, und
Styrol, eine exotherme Reaktion ist, ist es notwendig, den Anstieg
der Temperatur der Reaktionsflüssigkeit,
der durch die exotherme Reaktion verursacht wird, zu kontrollieren,
um die Reaktionstemperatur auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Um die Polymerisation von Styrol zu hemmen, ist es außerdem bevorzugt,
das Styrol tropfenweise zu der Reaktionsflüssigkeit innerhalb des Bereiches
einer konstanten Reaktionstemperatur zuzugeben. Es ist bevorzugt,
die für
die tropfenweise Zugabe von Styrol nötige Zeit in Abhängigkeit
von dem Reaktionsverhältnis,
die Menge des Katalysators und dergleichen auszuwählen.
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Da
die Reaktionsrate stark durch das Reaktionsverhältnis und die Reaktionstemperatur
eines cyclischen, aliphatischen Polyamins, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, und
Styrol und den Arten und der Menge des Katalysators bestimmt wird,
sollte die Reaktionsdauer in Abhängigkeit
von den oben genannten Bedingungen eingestellt werden. Es ist jedoch
bevorzugt, eine Reaktionszeit festzulegen, indem man eine Probe
der Reaktionsflüssigkeit
während
der Reaktion entnimmt und dann die Menge von Styrol als das Rohmaterial
durch Gaschromatographie oder Flüssigchromatographie
bestimmt, so dass eine Zeit, die notwendig ist, dass die Menge an
unreagiertem Styrol 1 Gew.-% oder weniger erreicht, als die Reaktionsdauer
angesehen wird.
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Nach
dem Abschluss der Reaktion umfasst die auf diese Weise erhaltene
Reaktionsflüssigkeit
modifiziertes, cyclisches Polyamin, das durch die Reaktion und den
Katalysator synthetisiert wurde. Die Reaktionsflüssigkeit enthält gewöhnlich ferner
unreagiertes cyclisches, aliphatisches Polyamin, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Isophorondiamin und Norbornandiamin, und/oder
unreagiertes Styrol. Wenn Alkalimetallamid als Katalysator verwendet
wird, ist es möglich,
den Katalysator durch Filtration zu entfernen. Die Filtration kann
ausgeführt
werden, indem man zuerst das Alkalimetall in ein leicht entfernbares
Salz davon umwandelt, indem man Säuren, wie etwa Salzsäure, Hydrochlorgas
und Essigsäure,
Alkohole, wie etwa Methanol und Ethanol oder Wasser, zugibt, und
dann das Salz abfiltriert. Wenn Wasser verwendet wird, wird das
Alkalimetallamid beispielsweise in ein Hydroxid davon umgewandelt,
das leicht zu filtrieren ist.
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Das
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin, das man nach der
obigen Reaktion erhält,
ist eine klare, leicht gelbgefärbte
Flüssigkeit
mit einer Viskosität
von 35 bis 3.000 mPa·s,
vorzugsweise 50 bis 1.000 mPa·s,
weiter bevorzugt 50 bis 500 mPa·s, bei einer Temperatur von
25°C.
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Wenn
Isophorondiamin als ein cyclisches, aliphatisches Polyamin in dem
Verfahren zum Synthetisieren eines modifizierten, cyclischen, aliphatischen
Polyamins der vorliegenden Erfindung ausgewählt wird, enthält die Reaktionsflüssigkeit
nach Abschluss der Reaktion und Entfernen des verwendeten Katalysators
gewöhnlich
Aminoverbindungen, wie etwa ein 1:1-Additonsreaktionsprodukt, das
durch die obigen Formeln (1) oder (2) dargestellt wird, worin 1
Molekül
Styrol zu einer primären
Aminogruppe von 1 Molekül
Isophorondiamin addiert wird, ein 1:2-Additionsreaktionsprodukt, das durch
die obige Formel (3) dargestellt wird, worin zwei Moleküle von Styrol
zu zwei primären
Aminogruppen von 1 Molekül
Isophorondiamin jeweils addiert wird, und andere wie etwa ein 1:3-Additionsreaktionsprodukt,
worin zwei Styrolmoleküle
zu einer primären
Aminogruppe und ein Styrolmolekül
zu einer anderen primären
Aminogruppe eines Moleküls
von Isophorondiamin addiert wurden, ein 1:4-Additonsreaktionsprodukt,
worin vier Moleküle
Styrol zu 2 × 2
zu jeder von zwei primären
Aminogruppen eines Moleküls
von Isophorondiamin addiert wurden, und enthält außerdem unreagiertes Isophorondiamin.
Unter den obigen verschiedenen Arten von Additionsprodukten wird
der Gehalt an jedem Additionsprodukt in den gesamten Aminoverbindungen
durch das Reaktionsverhältnis
von Styrol zu Isophorondiamin bestimmt. Je höher der Anteil von Styrol ist,
umso höher
wird der Anteil der Additionsprodukte mit einer großen Anzahl
von Additionsmolekülen.
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Das
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin der vorliegenden
Erfindung hat eine Reaktivität
mit Epoxyharz oder Isocyanat und ist als ein Härtungsmittel für Epoxyharz
und als ein Kettenextender für
Polyurethanharz verwendbar. Außerdem
kann es auf breiter Front in verschiedenen Bereichen, wie etwa als
ein Papierverstärkungsmittel,
Chemikalien für
Kautschuk, Kesselsteinlösemittel,
ein Schlackeninhibitor, ein Tensid, ein Emulgierungsmittel, ein
Farbstoff, ein Pigment, ein Färbehilfsmittel,
eine Öllösung für Fasern,
Kosmetika, ein Knitterschutzmittel, ein Chelatbildner, ein Erzflotationsmittel,
ein Detergenz, ein thixotropes Mittel, ein pH-Einstellungsmittel,
ein Pestizid, ein Herbizid, ein Stabilisator für landwirtschaftliche Chemikalien,
Einspeisungszusätze,
Katalysator, ein Polymerisationsbeschleuniger, ein Polymerisationsinhibitor,
ein Stabilisator, ein Ionenaustauschharz, ein Gasabsorptionsmittel,
ein Antioxidans, ein Korrosionsinhibitor, ein Rostschutzmittel, ein
Sterilisator, ein antibakterielles Mittel, ein Frostschutzmittel,
ein Schmieröl,
ein Schmiermittel, ein pharmazeutisches Zwischenprodukt, Polyamid,
ein Lösungsmittel
und fotografische Chemikalien eingesetzt werden.
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Da
das modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin eine niedrige
Viskosität
und einen geringen Gehalt an unreagiertem Polyamin hat, stellt es
insbesondere, wenn es als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
angewendet wird, eine Epoxyharzzusammensetzung bereit, die eine
verbesserte Bearbeitbarkeit ohne Zugabe an Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel
und eine ausgezeichnete Eigenschaft des gehärteten Epoxyharzproduktes hat.
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Das
Härtungsmittel
für Epoxyharz
der vorliegenden Erfindung, das das oben genannte modifizierte, cyclische,
aliphatische Polyamin enthält,
kann allein oder als eine Mischung mit anderen Polyamin-artigen
Härtemitteln
für Epoxyharz
verwendet werden. Obwohl das Mischungsverhältnis so lange nicht beschränkt ist,
als es innerhalb der Grenzen ausgewählt wird, in denen die Eigenschaften
des modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins der vorliegenden
Erfindung nicht verloren gehen, ist die bevorzugte Menge des modifizierten, cyclischen,
aliphatischen Polyamins 5 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge
des Härtungsmittels.
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Die
Epoxyharzzusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält Epoxyharz
und das oben genannte Härtungsmittel
für Epoxyharz.
Was das Epoxyharz angeht, das für
die Epoxyharzzusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, kann jedes Epoxyharz verwendet werden, das Glycidylgruppen enthält, die
mit aktiven Wasserstoffatomen reaktiv sind, die von den Aminogruppen
des modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins herrühren, das
in dem Härtungsmittel
für Epoxyharz
der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Beispiele für solche
Epoxyharze schließen
vorzugsweise Bisphenol A-artige Epoxyharze und Bisphenol F-artige Epoxyharze
ein, die allein oder als eine Mischung miteinander verwendet werden,
obwohl das verwendbare Epoxyharz nicht auf sie beschränkt ist.
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Obwohl
der Gehalt des modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins
in einer Epoxyharzzusammensetzung nicht beschränkt ist, ist es bevorzugt,
0,7 bis 1,2 aktives Wasserstoffäquivalent
des modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins, bezogen
auf das gesamte Epoxyäquivalent
des Epoxyharzes, zu mischen.
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Zusätzlich können Komponenten
für andere
Modifikationen, wie etwa Füllmittel
und Weichmacher, Komponenten zum Einstellen der Fluidität, wie etwa
Verdünnungsmittel
und thixotropische Mittel, und andere Zutaten, wie etwa Pigmente,
Verlaufsmittel und Tackifier zu der Epoxyharzzusammensetzung der
vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit
von der angestrebten Verwendung zugegeben werden.
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Die
Epoxyharzzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch bekannte
Verfahren gehärtet
werden, um ein gehärtetes
Epoxyharzprodukt zu erzeugen. Die Härtungsbedingungen sind nicht
beschränkt
und können
in Abhängigkeit
von dem angestrebten Zweck geeignet ausgewählt werden.
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Das
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin der vorliegenden
Erfindung kann als ein Rohmaterial von Amin in einem Polyamin-artigen
Härtungsmittel
für Epoxyharz
verwendet werden, indem weitere Modifikation ausgeführt wird.
In diesem Fall ist die Molzahl von Styrol, das an der Modifikation
teilnimmt, solange nicht beschränkt,
als die auf diese Weise erhaltene Verbindung Aminogruppen mit aktiven
Wasserstoffatomen enthält
und die Eigenschaften des modifizierten, cyclischen, aliphatischen
Polyamins der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden.
Zusätzlich
ist das Verfahren zum Modifizieren ebenfalls nicht beschränkt, und
jedes Verfahren, das für
ein gewöhnliches
Polyamin-artiges Härtungsmittel
für Epoxyharz
genutzt wird, kann verwendet werden.
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Bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden in weiteren Einzelheiten
beschreiben, indem auf Beispiele Bezug genommen wird, die nicht
dazu dienen sollen, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken. Die
Analyse eines modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamins
und die Bewertung der Eigenschaft eines Epoxyharzbeschichtungsfilms
werden durch das folgende Verfahren durchgeführt.
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[Analyse eines modifizierten,
cyclischen, aliphatischen Polyamins]
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(1) Gaschromatographische-massenspektrometrische-(GC-MS)-Analyse
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- Gaschromatograph: "GC-17A", hergestellt von
Shimadzu Corporation.
- Massenspektroskop: QP5050A",
hergestellt von Shimadzu Corporation.
- Säule: "DB-1", hergestellt von
J&W; Länge: 15
m,
- Innendurchmesser: 0,25 mm, Filmdicke: 0,1 μm.
- Säulentemperatur:
120°C/10
Minuten + Temperaturerhöhung
mit einer Geschwindigkeit von 10°C/Minute
+ 300°C/40
Minuten.
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[Bewertung der Eigenschaft
des Epoxyharzbeschichtungsfilms]
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Eine
Epoxyharzzusammensetzung wurde auf eine Stahlplatte mit einer Dicke
von 200 μm
unter den Bedingungen von 23°C
und 50 % relativer Feuchtigkeit (RH) aufgeschichtet. Die Zwischenbeschichtungs-Adhäsion wird
mit dem Beschichtungsfilm bewertet, der durch Aufschichten der oberen
Schicht 1 Tag nach dem Aufschichten der unteren Schicht hergestellt
wurde.
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a) Erscheinungsbild:
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Das
Erscheinungsbild des Beschichtungsfilms nach 7 Tagen Härtung wird
visuell (Glanz, Klarheit, Verlauf) und durch Berühren mit dem Finger (Trocknungseigenschaften)
beurteilt.
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b) Zwischenbeschichtungs-Adhäsion:
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Der
Beschichtungsfilm nach 1 + 7 Tagen Härtung wird mit Bezug auf das
X-Schnittbandverfahren von JIS K 5400 bewertet.
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c) Wasserbeständigkeit:
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Wassertropfen
werden auf einen Beschichtungsfilm nach 1, 4 und 7 Tagen Aushärtung auf
getropft. Eine Änderung
im Erscheinungsbild des Beschichtungsfilms wird visuell beurteilt,
nachdem 1 Tag nach dem Auftropfen vergangen ist.
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d) Chemische Beständigkeit:
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Eine
beschichtete Stahlplatte nach 7 Tagen Aushärtung wurde in jede Chemikalie
(Natriumhydroxid mit einer Konzentration von 10 %, Schwefelsäure mit
einer Konzentration von 10 %, Essigsäure mit einer Konzentration
von 10 %, Methanol und Toluol) 7 Tage lang unter der Bedingung von
23°C eingetaucht.
Eine Änderung
im Erscheinungsbild des Beschichtungsfilms wurde visuell bewertet.
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e) Sprühsalzbeständigkeit
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Der
Sprühsalztest
wurde auf der Grundlage von JIS K 5400 durchgeführt. Eine Änderung im Erscheinungsbild
des Beschichtungsfilms nach 7 Tagen des Besprühens wurde visuell beurteilt.
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f) Beurteilung:
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Die
Beurteilung wurde auf der Grundlage der folgenden vier Kriterienstufen
durchgeführt.
- ⦾:
ausgezeichnet O: gut Δ:
annehmbar X: schlecht
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Beispiel 1
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681,2
g (4,0 mol) Isophorondiamin, hergestellt von Degussa AG (im Folgenden "IPDA") und 3,3 g (0,14 mol)
Lithiumamid, ein Reagens, hergestellt von Merck Ltd., wurden in
einen 2 L (Liter)-Kolben, ausgestattet mit einem Rührer, einem Thermometer,
einem Stickstoffeinlass, einem Tropfentrichter und einem Kondensator eingefüllt und
die Innentemperatur wurde auf 80°C
in einem Stickstoffgasstrom unter Rühren erhöht. Unter Aufrechterhalten
einer Temperatur von 80°C
wurden 416,8 g (4,0 mol) Styrol, Spezialreagens, hergestellt von Wako
Pure Chemical Industries, Ltd., in Japan, über 2,5 Stunden tropfenweise
dazugegeben. Nach dem Abschluss der tropfenweisen Zugabe wurde die
Innentemperatur auf 80°C
für 1 Stunde
aufrechterhalten.
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Nachdem
die Reaktionsflüssigkeit
auf Raumtemperatur abgekühlt
wurde, wurden dann 25,2 g (1,4 mol) Wasser als 10-fache Molmenge
zu dem eingefüllten
Lithiumamid zugegeben und gerührt.
Nach dem Abtrennen von Präzipitaten
in der Flüssigkeit
im Kolben durch Filtration wurde verbleibendes Wasser durch Vakuumdestillation
entfernt, wodurch man 1032,7 g modifiziertes, cyclischen, aliphatischen
Polyamin A als ein Reaktionsprodukt erhielt. Die Viskosität des modifizierten,
cyclischen, aliphatischen Polyamins A war 90 mPa·s/25°C und der Gehalt an unreagiertem
IPDA in dem modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamin war
16,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Reaktionsprodukts.
Das Äquivalent
an aktivem Wasserstoff war 92 und die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome
war 3.
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Als
ein Ergebnis der GC-MS-Analyse des auf diese Weise erhaltenen modifizierten,
cyclischen, aliphatischen Polyamins A wurden fünf Peaks festgestellt, die
von dem Peak des unreagierten IPDA verschieden waren. Bezeichnet
man die fünf
Peaks als Peaks a, b, c, d und e in der Reihenfolge der Retentionszeit,
war das Peakflächenverhältnis IPDA:
11,2 %, Peak A: 9,2 %, Peak b: 33,5 %, Peak c: 11,1 %, Peak d: 9,5
%, Peak e: 25,6 % (siehe 1).
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Aus
den Ergebnissen der GC-MS-Analyse eines jeden Peaks der Peaks a,
b, c, d und e, wurde der Peak a als eine trans-Form der durch die
obige Formel (1) dargestellten Aminoverbindung identifiziert, da
die Anwesenheit der Peaks von 152 m/z, 134 m/z, 124 m/z und 105
m/z, die sich von dem Peak von 183 m/z (M-91) unterschieden, detektiert
wurde.
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Der
Peak b wurde als cis-Form der durch die obige Formel (1) dargestellten
Aminoverbindung identifiziert, da die Gegenwart der Peaks von 166
m/z, 134 m/z, 124 m/z und 105 m/z, die sich von dem Peak mit 183
m/z (M-91) unterschieden, detektiert wurde.
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Der
Peak c wurde als die durch die obige Formel (2) dargestellte Aminoverbindung
identifiziert, da die Gegenwart der Peaks von 166 m/z, 105 m/z und
30 m/z (CH2=NH2 +), die sich von den dem Peak von 183 m/z (M-91)
unterschieden, detektiert wurde.
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Die
Peaks d und e wurden als die durch die obige Formel (3) dargestellten
Aminoverbindungen identifiziert, da die Gegenwart der Peaks bei
258 m/z (M-120), 166 m/z, 154 m/z, 134 m/z und 105 m/z, die sich von
dem Peak von 287 m/z (M-91) unterschieden, detektiert wurde.
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Aus
den Ergebnissen der GC-MS-Analyse eines jeden Peaks der Peaks d
und e, wurden die Peaks 287 m/z (M-91) und 258 m/z (M-120) des Peaks
d in ähnlicher
Peakintensität
detektiert. Andererseits war in dem Peak e die Intensität des Peaks
287 m/z (M-91) stark und die Intensität des Peaks 258 m/z (M-120) schwach.
Somit hat die durch die Formel (3) dargestellte Aminoverbindung
Isomere, die durch die folgenden Formeln (4) und (5) dargestellt
werden. In der durch die Formel (4) dargestellten Verbindung kann
die an den Cyclohexanring gebundene Aminogruppe durch die Wechselwirkung
in 1,3-axialer Position leicht eliminiert werden. Demgemäß wurde
der Peak d als die Verbindung identifiziert, die durch die Formel
(4) dargestellt wird, und der Peak e wurde als die Verbindung identifiziert,
die durch die Formel (5) dargestellt wird.
worin R eine Phenethylgruppe
ist,
worin R eine Phenethylgruppe
ist.
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Eine
Epoxyharzzusammensetzung wurde hergestellt, indem man eine Epoxyharzflüssigkeit
vom Bisphenol A-Typ mit einem Epoxyäquivalent von 190 g/Äq, hergestellt
von Japan Epoxy Resins Co., Ltd., Handelsname: Epicoat 828, und
das obige modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin A als ein
Härtungsmittel für Epoxyharz
in einem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis mischte.
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Die
auf diese Weise erhaltene Epoxyharzzusammensetzung wurde unter den
Bedingungen von 23°C und
50 % relativer Feuchtigkeit (RH) gehärtet, um einen gehärteten Epoxyharzbeschichtungsfilm
herzustellen und die Eigenschaften des Beschichtungsfilms wurden
beurteilt. Die Beurteilungsergebnisse wurden in Tabelle 1 gezeigt.
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Beispiel 2
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617,2
g (4,0 mol) Norbornandiamin, hergestellt von Mitsui Chemicals, Inc.
(im Folgenden "NBDA") und 3,1 g (0,14
mol) Lithiumamid wurden in einen Kolben eingefüllt, der dem gleich war, der
in Beispiel 1 verwendet wurde, und die Innentemperatur wurde auf
80°C in
einem Stickstoffstrom unter Rühren
erhöht.
Unter Aufrechterhalten der Temperatur von 80°C wurden 416,8 g (4,0 mol) Styrol
tropfenweise über
2,5 Stunden dazu gegeben. Nach dem Abschluss der tropfenweisen Zugabe
wurde die Innentemperatur auf 80°C
für 1 Stunde
aufrechterhalten.
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Nachdem
die Reaktionsflüssigkeit
auf Raumtemperatur abgekühlt
wurde, wurden dann 25,2 g (1,4 mol) Wasser als eine 10-fache Molmenge
zu dem eingefüllten
Lithiumamid zugegeben und gerührt.
Nach dem Abtrennen von Präzipitaten
in der Flüssigkeit
im Kolben durch Filtration wurde verbliebenes Wasser durch Vakuumdestillation
entfernt, wodurch man 969,3 g modifiziertes, cyclisches, aliphatisches
Polyamin B als ein Reaktionsprodukt erhielt. Die Viskosität des modifizierten,
cyclischen, aliphatischen Polyamins B war 64 mPa·s/25°C, und der Gehalt an unreagiertem
NBDA in dem modifizierten, cyclischen, aliphatischen Polyamin B
war 15,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Reaktionsprodukts.
Das Äquivalent
an aktivem Wasserstoff war 86 und die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome
war 3.
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Eine
Epoxyharzzusammensetzung wurde hergestellt, indem man ein flüssiges Epoxyharz
vom Bisphenol A-Typ mit einem Epoxyäquivalent von 190 g/Äq, hergestellt
von Japan Epoxy Resins Co., Ltd., Handelsname: Epicoat 828, und
das obige modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin B als ein
Härtungsmittel für Epoxyharz
in einem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis mischte.
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Die
auf diese Weise erhaltene Epoxyharzzusammensetzung wurde unter den
Bedingungen von 23°C und
50 % relativer Feuchtigkeit (RH) gehärtet, um einen gehärteten Epoxyharzbeschichtungsfilm
herzustellen, und die Eigenschaften des Beschichtungsfilms wurden
beurteilt. Die Beurteilungsergebnisse wurden in Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 1
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681,2
g (4,0 mol) IPDA wurden in einen Kolben eingefüllt, der ähnlich demjenigen war, der
in Beispiel 1 verwendet wurde, und die Innentemperatur wurde auf
80°C in
einem Stickstoffstrom unter Rühren
erhöht. Unter
Aufrechterhaltung der Temperatur von 80°C wurden 520,0 g (4,0 mol) Butylglycidylether
mit einem Epoxyäquivalent
von 130 g/Äq,
hergestellt von NOF Corporation, Handelsname: NISSAN EPIOL B, nachfolgend "BGE", tropfenweise über 2 Stunden
zugegeben. Nach dem Beenden der tropfenweisen Zugabe wurde die Innentemperatur
auf 100°C
erhöht
und die Reaktion wurde für
2 Stunden ausgeführt,
um 1181,4 g eines Additionsproduktes von IPDA mit BGE zu erhalten.
Die Viskosität
des Additionsprodukts von IPDA mit BGE war 3400 mPa·s/25°C, und der
Gehalt an unreagiertem IPDA war 15,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des
Reaktionsprodukts. Das Äquivalent
des aktiven Wasserstoffs war 100, und die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome
war 3.
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Eine
Epoxyharzzusammensetzung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel
1 unter Verwendung des oben genannten Additionsprodukts von IPDA
mit BGE als Härtungsmittel
für Epoxyharz
in einem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis hergestellt. Die auf
diese Weise erhaltene Epoxyharzzusammensetzung wurde gehärtet, um
einen gehärteten
Epoxyharzbeschichtungsfilm herzustellen, und die Eigenschaft des
Beschichtungsfilms wurde beurteilt. Das Beurteilungsergebnis wurde
in Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 2
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1086,8
g eines Additionsprodukts von NBDA mit BGE wurde erhalten, indem
man auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 synthetisierte,
mit der Ausnahme, dass 617,2 g (4,0 mol) NBDA anstelle von IPDA
verwendet wurden. Die Viskosität
des Additionsprodukts von NBDA mit BGE war 1440 mPa·s/25°C, und der
Gehalt an unreagiertem NBDA war 14,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Reaktionsprodukts. Das Äquivalent
des aktiven Wasserstoffs war 95, und die Anzahl der aktiven Wasserstoffatome
war 3.
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Eine
Epoxyharzzusammensetzung wurde auf die gleiche weise wie in Beispiel
1 unter Verwendung des obigen Additionsprodukts von NBDA mit BGE
als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
in einem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis hergestellt. Die auf
diese Weise erhaltene Epoxyharzzusammensetzung wurde gehärtet, um
einen gehärteten
Epoxyharzbeschichtungsfilm herzustellen, und die Eigenschaften des
Beschichtungsfilms wurden beurteilt. Das Beurteilungsergebnis wurde
in Tabelle 1 gezeigt.
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Wie
aus den obigen Beispielen deutlich wird, hat das modifizierte, cyclische,
aliphatische Polyamin der vorliegenden Erfindung eine niedrige Viskosität und der
Gehalt an unreagiertem, cyclischem, aliphatischem Polyamin ist relativ
klein. Somit stellt die Epoxyharzzusammensetzung, die das obige
modifizierte, cyclische, aliphatische Polyamin als ein Härtungsmittel
für Epoxyharz
enthält,
eine ausgezeichnete Eigenschaft für ein gehärtetes Epoxyharzprodukt bereit.