Sterisch stabilisierte wäßrige Polymer-Dispersionen Sterically stabilized aqueous polymer dispersions
Beschreibung:Description:
Die vorliegende Erfindung betrifft sterisch stabilisierte wäßrige Dispersionen von Polymeren auf Basis von radikalisch polymerisierten ethylenisch ungesättigten Monomeren, ihre Herstellung und ihre Verwendung als Filmbildner, beispiels¬ weise zur Herstellung von Beschichtungen.The present invention relates to sterically stabilized aqueous dispersions of polymers based on free-radically polymerized ethylenically unsaturated monomers, their preparation and their use as film formers, for example for the production of coatings.
Polymer-Dispersionen haben im allgemeinen gegenüber Polymer- Lösungen den Vorteil, daß sie mit relativ geringem Anteil an Lösungsmitteln (Dispersionsmedium) bei dennoch relativ niedrigen Verarbeitungsviskositäten Polymer-Zubereitungen von erstaunlich hohem Feststoffgehalt anzuwenden gestatten. Der dabei geringere erforderliche Anteil an Lösungsmittel kommt den Anforderungen an die Luftreinhaltung entgegen.Polymer dispersions generally have the advantage over polymer solutions that they allow polymer preparations of surprisingly high solids content to be used with a relatively low proportion of solvents (dispersion medium) but nevertheless relatively low processing viscosities. The lower proportion of solvent required meets the requirements for air pollution control.
Die zunehmend strengeren Luftreinhaltungsvorschriften und Kostenüberlegungen führten schließlich zu Entwicklungen, bei denen weitgehend auf die organischen Lösungsmittel, sei esThe increasingly strict air pollution control regulations and cost considerations eventually led to developments that largely rely on organic solvents, either
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als Lösungsmittel oder Dispersionsmedium, verzichtet und statt dessen das umweltunbedenkliche und preiswertere Wasser eingesetzt wird.REPLACEMENT LEAF as a solvent or dispersion medium, and instead the environmentally safe and cheaper water is used.
Wäßrige Polymer-Dispersionen werden vielfach beschrieben und finden zunehmend Verwendung selbst dort, wo an das Endpro¬ dukt, beispielsweise Beschichtungen, höhere Anforderungen gestellt werden.Aqueous polymer dispersions have been widely described and are increasingly being used even where higher demands are placed on the end product, for example coatings.
Bei der Einführung von wäßrigen Polymer-Dispersionen spielte das Problem der Stabilität dieser Dispersionen eine zentrale Rolle. Im allgemeinen koagulierten die Dispersionsteilchen nach relativ kurzen Standzeiten und setzten sich ab. Inzwi¬ schen können lagerstabile Polymerdispersionen zur Verfügung gestellt werden, die brauchbare LagerStabilitäten aufweisen. Es kam dabei insbesondere darauf an, den - im allgemeinen anionischen - Emulgator, das Schutzkolloid bzw. den soge¬ nannten inneren Stabilisator in geeigneter Weise abzustim¬ men, was mehr oder weniger auf empirische Weise geschah. Brauchbare Ergebnisse werden dabei allerding zumeist nur dann erhalten, wenn sowohl Emulgator als auch Schutzkolloid und innerer Stabilisator relativ stark polarisierte bis ionische Gruppen aufweisen. Die Stabilisierung beruht dabei also vor allem auf der elektrostatischen Abstoßung polar gleich ausgerichteter Ladungen an den Dispersionsteilchen- Oberflächen. - Derartig stabilisierte Dispersionssysteme weisen allerdings daher die folgenden zwei schwerwiegenden Nachteile auf:The problem of the stability of these dispersions played a central role in the introduction of aqueous polymer dispersions. In general, the dispersion particles coagulated and settled after a relatively short service life. In the meantime, storage-stable polymer dispersions can be provided which have usable storage stability. It was particularly important to suitably coordinate the - generally anionic - emulsifier, the protective colloid or the so-called internal stabilizer, which was done more or less empirically. Useful results are usually only obtained if both the emulsifier and the protective colloid and inner stabilizer have relatively strongly polarized to ionic groups. The stabilization is based primarily on the electrostatic repulsion of polar charges of the same orientation on the surfaces of the dispersion particles. Dispersion systems stabilized in this way therefore have the following two serious disadvantages:
Sie sind im Hinblick auf ihre Stabilität sehr empfind¬ lich gegen Elektrolyt-Zusatz.With regard to their stability, they are very sensitive to the addition of electrolyte.
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Aus ihnen hergestellte Formkörper, z.B. Lackfilme sind gegenüber wäßrigen Außeneinflüssen relativ instabil.REPLACEMENT LEAF Moldings made from them, for example paint films, are relatively unstable with regard to aqueous external influences.
Der letztere Nachteil wird ganz offensichtlich dadurch verursacht, daß nach Herstellung von beispielsweise aus diesen wäßrigen Polymer-Dispersionen und nach Abdunsten des Dispersionsmediums keine völlig homogenen Schichten ausge¬ bildet werden, sondern vielmehr durch ungenügende Koaleszenz eine inhomogene und durch die Dispersionsteilchen vorgege¬ bene Waben-Struktur erhalten bleibt. In den Grenzflächen dieser Waben sind die polaren bis ionischen ursprünglich stabilisierenden Gruppierungen von Emulgator, Schutzkolloid bzw. innerem Stabilisator angereichert, und längs dieser hydrophilen Grenzflächenstrukturen können nun leicht polare Stoffe geringen Molekulargewichts, wie z.B. Wasser, diffun¬ dieren und so die Beschichtung unbrauchbar machen. Außerdem können die jeweils verwendeten Emulgatoren längs dieser Wabenflächen entweder zur Beschichtungsoberfläche migrieren (ausschwitzen) oder zum Substrat migrieren. Im ersteren Fall erhält die Oberfläche eine unerwünschte Klebrigkeit; im letzteren ist ein Haftungsverlust zu verzeichnen.The latter disadvantage is obviously caused by the fact that after the production of these aqueous polymer dispersions, for example, and after the dispersion medium has evaporated, no completely homogeneous layers are formed, but rather an inhomogeneous honeycomb structure predetermined by the dispersion particles and rather by insufficient coalescence. Structure is preserved. The polar to ionic originally stabilizing groups of emulsifier, protective colloid or inner stabilizer are enriched in the interfaces of these honeycombs, and along these hydrophilic interface structures, slightly polar substances of low molecular weight, such as e.g. Water, diffuse and thus render the coating unusable. In addition, the emulsifiers used in each case can either migrate (sweat out) or migrate to the substrate along these honeycomb surfaces. In the former case, the surface gets an undesirable stickiness; in the latter there is a loss of liability.
Es bestand somit ein Bedürfnis nach stabilen wäßrigen Polymer-Dispersionen, die diese Nachteile nicht aufweisen. Die sich daraus ergebende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch sterisch stabilisierte emulgatorfreie wäßrige Dispersionen von Polymeren auf Basis von radikalisch polymerisierten ethylenisch ungesättigten Monomeren und einem Schutzkolloid, welche dadurch gekennzeichnet sind, daßThere was therefore a need for stable aqueous polymer dispersions which do not have these disadvantages. The object resulting therefrom is achieved according to the invention by sterically stabilized, emulsifier-free aqueous dispersions of polymers based on free-radically polymerized ethylenically unsaturated monomers and a protective colloid, which are characterized in that
(1) die Dispersionen im wesentlichen frei von organischen Lösungsmitteln sind,(1) the dispersions are essentially free of organic solvents,
(2) das Schutzkolloid im wesentlichen aus einem freiradikalisch mit im wesentlichen hydrophoben Ketten auf(2) the protective colloid consists essentially of a free radical with essentially hydrophobic chains
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Basis von ethylenisch ungesättigten Monomeren gepfropften im wesentlichen gesättigten wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Polymeren besteht undREPLACEMENT LEAF Basis of ethylenically unsaturated monomers grafted essentially saturated water-soluble or water-dispersible polymers and
(3) das Schutzkolloid im wesentlichen keine ionischen(3) the protective colloid is essentially non-ionic
Gruppen enthält.Contains groups.
Es werden somit stabile Dispersionen zur Verfügung gestellt, welche im"wesentlichen keine ionische Gruppen an der Grenz¬ fläche zwischen Dispersionsteilchen und wäßrigem Medium aufweisen, und deren Stabilisierung allein auf sterischen Effekten beruht.There are thus provided stable dispersions available, which in the "substantially no ionic groups at the surface between Grenz¬ dispersion and an aqueous medium have, and their stabilization is based solely on steric effects.
Ein Verfahren zur Herstellung von sterisch stabilisierten wäßrigen Dispersionen von Polymeren auf Basis von ethyle¬ nisch ungesättigten Monomeren wird auch in der US-Patent¬ schrift 4 453 261 beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift kann das sterisch stabilisierende Hilfsmittel unter anderem auch irgendein gepfropftes Polymer sein. Wie dieser Schrift weiter zu entnehmen ist, handelt es sich bei der Herstellung der Pfropfpolymeren bevorzugt nur um eine Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren, wobei ein langkettiges hydrophiles Monomer und ein kurzkettiges hydrophobes Monomer zu einer hydrophoben Hauptkette mit hydrophilen Seitenketten führen. Ganz anders verhält es sich bei der Herstellung erfindungsgemäßer Schutzkolloide: Hier handelt es sich um eine Pfropfung im engeren Sinne, bei der an einer gesättig¬ ten Polymerkette durch Radikalbildung reaktive Zentren und schließlich hydrophobe Seitenketten auf hydrophiler Haupt¬ kette gebildet werden.A process for the preparation of sterically stabilized aqueous dispersions of polymers based on ethylenically unsaturated monomers is also described in US Pat. No. 4,453,261. According to this document, the sterically stabilizing aid can also be any grafted polymer, among other things. As can further be seen from this document, the preparation of the graft polymers is preferably only a polymerization of ethylenically unsaturated monomers, a long-chain hydrophilic monomer and a short-chain hydrophobic monomer leading to a hydrophobic main chain with hydrophilic side chains. The situation is quite different in the production of protective colloids according to the invention: This is a grafting in the narrower sense in which reactive centers are formed on a saturated polymer chain by radical formation and finally hydrophobic side chains on a hydrophilic main chain.
Entsprechend sind die Seitenketten der bevorzugten Schutz- kolloide gemäß US-PS 4 453 261 zur wäßrigen Phase hin ausge¬ richtet, während diejenigen der erfindungsgemäßenAccordingly, the side chains of the preferred protective colloids according to US Pat. No. 4,453,261 are oriented toward the aqueous phase, while those of the inventive ones
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Schutzkolloide sich in das Innere der Dispersionsteilchen hin orientieren. Somit liegen wesentlich andere Dispersions- teilchen-Strukturen vor und müssen gemäß dem Stabilisierungsprinzip in den erfindungsgemäßen Dispersionen nicht zwingend organische, wasserverträgliche Lösungsmittel wie gemäß US-PS 4 453 261 zugesetzt werden, um tatsächlich stabile Dispersionen zu erhalten bzw. weiterzuverarbeiten zu beispielsweise brauchbaren Beschichtungsfilmen. Ganz offen¬ sichtlich werden die erheblichen Mengen Lösungsmittel in den Dispersionen gemäß US-PS 4 453 261 dazu benötigt, durch Anquellen der Polymeren in den Disperionsteilchen deren Beweglichkeit zu erhöhen und damit ausreichende Dispersions¬ stabilität, aber auch ausreichende Koaleszenz der Teilchen bei der Filmbildung zu erreichen. Diese Funktion des Lö¬ sungsmittels übernehmen demgegenüber in den erfindungsge¬ mäßen Dispersionsteilchen bereits die in das Innere der Teilchen ausgerichteten hydrophoben Seitenketten, so daß zusätzliche Koaleszenzhilfsmittel nicht erforderlich sind.REPLACEMENT LEAF Protective colloids orient themselves into the interior of the dispersion particles. Thus, there are substantially different dispersion particle structures and, in accordance with the stabilization principle, organic, water-compatible solvents such as in US Pat. No. 4,453,261 do not necessarily have to be added to the dispersions according to the invention in order to actually obtain stable dispersions or to further process them into, for example, usable coating films. Obviously, the considerable amounts of solvent in the dispersions according to US Pat. No. 4,453,261 are required to increase their mobility by swelling of the polymers in the dispersion particles and thus to ensure sufficient dispersion stability but also sufficient coalescence of the particles during film formation to reach. In contrast, in the dispersion particles according to the invention, this function of the solvent is already taken over by the hydrophobic side chains aligned in the interior of the particles, so that additional coalescence aids are not required.
Die erfindungsgemäßen sterisch stabilisierten wäßrigen Polymer-Dispersionen kommen somit der Maximalforderung nach umweltfreundlichen, also möglichst ganz lösungsmittelfreien Beschichtungssystemen wesentlich vorteilhafter und kompro¬ mißloser entgegen.The sterically stabilized aqueous polymer dispersions according to the invention thus meet the maximum demand for environmentally friendly, that is to say as completely as possible solvent-free, coating systems in a substantially more advantageous and uncompromising manner.
Mit Acrylat-Monomeren gepfropfte hydrophile Polymere als Schutzkolloide für die Emulsionspolymerisation von ethyle¬ nisch ungesättigten Monomeren beschreibt auch die japanische Offenlegungsschrift 55-161 806. Als Schutzkolloide fungieren hier durch Pfropfen modifizierte Stärkeprodukte. Mit diesen Schutzkolloiden soll erreicht werden, daß sich brauchbare wäßrige Polymer-Disperionen auf Basis nicht nur weniger ausgewählter ethylenisch ungesättigter Monomerer, sondernJapanese patent application 55-161 806 also describes hydrophilic polymers grafted with acrylate monomers as protective colloids for the emulsion polymerization of ethylenically unsaturated monomers. Starch products modified by grafting function here as protective colloids. With these protective colloids it should be achieved that usable aqueous polymer dispersions based on not only less selected ethylenically unsaturated monomers, but
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eines wesentlich erweiterten Spektrums an Monomeren durch Emulsionspolymerisation herstellen lassen. Anders als die erfindungsgemäßen aufgepfropften hydrophoben Monomeren sind die gemäß Jap. -Kokai 55-161 806 aufgepfropften Monomeren jedoch hydrophile Acrylate, wie sie aus der dort angegebenen allgemeinen chemischen Formel ersichtlich sind. Demzufolge richten sich die durch Aufpfropfen dieser hydrophilen Monomeren auf die Stärkekette gebildeten Seitenketten in der Disperion zur wäßrigen Phase hin aus, ebenso wie im Falle der Schutzkolloide gemäß US-PS 4 453 261; somit resultieren ebensolche gegenüber den erfindungsgemäßen andersartig stabilisierte Dispersionen (s. Ausführungen zu dieser US-Patentschrift) .REPLACEMENT LEAF have a much wider range of monomers produced by emulsion polymerization. Unlike the grafted hydrophobic monomers according to the invention, those according to Jap. -Kokai 55-161 806 grafted monomers but hydrophilic acrylates, as can be seen from the general chemical formula given there. Accordingly, the side chains formed by grafting these hydrophilic monomers onto the starch chain are oriented in the dispersion towards the aqueous phase, as is the case with the protective colloids according to US Pat. No. 4,453,261; this results in dispersions stabilized differently compared to the invention (see comments on this US patent).
Im übrigen unterscheidet sich der Gegenstand der Jap. Kokai 55-161 806 von der vorliegenden Erfindung insbesondere auch durch die Anwesenheit von Emulgatoren, die zudem ionische Ladungen tragen, während erfindungsgemäß aus oben genannten Gründen gerade auf derartige Emulgatoren ver¬ zichtet wird. Es ist daher nicht zu erwarten, daß derartige emulgatorhaltige Dispersionen ausreichend elektrolytstabil oder daraus resultierende Filme stabil gegenüber wäßrigen Medien sind, über die Eigenschaften dieser Polyacrylat- Dispersionen und ihre Anwendung wird in Jap. Kokai - 55-161 806 auch nichts weiter angegeben was über die Lager¬ stabilität hinausgeht. Im übrigen erweisen sich die in der Jap.Kokai angegebenen Versuchsbeispiele als nicht ausführ¬ bar: Die gemäß den dort angegebenen Arbeitsvorschriften hergestellten gepfropften Stärkeprodukte A bis C führten weder bei der Emulsionspolymerisation von Ethylhexylacrylat gemäß Arbeitsvorschrift dieser Jap. Kokai noch bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Emulsionspolymeri¬ sation zu stauen Dispersionen.Otherwise the subject of the Jap differs. Kokai 55-161 806 of the present invention in particular also due to the presence of emulsifiers which also carry ionic charges, while according to the invention, for the reasons mentioned above, such emulsifiers are dispensed with. It is therefore not to be expected that such emulsifier-containing dispersions are sufficiently stable to electrolytes or the resulting films are stable to aqueous media. The properties of these polyacrylate dispersions and their use are described in Jap. Kokai - 55-161 806 also stated nothing that goes beyond the storage stability. For the rest, the experimental examples given in Japanese Kokai prove not to be feasible: the grafted starch products A to C produced according to the working instructions given therein did not result in the emulsion polymerization of ethylhexyl acrylate in accordance with the working instructions of these Japanese. Kokai still in an embodiment of the emulsion polymerization according to the invention to stow dispersions.
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Es war überaus überraschend, daß mit erfindungsgemäßen Schutzkolloiden auch ohne die Anwesenheit des bei Emulsions- polymerisationen als Voraussetzung für resultierende stabile Dispersionen scheinbar unverzichtbaren insbesondere ioni¬ schen Emulgators tatsächlich stabile Dispersionen erhalten werden können.REPLACEMENT LEAF It was extremely surprising that protective colloids according to the invention can actually be used to obtain stable dispersions without the presence of the apparently indispensable, in particular ionic emulsifier, which is a prerequisite for resulting stable dispersions in emulsion polymerizations.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, daß mit der Bezeichnung "Emulgator" übliche Emulsionsstabilisa¬ toren mit oberflächenaktiven Eigenschaften verstanden werden sollen, nicht aber solche Stabilisatoren mit der Wirkung von Verdickungsmitteln, die ja vorliegend gesondert als Schutz¬ kolloide bezeichnet werden (vgl. Einteilung der Emulgatoren in "Römpps Chemie-Lexikon, 8. Auflage, 1981, Seite 1126").At this point, it should be expressly pointed out that the term "emulsifier" is to be understood as meaning conventional emulsion stabilizers with surface-active properties, but not those stabilizers with the action of thickeners, which in the present case are referred to separately as protective colloids (cf. Classification of the emulsifiers in "Römpps Chemie-Lexikon, 8th edition, 1981, page 1126").
Die Schutzkolloide, welche die erfindungsgemäßen wäßrigen Polymer-Dispersionen sterisch stabilisieren, werden aus Schutzkolloid-Vorstufen, welche wasserlösliche oder wasser- dispergierbare natürliche oder synthetische Polymere sein können, durch Pfropfen gebildet. Beispiele für solche Schutzkolloid-Vorstufen sind erfindungsgemäß bevorzugt Polysaccharide und Polymerisate aus äthylenisch unge¬ sättigten Monomeren.The protective colloids which sterically stabilize the aqueous polymer dispersions according to the invention are formed from protective colloid precursors, which can be water-soluble or water-dispersible natural or synthetic polymers, by grafting. Examples of such protective colloid precursors are, according to the invention, preferably polysaccharides and polymers made from ethylenically unsaturated monomers.
Bevorzugt lassen sich die natürlich vorkommenden, nicht modifizierten Polysaccharide einsetzen. Bevorzugte natürlich vorkommende Polysaccharide bzw. diese enthaltende Naturstoffe sind diejenigen aus der Gruppe der Poly-α- glycosen wie Stärken, Amylosen, Amylopektine, Dextrine, Dextrane und Pullulane, aus der Gruppe der Polygalactosen wie Gummi arabicu , Agar Agar, Traganth, Carrageenin und Pektine, und aus der Gruppe der Polymannosen wie Carubin, Taragummi, Algin, Alginsäure und Guar (Galactomannose) .The naturally occurring, unmodified polysaccharides can preferably be used. Preferred naturally occurring polysaccharides or natural substances containing them are those from the group of poly-α-glycoses such as starches, amyloses, amylopectins, dextrins, dextrans and pullulans, from the group of polygalactoses such as gum arabic, agar agar, tragacanth, carrageenin and pectins , and from the group of polymannoses such as carubin, tara gum, algin, alginic acid and guar (galactomannose).
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Unter den Polymerisaten aus ethylenisch ungesättigten Monomeren erweisen sich als Schutzkolloidvorstufe vor allem Polyvinylverbindungen und unter diesen besonders Polyvinyl¬ pyrrolidon und Polyvinylalkohol als geeignet.REPLACEMENT LEAF Among the polymers made from ethylenically unsaturated monomers, polyvinyl compounds in particular have proven to be suitable as protective colloid precursors, and among them polyvinyl pyrrolidone and polyvinyl alcohol are particularly suitable.
Bevorzugt werden solche Polymere als Schutzkolloid-Vorstufe, welche ein Polymergewicht von 10.000 bis 5.000.000 und insbesondee von 50.000 bis 500.000 aufweisen.Those polymers are preferred as protective colloid precursors which have a polymer weight of 10,000 to 5,000,000 and in particular 50,000 to 500,000.
Als im wesentlichen hydrophobe ethylenisch ungesättigte, auf die Schutzkolloidvorstufe unter Ausbildung von hydrophoben Seitenketten aufpfropfbare Monomere kommen solche in Frage, welche an die radikalisch aktivierten Zentren des gesättig¬ ten Polymeren angelagert werden können.Suitable essentially hydrophobic ethylenically unsaturated monomers which can be grafted onto the protective colloid precursor to form hydrophobic side chains are those which can be attached to the radically activated centers of the saturated polymer.
Derartige zum Pfropfen geeignete Monomere sind insbesondere solche, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Alkylester von Acrylsäure oder Methacrylsäure, des Methacrylsäureben- zylesters, der Dialkylester von Itaconsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure, des Acrylnitrils oder Methacrylnitrils, des Styrols oder der mittels Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlen¬ stoffatomen oder mittels eines Chloratoms substituierten Styrolverbindungen, der Vinylester von aliphatischen Carbon¬ säuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen. Die Alkylgruppen der genannten Ester und substituierten Styrolverbindungen können geradkettig oder verzweigt sein. Die genannten Pfropfmonome- ren können sowohl allein oder in Mischung aufgepfropft sein. Es können aber auch die freien ungesättigten Säuren, vor allem Acrylsäure oder Methacrylsäure, Acrylamid oder Meth- acrylamid, ebenso wie Hydroxyalkyl-acrylate oder Methacryla- te, jeweils in geringen Anteilen im Gemisch mit einem oder mehreren der obengenannten Monomeren vorteilhaft eingesetzt werden.Such monomers suitable for grafting are, in particular, those selected from the group of the alkyl esters of acrylic acid or methacrylic acid, the methacrylic acid benzyl ester, the dialkyl esters of itaconic acid, maleic acid or fumaric acid, acrylonitrile or methacrylonitrile, styrene or those with alkyl groups with 1 to 4 carbon atoms or styrene compounds substituted by a chlorine atom, the vinyl esters of aliphatic carboxylic acids having 2 to 12 carbon atoms. The alkyl groups of the esters and substituted styrene compounds mentioned can be straight-chain or branched. The graft monomers mentioned can be grafted on either alone or in a mixture. However, the free unsaturated acids, especially acrylic acid or methacrylic acid, acrylamide or methacrylamide, as well as hydroxyalkyl acrylates or methacrylates, each in small proportions in a mixture with one or more of the abovementioned monomers, can also be used advantageously.
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Unter den genannten Alkylestern von Acrylsäure und Meth¬ acrylsäure sowie den genannten Dialkylestern ethylenisch ungesättigter Dicarbonsäuren werden solche mit 1 bis 18 Koh¬ lenstoffatomen und insbesondere mit 1 bis 8 Kohlenstoff¬ atomen in der Alkylgruppe bevorzugt. Bevorzugte Pfropf-Mono¬ mere sind ferner die Monomeren Acrylnitril, Styrol, Vinylto- luol, t-Butylstyrol, Vinylacetat oder Vinylpropionat.REPLACEMENT LEAF Among the alkyl esters of acrylic acid and methacrylic acid mentioned and the dialkyl esters of ethylenically unsaturated dicarboxylic acids mentioned, preference is given to those having 1 to 18 carbon atoms and in particular having 1 to 8 carbon atoms in the alkyl group. Preferred graft monomers are also the monomers acrylonitrile, styrene, vinyl toluene, t-butyl styrene, vinyl acetate or vinyl propionate.
In den meisten Fällen sind die die aufgepfropften Seitenket¬ ten aufbauenden Monomeren auch solche Monomere, die am Aufbau des übrigen Dispersions-Polymeren beteiligt sind.In most cases, the monomers which form the grafted-on side chains are also those monomers which are involved in the structure of the other dispersion polymers.
Bevorzugte Schutzkolloide sind im übrigen solche, in denen die durchschnittliche Länge der aufgepfropften Seitenketten 10 bis 100 Monomereinheiten beträgt bzw. solche, in denen die durchschnittliche Anzahl der aufgepfropften Seitenketten 50 bis 1000 je Hauptkette des Schutzkolloids ist.Preferred protective colloids are, moreover, those in which the average length of the grafted-on side chains is 10 to 100 monomer units or those in which the average number of grafted-on side chains is 50 to 1000 per main chain of the protective colloid.
Das Polymergewicht der gepfropften Polymeren ist nicht mehr meßbar, weil schon zu hoch, so daß die Polymeren nicht mehr gelöst werden können.The polymer weight of the grafted polymers can no longer be measured because it is already too high so that the polymers can no longer be dissolved.
Zur Herstellung der gewünschten erfindungsgemäßen stabilen Polymer-Dispersionen ist ein Zusatz von üblichen Emulgatoren nicht erforderlich und genügt zumeist schon ein niedriger Anteil an Schutzkolloid. Brauchbare Stabilitäten werden so in sehr vielen Fällen schon mit Schutzkolloiden erreicht, die einen Anteil an Schutzkolloidvorstufe von weniger als 1 Gew.% repräsentieren, bezogen auf das Gesamt-Gewicht der für den Aufbau des Propf- und der Emulsionspolymerisates benötigten ethylenisch ungesättigten Monomeren. Die obere Grenze für diesen Anteil an Schutzkolloidvorstufe kann in weiten Grenzen variieren, doch wird man den Anteil ausIt is not necessary to add conventional emulsifiers to produce the desired stable polymer dispersions according to the invention, and a low proportion of protective colloid is usually sufficient. In many cases, usable stabilities are already achieved with protective colloids which represent a proportion of protective colloid precursor of less than 1% by weight, based on the total weight of the ethylenically unsaturated monomers required for the structure of the graft and emulsion polymers. The upper limit for this level of protective colloid precursor can vary within wide limits, but the percentage will be off
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ökonomischen Gründen oder im Hinblick auf die angestrebte Beständigkeit der resultierenden Lackfilme gegenüber wäßri¬ gen Medien möglichst nicht allzu hoch ansetzen; sie kann aber durchaus bei 20 Gew.% liegen. Ein besonders bevorzugter Bereich des Schutzkolloid-Anteils liegt zwischen 1 und 10 Gew.%, bezogen auf das Gewicht nichtflüchtiger Anteile der Polymer-Dispersion. Bevorzugt wird ein Anteil an Schutz- kolloidvorstufe von 0,2 bis 20 Gew.% und besonders bevorzugt von 1 bis 10 Gew.%, bezogen jeweils auf das Gesamtgewicht der Monomeren in den Seitenketten des Pfropfpolymeren und im Emulsionspolymerisat.REPLACEMENT LEAF For economic reasons or in view of the desired resistance of the resulting paint films to aqueous media, do not set them too high; however, it may well be 20% by weight. A particularly preferred range of the protective colloid content is between 1 and 10% by weight, based on the weight of non-volatile components of the polymer dispersion. A proportion of protective colloid precursor is preferably from 0.2 to 20% by weight and particularly preferably from 1 to 10% by weight, based in each case on the total weight of the monomers in the side chains of the graft polymer and in the emulsion polymer.
Als ethylenisch ungesättigte Monomere, welche die Basis für die Polymeren der erfindungsgemäßen wäßrigen Dispersionen bilden, kommen praktisch alle die Monomeren in Frage, deren Einsatz bei der Homo- oder Copolymerisation mittels Emul¬ sionspolymerisation in wäßrigem Medium schon beschrieben worden ist bzw. ausführbar erscheint. Hierzu sei auf die entsprechende Literatur verwiesen, z.B. HOELSCHER, "Disper¬ sionen synthetischer Hochpolymerer", Teil I, Springer- Verlag 1969, oder H. WARSON, "The Application of Synthetic Resin Emulsions", Benn-Limited, London 1972. Viele dieser Monomeren lassen sich in einer solchen Emulsionspolymeri¬ sation nur zu Hompolymeren oder nur zu Copolymeren polymerisieren. Bei Copolymerisationen sind insbesondere Art und Anteil der jeweiligen Comonomeren auf die Durchführ¬ barkeit der Emulsionspolymerisation bzw. die Stabilität der resultierenden Dispersionen von Einfluß. - Diesbezügliche Beschränkungen sind jedoch dem Stand der Technik zu ent¬ nehmen. Welche Monomeren man wählen wird, wird auch im Hinblick auf das angestrebte Anwendungsgebiet für die Dispersionen von den resultierenden Polymer-Glasum¬ wandlungstemperaturen abhängen, worüber der Fachmann sichSuitable ethylenically unsaturated monomers, which form the basis for the polymers of the aqueous dispersions according to the invention, are virtually all those monomers whose use in homo- or copolymerization by means of emulsion polymerization in aqueous medium has already been described or appears feasible. Please refer to the relevant literature, e.g. HOELSCHER, "Dispersions of Synthetic High Polymers", Part I, Springer-Verlag 1969, or H. WARSON, "The Application of Synthetic Resin Emulsions", Benn-Limited, London 1972. Many of these monomers can be made in such an emulsion polymerisation polymerize only to homopolymers or only to copolymers. In the case of copolymerizations, the type and proportion of the respective comonomers in particular have an influence on the feasibility of the emulsion polymerization or the stability of the resulting dispersions. However, restrictions in this regard can be found in the prior art. Which monomers will be chosen will also depend on the resulting polymer glass transition temperatures with regard to the intended field of application for the dispersions, which the person skilled in the art will find out about
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unschwer informieren kann. Da als mögliches Anwendungsgebiet für erfindungsgemäße Dispersionen vor allem die Herstellung von Beschichtungen zur Diskussion steht und auf dem Gebiet der Herstellung von Beschichtungen die Filmbildung eine zentrale Rolle spielt, wird man in erster Linie solche Monomere bzw. Monomer-Kombinationen wählen, die zu Polymeren mit Glasumwandlungstemperaturen führen, welche im resultie¬ renden Lackfilm bezüglich der Filmbildungstemperaturen ausreichend die gestellten Anforderungen erfüllen.REPLACEMENT LEAF can inform easily. Since the possible application of dispersions according to the invention is above all the production of coatings and the film production plays a central role in the field of the production of coatings, one will primarily choose those monomers or monomer combinations which result in polymers having glass transition temperatures lead, which in the resulting coating film sufficiently meet the requirements with regard to the film formation temperatures.
Bestandteil der erfindungsgemäßen Dispersionspolymeren können beispielsweise die folgenden ethylenisch ungesättig¬ ten radikalisch polymerisierbaren Monomeren sein: Alkylester von Acrylsäure, wie. z.B. Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Hexylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacry- lat und Dodecylacrylat, Benzylacrylat, Alkylester von Methacrylsäure, wie z.B. Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat und Butylmethacrylat, Dialkylester von Itaconsäure, Methy- lenmalonsäure, Maleinsäure und Fumarsäure, wie z.B. Diethyl- aleinat und Diethylfumarat, Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylamid, Methacrylamid, Styrol, substituierte Styrolver¬ bindungen wie z.B. Vinyltoluol, Chlorstyrol und t-Butylsty- rol, Vinylester von gesättigten geradkettigen oder verzweig¬ ten Carbonsäuren, z.B. Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl- laurat oder Vinylversatat, Vinylether, wie z.B. Vinylisobu- tylether, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Chloropren, Isopren, Butadien, Ethylen, Propylen, 2-Buten und α-Olefine mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, Stilben, Alkylester von Crotonsäure und Zimtsäure und Allylether bzw. Mischungen dieser Monomeren.Part of the dispersion polymers according to the invention can be, for example, the following ethylenically unsaturated radically polymerizable monomers: alkyl esters of acrylic acid, such as . For example, methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, hexyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate and dodecyl acrylate, benzyl acrylate, alkyl esters of methacrylic acid, such as, for example, methyl methacrylate, ethyl methacrylate and butyl methacrylate, dialkyl esters of itaconic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, maleinic acid, malemic acid, malemic acid, maleinic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, malemic acid, malemic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, malemic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, maleinic acid, and malefic acid, for example and diethyl fumarate, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylamide, methacrylamide, styrene, substituted styrene compounds such as, for example, vinyl toluene, chlorostyrene and t-butyl styrene, vinyl esters of saturated straight-chain or branched carboxylic acids, for example vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl laate, or vinyl laurate or vinyl laurate or vinyl laurate or Vinyl ethers such as vinyl isobutyl ether, vinyl chloride, vinylidene chloride, chloroprene, isoprene, butadiene, ethylene, propylene, 2-butene and α-olefins with 4 to 12 carbon atoms, stilbenes, alkyl esters of crotonic acid and cinnamic acid and allyl ethers or mixtures of these monomers.
Ebenso können diese Monomeren - wie die Pfropfmonomeren - die freien ungesättigten Säurekomponenten der obengenanntenThese monomers, like the graft monomers, can likewise contain the free unsaturated acid components of the abovementioned
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Ester, Acrylamid oder Methacrylamid und Hydroxyalkyl-acryla¬ te oder Methacrylate, jeweils in relativ geringen Anteilen im Gemisch mit einem oder mehreren der obengenannten Monome¬ ren sein.REPLACEMENT LEAF Esters, acrylamide or methacrylamide and hydroxyalkyl acrylate or methacrylates, in each case in relatively small proportions in a mixture with one or more of the above-mentioned monomers.
Bevorzugte ethylenisch ungesättigte Monomere sind solche aus der Gruppe der Alkylester von Acrylsäure oder Methacrylsäu¬ re, der Dialkylester von Itaconsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure, des Acrylnitrils oder Methacrylnitrils, des Styrols oder der mittels Alkylgruppen mit 1 bis 4 Koh¬ lenstoffatomen oder mittels einem Chloratom substituierten Styrolverbindungen, der Vinylester von aliphatischen Carbon¬ säuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen oder Gemische davon. Die Alkylgruppen der Ester und der substituierten Styrol¬ verbindungen dieser bevorzugten Monomeren können sowohl geradkettig als auch verzweigt sein.Preferred ethylenically unsaturated monomers are those from the group of the alkyl esters of acrylic acid or methacrylic acid, the dialkyl esters of itaconic acid, maleic acid or fumaric acid, acrylonitrile or methacrylonitrile, styrene or those substituted by alkyl groups with 1 to 4 carbon atoms or by means of a chlorine atom Styrene compounds, the vinyl ester of aliphatic carboxylic acids with 2 to 12 carbon atoms or mixtures thereof. The alkyl groups of the esters and the substituted styrene compounds of these preferred monomers can be either straight-chain or branched.
Beschichtungen mit hohem Qualitätsstandard, z.B. hinsicht¬ lich Aussehen, mechanischen Eigenschaften und Widerstandsfä¬ higkeit gegenüber verschiedensten Außeneinflüssen werden im allgemeinen vor allem mit solchen Polymeren auf Basis von Acryl- und Methacrylverbindungen, allein oder in Kombination mit Styrolverbindungen und/oder Vinylestern erhalten, weshalb im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Dispersionspolymere auf Basis dieser Monomeren näher unter¬ sucht wurden. Besonders bevorzugt werden unter diesen Monomeren die Alkylester von Acrylsäure und Methacrylsäure mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen und insbesondere 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, Acrylnitril, Acrylamid, Methacrylamid, Styrol, Methylstyrol, t-Butylstyrol, Chlorstyrol, Vinylace- tat und Vinylpropionat bzw. deren Gemische.Coatings with a high quality standard, e.g. With regard to appearance, mechanical properties and resistance to a wide variety of external influences, they are generally obtained especially with such polymers based on acrylic and methacrylic compounds, alone or in combination with styrene compounds and / or vinyl esters, which is why, in the context of the present invention, dispersion polymers in particular based on these monomers were examined in more detail. Among these monomers, the alkyl esters of acrylic acid and methacrylic acid having 1 to 18 carbon atoms and in particular 1 to 8 carbon atoms, acrylonitrile, acrylamide, methacrylamide, styrene, methylstyrene, t-butylstyrene, chlorostyrene, vinyl acetate and vinyl propionate or mixtures thereof are particularly preferred.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von sterisch stabilisierten emulgatorfreien wäßrigen Polymer-Dispersionen, welches dadurch gekennzeich¬ net ist, daß man ein oder mehrere radikalisch polymerisier- bare ethylenisch ungesättigte Monomere in einem im wesent¬ lichen von organischen Lösungsmitteln freien wäßrigen Medium in Gegenwart eines Schutzkolloids und eines üblichen freie Radikale bildenden Initiators emulsionspolymerisiert, wobei das Schutzkolloid im wesentlichen aus einem freiradikalisch mit (a) im wesentlichen hydrophoben Ketten auf Basis eines oder mehrerer ethylenisch ungesättigter Monomerer gepfropf¬ ten (b) im wesentlichen gesättigten wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Polymeren besteht und im wesentlichen keine ionischen Gruppen enthält.REPLACEMENT LEAF The present invention also relates to a process for the preparation of sterically stabilized emulsifier-free aqueous polymer dispersions, which is characterized in that one or more radically polymerizable ethylenically unsaturated monomers are used in an aqueous medium which is essentially free of organic solvents emulsion polymerized in the presence of a protective colloid and a conventional free radical initiator, the protective colloid consisting essentially of a free radical grafted with (a) essentially hydrophobic chains based on one or more ethylenically unsaturated monomers (b) essentially saturated water-soluble or water-dispersible polymers exists and contains essentially no ionic groups.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung von sterisch stabilisierten emulgatorfreien wäßrigen Polymer-Disper¬ sionen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zunächst ein im wesentlichen keine ionische Gruppen enthaltendes Schutz- kolloid hergestellt wird durch freiradikalisches Aufpfropfen von (a) im wesentlichen hydrophoben Ketten auf Basis eines oder mehrerer ethylenisch ungesättigter Monomerer auf (b) im wesentlichen gesättigte wasserlösliche oder wasserdisper- gierbare Polymere in einem im wesentlichen von organischen Lösungsmitteln freien wäßrigen Medium in Gegenwart eines üblichen Pfropfinitiators und dann in Gegenwart im wesent- liehen dieses Schutzkolloids ein oder mehrere radikalisch polymerisierbare ethylenisch ungesättigte Monomere in einem im wesentlichen von organischen Lösungsmitteln freien wäßrigen Medium in Gegenwart eines freie Radikale bildenden Initiators emulsionspolymerisiert werden.A process for the production of sterically stabilized, emulsifier-free aqueous polymer dispersions is advantageous, which is characterized in that a protective colloid which contains essentially no ionic groups is first prepared by free-radical grafting of (a) essentially hydrophobic chains based on a or more ethylenically unsaturated monomers on (b) essentially saturated water-soluble or water-dispersible polymers in an aqueous medium essentially free of organic solvents in the presence of a customary graft initiator and then in the presence of this protective colloid essentially one or more radically polymerizable ethylenically unsaturated ones Monomers are emulsion polymerized in an aqueous medium substantially free of organic solvents in the presence of a free radical initiator.
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Die für sich bekannte Pfropfreaktion von ethylenisch unge¬ sättigten Monomeren und Polymeren mit aktivierten, pfropffä¬ higen Wasserstoff-Bindungen wird beispielsweise beschrieben in "Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie", Band E20 (1987).REPLACEMENT LEAF The known grafting reaction of ethylenically unsaturated monomers and polymers with activated, graftable hydrogen bonds is described, for example, in "Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry", volume E20 (1987).
Ebenso sind Details zur Emulsionspolymerisation der ein¬ schlägigen Literatur zu entnehmen, beispielsweise "Houben- Weyl, Methoden der organischen Chemie", Band E20, oder HOELSCHER, "Dispersionen synthetischer Hochpolymerer", Teil I, Springer-Verlag 1969.Details on emulsion polymerization can also be found in the relevant literature, for example "Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry", Volume E20, or HOELSCHER, "Dispersions of Synthetic High Polymers", Part I, Springer-Verlag 1969.
Bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Polymerdispersionen 0.5 bis 20 Gew.% der ungepfropften und besonders bevorzugt von 1 bis 10 Gew.% Schutzkolloidvorstufe eingesetzt, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der für die Pfropf- und die Emulsionspolymeri¬ sation benötigten ethylenisch ungesättigten Monomeren.In the process according to the invention for the preparation of the polymer dispersions it is preferred to use 0.5 to 20% by weight of the ungrafted and particularly preferably from 1 to 10% by weight protective colloid precursor, in each case based on the total weight of the ethylenically unsaturated monomers required for the graft and emulsion polymerizations .
Es empfiehlt sich, die Schutzkolloidvorstufe zunächst durch mehrstündiges Rühren in Wasser bei Raumtemperatur aufzube¬ reiten und anschließend durch Zugabe eines Teils der Pfropf¬ initiatormenge bei Verfahrenstemperatur zu aktivieren. Anschließend kann dann durch Dosieren der ethylenisch unge¬ sättigten Monomeren und der übrigen Pfropfinitiatormenge die PfropfPolymerisation ausgeführt werden.It is advisable to first prepare the protective colloid precursor by stirring for several hours in water at room temperature and then to activate it by adding part of the amount of graft initiator at the process temperature. The graft polymerization can then be carried out by metering in the ethylenically unsaturated monomers and the remaining amount of graft initiator.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchge¬ führt werden, daß das Schutzkolloid durch Pfropfen und die sterisch stabilisierten Polymerdispersionen durch Emulsions¬ polymerisation der ethylenisch ungesättigten Monomeren in unmittelbarer Aufeinanderfolge ohne vorherige Isolierung des Pfropfpolymeren im gleichen Reaktionsansatz hergestelltThe process according to the invention can advantageously be carried out in such a way that the protective colloid is produced by grafting and the sterically stabilized polymer dispersions by emulsion polymerization of the ethylenically unsaturated monomers in direct succession without prior isolation of the graft polymer in the same reaction mixture
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werden. Es erübrigt sich dann ein 2-Stufen-Prozeß; PropfPo¬ lymerisation und Emulsionspolymerisation können in einem Reaktionsgefäß durchgeführt werden.REPLACEMENT LEAF become. A two-stage process is then unnecessary; Graft polymerization and emulsion polymerization can be carried out in one reaction vessel.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Herstellung der Polymerdisperionen in 1-stufiger Verfah¬ rensweise derart gestaltet werden, daß man die Pfropfung der Schutzkolloidvorstufe mittels des Pfropfinitiators bis zum Stagnieren des Monomer-Umsatzes durchführt und unmittelbar hierauf durch Zusatz eines Initiators für die übliche Polymerisation auf die Dispersionsherstellung durch Emul¬ sionspolymerisation umstellt. Bekanntlich läuft die Pfropf- Polymerisation nicht bis zum vollständigen Umsatz der Monomeren ab;bei Polysacchariden als Pfropfgrundlage stagniert sie - je nach Monomeren - häufig schon nach einem Umsatz von nur 25 bis 30 %. Zur Durchführung der Emulsions¬ polymerisation kann man diese nicht umgesetzten Monomeren im Reaktionsgemisch belassen. Man kann sie aber auch aus diesem vor der Umstellung auf die Emulsionspolymerisation ent¬ fernen, beispielsweise durch destillatives Abtrennen im Vakuum. Dies wird vor allem dann geschehen, wenn die Pfropf- monomeren und die Monomer-Bestandteile des Emulsions¬ polymerisats nicht die gleichen sein sollen. Um den Arbeits¬ aufwand des Monomer-Abtrennens zu umgehen, ist somit die Herstellung solcher Polymerdispersionen vorteilhaft, bei denen die Pfropfmonomeren gleichzeitig Bestandteil des Emulsionspolymerisats sein können.In a further advantageous embodiment, the preparation of the polymer dispersions can be carried out in a one-stage procedure in such a way that the grafting of the protective colloid precursor is carried out by means of the graft initiator until the monomer conversion has stagnated and immediately afterwards by adding an initiator for the customary polymerization changes the dispersion production by emulsion polymerization. As is known, the graft polymerization does not proceed until the complete conversion of the monomers; with polysaccharides as the graft base, it often stagnates - depending on the monomers - after only 25 to 30% conversion. To carry out the emulsion polymerization, these unreacted monomers can be left in the reaction mixture. However, they can also be removed from this prior to switching to emulsion polymerization, for example by distillation in vacuo. This will happen especially when the graft monomers and the monomer components of the emulsion polymer are not to be the same. In order to avoid the work involved in separating the monomers, it is therefore advantageous to prepare polymer dispersions in which the graft monomers can simultaneously be part of the emulsion polymer.
Die ethylenisch ungesättigten Monomeren können im erfin¬ dungsgemäßen Verfahren allein oder im Gemisch eingesetzt werden. Bei Einsatz von Monomergemisehen können die ver¬ schiedenen Monomeren nebeneinander vorgelegt bzw. dosiert werden. Man kann die verschiedenen Monomeren aber auchThe ethylenically unsaturated monomers can be used alone or in a mixture in the process according to the invention. When using monomer mixtures, the various monomers can be introduced or metered side by side. You can also use the different monomers
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zeitlich versetzt in den HerStellungsprozeß einführen, und zwar sowohl für die Pfropfreaktion als auch für die Emul¬ sionspolymerisation, wodurch die Eigenschaften der resultie¬ renden Dispersionen in gewissem Umfang variiert werden können. Beispielsweise kann man die jeweilige Polymerisation mit einem Monomer M- oder einer überwiegend aus M1 be¬ stehenden Monomer-Mischung starten und mit einem Monomer M_ oder einer überwiegend aus Monomer M~ bestehenden Mischung beenden, wobei das Monomerverhältnis kontinuierlich verschoben werden kannn (sogen, power feed) .REPLACEMENT LEAF Introduce the production process at different times, both for the grafting reaction and for the emulsion polymerization, as a result of which the properties of the resulting dispersions can be varied to a certain extent. For example, the respective polymerization can be started with a monomer M- or a monomer mixture consisting predominantly of M 1 and ended with a monomer M_ or a mixture consisting predominantly of monomer M ~, the monomer ratio being able to be continuously shifted (so-called power feed).
Der jeweils günstige PfropfInitiator, seine Menge sowie Art und Weise seiner Zugabe hängen in vielen Fällen von der Pfropfgrundlage ab. Zumeist werden Salze von mehrwertigen Metallen und/oder Peroxide eingesetzt. Sehr geeignete Pfropfinitiatoren sind beispielsweise Salze des vierwertigen Cers.The cheap graft initiator, its amount and the manner in which it is added depend in many cases on the graft base. Salts of polyvalent metals and / or peroxides are mostly used. Very suitable graft initiators are, for example, salts of tetravalent cerium.
Übliche Initiatoren für die Emulsionspolymerisation sind Radikalbildner wie anorganische Peroxide, beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Peroxidisulfate, organische Peroxi¬ de, beispielsweise t-Butyl-, Cumyl- oder Lauroylperoxid, oder Azoverbindungen, beispielsweise Azo-diisobutyronitril, und können zusammen mit Kettenreglern, beispielsweise Mercaptoverbindungen, und anderen üblichen Polymerisationshilfsmitteln eingesetzt werden.Usual initiators for the emulsion polymerization are radical formers such as inorganic peroxides, for example hydrogen peroxide or peroxydisulfates, organic peroxides, for example t-butyl, cumyl or lauroyl peroxide, or azo compounds, for example azo-diisobutyronitrile, and can be used together with chain regulators, for example mercapto compounds, and other conventional polymerization aids are used.
Initiatoren und Hilfsmittel werden in üblichen Mengen ver¬ wendet.Initiators and auxiliaries are used in the usual amounts.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der wäßrigen, sterisch stabilisierten Polymer-Dispersionen wird vorzugs¬ weise im Bereich von 40 bis 100 °C und besonders bevorzugtThe process according to the invention for the preparation of the aqueous, sterically stabilized polymer dispersions is preferably in the range from 40 to 100 ° C. and is particularly preferred
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von 55 bis 90 °C durchgeführt, und zwar sowohl im Abschnitt der Pfropfpolymerisation als auch in dem der Emulsionspoly¬ merisation. Oberhalb der Temperatur-Obergrenzen ist eine schlechte Pfropfeffizienz zu erwarten, läuft die Poly¬ merisation zu rasch ab und können Probleme bei der Ver¬ fahrenskontrolle auftreten. Unterhalb der bevorzugten Temperaturuntergrenzen verzögert sich der Polymerisationsab¬ lauf zu stark bzw. ist der Monomeren-Umsatz nicht mehr gewährleistet. Wenn aus bestimmten Gründen eine relativ niedrige Polymerisationstemperatur zwingend anzuwenden ist, kann in bekannter Weise mit einem Redoxinitiator-Syste gearbeitet werden. Es wird auch von den jeweils zu poly- merisierenden Monomeren abhängen, welche Polymerisations¬ temperatur man wählt; sie sollte nicht unterhalb der Glas¬ umwandlungstemperatur der resultierenden Polymeren liegen.REPLACEMENT LEAF from 55 to 90 ° C, both in the graft polymerization section and in the emulsion polymerization section. Above the upper temperature limits, poor grafting efficiency is to be expected, the polymerization proceeds too quickly and problems can arise during process control. Below the preferred lower temperature limits, the polymerization process is delayed too much or the monomer conversion is no longer guaranteed. If, for certain reasons, a relatively low polymerization temperature is mandatory, a redox initiator system can be used in a known manner. It will also depend on the particular monomers to be polymerized which polymerization temperature is chosen; it should not be below the glass transition temperature of the resulting polymers.
Es war weiterhin überraschend, daß erfindungsgemäß nicht nur stabile Dispersionen erhalten werden, sondern daß diese stabilen Dispersionen tatsächlich die eingangs beschriebenen Mängel von Dispersionen des Standes der Technik nicht aufweisen, und sich darüber hinaus durch andere günstige Gebrauchseigenschaften auszeichnen.It was further surprising that not only are stable dispersions obtained according to the invention, but that these stable dispersions actually do not have the shortcomings of dispersions of the prior art described at the outset, and are furthermore distinguished by other favorable performance properties.
Die erfindungsgemäßen Dispersionen erweisen sich als gegen¬ über starken Elektrolyten, beispielsweise Salzen mehrwerti¬ ger Kationen, stabil. Zusatz von Eisen-III-chlorid/ Calciumchlorid führte zu keinerlei Ausfällung. Es konnte auch festgestellt werden, daß die Dispersionen auch mit dem stark alkalischen Wasserglas ohne Niederschlagsbildung mischbar sind. - Die Verarbeitung von erfindungsgemäßen Dispersionen zusammen mit je nach Anwendungszweck zuzu¬ setzenden, insbesondere polaren Hilfsstoffen bereitet somitThe dispersions according to the invention prove to be stable with respect to strong electrolytes, for example salts of polyvalent cations. Addition of ferric chloride / calcium chloride did not lead to any precipitation. It was also found that the dispersions can also be mixed with the strongly alkaline water glass without the formation of precipitation. The processing of dispersions according to the invention together with, in particular, polar auxiliaries to be added, depending on the application, thus prepares
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kaum Schwierigkeiten. Die Dispersionen können vor allem auch pigmentiert werden.REPLACEMENT LEAF hardly any difficulties. Above all, the dispersions can also be pigmented.
Der Feststoffgehalt, d.h. der Anteil an nichtflüchtigen Bestandteilen, liegt in erfindungsgemäßen Dispersionen vorteilhaft im Bereich von 40 bis 60 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Dispersion. Zu höheren Anteilen hin sind hinsichtlich der Fließfähigkeit der Dispersionen Grenzen gesetzt. Ein Anteil bis zu 70 % Feststoff ist aber durchaus möglich, insbesondere wenn die Dispersionen eine entsprechend günstige Verteilung der Teilchendurchmesser aufweisen.The solids content, i.e. the proportion of non-volatile constituents in dispersions according to the invention is advantageously in the range from 40 to 60% by weight, based on the total weight of the respective dispersion. Towards higher proportions there are limits to the flowability of the dispersions. However, a proportion of up to 70% solids is quite possible, especially if the dispersions have a correspondingly favorable distribution of the particle diameters.
Die Viskosität der erfindungsgemäßen Dispersionen liegt in einem für die Weiterverarbeitung günstigen niedrigen Be¬ reich. Sie hängt teils vom p„-Bereich des Dispersionsmediums ab, insbesondere aber vom Dispersions-Feststoffgehalt, d.h. dem Anteil an nichtflüchtigen Bestandteilen. Die Standard- Vorschrift zur DispersionsherStellung im Rahmen der erfin¬ dungsgemäßen Untersuchungen geht von einem Feststoffgehalt von ca. 50 Gew.% aus und führt zu sauren Dispersionen, wobei im allgemeinen Viskositäten in günstig niederem Bereich von 18 bis 100 mP-s erhalten werden, häufig auch oberhalb 100 mP-s und bis zu 500 mP-s. - Erfindungsgemäße Disper¬ sionen sind also mit den konventionellen Applikationstechni- ken anwendbar.The viscosity of the dispersions according to the invention is in a low range which is favorable for further processing. It depends in part on the p "range of the dispersion medium, but in particular on the dispersion solids content, i.e. the proportion of non-volatile components. The standard specification for the preparation of dispersions in the context of the investigations according to the invention is based on a solids content of approx. 50% by weight and leads to acidic dispersions, with viscosities in a favorable low range of 18 to 100 mP-s being generally obtained also above 100 mP-s and up to 500 mP-s. - Dispersions according to the invention can therefore be used with conventional application techniques.
Die mittleren Durchmesser der einzelnen Teilchen von Disper¬ sionen, welche im Rahmen der erfindungsgemäßen Untersuchun¬ gen hergestellt wurden, bewegen sich im Bereich 250 bis 2000 nm. Diese mittleren Teilchendurchmesser können am erfin¬ dungsgemäßen Dispersionssystem bei Bedarf leicht durch entsprechende Polymerisationstechnik variiert werden. DaThe average diameters of the individual particles of dispersions which were produced in the course of the investigations according to the invention are in the range from 250 to 2000 nm. These average particle diameters can easily be varied on the dispersion system according to the invention, if necessary, by appropriate polymerization technology. There
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bekanntlich die Teilchengröße und deren Verteilung von bestimmendem Einfluß auf eine Reihe anwendungstechnischer Eigenschaften ist, wie z.B. Fließverhalten, Eindringvermögen in poröse Substrate, Koaleszenzverhalten und Dichte sowie Glätte bzw. Glanz von resultierenden Filmoberflächen, wird man bestrebt sein, die mittlere Teilchengröße und deren Verteilung in die eine oder andere Richtung einzustellen. Beispielsweise wird man, um glänzende, glatte Filmober¬ flächen zu erhalten, von Dispersionen mit möglichst kleinen mittleren Teilchendurchmessern und günstiger Verteilung größerer und kleinerer Teilchen ausgehen. Die leichte Variierbarkeit von Teilchengröße und Größenverteilung in sterisch stabilisierten erfindungsgemäßen Dispersionen, welche es also gestattet, je nach anwendungstechnischer Bestimmung gewissermaßen "maßgeschneiderte" Dispersionen zur Verfügung zu stellen, kann mit den Abbildungen 1 und 2 verdeutlicht werden. Diese betreffen Copolymer-Dispersionen auf Basis der MonomerZusammensetzung (Gew.-Teile) 48 Methylmethacrylat - 48 Butylacrylat - 1 Methacrylamid - 1 Methacrylsäure mit Guar als Schutzkolloidvorstufe gemäß Standard-Rezeptur, und zwar in Abhängigkeit von Gew.- Anteil Guar (Abb. 1) bzw. Guar/Cer(IV)sulfat (Abb. 2) sowie vom Anteil des Cer(IV)sulfats in der Vorlage (Abb. 2).REPLACEMENT LEAF As is well known, the particle size and its distribution has a determining influence on a number of application properties, such as flow behavior, penetration into porous substrates, coalescence behavior and density, as well as smoothness or gloss of the resulting film surfaces, efforts will be made to determine the average particle size and its distribution in the to set one direction or another. For example, in order to obtain glossy, smooth film surfaces, dispersions with the smallest possible mean particle diameters and favorable distribution of larger and smaller particles will be used. The easy variability of particle size and size distribution in sterically stabilized dispersions according to the invention, which therefore makes it possible to provide “tailor-made” dispersions to a certain extent, depending on the technical application, can be illustrated in FIGS. 1 and 2. These relate to copolymer dispersions based on the monomer composition (parts by weight) 48 methyl methacrylate - 48 butyl acrylate - 1 methacrylamide - 1 methacrylic acid with guar as a protective colloid precursor according to the standard recipe, depending on the proportion by weight of guar (Fig. 1) or guar / cerium (IV) sulfate (Fig. 2) and the proportion of cerium (IV) sulfate in the template (Fig. 2).
Aus diesen Abbildungen ist ersichtlich, daß bei konstant gehaltenem Anteil an Pfropfinitiator (Abb.l; 1 Gew.%) mit sehr niedrigem Anteil an Schutzkolloid-Vorstufe zunächst die mittleren Teilchendurchmesser relativ hoch und deren Ver¬ teilung sehr breit ist, mit steigendem Anteil dann aber sehr kleine mittlere Durchmesser bei äußerst enger Verteilung erhalten werden und schließlich mit weiter steigendem Anteil (>2 Gew.%) ein Trend zu bimodaler Verteilung sich ab¬ zeichnet. Die Bi odalität ist besonders augenfällig durchIt can be seen from these figures that if the proportion of graft initiator (Fig. 1; 1% by weight) is kept constant and the proportion of protective colloid precursor is very low, the mean particle diameters are initially relatively high and their distribution is very wide, then as the proportion increases but very small average diameters are obtained with an extremely narrow distribution and finally with a further increasing proportion (> 2% by weight) a trend towards bimodal distribution is evident. The biodiversity is particularly striking due to
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20REPLACEMENT LEAF 20th
eine sehr enge Verteilung bei beiden Teilchengrößen, wenn gleichzeitig mit dem Anteil an Schutzkolloid-Vorstufe auch der Anteil an Cer(IV)sulfat erhöht wird (Abbildungen 2b). Wie aus Abb. 2a und 2b, rechte Kurven, ersichtlich ist, ist auch die Verteilung der Pfropfinitiator-Menge auf Vorlage und Dosieranteil von maßgeblichem Einfluß auf Größen- Verteilung bzw. Modalität. Es ist also gemäß Verteilungs¬ kurven der Abbildungen 1 und 2 sehr überraschend, daß unter bestimmten Bedingungen zum Teil sehr enge Verteilungen der Teilchendurchmesser resultieren, so daß praktisch schon von monodispersen Systemen gesprochen werden kann. Denn im allgemeinen weisen Polymer-Dispersionen mehr oder weniger breit gestreuten Teilchendurchmesser auf und gelang die Herstellung von praktisch monodispersen Dispersionen gemäß Stand der Technik nur in wenigen Fällen; und in diesen auch nur mit sehr speziellen, vereinfachten Systemen, insbe¬ sondere von Homopolymeren, zumeist des Styrols.a very narrow distribution for both particle sizes when the proportion of cerium (IV) sulfate is increased at the same time as the proportion of protective colloid precursor (Figures 2b). As can be seen from Fig. 2a and 2b, right curves, the distribution of the amount of graft initiator on the template and proportion of dosing has a significant influence on the size distribution and modality. It is therefore very surprising, according to the distribution curves in FIGS. 1 and 2, that under certain conditions there are sometimes very narrow distributions of the particle diameters, so that in practice one can speak of monodisperse systems. In general, polymer dispersions have more or less broadly dispersed particle diameters and the production of practically monodisperse dispersions according to the prior art was only successful in a few cases; and in these only with very special, simplified systems, in particular of homopolymers, mostly of styrene.
Aus den erfindungsgemäßen sterisch stabilisierten Disper¬ sionen können leicht Filme mit glatter Oberfläche herge¬ stellt werden. Sehr vorteilhaft und überraschend ist, daß Filmbildung und Filmtrocknung (Durchhärtung) in vielen Fällen schon bei Raumtemperatur relativ rasch ablaufen. Zumeist ist schon nach wenigen Stunden eine weitgehende Durchtrocknung erfolgt.Films with a smooth surface can easily be produced from the sterically stabilized dispersions according to the invention. It is very advantageous and surprising that film formation and film drying (hardening) in many cases take place relatively quickly even at room temperature. Most of the time, a thorough drying takes place after just a few hours.
Aus erfindungsgemäßen Dispersionen erhaltene Lackfilme erweisen sich im wesentlichen gegenüber 24 Stunden Wasser-Einwirkung (Wassertest) als stabil, im Gegensatz zu Filmen aus vergleichbaren nicht sterisch stabilisierten Dispersionen. Erfindungsgemäße Dispersionen eignen sich daher als Basis von Lacken bzw. Beschichtungen, insbesondere solchen für die Außenanwendung.Lacquer films obtained from dispersions according to the invention essentially prove to be stable against the action of water for 24 hours (water test), in contrast to films from comparable non-sterically stabilized dispersions. Dispersions according to the invention are therefore suitable as the basis of lacquers or coatings, in particular those for outdoor use.
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Ihre Verarbeitbarkeit schon bei Raumtemperatur macht sie für das Anwendungsgebiet der Heimwerker ("Do-it-yourself")- und Maler-Lacke interessant.REPLACEMENT LEAF The fact that they can be processed even at room temperature makes them interesting for do-it-yourself and painter paints.
In denjenigen Fällen, in denen Dispersionen im erfindungsge¬ mäßen Rahmen bei Raumtemperatur nicht zu ausreichend ausge¬ härteten und daher ungenügend resistenten Filmen führen, können Verbesserungen bereits bei leicht erhöhter Trock¬ nungstemperatur, beispielsweise schon bei 50 °C erreicht werden. Erfindungsgemäße Dispersionen lassen sich auch als Thermosetting System verarbeiten, beispielsweise zusammen mit verkappten Polyisocyanaten oder Melaminharzen. Entspre-In those cases in which dispersions within the scope of the invention do not lead to sufficiently cured and therefore insufficiently resistant films at room temperature, improvements can be achieved even at a slightly elevated drying temperature, for example already at 50 ° C. Dispersions according to the invention can also be processed as a thermosetting system, for example together with capped polyisocyanates or melamine resins. correspond
•p chende Versuche mit Melaminharzen vom Cymel -Typ (Cymel 325 und Cymel 327) führten bei Härtungstemperaturen oberhalb 80 °C, insbesondere zwischen 90 und 130 °C, und einer Härtungszeit von nur 30 Minuten zu erhöhten Pendelhärte- Werten (um 50 bis 200 %) und Festigkeiten. Oberhalb 100 °C ist bei Filmen von Melaminharz-freien Dispersionen auf Basis von gepfropfter Cellulose gelegentlich Vergilbung festzustellen; entsprechende Melaminharz-haltige Disper¬ sionen zeigen diese Vergilbung nicht. Die mit den Melamin¬ harzen applizierten Dispersionen führten außerdem zu Be¬ schichtungen mit ausgezeichneter Haftung auf Kunststoff- Substraten, wie beispielsweise auf Polybutylenterephthalat. • Appropriate tests with melamine resins of the Cymel type (Cymel 325 and Cymel 327) led to increased pendulum hardness values (around 50 to 200 ° C) at curing temperatures above 80 ° C, in particular between 90 and 130 ° C, and a curing time of only 30 minutes %) and strength. Yellowing is occasionally observed above 100 ° C in films of melamine resin-free dispersions based on grafted cellulose; corresponding dispersions containing melamine resin do not show this yellowing. The dispersions applied with the melamine resins also led to coatings with excellent adhesion to plastic substrates, such as, for example, to polybutylene terephthalate.
Es versteht sich von selbst, daß bei erfindungsgemäßer Erfüllung vor allem der Maximal-Anforderungen bezüglich Umweltfreundlichkeit und Arbeitsplatzhygiene nicht gleich¬ zeitig auch die Anforderungen an qualitativ sehr hochwertige Lacke erfüllt werden können, für die genannten erreichten Vorteile also bei der Beschichtungsqualität, z.B. beim optischen Eindruck ein gewisser Kompromiß geschlossen werdenIt goes without saying that if the maximum requirements with regard to environmental friendliness and workplace hygiene are met at the same time, the requirements for very high quality lacquers cannot be met at the same time, for the advantages achieved in terms of coating quality, e.g. a certain compromise can be made with the visual impression
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muß. Andererseits läßt sich durch entsprechende dem Fachmann geläufige Maßnahmen die Lackqualität in die jeweils ge¬ wünschte Richtung optimieren, wenn ein tragbarer Kompromiß bei Umweltfreundlichkeit und Arbeitsplatzhygiene unterhalb der Maximalforderung dies rechtfertigt. Beispielsweise können durch geringe Zusätze von flüchtigen organischen Lösungsmitteln als Filmbildungshilfsmittel im erfindungs¬ gemäßen Rahmen bestimmte Lackeigenschaften verbessert werden.REPLACEMENT LEAF got to. On the other hand, appropriate measures familiar to the person skilled in the art can optimize the paint quality in the desired direction if a portable compromise in environmental friendliness and workplace hygiene below the maximum requirement justifies this. For example, certain varnish properties can be improved by adding small amounts of volatile organic solvents as film-forming aids within the scope of the invention.
Experimenteller TeilExperimental part
Standard-Rezeptur für die Herstellung erfindungsgemäßer wäßriger Polymer-Dispersionen.Standard recipe for the production of aqueous polymer dispersions according to the invention.
Wenn nicht anders angegeben, wird wie folgt verfahren:Unless otherwise stated, the procedure is as follows:
In einen 1-1-Kolben mit Rührer, Rückflußkühler, Stickstoff¬ zuleitung und Dosiervorrichtung werden 10 g Schutzkolloid¬ vorstufe in 400 g destilliertem Wasser unter Stickstoff dispergiert bzw. gelöst. Bei Vorliegen von Dispersionen wird mehrere Stunden, beispielsweise bis zu 10 Stunden im Falle von Polysacchariden als Vorstufe, bei Raumtemperatur ge¬ rührt. Es wird dann auf 70 °C aufgeheizt, 1 g Cer(IV)sulfat, gelöst in 70 g Wasser, zugesetzt und 1 Stunde bei 70 °C gerührt. Anschließend werden bei 70 °C 490 g ethylenisch ungesättigte Monomere aus einer Dosiervorriehtung und gleichzeitig 4 g Ce(IV)sulfat, gelöst in 30 g Wasser, aus einer anderen Dosiervorrichtung 1 Stunde lang zudosiert.10 g of protective colloid precursor are dispersed or dissolved in 400 g of distilled water under nitrogen in a 1 liter flask with stirrer, reflux condenser, nitrogen supply and metering device. If dispersions are present, the mixture is stirred at room temperature for several hours, for example up to 10 hours in the case of polysaccharides as a precursor. The mixture is then heated to 70 ° C., 1 g of cerium (IV) sulfate, dissolved in 70 g of water, is added and the mixture is stirred at 70 ° C. for 1 hour. Then 490 g of ethylenically unsaturated monomers from a metering device and simultaneously 4 g of Ce (IV) sulfate, dissolved in 30 g of water, from another metering device are metered in at 70 ° C. for 1 hour.
Nach einer Nachreaktionszeit von 1 Stunde bei 70 °C werden schließlich 5 g Ammoniumperoxidisulfat, gelöst inAfter a reaction time of 1 hour at 70 ° C., 5 g of ammonium peroxydisulfate are finally dissolved in
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20 g Wasser, 10 Minuten lang zudosiert. Der Kolbeninhalt wird noch 1 Stunde bei 70 °C gehalten und dann abgekühlt.REPLACEMENT LEAF 20 g of water, metered in for 10 minutes. The flask contents are kept at 70 ° C for 1 hour and then cooled.
Der Feststoffgehalt der so erhaltenen wäßrigen, sterisch stabilisierten Polymer-Dispersion muß bei 100%igem Umsatz der Monomeren bei 49.3 Gew.% liegen.The solids content of the aqueous, sterically stabilized polymer dispersion obtained in this way must be 49.3% by weight with 100% conversion of the monomers.
Wenn nicht anders angegeben, kommen als Schutzkolloid- Vorstufe Guarmehl (Lebensmittelqualität) der Fa. Roth, Karlsruhe und als ethylenisch ungesättigte Monomere ein Gemisch folgender Zusammensetzung zum Einsatz: 240 g Methyl¬ methacrylat/240 g Butylacrylat/5 g Methacrylamid/5 g Metha¬ crylsäure.Unless otherwise stated, guar flour (food quality) from Roth, Karlsruhe, and a mixture of the following compositions are used as protective colloidal precursor guar meal (food grade): 240 g of methyl methacrylate / 240 g of butyl acrylate / 5 g of methacrylamide / 5 g of methacrylate crylic acid.
Prüfung der erfindungsgemäßen wäßrigen Polymer-Dispersionen:Testing the aqueous polymer dispersions according to the invention:
Feststoffgehalt/Umsatz:Solids content / conversion:
Zur Ermittlung des Monomer-Umsatzes wurde der Anteil an nichtflüchtigen Dispersionsbestandteilen durch Trocknung der Dispersion bei 150 °C bis zur Gewichtskonstanz bestimmt und dieser mit dem für 100 %igen Umsatz berechneten Wert ver¬ glichen.To determine the monomer conversion, the proportion of non-volatile dispersion components was determined by drying the dispersion at 150 ° C. to constant weight and comparing this with the value calculated for 100% conversion.
Viskosität:Viscosity:
Die dynamische Viskosität der Polymerdispersionen wurde bei 20 °C im Rotationsviskosimeter ("Viskotester VT" 180 der Fa. Haake) bestimmt.The dynamic viscosity of the polymer dispersions was determined at 20 ° C. in a rotary viscometer ("Viskotester VT" 180 from Haake).
Lagerstabilität:Storage stability:
Hierzu wurden die Dispersionen bei Raumtemperatur oder in einem sogenannten Schnelltest bei 50 °C gelagert und die Standzeit registriert, nach welcher die jeweilige Dispersion merklich koaguliert war, und das Koagulat sich nicht mehrFor this purpose, the dispersions were stored at room temperature or in a so-called rapid test at 50 ° C. and the service life after which the respective dispersion had noticeably coagulated was recorded, and the coagulate was no longer
ERSATZBLATT
aufrühren ließ. In dem Schnelltest wurden die diejenigen Dispersionen als hervorragend stabil eingestuft, die sich nach 30 Tagen Standzeit noch nicht abgesetzt hatten bzw. nicht mehr aufrührbar waren.REPLACEMENT LEAF let stir. In the rapid test, those dispersions were classified as outstandingly stable which had not settled after 30 days or were no longer stirrable.
Elektrolytstabilität:Electrolyte stability:
25 ml der zu testenden Dispersion wurden auf 100 ml verdünnt und mit einer gesättigten Lösung von Eisen-III-chlorid und Calciumchlorid (Gewichtsverhältnis 1 : 1) titriert. Eine Polymerdispersion wurde als elektrolytstabil beurteilt, wenn bei einem Verbrauch von 25 ml Salzlösung noch keine Koagula¬ tion der Dispersion eintrat.25 ml of the dispersion to be tested were diluted to 100 ml and titrated with a saturated solution of iron (III) chloride and calcium chloride (weight ratio 1: 1). A polymer dispersion was assessed as being stable to electrolytes if the dispersion did not coagulate when 25 ml of saline solution was consumed.
Teilchengröße:Particle size:
Die mittleren Durchmesser der Dispersionsteilchen wurden durch Trübungsmessung ermittelt.The mean diameters of the dispersion particles were determined by measuring the turbidity.
Die Verteilungskurven für die Teilchendurchmesser wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie (Gerät TEM-Phillips) mit automatischem Bildanalysesystem (Gerät Quantimet) ermittelt, wobei die Teilchenpräparationen mit Osmiumtetroxid verfestigt und mit Kohle bedampft wurden.The distribution curves for the particle diameters were determined by transmission electron microscopy (TEM-Phillips device) with an automatic image analysis system (Quantimet device), the particle preparations being solidified with osmium tetroxide and steamed with carbon.
Filmbildung/Härtung:Film formation / hardening:
Zur Beurteilung der Filmbildungseigenschaften und der Aushärtung resultierender Beschichtungsfilme erfindungsge¬ mäßer Dispersionen wurden diese auf Glasplatten aufgetragen und auf diesen mit einer Tiefziehspirale zu Naßfilmen von 150 um Dicke verformt. Der Härtungsvorgang sowohl bei Raumtemperatur- als auch bei 50 °C-Trocknung wurde durch Messung der Filmhärte nach jeweils 4 Stunden, 1 Tag, 15 und 30 Tagen beurteilt.In order to assess the film-forming properties and the hardening of the resulting coating films of dispersions according to the invention, these were applied to glass plates and deformed thereon with a deep-drawing spiral to give wet films 150 μm thick. The curing process both at room temperature and at 50 ° C. drying was assessed by measuring the film hardness after 4 hours, 1 day, 15 and 30 days.
ERSATZBLATT
Die Filmbildung wurde qualitativ durch den optischen Ein¬ druck beurteilt (Glätte und Homogenität der Filmoberfläche, Transparenz des Films).REPLACEMENT LEAF The film formation was assessed qualitatively by the optical impression (smoothness and homogeneity of the film surface, transparency of the film).
Die Filme aus Gemischen erfindungsgemäßer Dispersionen mit Melaminharz wurden bei den Standard-Tests bei 100 und 120 °C 30 Minuten lang eingebrannt. Diese Gemische bestanden bei den Standard-Tests aus 100 g Dispersion und 25 g Cymel 325 bzw. Cymel 327 (Fa. Cyanamid) .The films from mixtures of dispersions according to the invention with melamine resin were baked in the standard tests at 100 and 120 ° C. for 30 minutes. In the standard tests, these mixtures consisted of 100 g of dispersion and 25 g of Cymel 325 or Cymel 327 (from Cyanamid).
Filmhärte:Film hardness:
Die Härte der Filme auf den Glasplatten wurde als Pendelhär¬ te nach Koenig (DIN 53157) bestimmt.The hardness of the films on the glass plates was determined as the pendulum hardness according to Koenig (DIN 53157).
Wassertest:Water test:
Zur Ermittlung der Wasserbeständigkeit der Filme wurde ein kräftig mit Leitungswasser getränkter Wattebausch auf den auf der Glasplatte befindlichen Film gelegt und mit einem Uhrglas abgedeckt. Nach einer Standzeit von 24 Stunden bei Raumtemperatur wurde das Aussehen des Films beurteilt (Nicht wasserresistente Filme laufen weiß an) . Beurteilt wurden sowohl 1 Tag bei Raumtemperatur und 50°C als auch jeweils weitere 29 Tage bei Raumtemperatur gehärtete Filme.To determine the water resistance of the films, a cotton ball soaked in tap water was placed on the film on the glass plate and covered with a watch glass. After a standing time of 24 hours at room temperature, the appearance of the film was assessed (non-water-resistant films tarnish white). Both 1 day at room temperature and 50 ° C. and films cured for a further 29 days at room temperature were assessed.
Versuchsbeispiele 1 bis 6 und VergleichsbeispielExperimental Examples 1 to 6 and Comparative Example
Nach der auf Seite 22 angegebenen Standard-Rezeptur wurden stabile wäßrige Polyperdispersionen mit folgenden handels¬ üblichen Kolloidvorstufen hergestellt:Stable aqueous polyperdispersions with the following commercially available colloid precursors were prepared according to the standard recipe given on page 22:
1. Guar (Guarmehl der Fa. Roth, Karlsruhe)1. Guar (guar flour from Roth, Karlsruhe)
2. Wasserlösliche Stärke2. Water soluble starch
3. Gummiarabicum (handelsüblich)3. Gum arabic (commercially available)
ERSATZBLATT
4. Olibanum (handelsüblich)REPLACEMENT LEAF 4. Olibanum (commercially available)
5. Dextran (handelsüblich)5. Dextran (commercially available)
6. Polyvinylpyrrolidon (Type PVP-K15 der Fa. GAF)6. Polyvinylpyrrolidone (type PVP-K15 from GAF)
Als ethylenisch ungesättigte Monomere wurden 490 g einer Mischung aus Methylmethacrylat (49 Gew.%), Butylacrylat (49 Gew.%), Methacrylamid (1 Gew.%) und Methacrylsäure (1 Gew.%) eingesetzt.490 g of a mixture of methyl methacrylate (49% by weight), butyl acrylate (49% by weight), methacrylamide (1% by weight) and methacrylic acid (1% by weight) were used as ethylenically unsaturated monomers.
Zur Herstellung einer - nicht sterisch stabilisierten - Vergleichsdispersion wurde wie folgt verfahren: In dem wie gemäß Angaben in der Standard-Rezeptur ausge¬ rüsteten 1-1-Kolben wurden 4.0 g Natrosol 250 LS (Hydroxy- ethylcellulose der Fa. Hercules als Schutzkolloid), 12.0 g Triton X 165 (nonionischer Emulgator der Fa. Rohm & Haas) und 9.0 g Natriumlaurylsulfat gelöst und auf 70°C aufge¬ heizt. Es wurden ferner folgende drei Mischungen herge¬ stellt:The procedure for producing a - non-sterically stabilized - comparative dispersion was as follows: 4.0 g of Natrosol 250 LS (Hercules hydroxyethyl cellulose from the Hercules company as a protective colloid) were placed in the 1-1 flask equipped as described in the standard recipe, 12.0 g of Triton X 165 (nonionic emulsifier from Rohm & Haas) and 9.0 g of sodium lauryl sulfate dissolved and heated to 70 ° C. The following three mixtures were also produced:
1) Monomermischung wie in den Versuchsbeispielen 1 bis 6; zusätzlich 4 g t-Dodecylmercaptan als Kettenregler1) monomer mixture as in experimental examples 1 to 6; additionally 4 g t-dodecyl mercaptan as chain regulator
2) 4.0 g Ammoniumperoxidisulfat in 60 ml Wasser2) 4.0 g ammonium peroxydisulfate in 60 ml water
3) 4.0 g Natriumhydrogensulfit in 60 ml Wasser3) 4.0 g sodium bisulfite in 60 ml water
Jeweils 10 % dieser 3 Mischungen wurden dem auf 70°C aufge¬ heizten Kolbeninhalt zugesetzt und 20 Minuten reagieren gelassen (seed). Anschließend wurden die übrigen 90 % der drei Mischungen gleichzeitig aus getrennten Dosiervor¬ richtungen innerhalb eines Zeitraums von 2 Stunden in den Kolben bei 70°C dosiert. Der Kolbeninhalt wurde dann noch 2 Stunden bei 70°C gehalten und dann abgekühlt.In each case 10% of these 3 mixtures were added to the contents of the flask heated to 70 ° C. and reacted for 20 minutes (seed). The remaining 90% of the three mixtures were then metered simultaneously from separate metering devices into the flask at 70 ° C. over a period of 2 hours. The contents of the flask were then kept at 70 ° C. for a further 2 hours and then cooled.
ERSATZBLATT
Wesentliche Eigenschaften der so erhaltenen Polymerdisper¬ sionen und daraus resultierender Lackfilme sind in Tabelle 1 und la zusammengestellt.REPLACEMENT LEAF The essential properties of the polymer dispersions thus obtained and the resulting coating films are summarized in Tables 1 and 1a.
In allen Fällen wird ein hoher Umsatz der ethylenisch ungesättigten Monomeren erreicht (> 99 %). Die Dispersionen weisen einen pH-Wert im sauren Bereich auf und sind trotz des hohen Feststoffgehalts, von einer für die Weiterverar¬ beitung zu Lacken geeignet niedrigen Viskosität. Die Stabi¬ lität der Dispersionen bei Raumtemperatur - Lagerung sowie die mittleren Durchmesser der Dispersionsteilchen fallen je nach eingesetzter Schutzkolloidvorstufe relativ unterschied¬ lich aus.In all cases, a high conversion of the ethylenically unsaturated monomers is achieved (> 99%). The dispersions have a pH in the acidic range and, despite the high solids content, are of a low viscosity suitable for further processing into paints. The stability of the dispersions at room temperature storage and the average diameter of the dispersion particles are relatively different depending on the protective colloid precursor used.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen der sterisch stabilisier¬ ten Dispersionen zeigen relativ einheitlich große Teilchen, die nur geringfügig agglomerieren. Anhand solcher Aufnahmen läßt sich sehr einfach die Verteilung der Teilchengrößen ermitteln. Demgegenüber neigen die Teilchen von konventionellen, nicht sterisch stabilisierten Dispersionen bei der Herstellung von elektronen-mikroskopischen Aufnahmen stark zur Agglomeration, so auch im Fall des vorliegenden Vergleichsversuch, so daß auf diesem Wege eine Bestimmung der mittleren Teilchendurchmesser und ihrer Verteilung praktisch nicht möglich ist.Electron microscope images of the sterically stabilized dispersions show relatively uniformly large particles which agglomerate only slightly. The distribution of particle sizes can be determined very easily on the basis of such recordings. In contrast, the particles of conventional, non-sterically stabilized dispersions tend to agglomerate in the production of electron microscopic images, so also in the case of the present comparative experiment, so that a determination of the average particle diameter and its distribution is practically impossible in this way.
Im Gegensatz zur nicht sterisch stabilisierten Dispersion gemäß Vergleichsversuch erweisen sich die sterisch stabili¬ sierten Dispersionen der Versuche 1 bis 6 gegenüber Elektrolyt-Zusätzen als stabil.In contrast to the non-sterically stabilized dispersion according to the comparative experiment, the sterically stabilized dispersions of experiments 1 to 6 prove to be stable with respect to electrolyte additives.
Die in Tabelle la wiedergegebenen Werte für die Pendel-Härte von Lackfilmen aus den Dispersionen nach 4 Stunden und 1 TagThe values given in Table la for the pendulum hardness of paint films from the dispersions after 4 hours and 1 day
ERSATZBLATT
Trocknung bei Raumtemperatur und 50°C sowie weiteren 29 Tagen Trocknung nur bei Raumtemperatur zeigen, daß bereits nach wenigen Stunden eine weitgehende Durchhärtung erfolgt ist und daß in den meisten Fällen die nach Ablauf eines Tages erreichten Härtewerte nicht mehr oder nur noch un¬ wesentlich ansteigen. In den meisten Fällen liegen die bei 50°C erreichten Härtewerte höher als die bei Raumtemperatur erreichten. Die mit der 50°C-Trocknung günstigere Film¬ bildung ist auch am Aussehen der resultierenden Lackfilme erkennbar: Bei 50°C getrocknete Filme sind fast klar, während die bei Raumtemperatur getrockneten Filme zumeist weiß bleiben. Im Gegensatz zu Lackfilmen aus der nicht sterisch stabilisierten Dispersion (Vergleichsversuch) sind diejenigen aus sterisch stabilisierten Dispersionen über¬ wiegend beständig gegenüber 24 Stunden Wasser-Einwirkung (Versuche 1,2,5 und 6).REPLACEMENT LEAF Drying at room temperature and 50 ° C. and a further 29 days drying only at room temperature show that extensive hardening takes place after only a few hours and that in most cases the hardness values achieved after a day no longer increase or only increase significantly. In most cases the hardness values at 50 ° C are higher than those at room temperature. The more favorable film formation with the 50 ° C. drying can also be recognized by the appearance of the resulting lacquer films: films dried at 50 ° C. are almost clear, while the films dried at room temperature mostly remain white. In contrast to lacquer films from the non-sterically stabilized dispersion (comparative experiment), those from sterically stabilized dispersions are predominantly resistant to the action of water for 24 hours (experiments 1,2,5 and 6).
ERSATZBLATT
Versuchsbeispiele 7 bis 11REPLACEMENT LEAF Experimental examples 7 to 11
Nach der Standard-Rezeptur wurden stabile Polymerdisper- sionen mit 490 g verschiedener Monomerzusammensetzungen (wie in Tabelle 2 angegeben) und 10 g Guar als Schutzkolloid¬ vorstufe (2 %, bezogen auf Gewicht Monomere + Vorstufe) hergestellt. Umsatz und Eigenschaften der Dispersionen sind aus Tabelle 2 ersichtlich. Im Fall von Versuch 8a mit Vinylacetat als Comonomer wurde die saure Dispersion nach der Polymerisation neutralisiert (PH 7,5), um der sauren Hydrolyse der Acetylgruppe entgegenzutreten. Die Disper¬ sionen der Versuche 8a und 8b erwiesen sich als sehr viskos. Ihre Wiederholung - mit dem Unterschied, daß der Feststoffgehalt auf ca. 40 Gew.% statt ca. 49 Gew.% ein¬ gestellt wurde - führte (bei fast 100%igem Monomer-Umsatz) zu niedrigerviskosten Dispersionen: 8a 480 mPa-s; 8b 570 mPa-s.According to the standard recipe, stable polymer dispersions with 490 g of different monomer compositions (as indicated in Table 2) and 10 g of guar as a protective colloid precursor (2%, based on the weight of monomers + precursor) were prepared. Turnover and properties of the dispersions are shown in Table 2. In the case of experiment 8a with vinyl acetate as a comonomer, the acidic dispersion was neutralized after the polymerization (pH 7.5) in order to counteract the acidic hydrolysis of the acetyl group. The dispersions of experiments 8a and 8b turned out to be very viscous. Their repetition - with the difference that the solids content was set to approx. 40% by weight instead of approx. 49% by weight - led (with almost 100% monomer conversion) to lower-viscosity dispersions: 8a 480 mPa-s; 8b 570 mPa-s.
Alle Dispersionen sind gegenüber Elektrolyt-Zusatz stabil. Sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 50°C getrocknete Lackfilme erwiesen sich im 24-Stunden-Test als gegenüber Wasser beständig.All dispersions are stable against the addition of electrolytes. Lacquer films dried both at room temperature and at 50 ° C proved to be resistant to water in the 24-hour test.
Versuchsbeispiele 12 bis 18Experimental examples 12 to 18
Nach der Standard-Rezeptur wurden mit der aus Methylmetha¬ crylat (49 Gew.%), Butylacrylat (49 Gew.%), Methacrylamid (1 Gew.%) und Methacrylsäure (1 Gew.%) bestehenden Monomer- Zusammensetzung Polymerdispersionen mit unterschiedlichem Anteil an Guar als Schutzkolloidvorstufe, wie in Tabelle 3 angegeben, hergestellt. Mit einem Anteil von 10 und mehr Gew.% Guar werden die Dispersionen schon sehr viskos. Um mit diesen hohen Guar-Anteil dennoch Dispersionen vonAccording to the standard recipe, polymer dispersions with different proportions were made with the monomer composition consisting of methyl methacrylate (49% by weight), butyl acrylate (49% by weight), methacrylamide (1% by weight) and methacrylic acid (1% by weight) on guar as a protective colloid precursor, as indicated in Table 3. With a proportion of 10% or more by weight of guar, the dispersions become very viscous. In order to use this high guar content, dispersions of
ERSATZBLATT
brauchbarer Viskosität zu erhalten, mußte der Feststoff- gehalt der Dispersionen niedriger eingestellt, d.h. von einem entsprechend niedrigeren Monomer-Wasser-Verhältnis ausgegangen werden. Bei Dispersion 17 (10 % Guar) liegt so der Feststoffgehalt um 42 Gew.% und bei Dispersion 18,15 % Guar) um 26 Gew.%.REPLACEMENT LEAF To obtain usable viscosity, the solids content of the dispersions had to be set lower, ie a correspondingly lower monomer / water ratio had to be assumed. For dispersion 17 (10% guar) the solids content is 42% by weight and for dispersion 18.15% guar) it is around 26% by weight.
Die Dispersionen erweisen sich als stabil, auch im Test zur Elektrolyt-Stabilität. Auffallend ist die in Abbildung 2 wiedergegebene Entwicklung der Teilchengrößen-Verteilung der Dispersionen mit steigendem Guar-Anteil: Dispersionen mit weniger als 1 Gew.% Guar weisen eine breite Teilchen¬ größen-Verteilung auf. Mit 1 Gew.% und 1,5 Gew.% Guar sind dann sehr enge Verteilungen zu registrieren, die mit höheren Anteilen zunehmend breiter und ab einem Anteil von 4 Gew.% Guar schließlich bimodal werden. Dispersionen mit 10 bis 15 Gew.% Guar sind hingegen wieder monomodal und weisen relativ kleine und sehr gleichmäßige Teilchendurchmesser auf, wobei die Gleichmäßigkeit derart augenfällig war, daß auf eine automatische Bildanalyse verzichtet wurde.The dispersions turned out to be stable, even in the electrolyte stability test. The development of the particle size distribution of the dispersions with increasing guar content, which is shown in FIG. 2, is striking: dispersions with less than 1% by weight guar have a broad particle size distribution. With 1% by weight and 1.5% by weight guar, very narrow distributions are then to be registered, which become increasingly broader with higher proportions and finally become bimodal from a proportion of 4% by weight guar. Dispersions with 10 to 15% by weight guar, on the other hand, are monomodal again and have relatively small and very uniform particle diameters, the uniformity being so obvious that automatic image analysis was dispensed with.
Versuchsbeispiele 19 bis 27Experimental examples 19 to 27
Mit diesen Versuchen wurde der Einfluß des Cer-IV-Sulfat- Anteils und des Zeitpunkts seiner Zugabe in den Polymeri¬ sationsablauf auf die Eigenschaften der Polymerdispersionen untersucht. Es erwies sich als günstig, mit steigendem Anteil Cer-IV-sulfat auch den Guar-Anteil zu erhöhen. Versuchsbedingungen und Dispersions-Eigenschaften sind in Tabelle 4 wiedergegeben. Soweit nicht anders in der Tabelle angegeben, wurde nach der Standard-Rezeptur gearbeitet. Unter "vorgelegtem" Cer-IV-sulfat ist der Anteil zu ver¬ stehen, der vor dem Dosieren der Monomeren zugesetzt wirdWith these experiments, the influence of the cerium IV sulfate content and the time of its addition in the polymerization process on the properties of the polymer dispersions was investigated. It turned out to be favorable to also increase the guar proportion with an increasing proportion of cerium IV sulfate. Test conditions and dispersion properties are shown in Table 4. Unless otherwise stated in the table, the standard recipe was used. The “presented” cerium IV sulfate is to be understood as the proportion which is added before the monomers are metered in
ERSATZBLATT
(20 Gew.% gemäß Standard-Rezeptur), und unter "dosiertem" Cer-IV-sulfat derjenige Anteil, der gleichzeitig mit den Monomeren, (aber aus einer anderen Dosiervorrichtung) dosiert wird (80 Gew.% gemäß Standard-Rezeptur).REPLACEMENT LEAF (20% by weight according to the standard recipe), and under "metered" cerium IV sulfate is the portion which is metered in simultaneously with the monomers (but from another metering device) (80% by weight according to the standard recipe).
Den Angaben in der Tabelle ist ein günstiges Eigenschafts- bild zu entnehmen. Lediglich im Fall von sehr geringem Anteil Cer-IV-sulfat (der nur vorgelegt wird) gemäß Ver¬ suchen 19 und 20 werden bei zwar sehr hohem Monomer-Umsatz relativ hochviskose Dispersionen erhalten, die bei 50°C- Lagerung nur bis 13 Tage Standzeit stabil bleiben.A favorable property profile can be seen from the information in the table. Only in the case of a very small proportion of cerium IV sulfate (which is only presented) according to trials 19 and 20, although the monomer conversion is very high, relatively highly viscous dispersions are obtained which, when stored at 50 ° C., only last up to 13 days remain stable.
Dispersionsstabilität gegenüber Elektrolyt-Zusatz und Filmstabilität gegenüber 24 Stunden Wasser-Einwirkung sind in allen Fällen gut.Dispersion stability against electrolyte addition and film stability against 24 hours exposure to water are good in all cases.
Stark ausgeprägt ist der Einfluß des Pfropfinitiators auf die Größenverteilung der Dispersionsteilchen, wie Abbildung- 2 für die Versuche 21 bis 24 entnommen werden kann (zunehmende Bimodalität mit zunehmendem Cer-IV-sulfat/ Guar-Anteil bzw. zunehmendem Anteil Cer-IV-sulfat in der Vorlage) .The influence of the graft initiator on the size distribution of the dispersion particles is very pronounced, as can be seen in Figure 2 for experiments 21 to 24 (increasing bimodality with increasing cerium IV sulfate / guar fraction or increasing fraction cerium IV sulfate in the template).
Versuchsbeispiele 28 und 29Experimental Examples 28 and 29
Diese Versuche betreffen die Herstellung von Polymerdisper- sionen gemäß Standard-Rezeptur, jedoch bei Temperaturen 10°C unterhalb (Versuch 28) und 10°C oberhalb (Versuch 29) der Standard-Temperatur von 70°C. Es werden Dispersionen mit einem Eigenschaftsbild, wie es bei 70°C hergestellte Dispersionen aufweisen, erhalten. Die Polymerisation bei 60°C hingegen führt allerdings zu einem Umsatz von nur 88 % der Monomeren; doch kann der Umsatz auf 98,2 % erhöhtThese tests relate to the preparation of polymer dispersions according to the standard recipe, but at temperatures 10 ° C. below (test 28) and 10 ° C. above (test 29) the standard temperature of 70 ° C. Dispersions with a property profile such as those produced at 70 ° C. are obtained. The polymerization at 60 ° C, however, leads to a conversion of only 88% of the monomers; however, sales can increase to 98.2%
ERSATZBLATT
werden, wenn - abweichend von der Standard-Rezeptur - 1,5 Gew.% Ammoniumperoxidisulfat (statt 1 Gew.%) eingesetzt werden und 3 Stunden (statt 2 Stunden) polymerisiert wird.REPLACEMENT LEAF are used if - in deviation from the standard recipe - 1.5% by weight ammonium peroxydisulfate (instead of 1% by weight) is used and polymerization is carried out for 3 hours (instead of 2 hours).
Versuchsbeispiele 30 bis 33Experimental examples 30 to 33
Diese Versuche betreffen die Herstellung von stabilen Polymerdispersionen mit Variationen der Monomeren-Dosierung derart, daß eines der beiden Hauptmonomeren Butylacrylat und Methylmethacrylat zu Beginn der Dosierung im Überschuß zudosiert wurde und das andere im Überschuß bei Dosierende oder umgekehrt. Es wurde dabei wie gemäß Standard-Rezeptur vorgegangen, nur daß zu Beginn der Monomerdosierung nur eines dieser Hauptmonomeren in der üblichen Dosiervor¬ richtung enthalten ist, während das andere Monomere gleich¬ zeitig und innerhalb des gleichen Dosierzeitraums von 1 Stunde in diese Dosiervorrichtung erst zugetropft wird. Es wurde mit dieser Verfahrensweise die Bildung eines Butylacrylat-reichen Pfropfpolymeren und Methylmetha- crylat-reichen Hauptpolymeren angestrebt bzw. umgekehrt eines Methylmethacrylat-reichen Pfropfpolymeren und Butyl- acrylat-reichen Hauptpolymeren.These experiments relate to the preparation of stable polymer dispersions with variations in the metering of monomers in such a way that one of the two main monomers, butyl acrylate and methyl methacrylate, was metered in in excess at the start of metering and the other in excess at the end of metering or vice versa. The procedure according to the standard recipe was followed, except that only one of these main monomers is present in the usual metering device at the beginning of the monomer metering, while the other monomer is only added dropwise to this metering device at the same time and within the same metering period of 1 hour . The aim of this procedure was to form a graft polymer rich in butyl acrylate and main polymers rich in methyl methacrylate, or conversely a graft polymer rich in methyl methacrylate and main polymers rich in butyl acrylate.
Diese Versuche sind in Tabelle 5 zusammengestellt. Bei den beurteilten Grundeigenschaften dieser Polymerdispersionen ergaben sich keine nennenswerten Veränderungen gegenüber den vergleichbaren Standard-Versuchen (Versuche 21 und 23). Die Dispersionen sind stabil gegenüber Elektrolyt-Zusatz und daraus hergestellte Lackfilme beständig gegenüber Wasser¬ einwirkung (Wassertest) .These experiments are summarized in Table 5. In the evaluated basic properties of these polymer dispersions there were no noteworthy changes compared to the comparable standard tests (tests 21 and 23). The dispersions are stable to the addition of electrolytes and paint films produced therefrom are resistant to the action of water (water test).
Versuchsbeispiele 34 bis 36Experimental examples 34 to 36
ERSATZBLATT
Bei diesen Versuchen wurden die Polymerdispersionen dadurch hergestellt, daß zunächst wie üblich ein Pfropfpolymer gebildet wird, die Polymerisation zur Bildung des Haupt¬ polymeren dann aber unter Dosierung der weiteren Monomeren erfolgt.REPLACEMENT LEAF In these experiments, the polymer dispersions were prepared by initially forming a graft polymer as usual, but then polymerizing to form the main polymer while metering in the further monomers.
Im Fall von Versuch 34 wurde so vorgegangen, daß bei der Herstellung der Pfropfpolymeren nach der Standard-Rezeptur (2 Gew.% Guar, 2 Gew.% Cer-IV-sulfat) lediglich nur zwei Drittel der gesamten Monomer-Mischung 1 Stunde dosiert wurden, und nach 1 Stunde Nachreaktion auf die Haupt- Polymerisation mit Ammoniumperoxidisulfat umgestellt wurde durch 1-stündiges Dosieren - getrennt und gleichzeitig - der Ammoniumperoxidisulfat-Lösung und des restlichen Drittels der Monomeren-Mischung.In the case of experiment 34, the procedure was such that only two thirds of the total monomer mixture were metered in for 1 hour in the preparation of the graft polymers according to the standard recipe (2% by weight guar, 2% by weight cerium IV sulfate) , and after 1 hour of post-reaction to the main polymerization with ammonium peroxydisulfate was switched over by metering for 1 hour - separately and simultaneously - the ammonium peroxydisulfate solution and the remaining third of the monomer mixture.
Im Fall der Versuche 35 und 36 wurde wie üblich nach der Standard-Rezeptur (2 Gew.% Guar, 2 Gew.% Cer-IV-sulfat) bis zum Ende der Nachreaktion nach der Pfropfpolymerisation verfahren; dann aber wurden die bei der PfropfPolymerisation nicht umgesetzten Monomeren destillativ abgetrennt. In die so erhaltene wäßrige Dispersion des Pfropfpolymerisats mit einem Feststoffgehalt von 16 Gew.% wurden dann nach Auf¬ heizen auf 70°C getrennt und gleichzeitig innerhalb einer Stunde eine weitere Monomermischung und eine wäßrige Ammoniumperoxidisulfat-Lösung zudosiert. Die Menge der Monomermischung wurde so gewählt, daß am Ende der Poly¬ merisation eine Dispersion mit dem üblichen Feststoffgehalt um 49 Gew.% vorlag. Der Anteil an Ammoniumperoxidisulfat betrug wie üblich 1 Gew.%, bezogen auf Gewicht der dosierten Monomeren. Im Fall von Versuch 35 enthielt die Monomeren- Mischung 55 Gew.% Methylmethacrylat, 43 Gew.% Butylacrylat, 1 Gew.% Methacrylamid und 1 Gew.% Methacrylsäure und im FallIn the case of experiments 35 and 36, the standard recipe (2% by weight guar, 2% by weight cerium IV sulfate) was used as usual until the end of the after-reaction after the graft polymerization; but then the monomers not reacted in the graft polymerization were separated off by distillation. The resulting aqueous dispersion of the graft polymer with a solids content of 16% by weight was then separated after heating to 70 ° C. and, at the same time, a further monomer mixture and an aqueous ammonium peroxydisulfate solution were metered in. The amount of the monomer mixture was chosen so that at the end of the polymerization there was a dispersion with the usual solids content of 49% by weight. As usual, the proportion of ammonium peroxydisulfate was 1% by weight, based on the weight of the metered monomers. In the case of experiment 35, the monomer mixture contained 55% by weight of methyl methacrylate, 43% by weight of butyl acrylate, 1% by weight of methacrylamide and 1% by weight of methacrylic acid, and in the case
ERSATZBLATT
von Versuch 36 27,5 Gew.% Methylmethacrylat, 43 Gew.% Butylacrylat, 27,5 Gew.% Styrol, 1 Gew.% Methacrylamid und 1 Gew.% Methacrylsäure.REPLACEMENT LEAF of experiment 36 27.5% by weight of methyl methacrylate, 43% by weight of butyl acrylate, 27.5% by weight of styrene, 1% by weight of methacrylamide and 1% by weight of methacrylic acid.
Bei den so erhaltenen stabilen Polymerdispersionen 34 bis 36 ergaben sich hinsichtlich der beurteilten Grundeigenschaften keine nennenswerten Veränderungen gegenüber vergleichbaren anderen erfindungsgemäßen Polymer-Dispersionen. Ihre Elektrolyt-Stabilität sowie die Beständigkeit entsprechender Lackfilme gegenüber Wassereinwirkung sind gut. An der Dispersion des Versuchs 34 konnte eine besonders enge Verteilung der Dispersionsteilchen-Durchmesser ermittelt werden, so daß in diesem Fall praktisch von einem mono¬ dispersen System gesprochen werden kann.In the stable polymer dispersions 34 to 36 obtained in this way, there were no noteworthy changes in the basic properties assessed compared with comparable other polymer dispersions according to the invention. Their electrolyte stability and the resistance of corresponding paint films to the effects of water are good. A particularly narrow distribution of the dispersion particle diameters could be determined on the dispersion of experiment 34, so that in this case one can speak practically of a monodisperse system.
Versuchsbeispiel 37Experimental example 37
Dieses Beispiel betrifft die Härtung erfindungsgemäßer Polymerdispersionen in Gegenwart von Melaminharzen. Hierfür wurden die Dispersionen der Versuche 15, 19, 24, 30 und 33 und die Melaminharze Cymel 325 und Cymel 327 (Fa. Cyanamid) herangezogen. Es wurden jeweils 100 g Dispersion und 25 g des Melaminharzes miteinander gemischt. Die hieraus herge¬ stellten Lackfilme wurden 30 Minuten bei 100°C gehärtet. Die resultierenden Filmhärte-Werte sind in Tabelle 6 wiederge¬ geben und den Härtewerten von Melaminharz-freien, bei Raumtemperatur getrockneten Filmen gegenübergestellt. Tabelle 6 enthält zum Vergleich auch die Härte-Werte bei 100°C ohne Melaminharz gehärteter Filme.This example relates to the curing of polymer dispersions according to the invention in the presence of melamine resins. The dispersions of experiments 15, 19, 24, 30 and 33 and the melamine resins Cymel 325 and Cymel 327 (from Cyanamid) were used for this. 100 g of dispersion and 25 g of the melamine resin were mixed together. The paint films produced from this were cured at 100 ° C. for 30 minutes. The resulting film hardness values are shown in Table 6 and compared with the hardness values of melamine-free films dried at room temperature. For comparison, Table 6 also contains the hardness values at 100 ° C. without films hardened from melamine resin.
ERSATZBLATT
ωREPLACEMENT LEAF ω
>>
N 03 rN 03 r
>>
] bezogen auf Gewicht der ethylenisch ungesättigten Monomeren + Vorstufe ] koaguliert bereits nach Zusatz der ersten Tropfen der Lösung
] based on the weight of the ethylenically unsaturated monomers + precursor] coagulates after the first drops of the solution have been added
Tabelle la: Trocknung und Wasserbeständigkeit von Lackfilmen aus Dispersionen gemäß Tabelle 1 obere Zahlenwerte: Raumtemperatur Trocknung untere Zahlenwerte: 50°C - TrocknungTable la: drying and water resistance of paint films from dispersions according to Table 1 upper numerical values: room temperature drying lower numerical values: 50 ° C - drying
(bis 1 Tag, dann Raum¬ temperatur)(up to 1 day, then room temperature)
Versuch Trocknung Filmresistenz Nr. Härte [see] gegenüber 24h Wasserein¬ wirkungTest drying film resistance no. Hardness [see] against 24 h water exposure
4h ld 30d4h ld 30d
ERSATZBLATT
Tabelle 2: Versuche mit verschiedenen ethylenisch ungesättigten Monomeren 2 Gew.% Guar als SchutzkolloidvorstufeREPLACEMENT LEAF Table 2: Experiments with various ethylenically unsaturated monomers 2% by weight guar as a protective colloid precursor
Versuch Mono erenzusammensetzung Umsatz Viskosi- Teilchen- Lager- Stabili¬Experiment Mono erenzomposition conversion viscous particle storage stabili
8b > 308b> 30
8c 17 + 9 > 30 + 10a > 30 +8c 17 + 9> 30 + 10a> 30 +
Tabelle 3 : Versuche mit steigendem Anteil Schutzkolloidvorstufe (Guar) MonomerZusammensetzung: 49 % MMA - 49 % BATable 3: Experiments with increasing proportion of protective colloid precursor (guar) monomer composition: 49% MMA - 49% BA
1 % MAA - 1 % MAS1% MAA - 1% MAS
*) bezogen auf Gewicht der Monomeren **) 42 % Feststoff ***) 26 % Feststoff*) based on the weight of the monomers **) 42% solids ***) 26% solids
ERSATZBLATT
abelle 4: Versuche mit unterschiedlichem Anteil Pfropfinitiator (Ccr-IV-sulfat) und unterschiedlicher Verteilung desselben auf Vorlage und DosierungREPLACEMENT LEAF Table 4: Experiments with different proportions of graft initiator (Ccr-IV sulfate) and different distributions of the same on presentation and dosage
MonomerZusammensetzung: 49 % MMA - 49 % BA - 1 % MAA - 1 % MASMonomer composition: 49% MMA - 49% BA - 1% MAA - 1% MAS
*) bezogen auf Gesamtgewicht Schutzkolloidvorstufe + ungesätt. Monomere bezogen auf Gesamtanteil Cer-IV-sulfat
*) based on total weight of protective colloid precursor + unsaturated. Monomers based on total cerium IV sulfate
abelle 5: Variationen der Monomer-DosierungTable 5: Variations in the monomer dosage
MonomerZusammensetzung: 49 % MMA - 49 % BA MAA - 1 MASMonomer composition: 49% MMA - 49% BA MAA - 1 MAS
Versuch Verteilung MMA und BA Cer-IV- Guar- Umsatz Visko¬ Teilchen-Trial distribution of MMA and BA Cer-IV guar conversion viscous particle
Nr. sulfat- Anteil [%] sität durchm.No. sulfate percentage [%] diam.
Dosierbeginn Dosierende Anteil [%] [mPa• ] [n ] [%1 *) *)Start of dosing Dosing proportion [%] [mPa •] [n] [% 1 *) *)
ispersion Tabelle, Filmhärte (see.) ersuch welche die r. Dispersion ohne Melaminharz Cymel 325 Cymel 327 beschreibt RT(ld) 100°C (30 min.) 100°C (30 min.) 100°C (30 min.)ispersion table, film hardness (see.) request which the r. Dispersion without melamine resin Cymel 325 Cymel 327 describes RT (ld) 100 ° C (30 min.) 100 ° C (30 min.) 100 ° C (30 min.)
HäHuh
( a ) 2 % Guar/2 % Cer ( TV) sulf at (a) 2% guar / 2% cerium (TV) sulfate
H = HäufigkeitH = frequency
Abb.2: Abhängigkeit Teilchendurchmesser [um]-Verteilung von Dispersionen gemäß Standard-Rezeptur in Abhängigkeit vom Gewichtsanteil Schutzkolloid-Vorstufe A bb.2: Dependence of particle diameter [µm] distribution of dispersions according to standard recipe depending on the weight fraction of protective colloid precursor
(Guar)/Pfrop initiator (Cer(IV)sulfat) , bezogen auf nichtflüchtige Disper¬ sionsbestandteile, bzw. vom Anteil an Gesamt-Cer(IV)sulfat- Menge in der Vorlage.
( G uar) / Pfrop initiator (cerium (IV) sulfate), based on non-volatile dispersion constituents, or on the proportion of total cerium (IV) sulfate amount in the initial charge.