EP2209829A1 - Nanopartikelmodifizierte polyisocyanate - Google Patents

Nanopartikelmodifizierte polyisocyanate

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Publication number
EP2209829A1
EP2209829A1 EP08846543A EP08846543A EP2209829A1 EP 2209829 A1 EP2209829 A1 EP 2209829A1 EP 08846543 A EP08846543 A EP 08846543A EP 08846543 A EP08846543 A EP 08846543A EP 2209829 A1 EP2209829 A1 EP 2209829A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
formula
modified
group
polyisocyanates
groups
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08846543A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arno Nennemann
Markus Mechtel
Thomas Klimmasch
Christoph Gürtler
Michael Mager
Meike Niesten
Robert Maleika
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Priority to EP08846543A priority Critical patent/EP2209829A1/de
Publication of EP2209829A1 publication Critical patent/EP2209829A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/28—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the compounds used containing active hydrogen
    • C08G18/2805—Compounds having only one group containing active hydrogen
    • C08G18/288—Compounds containing at least one heteroatom other than oxygen or nitrogen
    • C08G18/289—Compounds containing at least one heteroatom other than oxygen or nitrogen containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/28—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the compounds used containing active hydrogen
    • C08G18/40—High-molecular-weight compounds
    • C08G18/61—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/70—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the isocyanates or isothiocyanates used
    • C08G18/72—Polyisocyanates or polyisothiocyanates

Definitions

  • the present invention relates to nanoparticle-modified polyisocyanates which are modified by a special siloxane unit and therefore have improved performance properties and storage stabilities.
  • US Pat. No. 6,593,417 discloses coating compositions which are based on a polyol component which, in addition to the nanoparticles, also contains polysiloxanes. The extent to which these polysiloxanes are suitable for the modification of polyisocyanates is not described.
  • EP-A 1 690 902 describes surface-modified nanoparticles whose surfaces are covalently bonded with polysiloxane components. Not described are polysiloxane-modified binders containing nanoparticles.
  • EP-A 0 872 500 and WO 2006/018144 disclose colloidal metal oxides whose nanoparticle surfaces have been modified via covalent attachment of alkoxysilanes.
  • the alkoxysilanes used for the modification are addition products of aminoalkoxysilanes and blocked, monomeric isocyanates.
  • Such modified metal oxides are then mixed with the binders and hardeners or used as an isocyanate component for the production of paints.
  • Essential to the invention here is the presence of water and alcohol in the manufacturing process for the hydrolysis of the alkoxy groups with the following condensation on the particle surfaces, whereby a covalent attachment is achieved.
  • Also essential to the invention is a blockage of free NCO groups to prevent a reaction with water and alcoholic solvent.
  • nanoparticles are covalently bound in reaction in the paint matrix and thus dominate the paint matrix, which experience can lead to loss of flexibility.
  • Another disadvantage is that due to this process, which makes the use of water and alcoholic solvent essential, no unblocked polyisocyanates can be used. Not described is the use of polysiloxane components.
  • WO 2007/025670 and WO 2007/025671 disclose hydroxy-functional polydimethylsiloxanes as part of a polyol component of polyurethane coatings. How far are such hydro- xyfiin mecanicellen polydimethylsiloxanes suitable for the modification of polyisocyanates is not addressed.
  • nanoparticle-containing polyisocyanates are known, which are obtained by modifying polyisocyanates with aminoalkoxysilanes and adding nanoparticles.
  • nanoparticle-containing polyisocyanates can be advantageously modified by hydroxy-functional polydimethylsiloxanes, whereby a significant improvement in the performance properties of coating compositions prepared therefrom can be achieved.
  • the present invention therefore provides a process for the preparation of nanoparticle-modified polyisocyanates in which
  • Q is an isocyanate-reactive group
  • X is a hydrolyzable group
  • Y are identical or different alkyl groups
  • Z is a C] -Ci 2 -alkylene group
  • a is an integer from 1 to 3
  • X is an aliphatic, optionally branched C 1 - to Cio radical, preferably methyl,
  • Y is a -CH 2 -N (R 2 R 3 ) group, wherein R 2 is H, methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, cyclohexyl, 2-hydroxyethyl, 2-hydroxypropyl -, 3-hydroxypropyl may be rest and
  • R 3 may be a 2-hydroxyethyl, 2-hydroxypropyl, 3-hydroxypropyl radical
  • R 1 may be identical or different and is hydrogen or an optionally hetero atom-containing Cp to Cio hydrocarbon radical and n is 1 to 40
  • the proportion of water in the process according to the invention is therefore preferably less than 0.5% by weight, more preferably less than 0.1% by weight, based on the total amount of components A) to E) used.
  • NCO-functional compounds known per se to the person skilled in the art having more than one NCO group per molecule can be used in A). These preferably have NCO functionalities of 2.3 to 4.5, contents of NCO groups of 11.0 to 24.0 wt .-% and contents of monomeric diisocyanates of preferably less than 1 wt .-%, more preferably less 0.5 wt .-% on.
  • Such polyisocyanates are obtainable by modifying simple aliphatic, cycloaliphatic, aromatic and / or aromatic diisocyanates and may have uretdione, isocyanurate, allophanate, biuret, iminooxadiazinedione and / or oxadiazinetrione structures.
  • polyisocyanates can be used as NCO-containing prepolymers.
  • Such polyisocyanates are described, for example, in Laas et al. (1994), J. prakt. Chem. 336, 185-200 or in Bock (1999), Polyurethanes for coatings and coatings, Vincentz Verlag, Hannover, pp. 21-27.
  • Suitable diisocyanates for the preparation of such polyisocyanates are any diisocyanates of the molecular weight range 140 to 400 g / mol which are obtainable by phosgenation or by phosgene-free processes, for example by thermal urethane cleavage, with aliphatically, cycloaliphatically, araliphatically and / or aromatically bound isocyanate groups, such as 1, 4- diisocyanatobutane, 1,6-diisocyanatohexane (HDI), 2-methyl-1,5-diisocyanatopentane, 1,5-diisocyanato-2,2-dimethylpentane, 2,2,4- and 2,4,4-trimethyl -l, 6-diisocyanatohexane, 1,10-diisocyanatodecane, 1,3- and 1, 4-diisocyanatocyclohexane, 1,3- and 1, 4-bis (isocyanatomethyl)
  • the group X is preferably an alkoxy or hydroxy group, more preferably methoxy, ethoxy, propoxy or butoxy.
  • Y in formula (I) preferably represents a linear or branched C 1 -C 4 -alkyl group, preferably methyl or ethyl.
  • Z in formula (I) is preferably a linear or branched C 1 -C 4 -alkylene group.
  • a in formula (I) is 1 or 2.
  • the group Q is preferably a group which reacts with isocyanates with urethane, urea or thiourea formation. These are preferably OH, SH or primary or secondary amino groups.
  • Preferred amino groups correspond to the formula -NHR 1 , where R 1 is hydrogen, a Ci-Ci 2 - alkyl group or a C 6 -C 2 o-aryl group or an aspartic acid ester radical of the formula R 2 OOC-CH 2 -CH (COOR 3 ) -, wherein R 2 , R 3 are preferably identical or different alkyl radicals, which may optionally also be branched, having 1 to 22 carbon atoms, preferably 1 to 4 carbon atoms. Particularly preferably, R 2 , R 3 are each methyl or ethyl radicals.
  • alkoxysilane-functional aspartic acid esters are obtainable in a manner known per se by addition of amino-functional alkoxysilanes to maleic or fumaric acid esters, as described in US Pat. No. 5,364,955.
  • Arninoflinktionelle alkoxysilanes as they can be used as compounds of formula (I) or for the preparation of the alkoxysilyl-functional aspartic acid esters, for example, 2-aminoethyldimethylmethoxysilane, 3 -aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3 -aminopropylmethyldimethoxysilane, Aminopropylmethyldiethoxysilan.
  • aminoalkoxysilanes with secondary amino groups of the formula (I) in B N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-methyl-3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, bis (gamma-trimethoxysilylpropyl) amine, N Butyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-butyl-3-aminopropyltriethoxysilane, N-ethyl-3-aminoisobutyltrimethoxysilane, N-ethyl-3-aminoisobutyltriethoxysilane or N-ethyl-3-aminoisobutylmethyldimethoxysilane, N-ethyl-3-aminoisobutylmethyldiethoxysilane.
  • Suitable maleic or fumaric acid esters for preparing the aspartic acid esters are maleic acid dimethyl ester, diethyl maleate, di-n-butyl maleate and the corresponding fumaric esters. Dimethyl maleate and diethyl maleate are particularly preferred.
  • Preferred aminosilane for preparing the aspartic acid esters is 3-aminopropyltrimethoxysilane or 3-aminopropyltriethoxysilane.
  • the reaction of maleic or fumaric acid esters with aminoalkyl alkoxysilanes is carried out within a temperature range of 0 to 100 0 C, the proportions are generally chosen so that the starting compounds in a molar ratio of 1: 1 are used.
  • the reaction can be carried out in bulk or in the presence of solvents such as dioxane. However, the incorporation of solvents is less preferred. Of course, it is also possible to react mixtures of different 3-aminoalkylalkoxysilanes with mixtures of fumaric and / or maleic acid esters.
  • Preferred alkoxysilanes for modifying the polyisocyanates are secondary aminosilanes of the type described above, more preferably aspartic acid esters of the type described above, and di- or monoalkoxysilanes.
  • alkoxysilanes can be used individually but also in mixtures for modification.
  • the ratio of free NCO groups of the isocyanate to be modified to the NCO-reactive groups Q of the alkoxysilane of the formula (I) is preferably 1: 0.01 to 1: 0.75, particularly preferably 1: 0.02 to 1: 0.4, most preferably 1: 0.05 to 1: 0.3.
  • the reaction of aminosilane and polyisocyanate is carried out at 0 to 100 0 C, preferably at 0 to 50 0 C, more preferably at 15 to 40 0 C.
  • an exothermic reaction can be controlled by cooling.
  • the hydroxyl-containing siloxanes C) of the general formula (H) are obtainable by reacting corresponding epoxyfunctional polyorganosiloxanes with hydroxyalkyl-functional amines, preferably in a stoichiometric ratio of epoxy group to amino function.
  • the epoxy-functional siloxanes used for this purpose preferably have 1 to 4, particularly preferably 2, epoxy groups per molecule. Furthermore, they have number average molecular weights of 150 to 2000 g / mol, preferably from 250 to 1500 g / mol, very particularly preferably from 250 to 1250 g / mol.
  • Preferred epoxy-functional siloxanes are ⁇ , ⁇ -epoxysiloxanes corresponding to the formula (DI),
  • R 1 may be identical or different and is hydrogen or an optionally heteroatom-containing Q- to Ci 0 hydrocarbon radical and
  • n 1 to 40.
  • R 1 in the formulas (II) and (HT) is preferably phenyl, alkyl, aralkyl, fluoroalkyl, alkylethylene copropylene oxide groups or hydrogen, with phenyl or methyl groups being particularly preferred. Most preferably, R 1 is a methyl group.
  • Suitable compounds corresponding to formula (HI) are, for example, those of the formulas IIa) and MB):
  • n is an integer from 4 to 12, preferably from 6 to 9.
  • COATOSIL ® 2810 Momentive Performance Materials, Leverkusen, Germany
  • Tegomer® ® E-Si2330 Tego Chemie Service GmbH, Essen, Germany
  • Suitable hydroxyalkyl-functional amines correspond to the general formula (IV)
  • R 2 may be H, methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, cyclohexyl, 2-hydroxyethyl, 2-hydroxypropyl, 3-hydroxypropyl, and
  • R 3 may be 2-hydroxyethyl, 2-hydroxypropyl, 3-hydroxypropyl,
  • Preferred hydroxyalkylamines are ethanolamine, propanolamine, diethanolamine, diisopropanolamine, methylethanolamine, ethylethanolamine, propylethanolamine and cyclohexyl-ethanolamine.
  • Diethanolamine, diisopropanolamine or cyclohexylethanolamine are particularly preferred. Very particular preference is given to diethanolamine.
  • the epoxy-functional siloxane of the general formula (III) is optionally introduced in a solvent and then reacted with the required amount of the hydroxyalkylamine (IV) or a mixture of several hydroxyalkylamines (IV).
  • the Reaction temperature is typically 20 to 150 ° C and is carried out until no more free epoxy groups are detectable.
  • hydroxyalkyl-functional siloxanes C) of the formula (II) obtained by reacting epoxy-functional polyorganosiloxanes with hydroxyalklyamines as listed above.
  • Particularly preferred polyorganosiloxanes C) are, for example, those of the formulas Ia) to Ih):
  • n 4 to 12, preferably 6 to 9.
  • component C) are, for example, hydroxyalkyl-functional siloxanes ( ⁇ , ⁇ -carbinols) corresponding to formula (V),
  • n, o is 1 to 12, preferably 1 to 5.
  • Hydroxyalkyl-functional siloxanes ( ⁇ , ⁇ -carbinols) of the formula (V) preferably have number-average molecular weights of from 250 to 2250 g / mol, particularly preferably from 250 to 1500 g / mol, very particularly preferably from 250 to 1250 g / mol.
  • Examples of commercially available hydroxyalkyl-functional siloxanes of the type mentioned are Baysilone® OF-OH 502 3 and 6% strength (GE Bayer Silicones, Leverkusen, Germany).
  • Suitable hydroxy-functional polyorganosiloxanes corresponding to component C) is the reaction of the abovementioned hydroxyalkyl-functional siloxanes.
  • Suitable cyclic lactones are, for example, ⁇ -caprolactone, ⁇ -butyrolactone or valerolactone.
  • hydroxyalkyl-functional siloxanes C) are preferred.
  • exemplary of such a compound are polyorganosiloxanes C) of the general formula (VI)
  • y 2 to 5, preferably 5 can be.
  • R in formula (II) is preferably a hydroxy-functional carboxylic acid ester of the formula
  • R 2 is an aliphatic linear, branched or cyclic hydroxyalkyl radical
  • R 3 is hydrogen or according to the definition of the radical R 2 .
  • R in formula (H) is particularly preferably a hydroxyalkyl-functional amino group of the abovementioned type.
  • R 1 in formulas (II) and (EI) is preferably phenyl, alkyl, aralkyl, fluoroalkyl, alkylethylene copropylene oxide groups or hydrogen, with phenyl and methyl being particularly preferred.
  • the two R 'substituents on a Si atom may also differ.
  • R 1 is a methyl group, so that it is pure Dimethylsilylvenezen.
  • the hydroxyl-containing siloxanes of component C) obtainable as described above have number-average molecular weights of from 250 to 2250 g / mol, more preferably from 250 to 1500 g / mol.
  • the ratio of free NCO groups of the polyisocyanate to be modified used in A) to the NCO-reactive OH groups of the hydroxyl-containing polydimethylsiloxane of the formula (II) is preferably 1: 0.001 to 1: 0.4, particularly preferably 1: 0.01 to 1: 0.2.
  • the free NCO groups of the polyisocyanates modified in this way can be further modified.
  • This may, for example, be a partial or complete blockage of the free NCO groups with blocking agents known to those skilled in the art (for blocking isocyanate groups see DE-A 10226927, EP-A 0 576 952, EP-A 0 566 953, EP-A 0 159 117, US Pat. No. 4,482,721, WO 97/12924 or EP-A 0 744 423).
  • blocking agents see DE-A 10226927, EP-A 0 576 952, EP-A 0 566 953, EP-A 0 159 117, US Pat. No. 4,482,721, WO 97/12924 or EP-A 0 744 423).
  • Examples include butanone oxime, ⁇ -caprolactam, methyl ethyl ketoxime, malonic acid esters, secondary amines and triazole and pyrazole derivatives.
  • Blocking of the NCO groups prior to incorporation of the nanoparticles has the advantage that the nanoparticle-modified polyisocyanates based thereon tend to have better stability with respect to the content of later-available NCO groups than analogous products which still have free NCO groups have.
  • the modification of the polyisocyanates is preferably carried out in the order polydimethylsiloxane, silane and blocking agent.
  • the reaction of hydroxyl-functional polydimethylsiloxane and polyisocyanate is carried out at 0 - 100 0 C, preferably at 10 - 90 0 C, particularly preferably at 15-80 0 C. If necessary, can be employed which catalyze the reaction R-OH with NCO conventional catalysts.
  • the solvents which are known per se to the person skilled in the art and which are inert toward NCO groups can be added at any time.
  • solvents such as butyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, ethyl acetate, toluene, xylene, sol ventnaphta and mixtures thereof.
  • the optionally surface-modified nanoparticles E) are introduced. This can be done by simply stirring in the particles.
  • it is also conceivable to use increased dispersing energy as can be done, for example, by ultrasound, jet dispersion or high-speed stirrer according to the rotor-stator principle. Preferred is simple mechanical stirring.
  • the particles can in principle be used both in powder form and in the form of suspensions or dispersions in suitable, preferably isocyanate-inert solvents.
  • suitable, preferably isocyanate-inert solvents preferably isocyanate-inert solvents.
  • the use of the particles in the form of dispersions in organic solvents is preferred.
  • Suitable solvents for the organosols are methanol, ethanol, isopropanol, acetone, 2-butanone, methyl isobutyl ketone, and the solvents commonly used in polyurethane chemistry, such as butyl acetate, ethyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, toluene, 2-butanone, xylene, 1,4-dioxane, diacetone alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone or any mixtures of such solvents.
  • Preferred solvents here are the solvents commonly used in polyurethane chemistry, such as butyl acetate, ethyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, toluene, 2-butanone, xylene, 1,4-dioxane, discrete alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, Dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone or any mixtures of such solvents.
  • solvents commonly used in polyurethane chemistry such as butyl acetate, ethyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, toluene, 2-butanone, xylene, 1,4-dioxane, discrete alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, Dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone or any mixtures of such solvents.
  • Particularly preferred solvents are alcohol and ketone-free solvents such as butyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, ethyl acetate, toluene, xylene, Solventnaphta and mixtures thereof.
  • particles in E) inorganic oxides, mixed oxides, hydroxides, sulfates, carbonates, carbides, borides and nitrides of elements of II to IV main group and / or elements of I to VTJI subgroup of the periodic table including the lanthanides are Silica, alumina, ceria, zirconia, zinc oxide, niobium oxide and titanium oxide. Very particular preference is given to silica nanoparticles.
  • the particles used in E) preferably have mean particle sizes determined by dynamic light scattering in dispersion as Z mean value of 5 to 100 nm, more preferably 5 to 50 nm.
  • At least 75%, more preferably at least 90%, most preferably at least 95% of all particles used in E) have the above-defined sizes.
  • the particles are preferably used surface-modified. If the particles used in E) are to be surface-modified, they are reacted, for example by silanization, prior to incorporation into the modified polyisocyanate. This method is known from the literature and described for example in DE-A 19846660 or WO 03/44099.
  • the surfaces can be adsorptively / associatively modified by surfactants having head groups of corresponding interactions with the particle surfaces or block copolymers, as described, for example, in WO 2006/008120 and Foerster, S. & Antonietti, M., Advanced Materials, 10, no. 3 , (1998) 195.
  • Preferred surface modification is the silanization with alkoxysilanes and / or chlorosilanes. Very particular preference is given to silanes which, in addition to the alkoxy groups, bear inert alkyl or aralkyl radicals but no further functional groups.
  • Organosilicasol TM (Nissan Chemical America Corporation, USA), Nanobyk ® (3650 BYK Chemie, Wesel, Germany), Hanse XP21 / 1264 or Hanse XP21 / 1184 (Hanse Chemie, Hamburg, Germany), HIGH LINK ® NanO G (Clariant GmbH, Sulzbach, Germany).
  • Suitable organosols have a solids content of 10 to 60 wt .-%, preferably 15 to 50 wt .-% to.
  • the content of the particles used in E) (calculated as solids) based on the total system of modified polyisocyanate and particles is typically from 1 to 70% by weight, preferably from 5 to 60, particularly preferably from 25 to 55% by weight.
  • nanoparticle-polyisocyanates is 20 to 100 wt .-% preferably 40 5 to 90 wt .-%, particularly preferably 40 to 70 wt .-%.
  • the invention further provides the nanoparticle-modified polyisocyanates obtainable according to the invention and also polyurethane systems which contain them.
  • polyurethane systems may be formulated as 1- or 2-component PUR systems, depending on whether the NCO groups of the polyisocyanates of the present invention are blocked.
  • the polyurethane systems of the present invention comprise polyhydroxy and / or polyamine compounds for crosslinking.
  • other polyisocyanates which are different from the polyisocyanates according to the invention and also auxiliaries and additives may be present.
  • Suitable polyhydroxyl compounds are, for example, tri- and / or tetrafunctional alcohols and / or the polyether polyols, polyester polyols and / or polyacrylate polyols customary in coating technology.
  • polyurethanes or polyureas which can be crosslinked with polyisocyanates because of the active hydrogen atoms present in the urethane or urea groups can also be used for crosslinking.
  • polyamines whose amino groups may be blocked such as polyketimines, polyaldimines or oxazolanes.
  • Polyisocyanate polyols and polyester polyols are preferably used for crosslinking the polyisocyanates according to the invention.
  • Suitable auxiliaries and additives may be solvents such as butyl acetate, ethyl acetate, 1-methoxy-2-propyl acetate, toluene, 2-butanone, xylene, 1,4-dioxane, diacetone alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide or any desired mixtures such solvents are used.
  • Preferred solvents are butyl acetate, 2-ethyl acetate and diacetone alcohol.
  • auxiliaries and additives inorganic or organic pigments, light stabilizers, coating additives, such as dispersants, flow, thickening, defoaming and other auxiliaries, adhesives, fungicides, bactericides, stabilizers or inhibitors and catalysts may be included.
  • the application of the polyurethane systems of the invention to substrates is carried out according to the usual in coating technology application method, such. As spraying, flooding, diving, spin or knife. Examples:
  • Desmodur ® N 3300 hexamethylene diisocyanate trimer; NCO content 21.8 +/- 0.3 wt .-%, viscosity at 23 ° C about 3000 mPas, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
  • Desmodur ® N 3390 BA hexamethylene diisocyanate trimer in butyl acetate; NCO content 19.6 +/- 0.3% by weight, viscosity at 23 ° C. about 500 mPas, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
  • Desmodur ® VP LS 2253 3,5-dimethylpyrazole-blocked polyisocyanate (trimer) based on HDI; 75% in SN 100 / MPA (17: 8), viscosity at 23 ° C about 3600 mPas, blocked NCO content 10.5%, equivalent weight 400, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
  • Organosilicasol TM MEK-ST colloidal silica dispersed in methyl ethyl ketone, particle size 10-15 nm (manufacturer), 30 wt% SiO 2 , ⁇ 0.5 wt% H 2 O, ⁇ 5 mPa s viscosity, Nissan Chemical America Corporation, USA ,
  • Coatosil 2810 Epoxy-modified silicone fluid epoxy content 11.4%. Momentive Performance Materials, Leverkusen, DE.
  • Bavsilone® paint additive OL 17 flow control agent, Borchers GmbH, Langenfeld, DE
  • Tinuvin ® 123 HALS amine, Ciba Specialty Chemicals, Basel, CH
  • Tinuvin ® 384-2 UV absorber, Ciba Specialty Chemicals, Basel, CH
  • Solvent naphtha ® 100 aromatics-solvent mixture, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
  • the viscosity was determined by means of a rotational viscometer "RotoVisco 1" from Haake, Germany in accordance with DIN EN ISO 3219.
  • the determination of the acid number was carried out in accordance with DIN EN ISO 2114.
  • the color number determination (APHA) was carried out in accordance with DIN EN 1557.
  • Particle sizes were determined by dynamic light scattering with an HPPS particle size analyzer (Malvern, Worcestershire, UK). The evaluation took place via the Dispersion Technology Software 4.10. In order to avoid multiple scattering, a highly diluted dispersion of the nanoparticles was prepared. One drop of a diluted nanoparticle dispersion (about 0.1-10%) was placed in a cuvette containing about 2 ml of the same solvent as the dispersion, shaken and measured in HPPS analyzer at 20 to 25 0 C. As is generally known to those skilled in the art, the relevant parameters of the dispersing medium - temperature, viscosity and refractive index - were previously entered into the software. In the case of organic solvents, a glass cuvette was used. As a result, an intensity-volume particle diameter curve and the Z-average particle diameter were obtained. Care was taken that the polydispersity index was ⁇ 0.5.
  • the resistance of a cured paint film was determined against various solvents.
  • the solvents are allowed to act on the paint surface for a certain time. Subsequently, it is judged visually and by manual palpation whether and which changes have occurred on the test area.
  • the paint film is usually on a glass plate, other substrates are also possible.
  • the test tube rack with the solvents xylene, l-Methoxypropylacetat-2, ethyl acetate and acetone is placed on the paint surface so that the openings of the test tubes with the cotton wool pads rest on the film. Important is the resulting wetting of the paint surface by the solvent.
  • the test tube rack is removed from the paint surface. Subsequently, the solvent residues are removed immediately by means of an absorbent paper or textile fabric. One looks at the now immediately Test surface after careful scratching with the fingernail visually for changes. The following levels are distinguished:
  • the order of numbers describes the successors of the tested solvents (xylene, methoxypropyl acetate, ethyl acetate, acetone)
  • the scratching is performed with a hammer (weight: 800 g without handle), on the flat side of which steel wool or polishing paper are fastened.
  • a hammer weight: 800 g without handle
  • the hammer is carefully placed at right angles to the coated surface and without tilting and out without additional physical force in a track on the coating. There will be 10 double strokes.
  • the test surface is cleaned with a soft cloth and then the gloss measured according to DIN EN ISO 2813 transversely to the direction of scribing. Only homogeneous areas may be measured.
  • N- (3-trimethoxysilylpropyl) aspartic acid diethyl ester was prepared according to the teaching of US Pat. No. 5,364,955, Example 5, by reacting equimolar amounts of 3-aminopropyltrimethoxysilane with diethyl maleate.
  • Example 2a hydroxy-functional polydimethylsiloxane
  • Example 2a Analogously to Example 2a, the reaction of bisepoxide with various amines was carried out. The epoxide contents were ⁇ 0.01% after the reaction subsided. In part, the synthesis was carried out in the presence of butyl acetate.
  • the water content of the resulting silica organosol in butyl acetate was 440 ppm.
  • the solids content was adjusted to 30% by weight.
  • the Z mean value determined by dynamic light scattering was 23 nm.
  • Example 6a essential silane- and siloxane-modified PIC according to the invention
  • Example 6a Analogously to Example 6a, further modified PICs essential to the invention were prepared.
  • the polysiloxane component was mixed with 50 g of butyl acetate.
  • the VaI ratios PIC / polysiloxane / silane / blocking agent were chosen to be 1 / 0.02 / 0.2 / 0.78. Clear, storage-stable products were obtained.
  • a cloudy, flaky, blocked polyisocyanate having the following characteristics was obtained: solids content 49.7% by weight and 7.08% blocked NCO content based on DMP.
  • Example 8a Comparative Polvocyanate, containing nanoparticles
  • Example 8b Comparative Polvovan Vanadium, containing nanoparticles
  • Example 11 Inventive Polvisocvanat containing nanoparticles
  • Example 12 Inventive Polvisocvanat containing nanoparticles
  • Example 14 Comparative Polyisocyanate according to DE 10 2006 054289
  • a clear polyisocyanate with the following characteristics was obtained: solids content 50.3% by weight and 10.4% NCO content.
  • Example 16 Invention-essential silane and siloxane-modified PIC
  • Example 17 Comparative polyisocyanate containing nanoparticles
  • the polyisocyanate according to the invention of Example 9 was 17 ® Desmophen A870 BA in the NCO / OH ratios of 1.0 and 0.1% Baysilone OL (solid / solid binder. 10% solution in MPA), 2.0% BYK 070 (LFF./BM fixed), 1.0% Tinuvin 123 (LFF./BM fixed), 1.5% Tinuvin 384-2 (LFF./BM fixed) and 0.5% DBTL (fixed / BM fixed), 10% solution in MPA) as paint additives and stirred well.
  • the solids of the coatings were between 40 and 50% and were optionally adjusted with a solvent mixture MP A / SN 1: 1. Until processing, the paint was still 10 min. vented.
  • the varnish was then applied to the prepared substrate using a gravity cup gun in 1.5 cloisters (3.0-3.5 bar compressed air, nozzle: 1.4-1.5 mm 0, nozzle-substrate distance: approx cm). After a drying time of 15 min. the paint was at 140 0 C for 30 min. baked. The dry film thickness was 30-45 ⁇ m in each case.
  • Table 2 The results are summarized in Table 2.
  • Example 9 modified according to the invention shows improvements in solvent resistance, water resistance and dry and wet scratching in comparison to the modified polyisocyanates from Examples 5 and 6 and to the DMP-blocked polyisocyanate LS 2253 both before and after reflow.
  • the other properties were preserved.
  • aminosilane-modified, nanoparticle-containing polyisocyanates (DE 10 2006 054289) were compared with amino- and polysiloxane-modified, nanoparticle-containing polyisocyanates according to the invention. This was similar to the procedure described above. The curing took place with Desmophen A870 at an NCO ratio of 1: 1.
  • the inventively modified, nanoparticle-containing polyisocyanate from Example 12 shows in the formulation used improved scratch resistance, pendulum hardness and flow, gloss and haze compared to the aminosilane-modified, nanoparticle-containing polyisocyanate according to DE 10 2006 054289 (Example 8a).
  • the scratch resistance and pendulum hardness of the polyisocyanate according to DE 10 2006 054289 could indeed be significantly improved, but the level of the polyisocyanate according to the invention could not be achieved.
  • dry scratch resistance and solvent resistance can be improved by the polyisocyanate according to the invention compared with the nanoparticle-free comparison.
  • nanoparticle-containing polyisocyanate shows a significantly increased scratch resistance and pendulum hardness compared to the standard.
  • the polyisocyanate according to the invention from Examples 16 was Desmophen ® A 870 BA in the NCO / OH ratios from 1: 0 mixed and paint additives (Table 3) and stirred well.
  • the solids of the coatings were between 40 and 50% and were optionally adjusted with a solvent mixture MP A / SN 1: 1.
  • the varnish was then applied with a flow cup gun in 1, 5 cloisters on the prepared Un- substrate (3.0-3.5 bar compressed air, nozzle: 1.4-1.5 mm 0, nozzle-substrate distance: approx. 20-30 cm).
  • After a drying time of 15 min. the paint was at 140 0 C for 25 min. baked.
  • the dry film thickness was 30-45 ⁇ m in each case.
  • the inventively modified polyisocyanate containing SiO 2 nanoparticles from Example 18 shows improvements in water resistance and dry scratching, both before and after reflow compared to the pure polyisocyanate (standard 2K). The wet scratch before reflow was also improved. In comparison with DE 10 2006 054289 (Ex. 16), the solvent resistance and the pendulum hardness could be improved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft nanopartikelmodifizierte Polyisocyanate, welche durch einen speziellen Siloxanbaustein modifiziert sind und daher verbesserte anwendungstechnische Eigenschaften sowie Lagerstabilitäten aufweisen.

Description

Nanopartikelmodifizierte Polyisocyanate
Die vorliegende Erfindung betrifft nanopartikelmodifϊzierte Polyisocyanate, welche durch einen speziellen Siloxanbaustein modifiziert sind und daher verbesserte anwendungstechnische Eigenschaften sowie Lagerstabilitäten aufweisen.
Aus US 6 593 417 sind Beschichtungsmittel bekannt, welche auf einer Polyolkomponente basieren, die neben den Nanopartikeln auch Polysiloxane enthält. In wie weit sich diese Polysiloxane zur Modifizierung von Polyisocyanaten eignen, ist nicht beschrieben.
In EP-A 1 690 902 sind oberflächenmodifizierte Nanopartikel beschrieben, an deren Oberflächen kovalent Polysiloxanbausteine angebunden sind. Nicht beschrieben sind polysiloxanmodifizierte Bindemittel enthaltend Nanopartikel.
hi einer Reihe an Patenten werden oberflächenfünktionalisierte Partikel mit potentiell gegenüber den Lackharzen reaktiven Gruppen und deren Einsatz in Beschichtungen beschrieben (EP-A 0 872 500, WO 2006/018144, DE-A 10 2005 034348, DE-A 199 33 098, DE 102 47 359). Unter anderem handelt es sich dabei um blockierte Isocyanatgruppen tragende Nanopartikel und deren Dispersio- nen, die in Abmischung mit Bindemitteln eingesetzt werden.
Aus EP-A 0 872 500 und WO 2006/018144 sind beispielsweise kolloidale Metalloxide bekannt, deren Nanopartikeloberflächen über kovalente Anbindung von Alkoxysilanen modifiziert wurden. Die zur Modifizierung eingesetzten Alkoxysilane sind Additionsprodukte aus Aminoalkoxysilanen und blockierten, monomeren Isocyanaten. Derartig modifizierte Metalloxide werden dann mit den Bindemitteln und Härtern gemischt bzw. als Isocyanatkomponente zur Herstellung von Lacken eingesetzt. Erfindungswesentlich ist hier die Anwesenheit von Wasser und Alkohol im Herstellprozeß zur Hydrolyse der Alkoxygruppen mit folgender Kondensation an den Partikeloberflächen, womit eine kovalente Anbindung erreicht wird. Ebenfalls erfindungswesentlich ist eine Blockierung freier NCO-Gruppen, um eine Reaktion mit Wasser und alkoholischem Lösungsmittel zu unterbinden. Es handelt sich hier somit um modifizierte Nanopartikel und nicht um nanoparti- kelhaltige Polyisocyanate. Demnach sind die Nanopartikel bei Reaktion kovalent in die Lackmatrix eingebunden und dominieren somit die Lackmatrix, was Erfahrungsgemäß zu Einbußen in der Flexibilität führen kann. Nachteilig ist außerdem, daß bedingt durch diesen Prozeß, der den Einsatz von Wasser und alkoholischem Lösungsmittel wesentlich macht, keine unblockierten Polyisocya- nate eingesetzt werden können. Nicht beschrieben ist der Einsatz von Polysiloxanbausteinen.
Aus WO 2007/025670 und WO 2007/025671 sind hydroxyfunktionelle Polydimethylsiloxane als Teil einer Polykolkomponente von Polyurethanlacken bekannt. In wie weit sich nun solche hydro- xyfiinktionellen Polydimethylsiloxane zur Modifizierung von Polyisocyanaten eignen wird nicht adressiert.
Aus der nicht vorveröffentlichen deutschen Anmeldung Nr. 10 2006 054289 sind nanopartikelhal- tige Polyisocyanate bekannt, welche durch Modifizierung von Polyisocyanaten mit Aminoalkoxy- silanen und Zugabe von Nanopartikeln erhalten werden.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich solche nanopartikelhaltigen Polyisocyanate vorteilhafterweise durch hydroxyfunktionelle Polydimethylsiloxane modifizieren lassen, wodurch eine signifikante Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften daraus hergestellter Beschichtungsmittel erzielt werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung nanopartikelmodi- fizierter Polyisocyanate, bei dem
A) Polyisocyanate mit
B) Alkoxysilanen der Formel (I)
Q-Z-SiX3Y3-3 (I)
in welcher
Q eine gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppe,
X eine hydrolysierbare Gruppe,
Y gleiche oder verschiedene Alkylgruppen
Z eine C]-Ci2-Alkylengruppe und
a eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist,
C) hydroxylgruppenhaltige Polysiloxane mit zahlenmittleren Molekulargewichten von 200 bis 3000 g/mol und einer mittleren OH-Funktionalität von größer oder gleich 1,8 gemäß Formel (II)
in welcher
X ein aliphatischer, gegebenenfalls verzweigter Cj- bis Cio-Rest, bevorzugt Methyl-,
Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyh-est, besonders bevorzugt Methylrest oder
Si -[-[0-CH2-CHZ]n-O-] Einheit mit Z = H oder Methyl, bevorzugt H und n = 1 - 12, bevorzugt 1 bis 5
oder ganz besonders bevorzugt eine [-CH2-O-(CH2)^]-- Si Einheit mit r = 1 bis 4, bevorzugt mit r = 3 ist,
ein hydroxyfunktioneller Carbonsäureester der Formel
,OH
- ■V ΓCH r>
wobei x = 3 bis 5, bevorzugt 5 ist,
oder bevorzugt eine -CH(OH)Y Gruppe ist, in welcher
Y eine -CH2-N(R2R3) Gruppe ist, wobei R2 ein H, ein Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, Cyclohexylrest, ein 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropyl- rest sein kann und
R3 ein 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropyl- rest sein kann,
R1 gleich oder verschieden sein kann und Wasserstoff oder ein gegebenenfalls hetero- atomhaltiger Cp bis Cio-Kohlenwasserstoffrest ist und n 1 bis 40 ist
D) gegebenenfalls Blockierungsmitteln umgesetzt werden, und anschließend
E) anorganische Partikel mit einer mittels dynamischer Lichtstreuung in Dispersion bestimmten mittleren Partikelgröße (Z-Mittelwert) von kleiner als 200 nm, die gegebenenfalls o- berflächenmodifiziert sind, eindispergiert werden.
Wesentlich ist, dass im erfindungsgemäßen Verfahren wasserfrei gearbeitet wird, also kein Wasser separat beispielsweise als Komponente im Verfahren oder als Lösungs- oder Dispergiermittel zugesetzt wird. Bevorzugt beträgt daher der Anteil an Wasser im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten Komponenten A) bis E).
In A) können grundsätzlich alle dem Fachmann an sich bekannten NCO-funktionellen Verbindungen mit mehr als einer NCO-Gruppe pro Molekül eingesetzt werden. Diese weisen bevorzugt NCO-Funktionalitäten von 2,3 bis 4,5, Gehalte an NCO-Gruppen von 11,0 bis 24,0 Gew.-% und Gehalte an monomeren Diisocyanaten von bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner 0,5 Gew.-% auf.
Solche Polyisocyanate sind durch Modifizierung einfacher aliphatischer, cycloaliphatischer, ara- liphatischer und/oder aromatischer Diisocyanate zugänglich und können Uretdion-, Isocyanurat-, Allophanat-, Biuret-, Iminooxadiazindion- und/oder Oxadiazintrionstrukturen aufweisen. Außerdem können solche Polyisocyanate als NCO-gruppenhaltige Prepolymere eingesetzt werden. Derartige Polyisocyanate sind beispielsweise in Laas et al. (1994), J. prakt. Chem. 336, 185-200 oder in Bock (1999), Polyurethane für Lacke und Beschichtungen, Vincentz Verlag, Hannover, S. 21- 27, beschrieben.
Geeignete Diisocyanate zur Herstellung solcher Polyisocyanate sind beliebige durch Phosgenie- rung oder nach phosgenfreien Verfahren, beispielsweise durch thermische Urethanspaltung, zugängliche Diisocyanate des Molekulargewichtsbereichs 140 bis 400 g/mol mit aliphatisch, cycloa- liphatisch, araliphatisch und/oder aromatisch gebundenen Isocyanatgruppen, wie 1,4- Diisocyanatobutan, 1 ,6-Diisocyanatohexan (HDI), 2- Methyl-l,5-diisocyanatopentan, 1,5- Diisocyanato-2,2-dimethylpentan, 2,2,4- bzw. 2,4,4-Trimethyl-l,6-diisocyanatohexan, 1,10- Diisocyanatodecan, 1,3- und 1 ,4-Diisocyanatocyclohexan, 1,3- und 1 ,4-Bis-(isocyanatomethyl)- cyclohexan, 1-Isocyanato- 3,3,5-trirnethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, EPDI), 4,4'- Diisocyanatodicyclohexylmethan, l-Isocyanato-l-methyl-4(3)isocyanato- methylcyclohexan, Bis-(isocyanatomethyl)-norboman, 1,3- und l,4-Bis-(l-isocyanato-l- methyl- ethyl)-benzol (TMXDI), 2,4- und 2,6-Diisocyanatotoluol (TDI), 2,4'- und 4,4'- Diisocyanatodiphe- nylmethan (MDI), 1,5-Diisocyanatonaphthalin oder beliebige Gemische solcher Diisocyanate. Bevorzugt werden in A) Polyisocyanate der vorstehend genannten Art auf Basis von IPDI, MDI, TDI, HDI oder deren Gemischen eingesetzt, besonders bevorzugt HDI und IPDI.
Bevorzugt ist in Formel (I) die Gruppe X eine Alkoxy- oder Hydroxygruppe, besonders bevorzugt Methoxy, Ethoxy, Propoxy oder Butoxy.
Bevorzugt steht Y in Formel (I) für eine lineare oder verzweigte Ci-C4-Alkylgruppe, bevorzugt Methyl oder Ethyl.
Z ist in Formel (I) bevorzugt eine lineare oder verzweigte Ci-C4-Alkylengruppe.
Bevorzugt steht a in Formel (I) für 1 oder 2.
Bevorzugt ist in Formel (I) die Gruppe Q eine gegenüber Isocyanaten unter Urethan-, Harnstoff- oder Thioharnstoffbildung reagierende Gruppe. Dies sind bevorzugt OH-, SH- oder primäre oder sekundäre Aminogruppen.
Bevorzugte Aminogruppen entsprechen der Formel -NHR1 , wobei R1 Wasserstoff, eine Ci-Ci2- Alkylgruppe oder eine C6-C2o-Arylgruppe oder ein Asparaginsäureester-Rest der Formel R2OOC- CH2-CH(COOR3)- , wobei R2, R3 bevorzugt gleiche oder verschiedene Alkylreste sind, die gege- benenfalls auch verzweigt sein können, mit 1 bis 22 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Besonders bevorzugt sind R2, R3 jeweils Methyl- oder Ethylreste.
Solche alkoxysilanfunktionellen Asparaginsäureester sind, wie in US 5364955 beschrieben, in an sich bekannter Weise durch Addition von aminofunktionellen Alkoxysilanen an Malein- oder Fu- marsäureester erhältlich.
Arninoflinktionelle Alkoxysilane, wie sie als Verbindungen der Formel (I) oder zur Herstellung der alkoxysilylfunktionellen Asparaginsäureester eingesetzt werden können, sind beispielsweise 2- Aminoethyldimethylmethoxysilan, 3 -Aminopropyltrimethoxysilan, 3 -Aminopropyltriethoxysilan, 3 -Aminopropylmethyldimethoxysilan, Aminopropylmethyldiethoxysilan.
Ferner können als Aminoalkoxysilane mit sekundären Aminogruppen der Formel (I) in B) auch N- Methyl-3-aminopropyltrimethoxysilan, N-Methyl-3-aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3- aminopropyltrimethoxysilan, Bis-(gamma-trimethoxysilylpropyl)amin, N-Butyl-3-aminopropyl- trimethoxysilan, N-Butyl-3-aminopropyltriethoxysilan, N-Ethyl-3-aminoisobutyltrimethoxysilan, N-Ethyl-3-aminoisobutyltriethoxysilan oder N-Ethyl-3-aminoisobutylmethyldimethoxysilan, N- Ethyl-3-aminoisobutylmethyldiethoxysilan. Geeignete Malein- oder Fumarsäureester zur Herstellung der Asparaginsäureester sind Maleinsäu- redimethylester, Maleinsäurediethylester, Maleinsäuredi-n-butylester sowie die entsprechenden Fumarester. Maleinsäuredimethylester und Maleinsäurediethylester sind besonders bevorzugt.
Bevorzugtes Aminosilan zur Herstellung der Asparaginsäureester ist 3-Amino- propyltrimethoxysilan oder 3-Aminopropyltriethoxysilan.
Die Umsetzung der Malein- bzw. Fumarsäureester mit den Aminoalkylalkoxysilanen erfolgt innerhalb eines Temperaturbereichs von 0 bis 100 0 C, wobei die Mengenverhältnisse in der Regel so gewählt werden, dass die Ausgangsverbindungen im molaren Verhältnis 1:1 eingesetzt werden. Die Umsetzung kann in Substanz oder auch in Gegenwart von Lösungsmitteln wie z.B. Dioxan durchgeführt werden. Die Mitverwendung von Lösungsmitteln ist jedoch weniger bevorzugt. Selbstverständlich können auch Mischungen verschiedener 3-Aminoalkylalkoxysilane mit Mischungen von Fumar- und/oder Maleinsäureestern umgesetzt werden.
Bevorzugte Alkoxysilane zur Modifizierung der Polyisocyanate sind sekundäre Aminosilane, der vorstehend beschriebenen Art, besonders bevorzugt Asparaginsäureester der vorstehend beschrie- benen Art sowie Di- bzw. Monoalkoxysilane.
Die vorstehend genannten Alkoxysilane können einzeln aber auch in Mischungen zur Modifizierung eingesetzt werden.
Bei der Modifizierung beträgt das Verhältnis von freien NCO-Gruppen des zu modifizierenden Isocyanats zu den NCO-reaktiven Gruppen Q des Alkoxysilans der Formel (I) bevorzugt 1 : 0,01 bis 1 : 0,75, besonders bevorzugt 1 : 0,02 bis 1 : 0,4, ganz besonders bevorzugt 1:0,05 bis 1:0,3.
Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, höhere Anteile an NCO-Gruppen mit den vorgenannten Alkoxysilanen zu modifizieren, jedoch ist darauf zu achten, dass die Anzahl der zur Vernetzung zur Verfügung stehenden freien NCO-Gruppen für eine zufrieden stellende Vernetzung noch ausreichend ist.
Die Reaktion von Aminosilan und Polyisocyanat erfolgt bei 0 bis 100 0C, bevorzugt bei 0 bis 50 0C, besonders bevorzugt bei 15 bis 40 0C. Gegebenenfalls kann eine exotherme Reaktion durch Kühlung kontrolliert werden.
Die hydroxylgruppenhaltigen Siloxane C) der allgemeinen Formel (H) sind erhältlich, indem entsprechende epoxyfünktionelle Polyorganosiloxane mit hydroxyalkylfunktionellen Aminen, bevor- zugt in einem stöchiometrischen Verhältnis von Epoxygruppe zu Aminofunktion umgesetzt werden. Die dazu eingesetzten epoxyfunktionellen Siloxane weisen bevorzugt 1 bis 4, besonders bevorzugt 2 Epoxygruppen pro Molekül auf. Ferner haben sie zahlenmittlere Molekulargewichte von 150 bis 2000 g/mol, bevorzugt von 250 bis 1500 g/mol, ganz besonders bevorzugt von 250 bis 1250 g/mol.
Bevorzugte epoxyfunktionelle Siloxane sind α,ω-Epoxysiloxane entsprechend der Formel (DI),
in welcher
X ein aliphatischer, gegebenenfalls verzweigter Cj- bis Ci0-ReSt, bevorzugt Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butylrest, besonders bevorzugt Methylrest oder eine [-CH2-O-(CH2),-] — Si Einheit mit r = 1 bis 4, bevorzugt mit r = 3 ist,
R1 gleich oder verschieden sein kann und Wasserstoff oder ein gegebenenfalls heteroatomhal- tiger Q- bis Ci0-Kohlenwasserstoffrest ist und
n 1 bis 40 ist.
R1 in den Formeln (II) und (HT) ist bevorzugt Phenyl-, Alkyl-, Aralkyl-, Fluoralkyl-, Alkylethylen- copropylenoxidgruppen oder Wasserstoff, wobei Phenyl- oder Methylgruppen besonders bevorzugt sind. Ganz besonders bevorzugt ist R1 eine Methylgruppe.
Geeignete Verbindungen entsprechend Formel (HI) sind beispielsweise solche der Formeln HIa) und mb):
in welchen
n eine ganze Zahl von 4 bis 12, bevorzugt von 6 bis 9 ist.
Beispiele für kommerziell erhältliche Produkte dieser Reihe sind beispielsweise CoatOsil® 2810 (Momentive Performance Materials, Leverkusen, Deutschland) oder Tegomer® E-Si2330 (Tego Chemie Service GmbH, Essen, Deutschland).
Geeignete hydroxyalklylfunktionelle Amine entsprechen der allgemeinen Formel (IV)
in welcher
R2 ein H, ein Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, Cyclohexylrest, ein 2-Hydroxyethyl-, 2- Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropylrest sein kann und
R3 ein 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropylrest sein kann,
Bevorzugte Hydroxyalkylamine sind Ethanolamin, Propanolamin, Diethanolamin, Diisopropa- nolamin, Methylethanolamin, Ethylethanolamin, Propylethanolamin und Cyclohexyl-ethanolamin. Besonders bevorzugt sind Diethanolamin, Diisopropanolamin oder Cyclohexylethanolamin. Ganz besonders bevorzugt ist Diethanolamin.
Zur Herstellung der Komponente C) wird das epoxyfunktionelle Siloxan der allgemeinen Formel (in) gegebenenfalls in einem Lösemittel vorgelegt und dann mit der erforderlichen Menge des Hydroxyalkylamins (IV) oder einer Mischung mehrerer Hydroxyalkylamine (IV) umgesetzt. Die Reaktionstemperatur beträgt typischerweise 20 bis 150 °C und wird solange geführt, bis keine freien Epoxygruppen mehr nachweisbar sind.
Besonders bevorzugt werden hydroxyalkylfunktionelle Siloxane C) der Formel (II) eingesetzt, die durch oben aufgeführte Umsetzung epoxyfunktioneller Polyorganosiloxane mit Hydroxyalklyami- nen erhalten wurden.
Besonders bevorzugte Polyorganosiloxane C) sind beispielsweise solche der Formeln Ia) bis Ih):
wobei n = 4 bis 12, bevorzugt 6 bis 9 ist.
Ebenfalls geeignet als Komponente C) sind beispielsweise hydroxyalkylfunktionelle Siloxane (α, ω-Carbinole) entsprechend Formel (V),
in welcher
m 5 bis 15,
H oder Methyl, bevorzugt H und
n, o 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 5 ist.
Hydroxyalkylfunktionelle Siloxane (α, ω-Carbinole) der Formel (V) haben bevorzugt zahlenmittlere Molekulargewichte von 250 bis 2250 g/mol, besonders bevorzugt von 250 bis 1500 g/mol, ganz besonders bevorzugt von 250 bis 1250 g/mol. Beispiele für kommerziell erhältliche hydroxyalkylfunktionelle Siloxane des genannten Typs sind Baysilone® OF-OH 502 3 und 6%ig (Fa. GE- Bayer Silicones, Leverkusen, Deutschland).
Ein weiterer Weg zur Herstellung geeigneter hydroxyfunktioneller Polyorganosiloxane entsprechend der Komponente C) ist die Umsetzung der vorgenannten hydroxyalkylfunktionellen Siloxa- ne vom α, co-Carbinol-Typ der Formel (V) mit cyclischen Lactonen. Geeignete cyclische Lactone sind beispielsweise ε-Caprolacton, γ-Butyrolacton oder Valerolacton.
Dies geschieht in einem Verhältnis von OH-Gruppen zu Lactonfiinktionen von 1:2 bis 2:1, bevorzugt in einem stöchiometrischen Verhältnis von OH-Gruppen zu Lactonfunktionen. Die so erhalte- nen hydroxyalkylfunktionellen Siloxane C) sind bevorzugt. Beispielhaft für eine solche Verbindung sind Polyorganosiloxane C) der allgemeinen Formel (VI)
in welcher
m = 5 bis 15 und
y = 2 bis 5, bevorzugt 5 sein kann.
Bevorzugt ist R in Formel (II) ein hydroxyfunktioneller Carbonsäureester der Formel
wobei x = 3 bis 5, bevorzugt 5 ist,
oder eine hydroxyalkylfunktionelle Aminogruppe der Formel
wobei
R2 ein aliphatischer linearer, verzweigter oder cyclischer Hydroxyalkylrest und
R3 Wasserstoff oder entsprechend der Definition des Restes R2 ist.
Besonders bevorzugt ist R in Formel (H) eine hydroxyalkylfunktionelle Aminogruppe der vorgenannten Art. R1 in den Formeln (II) und (EI) ist bevorzugt Phenyl-, Alkyl-, Aralkyl-, Fluoralkyl-, Alkylethylen- copropylenoxidgruppen oder Wasserstoff, wobei Phenyl und Methyl besonders bevorzugt sind. Die beiden R'-Substituenten an einem Si-Atom können sich auch unterscheiden. Ganz besonders bevorzugt ist R1 eine Methylgruppe, so dass es sich um reine Dimethylsilyleinheiten handelt.
Bevorzugt haben die wie vorstehend beschrieben erhältlichen hydroxylgruppenhaltigen Siloxane der Komponente C) zahlenmittlere Molekulargewichte von 250 bis 2250 g/mol, besonders bevorzugt 250 bis 1500 g/mol.
Bei der Modifizierung beträgt das Verhältnis von freien NCO-Gruppen des in A) eingesetzten zu modifizierenden Polyisocyanats zu den NCO-reaktiven OH-Gruppen des hydroxylgruppenhaltigen Polydimethylsiloxans der Formel (II) bevorzugt 1 : 0,001 bis 1 : 0,4, besonders bevorzugt 1 : 0,01 bis 1 : 0,2.
Im Anschluss an die Silan- und Polydimethylsiloxan-Modifizierung können die freien NCO- Gruppen der so modifizierten Polyisocyanate noch weitergehend modifiziert werden. Dies kann beispielsweise eine partielle oder vollständige Blockierung der freien NCO-Gruppen mit dem Fachmann an sich bekannten Blockierungsmitteln sein (zur Blockierung von Isocyanatgruppen siehe DE-A 10226927, EP-A 0 576 952, EP-A 0 566 953, EP-A 0 159 117, US-A 4 482 721, WO 97/12924 oder EP-A 0 744 423). Beispielsweise zu nennen sind Butanonoxim, ε-Caprolactam, Methyl-ethyl-ketoxim, Malonsäureester, sekundäre Amine sowie Triazol- und Pyrazolderivate.
Eine Blockierung der NCO-Gruppen vor Einarbeitung der Nanopartikel hat den Vorteil, dass die darauf basierenden nanopartikelmodifizierten Polyisocyanate eine tendenziell bessere Stabilität in Bezug auf den Gehalt an später zur Vernetzung zur Verfügung stehenden NCO-Gruppen aufweisen als analoge Produkte, welche noch freie NCO-Gruppen besitzen.
Die Modifizierung der Polyisocyanate erfolgt bevorzugt in der Reihenfolge Polydimethylsiloxan, Silan und Blockierungsmittel.
Die Reaktion von hydroxyfunktionellem Polydimethylsiloxan und Polyisocyanat erfolgt bei 0 - 100 0C, bevorzugt bei 10 - 90 0C, besonders bevorzugt bei 15 - 80 0C. Gegebenenfalls können gängige Katalysatoren eingesetzt werden, die die Reaktion R-OH mit NCO katalysieren.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können prinzipiell zu jedem Zeitpunkt die dem Fachmann an sich bekannten gegenüber NCO-Gruppen inerten Lösemittel zugesetzt werden. Beispielsweise sind dies Lösungsmittel wie Butylacetat, l-Methoxy-2-propylacetat, Ethylacetat, Toluol, Xylol, SoI- ventnaphta sowie deren Mischungen. Während oder im Anschluss an die Modifizierung des Polyisocyanats werden die gegebenenfalls oberflächenmodifizierten Nanopartikel E) eingebracht. Dies kann durch einfaches Einrühren der Partikel erfolgen. Denkbar sind jedoch auch der Einsatz erhöhter Dispergierenergie, wie beispielsweise durch Ultraschall, Strahldispergierung oder Hochgeschwindigkeitsrührer nach dem Rotor-Stator-Prinzip erfolgen kann. Bevorzugt ist einfaches mechanisches Einrühren.
Die Partikel können prinzipiell sowohl in Pulverform als auch in Form von Suspensionen oder Dispersionen in geeigneten, vorzugsweise gegenüber Isocyanaten inerten Lösungsmitteln eingesetzt werden. Bevorzugt ist der Einsatz der Partikel in Form von Dispersionen in organischen Lösungsmitteln.
Für die Organosole geeignete Lösemittel sind Methanol, Ethanol, i-Propanol, Aceton, 2-Butanon, Methyl-isobutylketon, sowie die an sich in der Polyurethanchemie gängigen Lösemittel wie Butyl- acetat, Ethylacetat, l-Methoxy-2-propylacetat, Toluol, 2-Butanon, Xylol, 1,4-Dioxan, Diacetonal- kohol, N-Methylpyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Methyl- ethylketon oder beliebige Gemische solcher Lösungsmittel.
Bevorzugte Lösungsmittel hierbei die an sich in der Polyurethanchemie gängigen Lösemittel wie Butylacetat, Ethylacetat, l-Methoxy-2-propylacetat, Toluol, 2-Butanon, Xylol, 1,4-Dioxan, Diace- tonalkohol, N-Methylpyrrolidon, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Me- thylethylketon oder beliebige Gemische solcher Lösungsmittel.
Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind alkohol- und ketonfreie Lösungsmittel wie Butylacetat, l-Methoxy-2-propylacetat, Ethylacetat, Toluol, Xylol, Solventnaphta sowie deren Mischungen.
In Bezug auf den Gehalt an später zur Vernetzung zur Verfügung stehenden NCO-Gruppen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auf Ketone oder Alkohole als Lösemittel sowohl für die Partikeldispersionen als auch als Prozesslösemittel während der Polyisocyanatmodifizierung zu verzichten, da hierbei ein vergleichsweise höherer Abbau von NCO-Gruppen während der Lagerung der dar- aus hergestellten nanopartikelmodifizierten Polyisocyanate zu beobachten ist. Werden die Polyiso- cyanate in einem zusätzlichen Schritt blockiert, so können auch Ketone oder Alkohole als Lösungsmittel eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Partikel in E) anorganische Oxide, Mischoxide, Hydroxide, Sulfate, Carbonate, Carbide, Boride und Nitride von Elementen der II bis IV Hauptgruppe und/oder Elemente der I bis VTJI Nebengruppe des Periodensystems einschließlich der Lanthanide verwendet. Besonders bevorzugte Partikel der Komponente E) sind Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirkonoxid, Zinkoxid, Nioboxid und Titanoxid. Ganz besonders bevorzugt sind Siliziumoxid-Nanopartikel.
Die in E) eingesetzten Partikel weisen bevorzugt mittlere Partikelgrößen mittels dynamischer Lichtstreuung in Dispersion bestimmt als Z-Mittelwert von 5 bis 100 nm, besonders bevorzugt 5 bis 50 nm auf.
Bevorzugt weisen wenigstens 75 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95 % aller in E) eingesetzten Partikel die vorstehend definierten Größen, auf.
Bevorzugt werden die Partikel oberflächenmodifiziert eingesetzt. Falls die in E) eingesetzten Partikel oberflächenmodifiziert sein sollen, werden sie vor Einarbeitung in das modifizierte Polyiso- cyanat beispielsweise unter Silanisierung umgesetzt. Diese Methode ist literaturbekannt und beispielsweise in DE-A 19846660 oder WO 03/44099 beschrieben.
Weiterhin können die Oberflächen adsorptiv/assoziativ durch Tenside mit Kopfgruppen entsprechender Wechselwirkungen zu den Teilchenoberflächen oder Blockcopolymere modifiziert werden, wie beispielsweise in WO 2006/008120 bzw. Foerster, S. & Antonietti, M., Advanced Mate- rials, 10, no. 3, (1998) 195 beschrieben.
Bevorzugte Oberflächenmodifizierung ist die Silanisierung mit Alkoxysilanen und/oder Chlorsila- nen. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um Silane, die neben den Alkoxygruppen inerte Alkyl- oder Aralkylreste aber keine weiteren funktionellen Gruppen tragen.
Beispiele kommerzieller Partikeldispersionen, wie sie sich für E) eignen sind Organosilicasol™ (Nissan Chemical America Corporation, USA), Nanobyk® 3650 (BYK Chemie, Wesel, Deutschland), Hanse XP21/1264 oder Hanse XP21/1184 (Hanse Chemie, Hamburg, Deutschland), HIGHLINK® NanO G (Clariant GmbH, Sulzbach, Deutschland). Geeignete Organosole weisen einen Feststoffgehalt von 10 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 50 Gew.-% auf.
Der Gehalt der in E) eingesetzten Partikel (gerechnet als Feststoff) bezogen auf das Gesamtsystem aus modifiziertem Polyisocyanat und Partikeln beträgt typischerweise 1 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60, besonders bevorzugt 25 bis 55 Gew.-%.
Der Feststoffgehalt erfindungsgemäßer, nanopartikelhaltiger Polyisocyanate liegt bei 20 bis 100 Gew.-%5 bevorzugt 40 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 40 bis 70 Gew.-%.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind die erfindungsgemäß erhältlichen nanopartikelmodifi- zierten Polyisocyanate sowie Polyurethansysteme, die diese enthalten. Solche Polyurethansysteme können je nach dem, ob die NCO-Gruppen der erfindungsgemäßen Polyisocyanate blockiert sind als 1- oder 2-Komponenten-PUR-Systeme formuliert werden.
Neben den erfindungsgemäßen nanopartikelmodifizierten Polyisocyanaten enthalten die Polyurethansysteme der vorliegenden Erfindung Polyhydroxy- und/oder Polyaminverbindungen zur Ver- netzung. Daneben können noch weitere von den erfindungsgemäßen Polyisocyanaten verschiedene Polyisocyanate sowie Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten sein.
Geeignete Polyhydroxylverbindungen sind beispielsweise tri- und/oder tetrafunktionelle Alkohole und/oder die in der Beschichtungstechnologie an sich üblichen Polyetherpolyole, Polyesterpolyole und/oder Polyacrylatpolyole.
Ferner können zur Vernetzung auch Polyurethane oder Polyharnstoffe, die aufgrund der in den Urethan- bzw. Hamstoffgruppen vorliegenden aktiven Wasserstoffatome mit Polyisocyanaten vernetzbar sind, eingesetzt werden.
Ebenfalls möglich ist der Einsatz von Polyaminen, deren Aminogruppen blockiert sein können, wie Polyketimine, Polyaldimine oder Oxazolane.
Bevorzugt werden zur Vernetzung der erfindungsgemäßen Polyisocyanate Polyacrylatpolyole und Polyesterpolyole eingesetzt.
Als Hilfs- und Zusatzstoffe können Lösemittel wie Butylacetat, Ethylacetat, l-Methoxy-2- propylacetat, Toluol, 2-Butanon, Xylol, 1,4-Dioxan, Diacetonalkohol, N-Methylpyrrolidon, Di- methylacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid oder beliebige Gemische solcher Lö- sungsmittel verwendet werden. Bevorzugte Lösungsmittel sind Butylacetat, 2-Ethylacetat und Diacetonalkohol.
Ferner können als Hilfs- und Zusatzstoffe anorganische oder organische Pigmente, Lichtschutzmittel, Lackadditive, wie Dispergier-, Verlauf-, Verdickungs-, Entschäumungs- und andere Hilfsmittel, Haftmittel, Fungizide, Bakterizide, Stabilisatoren oder Inhibitoren und Katalysatoren enthalten sein.
Die Applikation des erfindungsgemäßen Polyurethansysteme auf Substrate erfolgt nach den in der Beschichtungstechnologie üblichen Applikationsverfahren, wie z. B. Spritzen, Fluten, Tauchen, Schleudern oder Rakeln. Beispiele:
Soweit nicht abweichend vermerkt, sind die Prozentangaben als Gewichtsprozent zu verstehen.
Desmophen® A 870 Polvacrvlatpolvol. 70 % in Butylacetat, OH-Zahl 97, OH-Gehalt 2,95 %, Viskosität bei 23 0C ca. 3500 mPas, Handelsprodukt der BayerMaterialScience AG, Leverkusen, DE
Desmodur® N 3300: Hexamethylendiisocyanat Trimerisat; NCO-Gehalt 21,8 +/- 0,3 Gew.-%, Viskosität bei 23°C ca. 3000 mPas, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
Desmodur® N 3390 BA: Hexamethylendiisocyanat Trimerisat in Butylacetat; NCO-Gehalt 19,6 +/- 0,3 Gew.-%, Viskosität bei 23°C ca. 500 mPas, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
Desmodur® VP LS 2253: 3,5-Dimethylpyrazol-blockiertes Polyisocyanat (Trimerisat) auf Basis HDI; 75 % in SN 100/MPA (17:8), Viskosität bei 23°C ca. 3600 mPas, blockierter NCO-Gehalt 10,5 %, Equivalentgewicht 400, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
Organosilicasol™ MEK-ST: kolloidales silica dispergiert in Methyl ethylketon, Teilchengröße 10- 15 nm (Herstellerangabe), 30 wt% SiO2, < 0,5 wt% H2O, < 5 mPa s Viskosität, Nissan Chemical America Corporation, USA.
Coatosil 2810: Epoxy-modifizierte Siliconflüssigkeit Epoxid-Gehalt 11,4 %. Momentive Performance Materials, Leverkusen, DE.
Bavsilone®-Lackadditiv OL 17: Verlaufshilfsmittel, Borchers GmbH, Langenfeld, DE)
BYK® 070: Entschäumer, BYK-Chemie GmbH, Wesel, DE
Tinuvin® 123: HALS Amin, Ciba Specialty Chemicals, Basel, CH
Tinuvin® 384-2: UV-Absorber, Ciba Specialty Chemicals, Basel, CH
Solventnaphtha® 100: aromatenhaltiges Lösemittelgemisch, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
Die Bestimmung der Hydroxylzahl (OH-Zahl) erfolgte gemäß DIN 53240-2.
Die Viskositätsbestimmung erfolgte mittels Rotationsviskosimeter „RotoVisco 1" der Fa. Haake, Deutschland gemäß DIN EN ISO 3219.
Die Bestimmung der Säurezahl erfolgte gemäß DIN EN ISO 2114. Die Farbzahlbestimmung (APHA) erfolgte gemäß DIN EN 1557.
Die Bestimmung des NCO-Gehaltes erfolgte gemäß DIN EN ISO 11909.
Pendeldämpfung (König) nach DIN EN ISO 1522 „Pendeldämpfungsprüfung"
Chemikalienbeständigkei* nach DIN EN ISO 2812-5 „Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Be- ständigkeit gegen Flüssigkeiten - Teil 5: Verfahren mit dem Gradientenofen"
Kratzfestigkeit Laborwaschanlage (Nassverkratzung) nach DIN EN ISO 20566 „Beschichtungs- stoffe - Prüfung der Kratzfestigkeit eines Beschichtungssystems mit einer Laborwaschanlage"
Bestimmung der Teilchengröße
Die Teilchengrößen wurden mittels Dynamischer Lichtstreuuung mit einem HPPS particle size analyzer (Fa. Malvern, Worcestershire, UK) bestimmt. Die Auswertung erfolgte über die Dispersion Technology Software 4,10. Um Mehrfachstreuung zu vermeiden wurde eine hochverdünnte Dispersion der Nanopartikel hergestellt. Ein Tropfen einer verdünnten Nanopartikeldispersion (ca. 0,1 - 10 %) wurde in eine Küvette enthaltend ca. 2 ml des gleichen Lösemittels wie die Dispersion gegeben, geschüttelt und im HPPS analyzer bei 20 bis 25 0C vermessen. Wie dem Fachmann all- gemein bekannt, wurden vorher die relevanten Parameter des Dispergiermediums - Temperatur, Viskosität und Brechungsindex - in die Software eingegeben. Im Falle organischer Lösemittel wurde eine Glasküvette eingesetzt. Als Resultat wurde eine Intensitäts- bzw. Volumen- Teilchendurchmesser-Kurve sowie der Z-Mittelwert für den Teilchendurchmesser erhalten. Es wurde darauf geachtet, daß der Polydispersitätsindex < 0,5 war.
Bestimmung der Lösemittelbeständigkeit
Mit dieser Prüfung wurde die Widerstandsfähigkeit eines ausgehärteten Lackfilmes gegen verschiedene Lösemittel festgestellt. Hierzu lässt man die Lösemittel für eine bestimmte Zeit auf die Lackoberfläche einwirken. Anschließend wird visuell und durch Abtasten mit der Hand beurteilt, ob und welche Veränderungen auf der Prüffläche aufgetreten sind. Der Lackfilm befindet sich in der Regel auf einer Glasplatte, andere Substrate sind ebenfalls möglich. Der Reagenzglasständer mit den Lösemitteln Xylol, l-Methoxypropylacetat-2, Ethylacetat und Aceton (s.u.) wird so auf die Lackoberfläche aufgesetzt, dass die Öffnungen der Reagenzgläser mit den Wattepfropfen auf dem Film aufliegen. Wichtig ist die dadurch entstehende Benetzung der Lackoberfläche durch das Lösemittel. Nach der festgelegten Einwirkzeit der Lösemittel von 1 Minute und 5 Minuten wird der Reagenzglasständer von der Lackoberfläche entfernt. Anschließend werden die Lösemittelreste sofort mittels eines saugfähigen Papiers oder Textilgewebe entfernt. Man mustert nun sofort die Prüffläche nach behutsamem Kratzen mit dem Fingernagel visuell auf Veränderungen ab. Folgende Stufen werden unterschieden:
0 = unverändert
1 = Spur verändert nur sichtbare Veränderung
2 = gering verändert mit Fingernagel spürbare Erweichung feststellbar
3 = merklich verändert mit dem Fingernagel starke Erweichung feststellbar
4 = stark verändert mit dem Fingernagel bis zum Untergrund
5 = zerstört ohne Fremdeinwirkung Lackoberfläche zerstört
Die gefundenen Bewertungsstufen für die oben angegebenen Lösemittel werden in der folgenden Reihenfolge dokumentiert:
Beispiel 0000 (keine Veränderung)
Beispiel 0001 (sichtbare Veränderung nur bei Aceton)
Dabei beschreibt die Zahlenreihenfolge die Reihenfolger der ausgetesteten Lösungsmittel (Xylol, Methoxypropylacetat, Ethylacetat, Aceton)
Bestimmung der Kratzfestigkeit mittels Hammertest (Trockenverkratzung)
Die Verkratzung wird mit einem Hammer (Gewicht: 800 g ohne Stiel) durchgeführt, an dessen flacher Seite Stahlwolle oder Polishing Paper befestigt werden. Dazu wird der Hammer vorsichtig im rechten Winkel auf die beschichtete Oberfläche aufgesetzt und ohne zu verkanten und ohne zusätzliche Körperkraft in einer Spur über die Beschichtung geführt. Es werden 10 Doppelhübe durchgeführt. Nach der Belastung mit dem Verkratzungsmedium wird die Prüffläche mit einem weichen Tuch gereinigt und anschließend der Glanz nach DIN EN ISO 2813 quer zur Verkrat- zungsrichtung gemessen. Es dürfen nur homogene Bereiche vermessen werden.
Beispiel 1
N-(3-Trimethoxysilylpropyl)asparaginsäurediethylester wurde, entsprechend der Lehre aus US-A 5 364 955, Beispiel 5, durch Umsetzung von äquimolaren Mengen 3-Aminopropyltrimethoxysilan mit Maleinsäurediethylester hergestellt. Beispiel 2a: hydroxyfunktionelles Polydimethylsiloxan
Entsprechend WO 2007025670 wurden 770 g des epoxyfunktionellen Polydimethylsiloxans Coat- sosil®2810
vorgelegt, auf 80 0C vorgeheizt und mit 231 g Diethanolamin (Valverhältnis Epoxid / Amin 1 : 1) versetzt. Diese Mischung wurde anschließend 2 Stunden bei 1000C gerührt. Das Produkt hatte einen Epoxidgehalt < 0,01 %, eine OH-Zahl von ca. 365 mg KOH/g (11,1 %) und eine Viskosität bei 23°C von ca. 2900 mPas.
Beispiel 2b - 2c
Analog zu Beispiel 2a wurde die Umsetzung des Bisepoxids mit verschiedenen Aminen durchgeführt. Die Epoxidgehalte lagen nach Abklingen der Reaktion < 0,01 %. Teilweise wurde die Synthese in Gegenwart von Butylacetat durchgeführt.
Beispiel 2d
438 g (2 val) des PDMS-Bishydroxids Tegomer H-Si2111 (OH-Gehalt 3,9 %, Molmasse 876 g/mol; Degussa AG, Essen, DE) wurden mit 57 g Caprolacton (1 val) und 0,05 % w/w DBTL gemischt und bei 150 0C 6 h gerührt. Es wurde ein transparentes Produkt mit einer OH-Zahl von 113 mg KOH/g erhalten. Beispiel 3
In einem 2 L-Kolben wurden 500 g Organosilicasol™ MEK-ST und 500 g Butylacetat eingewogen. Die Dispersion wurde im Rotationsverdampfer bei 600C und 120 mbar eingeengt und der Rückstand wieder mit 500 g Butylacetat aufgefüllt. Dieser Vorgang wurde so lange wiederholt, bis in der Dispersion der Methylethylketon- Anteil < 0,1 Gew.-% gesunken war (mittels GC-FID ermittelt).
Sowohl das in Beispiel 3 eingesetzte Organosilicasol™ MEK-ST als auch das Butylacetat und die resultierende Dispersion in Butylacetat wurden jeweils über Molekularsieb 4 A getrocknet.
Der Wassergehalt des so erhaltenen Silica-Organosols in Butylacetat lag bei 440 ppm. Der Fest- stoffgehalt wurde auf 30 Gew.-% eingestellt. Der Z-Mittelwert über Dynamische Lichtstreuung bestimmt lag bei 23 nm.
Beispiel 5: Vergleichspolyisocyanat nach DE 10 2006 054289
m einer Standard-Rührapparatur wurden 192,7 g (1 val) Desmodur® N3300 (Hexamethylendiiso- cyanat Trimerisat; NCO-Gehalt 21,8 +/- 0,3 Gew.-%, Viskosität bei 23°C ca. 3000 mPas, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE) in 85 g Butylacetat bei 60 0C vorgelegt. Dann wurden vorsichtig 70,3 g (0,2 val) des Alkoxysilans aus Beispiel 1 zugetropft, wobei die Temperatur auf maximal 60 0C gehalten wurde. Nach Beendigung der Reaktion (Überprüfung des NCO-Gehaltes IR- spektroskopisch auf Konstanz) wurde auf RT abgekühlt und vorsichtig 76,9 g 1,3-Dimethylpyrazol (DMP) hinzugegeben und die Temperatur bei 50 0C gehalten, bis der NCO-Peak im IR- Spektrometer verschwunden war.
Man erhielt ein farbloses, flüssiges, blockiertes Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoffgehalt 80 Gew.-%, Viskosität 3440 mPas bei 23°C sowie 7,91 % blockierter NCO-Gehalt bezogen auf DMP.
Beispiel 6a: erfindungswesentliches silan- und siloxanmodifiziertes PIC
In einer Standard-Rührapparatur wurden 275,85 g (1 val) Desmodur® N3300 in 250 g Butylacetat bei 80 0C vorgelegt und 2 l/h Stickstoff übergeleitet. Anschließend wurde 4,41 g (0,02 val) des Siloxanblockcopolyols aus Beispiel 2a bei 80 0C zugegeben und die Temperatur 4 h gehalten. Der theoretisch erwartete NCO-Gehaltes wurde titrimetrisch überprüft und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Innerhalb von 3 h wurden 112,88 g (0,2 val) des Alkoxysilans aus Beispiel 1 sowie 250 g Butylacetat hinzugefügt, wobei die Temperatur durch Eiskühlung unter 40 0C gehalten wurde. Nach Überprüfung des theoretischen NCO-Gehaltes wurde auf RT abgekühlt und in ca. 15 min 106,87 g (0,78 val) des Blockierungsmittels Dimethylpyrazol hinzugegeben unter Regelung der Temperatur auf maximal 40 °C. Die Temperatur wurde solange bei 40 0C gehalten, bis der NCO- peak im d-Spektrometer verschwunden war.
Man erhielt ein klares, flüssiges, blockiertes Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoff- gehalt 48,7 Gew.-% sowie 4,67 % blockierter NCO-Gehalt bezogen auf DMP.
Beispiel 6b bis 6h
Analog zu Beispiel 6a wurden weitere, erfindungswesentliche modifizierte PIC hergestellt. Als Polyisocyanat wurde Desmodur N3300 eingesetzt. Gegebenenfalls wurde der Polysiloxanbaustein mit 50 g Butylacetat gemischt. Die VaI- Verhältnisse PIC / Polysiloxan / Silan / Blockierungsmittel wurden bei 1 / 0,02 / 0,2 / 0,78 gewählt. Es wurden klare, lagerstabile Produkte erhalten.
NCO-Gehalt: bezogen auf Blockierungsmittel Beispiel 7: siloxanmodifiziertes Vergleichspolyisocvanat ohne Aminosiloxanmodifizierung
In einer Standard-Rührapparatur wurden 332,73 g (1 val) Desmodur® N3300 in 250 g Butylacetat bei 80 0C vorgelegt und 2 l/h Stickstoff übergeleitet. Anschließend wurde 5,31 g (0,02 val) des Siloxanblockcopolyols aus Beispiel 2 bei 80 0C zugegeben und die Temperatur 4 h gehalten. Der theoretisch erwartete NCO-Gehaltes wurde titrimetrisch überprüft und dann auf Raumtemperatur abgekühlt sowie 250 g Butylacetat hinzugefügt. Nach Überprüfung des theoretischen NCO- Gehaltes wurde auf RT abgekühlt und in ca. 15 min 161,95 g (0,98 val) des Blockierungsmittels Dimethylpyrazol hinzugegeben unter Regelung der Temperatur auf maximal 40 0C. Die Temperatur wurde solange bei 40 0C gehalten, bis der NCO-peak im IR-Spektrometer verschwunden war.
Man erhielt ein trübes, flockiges, blockiertes Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoffgehalt 49,7 Gew.-% sowie 7,08 % blockierter NCO-Gehalt bezogen auf DMP.
Beispiel 8a: Vergleichspolvisocyanat, nanopartikelhaltig
344,2 g des Produkts aus Beispiel 5 wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit 955,8 g Organosilicasol™ MEK-ST innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifizierte Polyisocyanat hatte einen NCO-Gehalt von 2,1 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 42,7 Gew.- %. Der Anteil an SiO2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 22 Gew.-% und im Feststoff 50,8 Gew.-%. Das Produkt war leicht trüb und etwas gelblich.
Anschließend wurden aus 845 g dieses Produktes am Rotationsverdampfer 262 g Lösemittel bei 60 0C und 120 mbar im Vakuum entfernt. Der Festkörper resultierte bei 62,3 % und der NCO-Gehalt bei 3,01 %.
Beispiel 8b: Vergleichspolvisocvanat, nanopartikelhaltig
344,2 g des Produkts aus Beispiel 5 wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit 955,8 g Organosilicasol aus Beispiel 3 innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifizierte Polyisocyanat war transparent und hatte einen NCO-Gehalt von 1,8 Gew.-% bei einem Fest- stoffgehalt von 37,1 Gew.-%. Der Anteil an SiO2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 22,1 Gew.-% und im Feststoff 51 Gew.-%. Das Produkt war klar und etwas gelblich.
Anschließend wurden aus 895 g dieses Produktes am Rotationsverdampfer 374 g Lösemittel bei 60 0C und 120 mbar im Vakuum entfernt. Der Festkörper resultierte bei 65,0 % und der NCO-Gehalt bei 3,13 %. Beispiel 9: erfindungsgemäßes Polvisocvanat nanopartikelhaltig
187,57 g des Produkts aus Beispiel 6a wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit 312,43 g Organosilicasol gemäß Beispiel 3 innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifizierte, blockierte Polyisocyanat war flüssig und transparent und hatte einen blockierten NCO- Gehalt von 1,81 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 37,01 Gew.-%. Der Anteil an SiO2- Nanopartikeln in der Dispersion betrug 18,7 Gew.-% und im Feststoff 50,6 Gew.-%. Die Lagerstabilität betrug > 3 Monate.
Beispiel 10: erfindungsgemäßes Polyisocvanat nanopartikelhaltig
1487,5 g des Produkts aus Beispiel 6 wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit 2512,48 g Organosilicasol-MEK-ST (Nissan Chem. Corp.) innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifizierte, blockierte Polyisocyanat war flüssig und transparent und hatte einen blockierten NCO-Gehalt von 1,74 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 37,44 Gew.-%. Der Anteil an Siθ2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 18,8 Gew.-% und im Feststoff 50,4 Gew.-%.
Beispiel 11: erfindungsgemäßes Polvisocvanat nanopartikelhaltig
Aus 340,3 g des Produkts aus Beispiel 9 wurden am Rotationsverdampfer bei 60 0C und 120 mbar 140,3 g Lösemittel entfernt. Das resultierende nanopartikel-haltige Polyisocyanat war transparent und hatte einen blockierten NCO-Gehalt von 3,18 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 67,1 Gew.-%. Der Anteil an Si02-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 31,8 Gew.-% und im Feststoff 50,6 Gew.-%. Die Viskosität bei 23 0C betrug 1620 mPas. Die Lagerstabilität betrug > 3 Monate.
Beispiel 12: erfindungsgemäßes Polvisocvanat nanopartikelhaltig
Aus 771,3 g des Produkts aus Beispiel 10 wurden am Rotationsverdampfer bei 60 0C und 120 mbar 289 g Lösemittel entfernt. Das resultierende nanopartikel-haltige Polyisocyanat war transparent und hatte einen blockierten NCO-Gehalt von 2,86 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 61,5 Gew.-%. Der Anteil an SiO2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 30,9 Gew.-% und im Fest- stoff 50,4 Gew.-%.
Beispiel 13a-g erfindungsgemäße Polvisocyanate, nanopartikelhaltig
Analog zu Beispiel 9 wurden weitere erfindungsgemäße Polvisocyanate, nanopartikelhaltig, hergestellt und gegebenenfalls Lösemittel abdestilliert. Es wurden klare, flüssige Produkte erhalten.
Beispiel 14: Vergleichspolyisocyanat nach DE 10 2006 054289
In einer Standard-Rührapparatur wurden 453,6 g (1 val) Desmodur® N3300 in 80 g Butylacetat bei Raumtemperatur vorgelegt und Stickstoff mit 2L/h übergeleitet. Dann wurden innerhalb von 3 h bei Raumtemperatur 186,5 g (0,2 val) des Alkoxysilans aus Beispiel 1 in 80 g Butylacetat zugetropft.
Man erhielt ein farbloses, flüssiges Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoffgehalt 80 Gew.-%, 9,58 % NCO-Gehalt.
Beispiel 15: siloxanhaltiees Vergleichspolvisocyanat
In einer Standard-Rührapparatur wurden 492,1 g (1 val) Desmodur® N3300 in 250 g Butylacetat bei 80 0C vorgelegt und 2 l/h Stickstoff übergeleitet. Anschließend wurde 7,86 g (0,02 val) des Siloxanblockcopolyols aus Beispiel 2a bei 80 0C zugegeben und die Temperatur 4 h gehalten. Der theoretisch erwartete NCO-Gehaltes wurde titrimetrisch überprüft und dann auf Raumtemperatur abgekühlt sowie 250 g Butylacetat hinzugefügt.
Man erhielt ein klares Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoffgehalt 50,3 Gew.-% sowie 10,4 % NCO-Gehalt.
Beispiel 16: erfindungswesentliches silan- und siloxanmodifiziertes PIC
hi einer Standard-Rührapparatur wurden 350,8 g (1 val) Desmodur® N3300 in 250 g Butylacetat bei 80 0C vorgelegt und 2 l/h Stickstoff übergeleitet. Anschließend wurde 5,60 g (0,02 val) des Siloxanblockcopolyols aus Beispiel 2a bei 80 0C zugegeben und die Temperatur 4 h gehalten. Der theoretisch erwartete NCO-Gehaltes wurde titrimetrisch überprüft und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Innerhalb von 3 h wurden 143,6 g (0,2 val) des Alkoxysilans aus Beispiel 1 sowie 250 g Butylacetat hinzugefügt, wobei die Temperatur durch Eiskühlung unter 40 0C gehalten wurde. Nach Überprüfung des theoretischen NCO-Gehaltes wurde auf RT abgekühlt.
Man erhielt ein klares, flüssiges Polyisocyanat mit folgenden Kennzahlen: Feststoffgehalt 50,6 Gew.-% sowie 5,75 % NCO-Gehalt.
Beispiel 17: Vergleichspolyisocyanat, nanopartikelhaltig
129.6 g des Produkts aus Beispiel 14 in 77,8 g Butylacetat wurden in einer Standard- Rührapparatur vorgelegt und mit 392,7 g Organosilicasol™ MEK-ST (Nissan Chemicals Corp.) innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende nanopartikelmodifizierte Polyisocyanat war flüssig und transparent und hatte einen NCO-Gehalt von 1,76 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 37,2 Gew.-%. Der Anteil an SiO2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 19,6 Gew.-% und im Feststoff 53,2 Gew.-%.
Beispiel 18: Vergleichspolyisocvanat, nanopartikelhaltig
136.3 g des Produkts aus Beispiel 15 wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit
363.7 g Organosilicasol gemäß Beispiel 3 innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifi- zierte, blockierte Polyisocyanat war transluzent und hatte einen NCO-Gehalt von 2,81 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 36,2 Gew.-% und gelierte nach 1 Tag. Der Anteil an SiO2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 21 ,8 Gew.-% und im Feststoff 61 Gew.-%.
Beispiel 19: erfindungsgemäßes Polyisocyanat, nanopartikelhaltig
173.4 g des Produkts aus Beispiel 16 wurden in einer Standard-Rührapparatur vorgelegt und mit 326,6 g Organosilicasol gemäß Beispiel 3 innerhalb von 30 min versetzt. Das resultierende modifϊ- zierte, blockierte Polyisocyanat war transparent und hatte einen NCO-Gehalt von 1,94 Gew.-% bei einem Feststoffgehalt von 37,5 Gew.-%. Der Anteil an Siθ2-Nanopartikeln in der Dispersion betrug 19,6 Gew.-% und im Feststoff 52,8 Gew.-%. Die Lagerstabilität bis zur Gelierung betrug ca. 1 Monat.
Anwendungstechnische Ausprüfung der blockierten Polyisocyanate:
Das erfindungsgemäße Polyisocyanat aus Beispiel 9 wurde mit Desmophen® A870 BA in den Verhältnissen NCO/OH von 1,0 sowie 0,1% Baysilone OL 17 (fest/BM fest. 10 %-ige Lösung in MPA), 2,0% BYK 070 (Lff./BM fest), 1,0% Tinuvin 123 (Lff./BM fest), 1,5% Tinuvin 384-2 (Lff./BM fest) und 0,5 % DBTL (fest/BM fest, 10 %-ige Lösung in MPA) als Lackadditive abge- mischt und gut verrührt. Die Festkörper der Lacke lagen zwischen 40 und 50 % und wurden gegebenenfalls mit einem Lösemittelgemisch MP A/SN 1 : 1 eingestellt. Bis zur Verarbeitung wurde der Lack noch 10 min. entlüftet. Der Lack wurde dann mit einer Fließbecherpistole in 1,5 Kreuzgängen auf den vorbereiteten Untergrund appliziert (3,0-3,5 bar Druckluft, Düse: 1,4-1,5 mm 0, Abstand Düse-Substrat: ca. 20-30 cm). Nach einer Ablüftzeit von 15 min. wurde der Lack bei 1400C für 30 min. eingebrannt. Die Trockenschichtdicke betrug jeweils 30-45 μm. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Zum Vergleich wurde ein konventionelles Lacksystem aus Desmophen® A 870 und Desmodur® VP LS 2253 sowie den Vergleichspolyisocyanaten aus den Beispielen 5 und 6 mit Lackadditiven (Tabelle 1) formuliert und analog appliziert. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 zusam- mengefasst.
Tabelle 2a Vergleich der lacktechnologischen Eigenschaften, blockierter Polyisocyanate
O - gut; 5 - schlecht
Das erfindungsgemäß modifizierte, blockierte PIC enthaltend SiO2-Nanopartikel aus Beispiel 9 zeigt im Vergleich zu den modifizierten Polyisocyanaten aus den Beispielen 5 und 6 sowie zu dem DMP-blockierten Polyisocyanat LS 2253 Verbesserungen der Lösemittelbeständigkeit, der Was- serbeständigkeit sowie der Trocken- und Naßverkratzung sowohl vor als auch nach Reflow. Die anderen Eigenschaften blieben dabei erhalten. In einer weiteren Prüfreihe wurden aminosilanmodifϊzierte, nanopartikelhaltige Polyisocyanate (DE 10 2006 054289) mit erfindungsgemäßen Amino- und Polysiloxanmodifizierten, nanoparti- kelhaltigen Polyisocyanaten verglichen. Hierzu wurde ähnlich wie oben beschrieben verfahren. Die Aushärtung erfolgte mit Desmophen A870 bei einem NCO-Verhältnis von 1 :1. Die Lacke wurden jedoch mit Hilfe von MPA/SN100 (1:1) auf Auslaufviskositäten zwischen 20 und 25 sec eingestellt und nicht auf einen Festkörpergehalt. Daraus resultierten Spritzfestkörper von 40 bis 60 %. Die Trocknung erfolgte 30 min bei RT, dann 30 min bei 1400C und anschließend 16h bei 600C. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2b dargestellt.
Tabelle 2b Vergleich der lacktechnologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen blo- ckierten Polyisocyanate mit dem Ansatz aus DE 10 2006 054289
Das erfindungsgemäß modifizierte, nanopartikelhaltige Polyisocyanat aus Beispiel 12 zeigt in der eingesetzten Formulierung eine verbesserte Kratzfestigkeit, Pendelhärte sowie Verlauf, Glanz und Haze im Vergleich zu dem aminosilanmodifizierten, nanopartikelhaltigen Polyisocyanat entsprechend DE 10 2006 054289 (Beispiel 8a). Durch Einsatz des Organosols aus Beispiel 3 entspre- chend Beispiel 8b konnten die Kratzfestigkeit und Pendelhärte des Polyisocyanaes entsprechend DE 10 2006 054289 zwar deutlich verbessert werden, das Niveau des erfindungsgemäßen Polyiso- cyanates konnte jedoch nicht erreicht werden. Grundsätzlich lassen sich Trockenkratzfestigkeit und Lösemittelbeständigkeit durch erfindungsgemäßes Polyisocyanat gegenüber dem nanoparti- kelfreien Vergleich verbessern.
Tabelle 2c Vergleich der lacktechnologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen blockierten Polyisocyanate, unterschiedlicher Siloxanbaustein
Erfindungsgemäßes, nanopartikelhaltiges Polyisocyanat zeigt eine deutlich erhöhte Kratzfestigkeit und Pendelhärte im Vergleich zum Standard.
Anwendungstechnische Ausprüfung der nicht blockierten Polyisocyanate:
Allgemeine Bedingungen MMT 79-72/1 , 2, 5, 6 sowie MMT 79-57/6:
A 870 BA, Katalysatorfrei, 40-50 % Spritzkörpergehalt, 25 min bei 140 0C + 16 h bei 60 0C Einbrennbedingungen, Klarlackschichtdicke 35-52 μm, klare Lacke, visuell i.O.
Anwendungstechnische Prüfung
Das erfindungsgemäße Polyisocyanat aus Beispiele 16 wurde mit Desmophen® A 870 BA in den Verhältnissen NCO/OH von 1:0 sowie Lackadditiven (Tabelle 3) abgemischt und gut verrührt. Die Festkörper der Lacke lagen zwischen 40 und 50 % und wurden gegebenenfalls mit einem Lösemittelgemisch MP A/SN 1:1 eingestellt. Bis zur Verarbeitung wurde der Lack noch 10 min. entlüftet. Der Lack wurde dann mit einer Fließbecherpistole in 1 ,5 Kreuzgängen auf den vorbereiteten Un- tergrund appliziert (3,0-3,5 bar Druckluft, Düse: 1,4-1,5 mm 0, Abstand Düse-Substrat: ca. 20-30 cm). Nach einer Ablüftzeit von 15 min. wurde der Lack bei 1400C für 25 min. eingebrannt. Die Trockenschichtdicke betrug jeweils 30-45 μm. Nach einer Konditionierung/Alterung von 16 h bei 600C wurde mit der lacktechnischen Prüfung begonnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusam- mengestellt.
Zum Vergleich wurde ein konventionelles Lacksystem aus Desmophen® A 870 und Desmodur® N 3390 sowie den modifizierten, nanopartikel-freien Polyisocyanaten aus Beispiel 12 bis 14 mit Lackadditiven (Tabelle 3) formuliert und analog appliziert. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 3 Einsatzmengen Additive
Standard 2K-PUR-Lacke:
0,1% Baysilone OL 17 (fest/BM fest), eingesetzt als 10 %-ige Lösung in MPA
2,0% BYK 070 (Lff./BM fest)
1,0% Tinuvin 123 (Lff/BM fest)
1 ,5% Tinuvin 384-2 (Lff./BM fest)
Tabelle 4 Vergleich der lacktechnologischen Eigenschaften, 2K, unblockierte Polyisocyanate
1 - gut; 5 - schlecht
Das erfindungsgemäß modifizierte Polyisocyanat enthaltend SiO2-Nanopartikel aus Beispiel 18 zeigt Verbesserungen bei der Wasserbeständigkeit und Trockenverkratzung, sowohl vor als auch nach Reflow im Vergleich zum reinen Polyisocyanat (Standard 2K). Die Naßverkratzung vor Reflow wurde ebenfalls verbessert. Im Vergleich zu DE 10 2006 054289 (Bsp. 16) konnte die Lösemittelbeständigkeit und die Pendelhärte verbessert werden.

Claims

Pateπtansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung nanopartikelmodifizierter Polyisocyanate, bei dem
A) Polyisocyanate mit
B) Alkoxysilanen der Formel (I)
Q-Z-SiX3Y3-3 (I)
in welcher
Q eine gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppe,
X eine hydrolysierbare Gruppe,
Y gleiche oder verschiedene Alkylgruppen
Z eine Ci-C12-Alkylengruppe und
a eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist,
C) hydroxylgruppenhaltigen Polysiloxanen mit zahlenmittleren Molekulargewichten von 200 bis 3000 g/mol und einer mittleren OH-Funktionalität von größer oder gleich 1,8 gemäß Formel (II)
in welcher
X ein aliphatischer, gegebenenfalls verzweigter Ci- bis Cj0-ReSt, bevorzugt Methyl-,
Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butylrest, besonders bevorzugt Methylrest oder Si -[-[0-CH2-CHZ]n-O-] Einheit mit Z = H oder Methyl, bevorzugt H und n = 1 -
12, bevorzugt 1 bis 5 oder ganz besonders bevorzugt eine [-CH2-O-(CH2),--]-- Si Einheit mit r = 1 bis 4, bevorzugt mit r = 3 ist, R ein hydroxyfunktioneller Carbonsäureester der Formel
wobei x = 3 bis 5, bevorzugt 5 ist,
oder bevorzugt eine -CH(OH)Y Gruppe ist, in welcher
Y eine -CH2-N(R2R3) Gruppe ist, wobei
R2 ein H, ein Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, Cyclohexylrest, ein 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropyl- rest sein kann und R3 ein 2-Hydroxyethyl-, 2-Hydroxypropyl-, 3-Hydroxypropyl- rest sein kann,
R1 gleich oder verschieden sein kann und Wasserstoff oder ein gegebenenfalls hetero- atomhaltiger Cr bis Ci0-Kohlenwasserstoffrest ist und n 1 bis 40 ist
D) gegebenenfalls Blockierungsmitteln
umgesetzt werden, und anschließend
E) anorganische Partikel mit einer mittels dynamischer Lichtstreuung in Dispersion bestimmten mittleren Partikelgröße (Z-Mittelwert) von kleiner als 200 nm, die gegebenenfalls o- berflächenmodifiziert sind, eindispergiert werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in A) Polyisocyanate mit Uretdi- on-, Isocyanurat-, Allophanat-, Biuret-, Iminooxadiazindion- und/oder Oxadiazintrionstruktu- ren eingesetzt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in A) Polyisocyanate auf Basis von IPDI, MDI, TDI, HDI oder deren Gemischen eingesetzt werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Formel (I) die Gruppe X eine Alkoxy- oder Hydroxygruppe, Y eine lineare oder verzweigte Q-C4- Alkylgruppe und Z eine lineare oder verzweigte Ci-C4-Alkylengruppe ist, wobei a in Formel (I) für 1 oder 2 steht und die Gruppe Q eine gegenüber Isocyanaten unter Urethan-, Hamstoff- oder Thioharnstoffbildung reagierende Gruppe ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in B) als Verbindungen der Formel (I) alkoxysilylgruppenhaltige Asparaginsäureester eingesetzt werden.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den hydro- xylgruppenhaltigen Polysiloxanen der Formel (II) R ein hydroxyfunktioneller Carbonsäureester der Formel
wobei x = 3 bis 5 ist,
oder eine hydroxyalkylfunktionelle Aminogruppe der Formel
OH
.R'
wobei
R2 ein aliphatischer linearer, verzweigter oder cyclischer Hydroxyalkylrest und
R3 Wasserstoff oder entsprechend der Definition des Restes R2 ist
ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydro- xylgruppenhaltigen Polydimethylsiloxane der Formel (II) zahlenmittlere Molekulargewichte von 250 bis 2250 g/mol haben.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der NCO-Gruppen des in A) eingesetzten zu modifizierenden Polyisocyanats zu den NCO- reaktiven OH-Gruppen des hydroxylgruppenhaltigen Polysiloxans der Formel (IT) 1 : 0,001 bis 1 : 0,4 und das Verhältnis der NCO-Gruppen des in A) eingesetzten zu modifizierenden Polyisocyanats zu den NCO-reaktiven Gruppen Q des Alkoxysilans der Formel (I) 1 : 0,01 bis 1 : 0,75 beträgt.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt D) die noch freien Isocyanatgruppen blockiert werden.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in Schritt E) in Form von Dispersionen in organischen Lösungsmitteln eingebracht werden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als organische Lösungsmittel alkohol- und ketonfreie Lösungsmittel eingesetzt werden.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Nanopartikel in Schritt E) Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirkonoxid, Nioboxid oder Titanoxid, Zinkoxid eingesetzt werden.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in E) eingesetzten Nanopartikel oberflächenmodifiziert sind.
14. Nanopartikelmodifϊzierte Polyisocyanate erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Polyurethansysteme umfassend nanopartikelmodifizierte Polyisocyanate gemäß Anspruch 14.
16. Beschichtungen, Verklebungen oder Formkörper erhältlich unter Verwendung der Polyurethansysteme gemäß Anspruch 15.
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