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Die
vorliegende Erfindung betrifft Lackzusammensetzungen zur Verwendung
bei kathodischen Elektrotauchlackierverfahren und Verfahren zur
kathodischen Elektrotauchlackierung. Insbesondere stellt die Erfindung
kathodisch abscheidbare Elektrotauchlackzusammensetzungen mit einem
carbamatfunktionellen Harz bereit. Außerdem stellt die Erfindung
Verfahren zur kathodischen Abscheidung eines Lacks auf einem Substrat
bereit, bei dem man die erfindungsgemäßen Lackzusammensetzungen verwendet.
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Hintergrund
der Erfindung
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Heutzutage
finden Lackzusammensetzungen mit verschiedenen Härtungsmechanismen breite Anwendung.
Hierzu gehören
anodisch und kathodisch abscheidbare Elektrotauchlackzusammensetzungen
und Elektrotauchlackierverfahren.
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Bei
der Elektrotauchlackierung wird ein ionisch geladenes Polymer mit
verhältnismäßig geringem
Molekulargewicht auf einem leitfähigen
Substrat abgeschieden, indem man das Substrat in ein Elektrotauchlackierbad,
in dem das geladene Harz dispergiert ist, eintaucht und zwischen
dem Substrat und einem entgegengesetzt geladenen Pol, in der Regel
einer Elektrode aus nichtrostendem Stahl, eine elektrische Spannung
anlegt. Dabei erhält
man auf dem Substrat eine verhältnismäßig weiche
Lackierung mit geringem Molekulargewicht. Diese Lackierung wird
im allgemeinen durch Härtung
oder Vernetzung des Harzes in eine harte hochmolekulare Lackierung
umgewandelt.
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Bei
einem Härtungsmechanismus
verwendet man in der elektrisch abscheidbaren Lackzusammensetzung
als Härter
ein Melamin-Formaldehyd-Polymer, das mit hydroxyfunktionellen Gruppen des
elektrisch abgeschiedenen Harzes reagiert. Diese Härtungsmethode
ergibt zwar schon bei verhältnismäßig niedrigen
Temperaturen (z. B. 132°C)
eine gute Härtung,
jedoch enthalten die Vernetzungsbindungen unerwünschte Etherbindungen, und
die erhaltenen Lackierungen liefern nur eine insgesamt schlechte
Korrosionsbeständigkeit.
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Zur
Lösung
einiger der mit melaminvernetzten Elektrotauchlacken verbundenen
Probleme werden häufig
Polyisocyanatvernetzer eingesetzt, die mit den hydroxyfunktionellen
Gruppen des elektrisch abgeschiedenen Harzes reagieren. Diese Härtungsmethode
liefert wünschenswerte
Urethan-Vernetzungsbindungen, weist jedoch auch einige Nachteile auf.
Zur Verhinderung der vorzeitigen Gelierung der elektrisch abscheidbaren
Lackzusammensetzung müssen
die hochreaktiven Isocyanatgruppen des Härters blockiert werden (z.
B. mit einem Oxim, einem Lactam oder einem Alkohol).
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Bei
blockierten Polyisocyanaten sind jedoch zur Entblockung und zur
Einleitung der Härtungsreaktion
hohe Temperaturen (z. B. 176°C
oder mehr) erforderlich. Die erhaltenen Elektrotauchlacke können darüber hinaus
vergilbungsanfällig
sein. Außerdem
können
die bei der Härtung
freigesetzten leichtflüchtigen
Blockierungsmittel sowohl verschiedene Eigenschaften der Lackierung
auf andere Art und Weise nachteilig beeinflussen als auch zu einem
Anstieg des Gehalts an leichtflüchtigen
organischen Verbindungen (VOC) führen.
Außerdem
kann die Verwendung einiger der leichtflüchtigen Blockierungsmittel
zu Umweltschutzbedenken führen. Schließlich sind
die leichtflüchtigen
Blockierungsmittel für
einen erheblichen und unvorteilhaften Gewichtsverlust bei der Vernetzung
verantwortlich.
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In
der Technik besteht daher Bedarf an elektrisch abscheidbaren Lackzusammensetzungen,
die wünschenswerte
Urethan-Vernetzungsbindungen liefern können, aber die Probleme, die
sich aus der Verwendung von blockierten Polyisocyanaten als Härter ergeben,
umgehen. Insbesondere ist es wünschenswert,
eine kathodisch abscheidbare Elektrotauchlackzusammensetzung bereitzustellen,
die bei niedrigen Einbrenntemperaturen von 121°C oder weniger mit verringertem
Gewichtsverlust bei der Vernetzung Urethanbindungen liefern kann
und dabei frei von Isocyanaten und den in Verbindung mit Isocyanaten
verwendeten leichtflüchtigen
Blockierungsmitteln ist.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
obigen Aufgaben werden mit einem Polymer, das eine Polymerhauptkette
mit mindestens einer daran gebundenen carbamatfunktionellen Gruppe
aufweist und durch statistisch angeordnete Wiederholungseinheiten
der Formel:
worin
R
1 für H oder
CH
3 steht, R
2 für H, Alkyl
oder Cycloalkyl steht, L für
eine zweiwertige Brückengruppe
steht, A für
Wiederholungseinheiten steht, die mindestens eine Wiederholungseinheit
mit einer seitenständigen in
eine kationische Salzform überführbaren
Gruppe umfassen, x für
10 bis 90 Gew.-% steht und y für
90 bis 10 Gew.-% steht, wiedergegeben wird, gelöst.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine kathodisch abscheidbare Elektrotauchlackzusammensetzung,
enthaltend eine wäßrige Dispersion
eines Polymers (a), das eine Polymerhauptkette mit mindestens einer
daran gebundenen carbamatfunktionellen Gruppe aufweist und durch
statistisch angeordnete Wiederholungseinheiten der Formel:
worin
R
1 für H oder
CH
3 steht, R
2 für H, Alkyl
oder Cycloalkyl steht, L für
eine zweiwertige Brückengruppe
steht, A für
Wiederholungseinheiten steht, die mindestens eine Wiederholungseinheit
mit einer seitenständigen in
eine kationische Salzform überführbaren
Gruppe umfassen, x für
10 bis 90 Gew.-% steht und y für
90 bis 10 Gew.-% steht, wiedergegeben wird, und (b) einer Verbindung
mit mehreren gegenüber
den Carbamatgruppen reaktiven funktionellen Gruppen, worin die Wiederholungseinheiten
A mit einer seitenständigen
in eine kationische Salzform überführbaren Gruppe
mit einer Säure
umgesetzt worden sind.
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Gegenstand
der Erfindung ist schließlich auch
ein Verfahren zur kathodischen Elektrotauchlackierung, bei dem man:
1) ein leitfähiges
Substrat in eine Lackzusammensetzung eintaucht, die in einem wäßrigen Medium:
(a) eine Polymerhauptkette mit mindestens einer daran gebundenen
carbamatfunktionellen Gruppe aufweist wobei das Polymer durch statistisch
angeordnete Wiederholungseinheiten der Formel:
worin R
1 für H oder
CH
3 steht, R
2 für H, Alkyl
oder Cycloalkyl steht, L für
eine zweiwertige Brückengruppe steht,
A für Wiederholungseinheiten
steht, die mindestens eine Wiederholungseinheit mit einer seitenständigen in
eine kationische Salzform überführbaren
Gruppe, die mit einer Säure
umgesetzt worden ist, umfassen, x für 10 bis 90 Gew.-% steht und
y für 90
bis 10 Gew.-% steht, wiedergegeben wird, und (b) einer Verbindung
mit mehreren gegenüber
den Carbamatgruppen reaktiven funktionellen Gruppen enthält, 2) zwischen
einer Anode und dem leitfähigen Substrat
eine elektrische Spannung anlegt und 3) das Substrat aus der Lackzusammensetzung
herausnimmt.
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Nähere Beschreibung
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Polymer
(a) weist mindestens eine an eine Polymerhauptkette gebundene carbamatfunktionelle
Gruppe und vorzugsweise mehrere seitenständige carbamatfunktionelle Gruppen
auf. Vorzugsweise handelt es sich bei der Polymerhauptkette, an
die die carbamatfunktionelle Gruppe gebunden ist, um ein Acrylpolymer,
was aber nicht unbedingt der Fall sein muß.
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Das
erfindungsgemäße Polymer
(a) kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden.
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Ein
Weg zur Herstellung derartiger Polymere besteht in der Herstellung
eines Acrylmonomers mit einer Carbamatfunktionalität im Esterteil
des Monomers. Derartige Monomere sind an sich gut bekannt und werden
beispielsweise in den US-Patentschriften 3,479,328, 3,674,838, 4,126,747,
4,279,833 und 4,340,497 beschrieben. Bei einem Syntheseverfahren
setzt man einen Hydroxyester mit Harnstoff zum Carbamyloxycarboxylat
(d. h. zur carbamatmodifizierten Acrylverbindung) um. Bei einem
anderen Syntheseverfahren setzt man einen Ester einer α,β-ungesättigten
Säure mit
einem Hydroxycarbamatester zum Carbamyloxycarboxylat um. Bei noch
einem anderen Verfahren stellt man durch Umsetzung eines primären oder
sekundären
Amins oder Diamins mit einem cyclischen Carbonat, wie z. B. Ethylencarbonat,
ein Hydroxyalkylcarbamat her. Danach wird die Hydroxylgruppe des
Hydroxyalkylcarbamats mit Acrylsäure
oder Methacrylsäure
verestert, wobei man das Monomer erhält. Andere im Stand der Technik
beschriebene Verfahren zur Herstellung von carbamatmodifizierten
Acrylmonomeren kommen ebenfalls in Betracht. Das Acrylmonomer kann
dann gegebenenfalls zusammen mit anderen ethylenisch ungesättigten
Monomeren nach an sich gut bekannten Verfahren polymerisiert werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform
weist mindestens eines der ethylenisch ungesättigten Monomere eine seitenständige in
eine kationische Salzform überführbare Gruppe
auf.
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Unter
dem Begriff "in
eine kationische Salzform überführbare Stelle" ist im Rahmen der
vorliegenden Erfindung eine funktionelle Gruppe zu verstehen, die
so basisch ist, daß sie
mit einer Säure
zu einem Salz reagiert, welches sich in wäßriger Dispersion bei angelegter
Spannung zersetzt und die Bildung eines unlöslichen Polymers, das sich
auf einem in die wäßrige Dispersion
eingetauchten Substrat abscheidet, erleichtert. Bevorzugte in eine
kationische Salzform überführbare Gruppen
sind aminfunktionelle Gruppen und quaternäre Ammoniumsalze. Bei den aminfunktionellen Gruppen
des Polymers (a) kann es sich um primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen
oder quaternäre
Ammoniumsalze handeln. Quaternäre
Ammoniumsalze und tertiäre
Amine sind ganz besonders bevorzugt, wobei tertiäre Aminogruppen speziell bevorzugt
sind. Derartige Gruppen können
auch Teil von Polyaminen und/oder Alkanolaminen sein.
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Die
in eine kationische Salzform überführbare Stelle
kann auf verschiedenen Wegen in die Polymerhauptkette eingebaut
oder darauf aufgepfropft werden.
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So
kann man beispielsweise ein carbamatfunktionelles Acrylmonomer mit
einem ethylenisch ungesättigten
Monomer mit mindestens einer in eine kationische Salzform überführbaren
Gruppe copolymerisieren. Bei der in eine kationische Salzform überführbaren
Gruppe kann es sich um eine prim.-, sek.- oder tert.-aminfunktionelle
Gruppe oder ein quaternäres
Ammoniumsalz oder ein Gemisch davon handeln. Beispiele für derartige
Monomere sind Methacrylamid, Acrylamid, Dimethylaminoethylmethacrylat,
Gemische davon und dergleichen. Ein anderes Beispiel für ein geeignetes
ethylenisch ungesättigtes
Monomer mit Aminofunktionalität
ist das Umsetzungsprodukt aus Glycidylmethacrylat und einem tert.-Aminsalz.
Besonders bevorzugt ist Dimethylaminoethylmethacrylat.
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Alternativ
dazu kann man, wie nachstehend erläutert wird, ein Polymer mit
Oxiran- oder Glycidylfunktionalität herstellen und die in eine
kationische Salzform überführbare Gruppe
durch Umsetzung der Glycidylgruppe mit einem Amin oder Polyamin
bilden. Hierfür
kommen Amine oder Polyamine mit primären, sekundären oder tertiären Aminogruppen
in Betracht. Tert.-Aminsalze können
zur Herstellung von quaternären
Ammoniumsalzen durch Umsetzung mit der Glycidylgruppe der Polymerhauptkette verwendet
werden und sind bevorzugt.
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Schließlich kann
man ein Monomer, wie Glycidylmethacrylat, mit einem ethylenisch
ungesättigten
carbamatfunktionellen Monomer zu einem carbamatfunktionellen Acrylharz
mit seitenständiger
Glycidylfunktionalität
polymerisieren. Eine in eine kationische Salzform überführbare Stelle
kann durch Umsetzung einer aminfunktionellen Verbindung, eines Polyamins
oder eines tert.-Aminsalzes mit der Oxirangruppe eingeführt werden.
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Zu
den bevorzugten Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polymers
(a) mit einer Acrylhauptkette gehören u. a. die folgenden.
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Man
kann ein oder mehrere carbamatfunktionelle Monomere, wie z. B. 2-Carbamatoethylmethacrylat
(CEMA), mit mindestens einer ethylenisch ungesättigten aminfunktionellen Verbindung,
mindestens einem Alkylester einer ungesättigten organischen Säure und
mindestens einem anderen ethylenisch ungesättigten Monomer, wie z. B.
Styrol, in Gegenwart eines geeigneten Initiators, wie z. B. eines Azo-
oder Peroxidinitiators, copolymerisieren. Als carbamatfunktionelle
Monomere eignen sich weiterhin die oben besprochenen. Beispiele
für geeignete ungesättigte aminfunktionelle
Verbindungen werden oben besprochen. Eine bevorzugte ungesättigte aminfunktionelle
Verbindung ist Dimethylaminoethylmethacrylat. Beispiele für geeignete
Alkylester ungesättigter
organischer Säuren
sind u. a. Ethylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Butylmethacrylat, Isodecylmethacrylat,
Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat und dergleichen.
Bevorzugte Alkylester sind nicht hydroxyfunktionelle Monomere, wie
Butylacrylat und Butylmethacrylat. Ein bevorzugtes Monomer zur Verwendung
als zusätzliches
ethylenisch ungesättigtes
Monomer ist Styrol.
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In
einem anderen Reaktionsschema kann man aus einem Polyisocyanat,
wie Isophorondiisocyanat (IPDI) oder Toluoldiisocyanat (TDI) und
einer hydroxyfunktionellen Carbamatverbindung, wie Hydroxypropylcarbamat,
ein Addukt herstellen. Das erhaltene Addukt kann dann auf ein Acrylharz,
ein Epoxidharz oder ein anderes hydroxyfunktionelles Harz mit geeigneten
Anwendungseigenschaften aufgepfropft werden.
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Bei
einem anderen Verfahren bedient man sich einer mehrstufigen Umsetzung,
bei der man ein Hydroxycarbonat mit Ammoniak oder einer aminfunktionellen
Verbindung zu einer prim.-, sek.- oder tert.-carbamatfunktionellen
Verbindung umsetzen kann. Diese Verbindung wird dann mit einer Anhydridverbindung
umgesetzt, wobei die Hydroxylgruppe mit dem Anhydridring reagiert.
Dann werden die Carbonsäuregruppen
des erhaltenen Umsetzungsprodukts mit den Oxirangruppen eines Glycidylethers von
Bisphenol A zur Reaktion gebracht. In eine kationische Salzform überführbare Gruppen
werden durch Umsetzung einer aminfunktionellen Verbindung, wie Diethanolamin,
mit den Glycidyletherendgruppen des erhaltenen hydroxy- und carbamatfunktionellen
Polymers eingeführt.
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Alternativ
dazu kann man ein isocyanatfunktionelles Monomer, wie ungesättigtes
m-Tetramethylxylolisocyanat (das von American Cyanamid unter der
Bezeichnung TMI® vertrieben
wird) mit Monomeren wie Alkylestern, wie sie unmittelbar zuvor beschrieben
worden sind, wie z. B. Butylacrylat, und ungesättigten Monomeren, wie Styrol,
zu einem isocyanatfunktionellen Polymer copolymerisieren. Die erforderliche
in eine kationische Salzform überführbare Gruppe
und die erforderliche Carbamatfunktionalität können dann durch eine mehrstufige
Umsetzung mit einer ersten Stufe unter Verwendung eines carbamatfunktionellen
Monomers, wie Hydroxypropylcarbamat, gefolgt von einer zweiten Stufe
mit einer aminfunktionellen Verbindung, d. h. primären, sekundären oder
tertiären
Amingruppen, ganz besonders bevorzugt einem Alkanolamin, auf das
isocyanatfunktionelle Polymer aufgepfropft werden.
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Bei
einem ganz besonders bevorzugten Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polymers
(a) werden mindestens ein carbamatfunktionelles Monomer, mindestens
eine ungesättigte
aminfunktionelle Verbindung, mindestens ein zusätzliches ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein Alkylester einer ungesättigten
organischen Säure copolymerisiert.
Bei einem ganz besonders bevorzugten Reaktionsschema werden CEMA,
Dimethylaminoethylmethacrylat, Styrol und Butylacrylat in Gegenwart
eines Azo- oder Peroxidinitiators copolymerisiert.
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Die
Polymerkomponente (a) kann durch die statistisch angeordneten Wiederholungseinheiten der
folgenden Formel:
wiedergegeben werden. In
der obigen Formel steht R
1 für H oder
CH
3. R
2 steht für H, Alkyl,
vorzugsweise mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, oder Cycloalkyl, vorzugsweise
mit bis zu 6 Ringkohlenstoffatomen. Es versteht sich, daß die Begriffe
Alkyl und Cycloalkyl auch substituiertes Alkyl und Cycloalkyl, wie
z. B. halogensubstituiertes Alkyl oder Cycloalkyl, mit einschließen. Substituenten,
die sich nachteilig auf die Eigenschaften des gehärteten Materials
auswirken, sind jedoch zu vermeiden. So gelten beispielsweise Etherbindungen
als hydrolyseempfindlich und sollten an Stellen vermieden werden,
an denen die Etherbindung in der Vernetzungsmatrix zu liegen käme. Die Werte
x und y sind Gewichtsprozente, wobei x für 10 bis 90% und vorzugsweise
für 40
bis 60% steht und y für
90 bis 10% und vorzugsweise für
60 bis 40% steht.
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In
der Formel steht A für
Wiederholungseinheiten, die sich von einem oder mehreren ethylenisch ungesättigten
Monomeren ableiten und von denen mindestens eine eine seitenständige in
eine kationische Salzform überführbare Gruppe,
vorzugsweise eine Aminogruppe, aufweisen muß. Wie oben ausgeführt, kann
sich die mindestens eine in eine kationische Salzform überführbare Gruppe
von der Verwendung mindestens eines ethylenisch ungesättigten Monomers
mit mindestens einer Aminogruppe ableiten. Alternativ dazu kann
sich die mindestens eine Wiederholungseinheit mit einer seitenständigen in eine
kationische Salzform überführbaren
Stelle aus der Umsetzung einer aminfunktionellen Verbindung mit
einer vorher in das Polymer eingebauten Glycidylgruppe ableiten.
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Andere
Monomere, die zur Lieferung von Wiederholungseinheiten (A) ohne
seitenständige Aminofunktionalität verwendet
werden können,
sind diejenigen Monomere, die im Stand der Technik für die Copolymerisation
mit Acrylmonomeren bekannt sind. Dazu gehören Alkylester von Acryl- oder
Methacrylsäure,
z. B. Ethylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Butylmethacrylat,
Isodecylmethacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat
und dergleichen, und Vinylmonomere, wie ungesättigtes m-Tetramethylxylolisocyanat (das von American
Cyanamid unter der Bezeichnung TMI® vertrieben
wird), Styrol, Vinyltoluol und dergleichen.
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L
steht für
eine zweiwertige Brückengruppe, vorzugsweise
eine aliphatische Brückengruppe
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine cycloaliphatische oder aromatische Brückengruppe
mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen. Beispiele für L sind
-(CH
2)-,
-(CH
2)
2-, -(CH
2)
4- und dergleichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform
wird -L- durch -COO-L'- wiedergegeben, worin
L' für eine zweiwertige
Brückengruppe
steht. Somit wird die Polymerkomponente (a) nach einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung durch statistisch angeordnete Wiederholungseinheiten
der folgenden Formel:
wiedergegeben. In dieser
Formel haben R
1, R
2,
A, x und y die oben angegebene Bedeutung. Bei L' kann es sich um eine zweiwertige aliphatische
Brückengruppe,
vorzugsweise mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, z. B. -(CH
2)-,
-(CH
2)
2-, -(CH
2)
4- und dergleichen,
oder eine zweiwertige cycloaliphatische Brückengruppe, vorzugsweise mit
bis zu 8 Kohlenstoffatomen, z. B. Cyclohexyl und dergleichen, handeln.
Es kommen aber je nach der zur Herstellung des Polymers angewandten
Technik auch noch andere zweiwertige Brückengruppen in Betracht. So
würde die
Brückengruppe
L' beispielsweise
bei Addition eines Hydroxyalkylcarbamats an ein isocyanatfunktionelles
Acrylpolymer als Überrest
der Isocyanatgruppe eine -NHCOO-Urethanbrücke aufweisen. Natürlich würde A immer
noch die notwendigen seitenständigen
Aminogruppen oder das notwendige quaternäre Ammoniumsalz benötigen, wie
oben ausgeführt.
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Das
Polymer (A) weist im allgemeinen ein gewichtsmittleres Molekulargewicht
von 2000 bis 100.000 und vorzugsweise von 10.000 bis 60.000 auf.
Die Bestimmung des Molekulargewichts kann nach der GPC-Methode unter Verwendung
eines Polystyrolstandards erfolgen.
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Die
Glasübergangstemperatur
Tg der Komponenten (a) und (b) kann so eingestellt
werden, daß man
einen gehärteten
Lack mit der Tg für die jeweilige Anwendung erhält. Die
mittlere Tg der nicht umgesetzten Komponenten
(a) und (b) sollte zwischen 0°C und
100°C liegen,
wobei die einzelnen Glasübergangstemperaturen
so eingestellt werden, daß sich eine
optimale Leistungsfähigkeit
ergibt.
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Das
Polymer (a) kann außerdem
durch einen mÄq-Wert
der in eine kationische Salzform überführbaren Gruppe, vorzugsweise
einer Aminogruppe, von etwa 0,5 bis 2,0 mÄq N/Gramm Polymer (a), vorzugsweise
von etwa 0,8 bis 1,5 mÄq
N/Gramm Polymer (a) und ganz besonders bevorzugt von etwa 1,0 bis
1,2 mÄq
N/Gramm Polymer (a) gekennzeichnet sein.
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Das
Polymer (a) sollte außerdem
ein Carbamatäquivalentgewicht
(Gramm Polymer (a)/Carbamatäquivalent)
von 150 bis 1200, vorzugsweise von 200 bis 600 und ganz besonders
bevorzugt von 300 bis 400 aufweisen.
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Es
versteht sich, daß die
verschiedenen, zur Herstellung von Polymer (a) verwendeten Monomere und/oder
Reaktanten in Mengen verwendet werden, die zur Erzielung der Werte
für mÄq N, Tg, gewichtsmittleres Molekulargewicht und
Carbamatäquivalentgewicht
notwendig sind.
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Die
erfindungsgemäße kathodisch
abscheidbare Lackzusammensetzung enthält außerdem einen Härter (b).
Hierbei handelt es sich um eine Verbindung mit mehreren, gegenüber den
Carbamatgruppen der Komponente (a) reaktiven funktionellen Gruppen.
Derartige reaktive Gruppen sind u. a. aktive Methylol- oder Methylalkoxygruppen
von Aminoplast-Vernetzern oder anderen Verbindungen, wie z. B. Phenol-Formaldehyd-Addukten,
Isocyanatgruppen, Siloxangruppen, cyclische Carbonatgruppen und
Anhydridgruppen. Beispiele für
Verbindungen (b) sind u. a. Melamin-Formaldehyd-Harz (einschließlich monomerem
oder polymerem Melaminharz und teil- oder vollalkyliertem Melaminharz),
Harnstoffharze (z. B. Methylolharnstoffe, wie z. B. Harnstoff-Formaldehyd-Harz, Alkoxyharnstoffe,
wie z. B. butyliertes Harnstoff-Formaldehyd-Harz),
Benzoguanaminharze, Glykoluril-Formaldehyd-Harze,
Polyanhydride (z. B. Polybernsteinsäureanhydrid) und Polysiloxane
(z. B. Trimethoxysiloxan). Bevorzugt sind insbesondere Aminoplastharze,
wie z. B. Melamin-Formaldehyd-Harz oder Harnstoff-Formaldehyd-Harz.
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Das
Polymer (a) ist nach Umsetzung mit einer Säure wasserdispergierbar und
eignet sich zur Verwendung bei Elektrotauchlackierverfahren, insbesondere
bei Einarbeitung in eine Emulsion oder Dispersion. Die wäßrige Dispersion
von Polymer (a) sollte so weit neutralisiert werden, daß sich (i)
eine Emulsionsmicelle von weniger als 0,50 μm, vorzugsweise weniger als
0,20 μm,
bildet und (ii) im Elektrotauchlackierbad Emulsionsstabilität ergibt.
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Elektrisch
abscheidbare Lackzusammensetzungen werden in wäßrigem Medium gelöst. Unter "Dispersion" versteht man im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ein zweiphasiges durchscheinendes oder
opakes wäßriges harzhaltiges
System, in dem das Harz in der dispergierten Phase vorliegt und
das Wasser die kontinuierliche Phase bildet. Der durchschnittliche
Teilchengrößendurchmesser der
harzhaltigen Phase beträgt
etwa 0,05 bis 5,0 μm,
vorzugsweise weniger als 2,0 μm.
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Die
Konzentration des Polymers (a) in dem wäßrigen Medium ist im allgemeinen
nicht kritisch, jedoch handelt es sich gewöhnlich bei dem größeren Teil
der wäßrigen Dispersion
um Wasser. Die wäßrige Dispersion
enthält
in der Regel etwa 3 bis 50 Gewichtsprozent und vorzugsweise 10 bis
40 Gewichtsprozent Harzfeststoffe. Wäßrige Harzkonzentrate, die
mit Wasser weiter zu verdünnen
sind, liegen im allgemeinen im Bereich von 10 bis 30 Prozent, bezogen
auf den Gesamtfeststoffgehalt.
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Das
Polymer (a) wird vorzugsweise zur Verwendung in der erfindungsgemäßen kathodischen Elektrotauchlackzusammensetzung
mit einer Säure umgesetzt.
Diese Reaktion kann als "Neutralisation" oder "Überführung in eine Salzform mit
Säure" bezeichnet werden
und bezieht sich insbesondere auf die Reaktion von seitenständigen Aminogruppen
mit einer sauren Verbindung in einer so großen Menge, daß so viele
der basischen Aminogruppen neutralisiert werden, daß das Polymer
(a) wasserdispergierbar wird. Beispiele für Säureverbindungen sind Phosphorsäure, Propionsäure, Essigsäure, Milchsäure oder
Citronensäure.
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Die
erfindungsgemäße Lackzusammensetzung
kann zur Erleichterung der Reaktion zwischen dem Polymer (a) und
dem Härter
(b) ferner Katalysatoren enthalten. So kann man beispielsweise zur
Beschleunigung der Härtungsreaktion
einen stark sauren Katalysator verwenden. Es versteht sich, daß derartige
Katalysatoren blockiert oder unblockiert sein können. Beispiele für derartige,
an sich gut bekannte Katalysatoren sind p-Toluolsulfonsäure, Dinonylnaphthalindisulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure, saures
Phenylphosphat, Maleinsäuremonobutylester,
Butylphosphat und Hydroxyphosphatester. Andere Katalysatoren, die
sich zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eignen, sind
u. a. Lewis-Säuren,
Zinksalze und Zinnsalze. Beispiele für Lewis-Säuren bzw. Zinksalze sind Zinknitrat,
Zinkacetat, Bismutoctoat, Dibutylzinndilaurat und dergleichen. Derartige
Katalysatoren werden in der Regel in einer Menge von 0,1 bis 3,0
Gewichtsprozent, bezogen auf die Harzfeststoffe, und vorzugsweise
von 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent, bezogen auf die Harzfeststoffe,
verwendet. Ein ganz besonders bevorzugter Katalysator zur Verwendung
in der erfindungsgemäßen Lackzusammensetzung
ist Zinknitrat.
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Neben
Wasser kann das wäßrige Medium
einer Elektrotauchlackzusammensetzung auch ein koaleszierendes Lösungsmittel
enthalten. Als koaleszierende Lösungsmittel
eignen sich u. a. Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ester, Ether und
Ketone. Bevorzugt sind u. a. Alkohole, Polyole und Ketone. Als koaleszierende
Lösungsmittel
seien im einzelnen Ethylenglykolmonobutyl- und -monohexylether,
Propylenphenylether, Ethylenglykolbutylether, Ethylenglykoldimethylether
oder Gemische davon genannt. Der Mischung aus Wasser und dem mit
Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel
kann eine geringe Menge eines mit Wasser nicht mischbaren organischen
Lösungsmittels,
wie z. B. Xylol, Toluol, Methylisobutylketon oder 2-Ethylhexanol,
zugesetzt werden. Die Menge an koaleszierendem Lösungsmittel ist nicht übermäßig kritisch
und beträgt
im allgemeinen etwa 0 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa
0,5 bis 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Harzfeststoffe.
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Die
Elektrotauchlackzusammensetzungen können darüber hinaus auch noch übliche Pigmente, wie
z. B. Titandioxid, Eisen(III)-oxid, Ruß, Aluminiumsilicat, gefälltes Bariumsulfat,
Aluminiumphosphomolybdat, Strontiumchromat, basisches Bleisilicat
oder Bleichromat, enthalten. Das Pigment-Harz-Gewichtsverhältnis kann
von Bedeutung sein und sollte bevorzugt weniger als 50 : 100, besonders
bevorzugt weniger als 40 : 100 und in der Regel etwa 10 bis 30 : 100
betragen. Höhere
Pigment-Harzfeststoff-Gewichtsverhältnisse erwiesen sich auch
als nachteilig für
Koaleszenz, Verlauf und/oder Leistungsfähigkeit des Lacks.
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Die
Elektrotauchlackzusammensetzungen können gegebenenfalls Bestandteile
wie Netzmittel, Tenside, Entschäumer,
Antioxidantien, UV-Absorber, Lichtschutzmittel usw. enthalten. Beispiele
für Tenside
und Netzmittel sind Alkylimidazoline, wie z. B. diejenigen, die
von Ciba-Geigy Industrial Chemicals unter der Bezeichnung Amine
C® erhältlich sind,
sowie acetylenische Alkohole, die von Air Products and Chemicals
unter der Bezeichnung Surfynol® 104 erhältlich sind.
Falls diese Bestandteile eingesetzt werden, machen sie etwa 0 bis
20 Gewichtsprozent, bezogen auf die Harzfeststoffe, und vorzugsweise
0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf die Harzfeststoffe, aus.
Gegebenenfalls setzt man wegen ihrer verlaufsverbessernden Eigenschaften
Weichmacher zu. Beispiele hierfür
sind hochsiedende, mit Wasser nicht mischbare Substanzen, wie z.
B. Polyalkylenpolyole wie Polypropylenpolyole oder Ethylen- oder Propylenoxidaddukte
von Nonylphenolen oder Bisphenol A. Falls Weichmacher eingesetzt
werden, werden sie in der Regel in einer Menge von etwa 0 bis 15
Gewichtsprozent, bezogen auf Harzfeststoffe, verwendet.
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Im
allgemeinen setzt man so viel Wasser zu, daß die Dispersion einen Feststoffgehalt
von mehr als 20 Gew.-% und vorzugsweise mehr als 30 Gew.-% aufweist.
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Die
Elektrotauchlackzusammensetzung sollte eine elektrische Leitfähigkeit
von 0,1 bis 5 mS/cm, vorzugsweise von 0,5 bis 3 mS/cm, aufweisen.
Ist dieser Wert zu niedrig, so ist es schwierig, eine Filmdicke
mit den gewünschten
Schutz- und anderen Funktionen zu erhalten. Ist die Leitfähigkeit
der Zusammensetzung dagegen zu hoch, so können Probleme auftreten, wie
z. B. Auflösung
des Substrats oder der Gegenelektrode im Bad, ungleichmäßige Filmdicke
oder schlechte Wasser- und Korrosionsbeständigkeit.
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Die
Elektrotauchlackzusammensetzungen können nach dem Elektrotauchlackierverfahren
bei einem nichtflüchtigen
Anteil von 10 bis 25 Gew.-% in einer Trockenschichtdicke von 15
bis 35 μm
auf ein leitfähiges
Substrat aufgebracht werden. Danach kann man die Lackierung je nach
Art der jeweiligen Grundharze bei erhöhter Temperatur härten. Aus dem
Stand der Technik bekannte kathodische Elektrotauchlacke härten in
der Regel bei ungefähr
20 Minuten bei 350°F
(177°C)
(Metalltemperatur) aus. Die erfindungsgemäßen kathodischen Elektrotauchlackzusammensetzungen
härten
bei 20 Minuten bei 310°F
(154°C)
oder weniger (Metalltemperatur) und vorzugsweise bei 20 Minuten
bei 200°F
(93°C) (Metalltemperatur)
aus.
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Die
erfindungsgemäßen kathodischen
Elektrotauchlackzusammensetzungen sind insofern vorteilhaft, als
der prozentuale Gewichtsverlust bei der Vernetzung weniger als 15%,
vorzugsweise weniger als 10% und ganz besonders bevorzugt 6 bis
8%, bezogen auf das Gesamtgewicht des aufgebrachten Lacks, beträgt.
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Es
versteht sich, daß man
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur kathodischen Abscheidung außerdem
das lackierte Substrat nach dem Herausnehmen aus dem Lackzusammensetzungsbad
abspülen
und brennen kann.
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Die
elektrische Abscheidung der erfindungsgemäßen Lackformulierungen kann
nach einer Reihe von dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Die
Abscheidung kann auf allen elektrisch leitenden Substraten erfolgen,
beispielsweise Metall, wie z. B. Stahl, Kupfer, Aluminium und dergleichen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform verwendet
man das erfindungsgemäße Elektrotauchlackierverfahren
zur Aufbringung einer ersten Schicht aus Elektrotauchlack auf einem
Metallsubstrat.
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Man
kann über
Grundierungsschichten einschließlich
Elektrotauchlack-Grundierungsschichten einen Überzug aus pigmentiertem Harz
und gegebenenfalls eine Klarlackschicht aufbringen. Bei Anwendungen
im Automobilsektor wird die Schicht aus pigmentiertem Harz häufig als
Basislack oder pigmentierter Basislack bezeichnet. Als Harz in der
Schicht aus pigmentiertem Harz kann man eine Reihe von an sich bekannten
Harzen einsetzen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Acrylverbindung,
ein Polyurethan oder einen Polyester handeln. Typische Lackformulierungen
aus pigmentiertem Harz werden in den
US-PS
4,791,168 ,
4,414,357 und
4,546,046 beschrieben. Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Harz um ein mit ε-Caprolacton modifiziertes Acrylharz
gemäß der
US-PS 4,720,528 . Das pigmentierte
Harz kann nach einem beliebigen bekannten Mechanismus und mit einem beliebigen
bekannten Härter
gehärtet
werden, beispielsweise durch eine Melamin-Polyol-Reaktion (z. B.
Melaminhärtung
eines hydroxyfunktionellen Acrylharzes).
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Andere
pigmentierte Basislackzusammensetzungen für derartige Verbundlacke sind
an sich wohlbekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Polymere,
die sich bekanntlich zur Verwendung in Basislackzusammensetzungen
eignen, sind u. a. Acrylverbindungen, Vinylverbindungen, Polyurethane,
Polycarbonate, Polyester, Alkyde und Polysiloxane. Bevorzugt sind
Acrylverbindungen und Polyurethane. Basislackpolymere sind vorzugsweise vernetzbar
und enthalten somit eine oder mehrere Arten von vernetzbaren funktionellen
Gruppen. Als Beispiele für
derartige Gruppen seien Hydroxyl-, Isocyanat-, Amin-, Epoxid-, Acrylat-,
Vinyl-, Silan- und Acetoacetatgruppen genannt. Diese Gruppen können so
maskiert oder blockiert werden, daß sie bei den gewünschten
Härtungsbedingungen,
im allgemeinen bei erhöhter
Temperatur, entblockt werden und für die Vernetzungsreaktion zur
Verfügung
stehen. Als vernetzbare funktionelle Gruppen eignen sich u. a. Hydroxyl-,
Epoxid-, Säure-,
Anhydrid-, Silan- und Acetoacetatgruppen. Bevorzugte vernetzbare
funktionelle Gruppen sind u. a. hydroxyfunktionelle Gruppen und
aminofunktionelle Gruppen.
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Basislackpolymere
können
selbstvernetzend sein oder aber ein separates Vernetzungsmittel,
das gegenüber
den funktionellen Gruppen des Polymers reaktiv ist, erfordern. Enthält das Polymer
beispielsweise hydroxyfunktionelle Gruppen, so kann es sich bei
dem Vernetzungsmittel um ein Aminoplastharz, ein Isocyanat und blockierte
Isocyanate (einschließlich
Isocyanuraten) und säure-
oder anhydridfunktionelle Vernetzer handeln.
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Nach
der Lackierung eines Gegenstands mit den oben beschriebenen Schichten
wird die Zusammensetzung Bedingungen unterworfen, bei denen die
Lackschichten gehärtet
werden. Zwar kommen verschiedene Härtungsverfahren in Betracht,
u. a. Härtung
bei Umgebungsbedingungen, jedoch ist die Heißhärtung bevorzugt, da sie zusätzliche
Vorteile aufweist, wie z. B. das Austreiben von Wasserresten oder
Lösungsmittel
aus der Lackzusammensetzung. Zur Heißhärtung wird der lackierte Gegenstand
im allgemeinen erhöhten
Temperaturen ausgesetzt, die hauptsächlich von Strahlungswärmequellen
geliefert werden. Die Härtungstemperaturen
variieren dabei je nach den jeweiligen Blockierungsgruppen der Vernetzer,
liegen jedoch im allgemeinen zwischen 90°C und 200°C, vorzugsweise zwischen 121°C und 162°C und ganz
besonders bevorzugt zwischen 121°C
und 141°C.
Die Härtungszeit
variiert je nach den jeweils verwendeten Komponenten und physikalischen
Parametern, wie z. B. der Dicke der Schichten. Typische Härtungszeiten
liegen jedoch im Bereich von 15 bis 60 Minuten.
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Die
Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1
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Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymers
(a)
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In
einem 500-ml-Kolben mit Rührer,
Kühler und
Temperaturfühler
wurden 41,8 Gramm Propylenglykolmethylether (PM) und 7,0 Gramm Aceton
vorgelegt. Die Lösungsmittelmischung
wurde zum Rückfluß erhitzt
(etwa 98°C).
In einen separaten Kolben wurden die folgenden Monomere gegeben:
128,6 g Carbamatethylmethacrylat (CEMA), 70%ig in PM, 32,0 g Dimethylaminoethylmethacrylat
(DMAEMA) und 78,0 g Butylacrylat (BA). Die Monomerenmischung wurde
mit einer Lösung
von 3,3 g 2,2'-Azobis-(2-methylbutyronitril)
(VAZO 67) in 6,5 g Aceton versetzt. Die erhaltene Monomerenmischung
wurde über
einen Zeitraum von 2 Stunden in den 500-ml-Kolben gegeben, wobei
die Temperatur zwischen 96°C
und 102°C
gehalten wurde. Nach 1,25 Stunden bei 96–102°C wurden 0,9 g des Initiators VAZO
67 in 0,9 g Aceton in den Reaktionskolben gegeben. Dann wurde der
Ansatz 1,25 Stunden bei 96–102°C gehalten.
Das erhaltene Produkt besaß ein
zahlenmittleres Molekulargewicht von 25.000 (gemäß GPC) bei einem Feststoffgehalt
von 69%. Die theo. Tg betrug 9°C.
Das Polymer besaß ein
Carbamatäquivalentgewicht
von 384 Gramm Polymerfeststoff/Äqu.
Carbamatfunktionalität.
Der mÄq-Base-Wert
des Polymers betrug 1,02 g Polymer (a)/N in eine Salzform überführbare Stelle.
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Beispiel 2
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Herstellung
einer erfindungsgemäßen kathodischen Emulsion
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In
einem Behälter
mit einem Fassungsvermögen
von einem Quart wurden 110,0 g des Polymers (a) aus Beispiel 1,
37,0 g Melamin (Cymel 1156 von Cytec) und 7,0 g Weichmacher (Snyfac
8009 von Milliken Chemical) vorgelegt und homogen gerührt. Dann
wurden 21,0 g Zinknitrat (20%ige Lösung) und 4,4 g 88%ige Milchsäure zugegeben,
wonach homogen gerührt
wurde. Dann wurden unter gutem Mischen insgesamt 532,6 g entionisiertes
Wasser portionsweise zugegeben. Die erhaltene Emulsion besaß einen
Feststoffgehalt von 18%. Der pH-Wert betrug 6,18 und die Leitfähigkeit
1546 Mikroohm. Die Emulsion hatte eine Teilchengröße von 0,46 μm. Für eine Neutralisation
von 55% betrugen der mÄq-Säure-Wert
0,33 und der mÄq-Base-Wert
0,594.
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Beispiel 3
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Herstellung einer Pigmentreibpaste
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Teil A
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In
einem 12-l-Kolben wurden die folgenden Substanzen vorgelegt: 2125
Gramm Diglycidylether von Bisphenol A, 644 Gramm Bisphenol A, 370
g Dodecylphenol und 162 Gramm Xylol. Die Mischung wurde auf 1250°C erhitzt
und mit 3,1 g Triphenylphosphin versetzt. Die Reaktionstemperatur
wurde auf 130°C
erhöht
und 3 Stunden gehalten. Dann wurde der Ansatz durch Zugabe von 795
Gramm Ethylenglykolmonobutylether und 1907 Gramm Propylenglykolglycidylether
abgekühlt.
Die restlichen Epoxidgruppen wurden durch Zugabe von 218 Gramm 2-Aminoethoxyethanol
und 173 Gramm Dimethylaminopropylamin verkappt. Die Temperatur wurde
4 Stunden bei 110°C
gehalten und dann auf 70°C
gesenkt, wonach 164 Gramm Essigsäure
und 1439 Gramm entionisiertes Wasser zugegeben wurden. In einem
separaten Behälter
wurde das erhaltene Harz mit 6000 g entionisiertem Wasser verdünnt.
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Teil B
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In
einem geeigneten Behälter
wurden die folgenden Substanzen vorgelegt: 10.700 Gramm des Harzes
aus obigem Teil A, 325 Gramm Ruß,
542 Gramm Dibutylzinnoxid, 379 Gramm Bleisilicat, 1625 Gramm Ton,
8504 Gramm Titandioxid und 2574 Gramm entionisiertes Wasser. Diese
Bestandteile wurden unter hoher Scherung vermischt und anschließend gemahlen.
Die Paste wurde dann mit 2000 Gramm entionisiertem Wasser verdünnt.
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Beispiel 4
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Herstellung
eines kathodischen Elektrotauchlackbads
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In
einem Behälter
mit einem Fassungsvermögen
von einem Quart wurden 702 Gramm der Emulsion aus Beispiel 2 und
45,3 Gramm der grauen Pb-freien Pigmentpaste aus Teil B von Beispiel
3 vorgelegt. Das Bad besaß ein
Pigment-Bindemittel-Verhältnis von
0,2 und einen Feststoffgehalt von 19%. Nach 2 Stunden Mischen in
einem offenen Behälter besaß das Bad
einen pH-Wert von 6,1 und eine Leitfähigkeit von 1800 Mikromho.
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Beispiel 5
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Abscheidung
von kathodisch abscheidbarer Elektrotauchlackzusammensetzung
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Unter
Verwendung eines Gleichrichters wurde ein 2 Zoll × 3 Zoll
(50,8 mm × 76,2
mm) großes Stahlblech
mittels kathodischer Elektrotauchlackierung mit dem kathodischen
Bad aus Beispiel 4 lackiert. Die eingestellte Spannung betrug 50
bis 100 Volt und 0,5 Ampere über
einen Zeitraum von 2,2 Minuten. Die Badtemperatur betrug 70°F (21°C).
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In
einem Gasofen wurde ein Satz von Blechen 30 Minuten bei 310°F (154°C) und ein
zweiter Satz 30 Minuten bei 350°F
(177°C)
gebrannt. Die gehärteten
Filme besaßen
eine gutes glattes, kontinuierliches Aussehen mit einer Filmdicke
von 0,8 Millizoll (20,3 μm).
Die Lösungsmittelbeständigkeit
war gut; ein Test mit 100 MEK-Hüben
wurde bestanden.