DE69208246T2 - Aqueous primary colors with low VOC values - Google Patents
Aqueous primary colors with low VOC valuesInfo
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Description
Vorbehandlungsgrundierungsmittel, die in der gewerblichen und Automobilindustrie eingesetzt werden, weisen gewöhnlich einen sehr hohen flüchtigen organischen Anteil (VOC) auf. Typische VOC-Niveaus liegen oberhalb von 5,0 lbs/gallon (verpackt) und 6,0 lbs/gallon (verdünnt zu sprühbarer Viskosität). Viele jüngere Entwicklungen auf dem Gebiet der Umweltgesetze und -bestimmungen schränken den VOC-Gehalt von Farb- und Beschichtungsprodukten auf strenge Weise ein. Beispielsweise hat der Luftqualitätsverwaltungsdistrikt der Südküste von Kalifornien VOC-Restriktionen für Vorbehandlungsgrundierungsmittel von 3,5 lbs/gallon vorgeschlagen.Pretreatment primers used in the commercial and automotive industries typically have very high volatile organic content (VOCs). Typical VOC levels are above 5.0 lbs/gallon (packaged) and 6.0 lbs/gallon (diluted to sprayable viscosity). Many recent developments in environmental laws and regulations place strict restrictions on the VOC content of paint and coating products. For example, the Southern Coast Air Quality Management District of California has proposed VOC restrictions for pretreatment primers of 3.5 lbs/gallon.
Angesichts der nun in Kraft tretenden strengen VOC- Restriktionen haben wir unsere Anstrengungen auf die Entwicklung einer mit Wasser verdünnbaren Vorbehandlungsgrundierungszusammensetzung mit niedrigem VOC konzentriert, die in ihrer Leistungsfähigkeit vergleichbar ist mit Vorbehandlungsgrundie rungszusammensetzungen mit höherem VOC. Die vorliegende Erfindung betrifft ein filmbildendes Vorbehandlungsgrundierungsmittel zum Einsatz auf sauberen, unbehandelten Metalloberflächen mit einem VOC von weniger als 3,5 lbs/gallon. Die erfindungsgemäßen Überzüge sind besonders als Vorbehandlungs grundierungsmittel geeignet und dienen als Verbindungsschichten zwischen Metallsubstraten und Deckschichten in der gewerblichen und Automobilindustrie.With the stringent VOC restrictions now in place, we have focused our efforts on developing a water-borne, low-VOC pretreatment primer composition that performs comparable to higher-VOC pretreatment primer compositions. The present invention is directed to a film-forming pretreatment primer for use on clean, untreated metal surfaces having a VOC of less than 3.5 lbs/gallon. The coatings of the invention are particularly useful as pretreatment primers and as tie coats between metal substrates and finishes in the commercial and automotive industries.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweikomponentenvorbehandlungsgrundierungssystem für den Einsatz auf reinen Metalloberflächen Das Vorbehandlungsgrundierungsmittel dient als Verbindungsschicht zwischen dem Substrat und einer Deckschicht. Das hier vollständig beschriebene Vorbehandlungsgrundierungsmittel der vorliegenden Erfindung umfaßt:The present invention relates to a two-component pretreatment primer system for use on pure metal surfaces. The pretreatment primer serves as a bonding layer between the substrate and a topcoat. The pretreatment primer of the present invention as fully described herein comprises:
a) eine wäßrige erste Komponente, umfassenda) an aqueous first component comprising
1) ein Harz,1) a resin,
2) ein Zinkchromatpigment,2) a zinc chromate pigment,
3) ein Zinkphosphatpigment, und3) a zinc phosphate pigment, and
4) ein Verpackungsstabilisierungsmittel; und4) a packaging stabiliser; and
b) eine zweite wäßrige Komponente, umfassend eine Katalysatorlösung für die genannte erste Komponente.b) a second aqueous component comprising a catalyst solution for said first component.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demzufolge, die Lehre einer Vorbehandlungsgrundierungs zusammensetzung mit niedrigem VOC zu vermitteln, welche in ihrer Leistungsfähigkeit vergleichbar ist mit Vorbehandlungsgrundierungsmitteln herkömmlicher Art mit höherem VOC.The object of the present invention is therefore to provide a low VOC pretreatment primer composition which is comparable in performance to conventional higher VOC pretreatment primers.
Aufgrund der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung werden diese und andere Gegenstände leicht verständlich werden.These and other objects will be readily understood from the following detailed description of the invention.
Wie oben erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung ein Vorbehandlungsgrundierungsmittel mit niedrigem VOC. Dieses Grundierungsmittel umfaßt:As mentioned above, the present invention relates to a low VOC pretreatment primer. This primer comprises:
a) eine wäßrige erste Komponente, umfassenda) an aqueous first component comprising
1) ein Harz,1) a resin,
2) ein Zinkchromatpigment,2) a zinc chromate pigment,
3) ein Zinkphosphatpigment, und3) a zinc phosphate pigment, and
4) ein Verpackungstabilisierungsmittel; und4) a packaging stabiliser; and
b) eine wäßrige zweite Komponente, umfassend eine Katalysatorlösung für die genannte erste Komponente.b) an aqueous second component comprising a catalyst solution for said first component.
Das hinter den erfindungsgemäßen Zuammensetzungen stehende Konzept ist ähnlich demjenigen von herkömmlichen Vorbehandlungsgrundierungsmitteln. Wenn die Zusammensetzung in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst und auf eine Metalloberfläche aufgetragen wird, reagiert sie mit der Metalloberfläche unter Bildung einer fest haftenden, komplexen Oberflächenbeschichtung, die aus Metallkomponenten aus den aktiven Bestandteilen in dem Grundierungsmittel und auch aus den Metallkomponenten aus der Metalloberfläche besteht. Diese Vorbehandlungsgrundierungsmittel können in vorteilhafter Weise in Anlagen als Ersatz für den Phosphatierungsprozess eingesetzt werden, wo es die Größe oder der Anwendungsbereich des Metallteils ungeeignet erscheinen lassen, das Metall mittels eines separaten Phosphatierungsprozesses zu behandeln.The concept behind the compositions of the invention is similar to that of conventional pretreatment primers. When the composition is dissolved in an organic solvent and applied to a metal surface applied, it reacts with the metal surface to form a tightly adherent, complex surface coating consisting of metal components from the active ingredients in the primer and also from the metal components from the metal surface. These pretreatment primers can be advantageously used in plants as a replacement for the phosphating process where the size or application of the metal part makes it unsuitable to treat the metal by means of a separate phosphating process.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Vorbehandlungsgrundierungsmitteln mit höherem VOC sind die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wäßrige Zusammensetzungen, bei denen ein wäßriges Harz und ein Zinkphosphatpigment in der gleichen Komponente vereinigt sind. Dieses Pigment steuert der Zusammensetzung Phosphationen bei, die in Kombination mit dem Zinkchromatpigment dazu führen, daß die Zusammensetzung leicht an reinen Metalloberflächen haftet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorbehandlungsgrundierungsmitteln, bei denen die Phosphationenquelle durch eine getrennte Katalysatorlösung gestellt wird, ist die Phosphationenquelle im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der gleichen Lösung enthalten wie das filmbildende Harz. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung dient der getrennte Katalysator in erster Linie der Säureätzung des Metalls.Unlike conventional pretreatment primers with higher VOC, the compositions of the present invention are aqueous compositions in which an aqueous resin and a zinc phosphate pigment are combined in the same component. This pigment contributes phosphate ions to the composition which, in combination with the zinc chromate pigment, causes the composition to readily adhere to bare metal surfaces. Unlike conventional pretreatment primers in which the phosphate ion source is provided by a separate catalyst solution, the phosphate ion source in the present invention is contained in the same solution as the film-forming resin. In the present invention, the separate catalyst serves primarily to acid etch the metal.
Geeignete Harze für den Einsatz in der ersten Komponente der vorliegenden Erfindung umfaßen die wäßrige Latexharze, die in der Farben- und Beschichtungstechnik weithin bekannt sind. Sie sind typischerweise das Ergebnis der Emulsionspolymerisation von Acryl- und Vinylmonomeren und -prepolymeren. Geeignete Monomere können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure sowie Estern dieser Säuren, insbesondere Hydroxyethylacrylat und -methacrylat, Hydroxypropylacrylat und -methacrylat, Methylacrylat und -methacrylat, Ethylacrylat und -methacrylat, Butylacrylat und -methacrylat, Laurylacrylat und -methacrylat und dergleichen, Trimethylolpropantriacrylat und -trimethacrylat, Hexandioldiacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Vinylchlorid, Vinyliden chlorid, Styrol, Divinylbenzol, Vinyltoluol, Vinylnaphthalin, multifunktionelle Epoxide, Melamine und Isocyanate und Mischungen von diesen. Neben den reinen Monomeren können vorgebildete Polymere und polymere Zwischenprodukte eingesetzt werden.Suitable resins for use in the first component of the present invention include the aqueous latex resins which are well known in the paint and coatings art. They are typically the result of the emulsion polymerization of acrylic and vinyl monomers and prepolymers. Suitable monomers can be selected from the group consisting of acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and esters of these acids, in particular hydroxyethyl acrylate and methacrylate, hydroxypropyl acrylate and methacrylate, methyl acrylate and methacrylate, Ethyl acrylate and methacrylate, butyl acrylate and methacrylate, lauryl acrylate and methacrylate and the like, trimethylolpropane triacrylate and trimethacrylate, hexanediol diacrylate, acrylamide, methacrylamide, vinyl chloride, vinylidene chloride, styrene, divinylbenzene, vinyltoluene, vinylnaphthalene, multifunctional epoxides, melamines and isocyanates and mixtures of these. In addition to the pure monomers, preformed polymers and polymeric intermediates can be used.
Die erfindungsgemäßen Harze können unter Anwendung hinreichend bekannter Verfahren zur Herstellung von Emulsionspolymeren hergestellt werden, oder das Harz kann aus leicht zugänglichen Quellen bezogen werden.The resins of the invention can be prepared using well-known methods for preparing emulsion polymers, or the resin can be obtained from readily available sources.
Bei der Auswahl eines Harzsystems für die vorliegende Erfindung muß darauf geachtet werden, daß ein Harz hergestellt oder eingesetzt wird, welche durch Filmkoaleszenz an Luft trocknet, eine ausreichend niedrige TG besitzt, im allgemeinen unterhalb etwa 30ºC, um unter verschiedenen Feuchtigkeitsgraden gute Filmbildung zu ergeben, ein gewisses Ausmaß an Lösungsmittelbeständigkeit aufweist (um ein Abheben zu verhindern, wenn es zusammen mit Deckbeschichtungen auf Lösungsmittelbasis eingesetzt wird) und, was wichtig ist, eine gute Adhäsion an unbehandelten Metalloberflächen zeigt.In selecting a resin system for the present invention, care must be taken to prepare or employ a resin which dries by film coalescence in air, has a sufficiently low Tg, generally below about 30°C, to give good film formation under various humidity levels, has some degree of solvent resistance (to prevent lifting when used with solvent-based topcoats), and, importantly, exhibits good adhesion to untreated metal surfaces.
Ein besonders bevorzugtes Harzsystem für den Einsatz in der ersten erfindungsgemäßen Komponente ist von der Rohm and Haas Company unter der Bezeichnung "MV9" erhältlich. MV9 ist ein Latex auf der Basis eines Acrylnitril/Acryl-Copolymeren mit einer TG von etwa 20ºC. Es wurde festgestellt, daß MV9 mit dem erfindungsgemäßen Zinkchromatpigment eine Vernetzung eingeht, vorausgesetzt, daß in der Zusammensetzung eine wasserlösliche Phosphationenquelle vorhanden ist, um der Lösung Azidität zu verleihen. Diese Phosphationenquelle wird durch das in der Lösung vorhandene Zinkphosphatpigment gestellt.A particularly preferred resin system for use in the first component of the invention is available from Rohm and Haas Company under the designation "MV9". MV9 is an acrylonitrile/acrylic copolymer based latex having a Tg of about 20°C. MV9 has been found to crosslink with the zinc chromate pigment of the invention provided that a water-soluble source of phosphate ion is present in the composition to impart acidity to the solution. This source of phosphate ion is provided by the zinc phosphate pigment present in the solution.
Neben dem Harz muß die erste Komponente darüberhinaus ein Pigment enthalten, daß in der Lage ist, eine Komplexbildung mit dem Metallsubstrat einzugehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination von 2 getrennten Pigmenten verwendet. Das erste Pigment umfaßt Zinkchromatpigment. Vorzugsweise umfaßt dieses erste Pigment fein zerteilte diskrete Teilchen eines Zinktetraoxychromatpigments. Ein besonders geeignetes Zinktetraoxychromatpigment ist im Handel von der Mineral Pigments Corporation beziehbar. Das zweite Pigment umfaßt ein Zinkphosphatpigment. Vorzugsweise umfaßt dieses zweite Pigment ein Zinksiliciumdioxidphosphathydrat, umfassend Zink, BaSO&sub4;, SiO&sub2;, MgO und PO&sub4;. Ein besonders geeignetes Zinkphosphatpigment ist im Handel von Heubach unter dem Handelsnamen Heucophos ZBZ erhältlich. Die hier verwendete kombinierte Pigmentierung erzeugt einen anodischen Mechanismus, der mit anderen Metallkationen auf der Substratoberfläche eine Komplexierung eingeht und für die Haftung der Beschichtung am Substrat sorgt. Für eine einwandfreie Funktionsweise muß die hier verwendete Pigmentierung leicht wasserlöslich sein, um eine saubere Ionisierung zu ergeben. Diese Wasserlöslichkeit kann die Verpackungsstabilität jedoch nachteilig beeinflussen; und demzufolge ist der Pigmentierungsgrad kritisch. Der Pigmentierungsgrad in der ersten Komponente beträgt für das Zinkchromatpigment im allgemeinen weniger als oder gleich etwa 4,5% PVC, vorzugsweise etwa 3% PVC. Der Pigmentierungsgrad an Zinkphosphatpigment in der ersten Komponente beträgt im allgemeinen weniger als oder gleich etwa 6% PVC, vorzugsweise etwa 3,5% PVC.In addition to the resin, the first component must also contain a pigment capable of complexing with the metal substrate. In the present invention, a combination of two separate pigments is used. The first pigment comprises zinc chromate pigment. Preferably, this first pigment comprises finely divided discrete particles of a zinc tetraoxychromate pigment. A particularly suitable zinc tetraoxychromate pigment is commercially available from Mineral Pigments Corporation. The second pigment comprises a zinc phosphate pigment. Preferably, this second pigment comprises a zinc silica phosphate hydrate comprising zinc, BaSO₄, SiO₂, MgO and PO₄. A particularly suitable zinc phosphate pigment is commercially available from Heubach under the trade name Heucophos ZBZ. The combined pigmentation used here creates an anodic mechanism that complexes with other metal cations on the substrate surface and provides adhesion of the coating to the substrate. To function properly, the pigmentation used here must be readily water soluble to provide proper ionization. However, this water solubility can adversely affect package stability; and consequently the level of pigmentation is critical. The level of pigmentation in the first component for the zinc chromate pigment is generally less than or equal to about 4.5% PVC, preferably about 3% PVC. The level of pigmentation of zinc phosphate pigment in the first component is generally less than or equal to about 6% PVC, preferably about 3.5% PVC.
Neben den obengenannten Pigmenten können in der ersten Komponente der Zusammensetzung gegebenenfalls ein oder mehrere inerte Pigmente vorhanden sein. Ein solches Pigment ist vorzugsweise micronisierter Talk in einem relativ geringen Anteil von bis zu etwa 4% PVC, vorzugsweise bis zu etwa 2% PVC. Micronisierter Talg kann einen günstigen Einfluß auf die Beständigkeit der Zusammensetzung gegenüber Feuchtigkeits durchlässigkeit durch den Film hindurch haben und die Trocknungszeit der Beschichtung verbessern.In addition to the above-mentioned pigments, one or more inert pigments may optionally be present in the first component of the composition. Such a pigment is preferably micronized talc in a relatively small proportion of up to about 4% PVC, preferably up to about 2% PVC. Micronized talc can have a beneficial effect on the resistance of the composition to moisture permeability through the film and improve the drying time of the coating.
Neben den obigen Bestandteilen umfaßt die erste Komponente der vorliegenden Erfindung darüberhinaus vorzugsweise einen Haftungspromotor. Der bevorzugte Haftungspromotor umfaßt eine stabilisierte Kaseinlösung. Kasein ist eine gut bekannte Phosphoproteinzusammensetzung. Es ist in Wasser und nichtpolaren organischen Lösungsmitteln schwer löslich. In Alkalilösungen ist es jedoch löslich und bildet Salze. Der Einsatz einer Kaseinlösung in der ersten erfindungsgemäßen Komponente verbessert die Haftung der Beschichtung am Substrat, verbessert die Pigmentbenetzung und trägt auf diese Weise zur Verbesserung der Verpackungsstabilität bei. Eine besonders bevorzugte Kaseinlösung ist im Handel von Ultra Additives unter der Marke Ulasein 15 erhältlich. Derartige Lösungen können der erfindungsgemäßen ersten Komponente in einer Menge von bis zu etwa 5 Gew.-%, vorzugsweise bis zu etwa 1 Gew.-%, zugesetzt werden.In addition to the above ingredients, the first component of the present invention preferably further comprises an adhesion promoter. The preferred adhesion promoter comprises a stabilized casein solution. Casein is a well-known phosphoprotein composition. It is sparingly soluble in water and non-polar organic solvents. However, it is soluble in alkaline solutions and forms salts. The use of a casein solution in the first component of the invention improves the adhesion of the coating to the substrate, improves pigment wetting and thus helps to improve package stability. A particularly preferred casein solution is commercially available from Ultra Additives under the trademark Ulasein 15. Such solutions can be added to the first component of the invention in an amount of up to about 5% by weight, preferably up to about 1% by weight.
Die erfindungsgemäße erste Komponente muß darüberhinaus ein Dispergierungsmittel für die Verpackungsstabilität enthalten. Bevorzugte Verpackungsstabilisierungsmittel umfassen Natriumsalze von carboxylierten Polyelektrolyten. Derartige Mittel sind dafür bekannt, daß sie Latexsystemen Stabilität verleihen, und sie sind hier geeignet. Ein besonders bevorzugtes Stabilisierungsmittel ist Tamol 850 , das von Rohm and Haas company erhältlich ist. Es kann in einer Menge von etwa 0,1% (bezogen auf das Pigmentgesamtgewicht) bis zu etwa 4,0% (bezogen auf das Pigmentgesamtgewicht) zugesetzt werden, vorzugsweise in einer Menge von zwischen etwa 2,0% und 3,0% (bezogen auf das Pigmentgesamtgewicht).The first component of the present invention must further contain a dispersant for package stability. Preferred package stabilizing agents include sodium salts of carboxylated polyelectrolytes. Such agents are known to impart stability to latex systems and are useful here. A particularly preferred stabilizing agent is Tamol 850 available from Rohm and Haas company. It may be added in an amount of from about 0.1% (based on total pigment weight) to about 4.0% (based on total pigment weight), preferably in an amount of between about 2.0% and 3.0% (based on total pigment weight).
Neben dem oben erwähnten Stabilisierungsmittel umfaßt die erste erfindungsgemäße Komponente im allgemeinen darüberhinaus ein Verdickungsmittel. Ein besonders bevorzugtes Verdickungsmittel ist die durch Alkali quellbare Acrylpolymeremulsion, die im Handel unter der Marke Acrysol TT-615 von Rohm and Haas Company erhältlich ist. Sofern es eingesetzt wird, ist es vorzugsweise in der Pigmentdispersion enthalten und wird demzufolge der ersten Komponente während der Mahlphase zugesetzt. Es kann der ersten Komponente aber auch während der Absenkphase zugesetzt werden, vorausgesetzt, daß darauf geachtet wird, daß die Destabilisierung der Zusammensetzung vermieden wird. Sofern sie eingesetzt werden, reichen geeignete Mengen an Verdickungsmitteln von zwischen etwa 2,0 Gew.-% (bezogen auf die Polymerfeststoffe) bis etwa 10,0 Gew.-% (bezogen auf die Polymerfeststoffe).In addition to the above-mentioned stabilizing agent, the first component of the invention generally further comprises a thickening agent. A particularly preferred thickening agent is the alkali-swellable acrylic polymer emulsion, which is commercially available under the trademark Acrysol TT-615 from Rohm and Haas Company. When used, it is preferably contained in the pigment dispersion and thus is added to the first component during the milling phase. However, it may also be added to the first component during the settling phase, provided that care is taken to avoid destabilizing the composition. When used, suitable amounts of thickeners range from about 2.0% by weight (based on polymer solids) to about 10.0% by weight (based on polymer solids).
Die erste Komponente wird darüberhinaus im allgemeinen auch koaleszierende Lösungsmittel enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mit Wasser mischbaren Glykolethern, wie zum Beispiel Butylcellosolve und Butylcarbitol. Die Menge an Butylcellosolve (Gew.-% Butylcellosolve zu Polymerfeststoffen) liegt im allgemeinen zwischen etwa 35% und etwa 60%, vorzugsweise bei etwa 45%. Die Menge an Butylcarbitol (Gew.-% Butylcarbitol zu Polymerfeststoffen) liegt im allgemeinen zwischen etwa 10% und etwa 20%, vorzugsweise bei etwa 15%. Die Butylcellosolve wird zugesetzt, um der Beschichtungszusammensetzung kürzere Klebfreitrocknungszeiten zu verleihen, während das Butylcarbitol zugesetzt wird, um die Beschichtungsfilmbildung und Haftungseigenschaften zu verbessern.The first component will also generally contain coalescing solvents selected from the group consisting of water-miscible glycol ethers, such as butyl cellosolve and butyl carbitol. The amount of butyl cellosolve (weight percent butyl cellosolve to polymer solids) is generally between about 35% and about 60%, preferably about 45%. The amount of butyl carbitol (weight percent butyl carbitol to polymer solids) is generally between about 10% and about 20%, preferably about 15%. The butyl cellosolve is added to impart faster tack-free drying times to the coating composition, while the butyl carbitol is added to improve coating film formation and adhesion properties.
Für die Feinabstimmung der Anwendungseigenschaften der Beschichtung und als Mahlhilfe für die Zusammensetzung kann der ersten Komponente zusätzlich Ethylenglykol zugesetzt werden.To fine-tune the application properties of the coating and as a grinding aid for the composition, ethylene glycol can be added to the first component.
Die zweite Komponente der vorliegenden Erfindung umfaßt eine wäßrige Katalysatorlösung für die genannte erste Komponente. Sie umfaßt eine wäßrige Lösung einer natürlich vorkommenden organischen Säure, vorzugsweise Gerbsäure, und Tetrachlorphthalsäureanhydrid, vorneutralisiert auf einen pHWert von etwa 11. Zur Einstellung des pH-Werts wird im allgemeinen Ammoniak verwendet. Eine bevorzugte Katalysatorlösung umfaßt zwischen etwa 0,4 Gew.-% und etwa 3,0 Gew.-% Gerbsäure und zwichen etwa 0,1 Gew.-% und etwa 1,0 Gew.-% Tetrachlorphthalsäureanhydrid in Wasser.The second component of the present invention comprises an aqueous catalyst solution for the above-mentioned first component. It comprises an aqueous solution of a naturally occurring organic acid, preferably tannic acid, and tetrachlorophthalic anhydride, pre-neutralized to a pH of about 11. To adjust the pH, generally ammonia is used. A preferred catalyst solution comprises between about 0.4 wt.% and about 3.0 wt.% tannic acid and between about 0.1 wt.% and about 1.0 wt.% tetrachlorophthalic anhydride in water.
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