VERWENDUNG EINER WAESSRIGEN POLYURΞTHANDISPERSION ZUR HERSTELLUNG EINES ABZIEHBAREN SCHUTZEUEBERZUGS
Beschreibung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist d e Verwendung einer wässrigen Polyu- rethandispersion zur Herstellung einer Besch chtung, welche sich als wiederabziehba- rer Schutzüberzug eignet, dadurch gβkennzei chnet, dass das Polyurethan aufgebaut ist aus
a) Diisocyanaten,
b) Diolen, von denen
b-i) 10 bis 100 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 500 bis 5000 g/mol aufweisen, wobei mindestens
70 mol-% der Diole b-i Polyetherdiole sind,
b2) 0 bis 90 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 60 bis 500 g/mol aufweisen,
c) von den Monomeren (a) und (b) verschiedene Monomere mit wenigstens einer Isocyanatgruppe oder wenigstens einer gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppe, die darüber hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine potentiell hydrophile Gruppe tragen, wodurch die Wasserdispergierbarkeit der Polyu- rethane bewirkt wird;
d) gegebenenfalls weiteren von den Monomeren (a) bis (c) verschiedenen mehrwertigen Verbindungen mit reaktiven Gruppen, bei denen es sich um alkoholische Hydroxylgruppen, primäre oder sekundäre Aminogruppen oder Isocya- natgruppen handelt und
e) gegebenenfalls von den Monomeren (a) bis (d) verschiedenen einwertigen Verbindungen mit einer reaktiven Gruppe, bei der es sich um eine alkoholische Hydroxylgruppe, eine primäre oder sekundäre Aminogruppe oder eine Isocya- natgruppe handelt.
Schutzüberzüge haben die Aufgabe, einen Gegenstand vorübergehend, z.B. bis zur Montage oder Endauslieferung beim Kunden, vor schädlichen Umwelteinflüssen und Verschmutzung zu schützen.
Folgende Anforderungen werden an einen Schutzüberzug gestellt:
Der Schutzüberzug soll vom Verpacker mit einfachen Mitteln aufzubringen sein.
Der Schutzüberzug soll während der Zeit des Einsatzes eine ausreichend hohe Haftung aufweisen.
Der Schutzüberzug soll das verpackte Gut zuverlässig vor schädlichen Einflüssen wie z.B. Wasser, Saurem Regen, UV-Strahlung, Staub, Vogelkot oder mechanischen Be- Schädigungen schützen.
Beim Wiederabziehen soll die Haftung nicht zu hoch sein, damit das verpackte Gut nicht beschädigt wird.
Der Schutzüberzug soll durch Temperatur oder Kältelagerung bzw. Klimawechselbelastung nicht in ihren Eigenschaften, speziell in Bezug auf die Haftung zum verpackten Gut, verändert werden.
Der Schutzüberzug soll nicht in Wechselwirkung mit den Oberflächen des verpackten Gutes treten (z. B. frische Lackoberflächen).
EP-A1 1 004 608 beschreibt eine Mehrschichtfolie, die erhalten wird durch Beschichten einer Kunststofffolie mit einer speziellen Polyurethan-Dispersion. Nachteilig hieran ist, dass Folien nur schwierig auf einen komplex geformten Gegenstand wie z.B. ein Au- tomobil aufzubringen sind.
DE 19 921 885 A1 beschreibt Mischungen aus A) estergruppenhaltigen Polymeren und B) Füllstoffen einer Primärteilchengröße < 10 μm zur Herstellung von Schutzüberzügen. Nachteilig an diesen Schutzüberzügen ist, dass sie nicht die geforderte Chemika- lienbeständigkeit, insbesondere nicht die geforderte Laugenbeständigkeit aufweisen.
Nachteilig ist weiterhin, dass derartige Schutzüberzüge oft nicht rückstandsfrei wieder- abziehbar sind.
DE 10 107 613 A1 beschreibt Mischungen aus mindestens zwei Kunststoffdispersio- nen bestimmter Oberflächenenergie für Schutzüberzüge.
Nachteilig hierbei ist, dass mit einer Mischung von Dispersionen gearbeitet werden muss, was erhöhten Herstellungs-, Lager- und Mischaufwand bedingt.
Es bestand die Aufgabe, eine Dispersion zur Herstellung von Schutzüberzügen zu finden, die die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Demgemäss wurde die eingangs definierte Verwendung und die dadurch erhältlichen ■ wiederabziehbaren Schutzüberzüge gefunden.
Die erfindungsgemäß verwendete Polyurethandispersion enthält ein Polyurethan aufgebaut aus:
a) Diisocyanaten,
b) Diolen, von denen
b-i) 10 bis 100 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Mole- kulargewicht von 500 bis 5000 g/mol aufweisen, wobei mindestens 70 mol-
% der im Polyurethan enthaltenen Diole b-i) Polyetherdiole sind,
b2) 0 bis 90 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b), ein Molekulargewicht von 60 bis 500 g/mol aufweisen,
c) von den Monomeren (a) und (b) verschiedene Monomere mit wenigstens einer Isocyanatgruppe oder wenigstens einer gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppe, die darüber hinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine potentiell hydrophile Gruppe tragen, wodurch die Wasserdispergierbarkeit der Polyu- rethane bewirkt wird,
d) gegebenenfalls weiteren von den Monomeren (a) bis (c) verschiedenen mehrwertigen Verbindungen mit reaktiven Gruppen, bei denen es sich um alkoholische Hydroxylgruppen, primäre oder sekundäre Aminogruppen oder Isocya- natgruppen handelt und
e) gegebenenfalls von den Monomeren (a) bis (d) verschiedenen einwertigen Verbindungen mit einer reaktiven Gruppe, bei der es sich um eine alkoholische Hydroxylgruppe, eine primäre oder sekundäre Aminogruppe oder eine Isocya- natgruppe handelt.
Insbesondere zu nennen sind als Monomere (a) Diisocyanate X(NCO)2, wobei X für einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 4 bis 15 Kohlenstoffatomen, einen cyc- loaliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 6 bis 15 Kohlenstoffato- men oder einen araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 7 bis 15 Kohlenstoffatomen
steht. Beispiele derartiger Diisocyanate sind Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylen- diisocyanat, Dodecamethylendiisocyanat, 1 ,4-DiisocyanatocycIohexan, 1-lsocyanato- 3,5,5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexan (IPDI), 2,2-Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)- propan, Trimethylhexandiisocyanat, 1 ,4-Diisocyanatobenzol, 2,4-Diisocyanatotoluol, 2,6-Diisocyanatotoluol, 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan, 2,4'-Diisocyanato- diphenylmethan, p-Xylylendiisocyanat, Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), die Isomeren des Bis-(4-isocyanatocyclohexyl)methans (HMDI) wie das trans/trans-, das cis/cis- und das cis/trans-lsomere sowie aus diesen Verbindungen bestehende Gemische.
Derartige Diisocyanate sind im Handel erhältlich.
Als Gemische dieser Isocyanate sind besonders die Mischungen der jeweiligen Strukturisomeren von Diisocyanatotoluol und Diisocyanato-diphenylmethan von Bedeutung, insbesondere ist die Mischung aus 80 mol-% 2,4-Diisocyanatotoluol und 20 mol-% 2,6- Diisocyanatotoluol geeignet. Weiterhin sind die Mischungen von aromatischen Isocya- naten wie 2,4-Diisocyanatotoluol und/oder 2,6-Diisocyanatotoluol mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Isocyanaten wie Hexamethylendiisocyanat oder IPDI besonders vorteilhaft, wobei das bevorzugte Mischungsverhältnis der aliphatischen zu aro- matischen Isocyanate 4 : 1 bis 1 : 4 beträgt.
Zum Aufbau der Polyurethane kann man als Verbindungen außer den vorgenannten auch Isocyanate einsetzen, die neben den freien Isocyanatgruppen weitere verkappte Isocyanatgruppen, z.B. Uretdiongruppen tragen.
Im Hinblick auf gute Filmbildung und Elastizität kommen als Diole (b) vornehmlich höhermolekulare Diole (b1) in Betracht, die ein Molekulargewicht von etwa 500 bis 5000, vorzugsweise von etwa 1000 bis 3000 g/mol haben. Es handelt sich hierbei um das zahlenmittlere Molgewicht Mn. Mn ergibt sich durch Bestimmung der Anzahl der End- gruppen (OH-Zahl).
Bei den Diolen (b1 ) kann es sich zum Teil auch um Polyesterpolyole handeln, die z.B. aus Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, S. 62 bis 65 bekannt sind. Bevorzugt werden Polyesterpolyole eingesetzt, die durch Umsetzung von zweiwertigen Alkoholen mit zweiwertigen Carbonsäuren erhalten werden. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester von niederen Alkoholen oder deren Gemische zur Herstellung der Polyesterpolyole verwendet werden. Die Polycarbonsäuren können aliphatisch, cycloaliphatisch, araliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein und gegebenenfalls, z.B. durch Halogenatome, substituiert und/oder ungesättigt sein.
Als Beispiele hierfür seien genannt: Korksäure, Azelainsäure, Phthalsäure, Isophthal- säure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäu- reanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäurean- hydrid, Glutarsäureanhydrid, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, dimere Fettsäuren. Bevorzugt sind Dicarbonsäuren der allgemeinen Formel HOOC- (CH2)y- COOH, wobei y eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt. eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist, z.B. Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure und Dodecandicarbonsäure.
Als mehrwertige Alkohole kommen z.B. Ethylenglykol, Propan-1 ,2- diol, Propan-1 ,3- diol, Butan-1,3-diol, Buten-1 ,4-diol, Butin-1 ,4-diol, Pentan-1 ,5-diol, Neopentylglykol, Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexane wie 1 ,4-Bis-(hydroxymethyl)cyclohexan, 2-Methyl- propan-1 ,3-diol, Methylpentandiole, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethy- lenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol, Polypropylenglykol, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole in Betracht. Bevorzugt sind Alkohole der allgemeinen Formel HO- (CH2)x-OH, wobei x eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist. Beispiele hierfür sind Ethylenglycol, Butan-1 ,4-diol, Hexan-1 ,6-diol, Octan-1 ,8-diol und Dodecan-1 ,12-diol. Weiterhin bevorzugt ist Neopentylglykol.
Ferner kommen gegebenenfalls auch Polycarbonat-Diole, wie sie z.B. durch Umset- zung von Phosgen mit einem Überschuss von den als Aufbaukomponenten für die Polyesterpolyole genannten niedermolekularen Alkohole erhalten werden können, in Betracht.
Gegebenenfalls können auch Polyesterdiole auf Lacton-Basis mitverwendet werden, wobei es sich um Homo- oder Mischpolymerisate von Lactonen, bevorzugt um endständige Hydroxylgruppen aufweisende Anlagerungsprodukte von Lactonen an geeignete difunktionelle Startermoleküle handelt. Als Lactone kommen bevorzugt solche in Betracht, die sich von Verbindungen der allgemeinen Formel HO-(CH2)z-COOH ableiten, wobei z eine Zahl von 1 bis 20 ist und ein H-Atom einer Methyleneinheit auch durch einen Cr bis C -Alkylrest substituiert sein kann. Beispiele sind e-Caprolacton, ß- Propiolacton, g-Butyrolacton und/oder Methyl-e-caprolacton sowie deren Gemische. Geeignete Starterkomponenten sind z.B. die vorstehend als Aufbaukomponente für die Polyesterpolyole genannten niedermolekularen zweiwertigen Alkohole. Die entsprechenden Polymerisate des e-Caprolactons sind besonders bevorzugt. Auch niedere Polyesterdiole oder Polyetherdiole können als Starter zur Herstellung der Lacton-
Polymerisate eingesetzt sein. Anstelle der Polymerisate von Lactonen können auch die entsprechenden, chemisch äquivalenten Polykondensate der den Lactonen entsprechenden Hydroxycarbonsäuren, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei mindestens 70 mol-% der Diole b aus denen das Polyurethan aufgebaut ist, um Polyetherdiole. Sie sind insbesondere durch Polymerisation von Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid, Tetrahydrofuran, Styroloxid oder Epichlorhydrin mit sich selbst, z.B. in Gegenwart von BF3 oder durch Anlagerung dieser Verbindungen gegebenenfalls im Gemisch oder nacheinander, an Startkomponenten mit reaktionsfähigen Wasserstoff atomen, wie Alkohole oder Amine, z.B. Wasser, Ethylenglykol, Propan-1 ,2-diol, Propan-1 ,3-diol, 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan oder Anilin erhältlich. Besonders bevorzugt sind Polypropylenoxid, Polytetrahydrofuran eines Molekulargewichts von 240 bis 5000, und vor allem 500 bis 4500.
Unter b-,) fallen nur Polyetherdiole, die zu weniger als 20 Gew.-% aus Ethylenoxid bestehen. Polyetherdiole mit mindestens 20 Gew.-% sind hydrophile Polyetherdiole, welche zu Monomeren c) zählen.
Gegebenenfalls können auch Polyhydroxyolefine mitverwendet werden, bevorzugt solche mit 2 endständigen Hydroxylgruppen, z.B. σ,-ω-Dihydroxypolybutadien, a,-ω- Dihydroxypolymethacrylester oder σ.-w-Dihydroxypolyacrylester als Monomere (d). Solche Verbindungen sind beispielsweise aus der EP-A 0622378 bekannt. Weitere geeignete Polyole sind Polyacetale, Polysiloxane und Alkydharze.
Bevorzugt handelt es sich bei mindestens 95 mol-% der Diole b1} um Polyetherdiole. Besonders bevorzugt werden als Diole bu ausschließlich Polyetherdiole verwendet.
Die Härte und der Elastizitätsmodul der Polyurethane lassen sich erhöhen, wenn als Diole (b) neben den Diolen (b1) noch niedermolekulare Diole (b2) mit einem Molekulargewicht von etwa 60 bis 500, vorzugsweise von 62 bis 200 g/mol, eingesetzt werden.
Als Monomere (b2) werden vor allem die Aufbaukomponenten der für die Herstellung von Polyesterpolyolen genannten kurzkettigen Alkandiole eingesetzt, wobei die unverzweigten Diole mit 2 bis 12 C-Atomen und einer gradzahligen Anzahl von C-Atomen sowie Pentan-1 ,5-diol und Neopentylglykol bevorzugt werden.
Als Diole b2) kommen z.B. Ethylenglykol, Propan-1 ,2-diol, Propan-1 ,3-diol, Butan-1 ,3- diol, Buten-1 ,4-diol, Butin-1 ,4-diol, Pentan-1 ,5-diol, Neopentylglykol, Bis-
(hydroxymethyl)-cyclohexane wie 1 ,4-Bis-(hydroxymethyl)cyc!ohexan, 2-Methyl- propan-1 ,3-diol, Methylpentandiole, ferner Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethy- lenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol, Polypropylenglykol, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole in Betracht. Bevorzugt sind Alkohole der allgemeinen Formel HO- (CH2)x-OH, wobei x eine Zahl von 1 bis 20, bevorzugt eine gerade Zahl von 2 bis 20 ist.
Beispiele hierfür sind Ethylenglycol, Butan-1 ,4-diol, Hexan-1 ,6-diol, Octan-1 ,8-diol und Dodecan-1,12-diol. Weiterhin bevorzugt ist Neopentylglykol.
Bevorzugt beträgt der Anteil der Diole (b-,), bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b) 10 bis 100 mol-% und der Anteil der Monomere (b2), bezogen auf die Gesamtmenge der Diole (b) 0 bis 90 mol-%. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der Diole (b1) zu den Monomeren (b2) 0,1 : 1 bis 5:1, besonders bevorzugt 0,2 : 1 bis 2 : 1.
Um die Wasserdispergierbarkeit der Polyurethane zu erreichen, enthalten die Polyu- rethane von den Komponenten (a), (b) und (d) verschiedene Monomere (c), die wenigstens eine Isocyanatgruppe oder wenigstens eine gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppe und darüberhinaus wenigstens eine hydrophile Gruppe oder eine Gruppe, die sich in eine hydrophile Gruppe überführen lässt, tragen, als Aufbaukomponente. Im folgenden Text wird der Begriff "hydrophile Gruppen oder potentiell hydrophile Gruppen" mit "(potentiell) hydrophile Gruppen" abgekürzt. Die (potentiell) hydrophilen Gruppen reagieren mit Isocyanaten wesentlich langsamer als die funktioneilen Gruppen der Monomere, die zum Aufbau der Polymerhauptkette dienen.
Der Anteil der Komponenten mit (potentiell) hydrophilen Gruppen an der Gesamtmen- ge der Komponenten (a), (b), (c), (d) und (e) wird im allgemeinen so bemessen, dass die Molmenge der (potentiell) hydrophilen Gruppen, bezogen auf die Gewichtsmenge aller Monomere (a) bis (e), 30 bis 1000, bevorzugt 50 bis 500 und besonders bevorzugt 80 bis 300 mmol/kg beträgt.
Bei den (potentiell) hydrophilen Gruppen kann es sich um nichtionische oder bevorzugt um (potentiell) ionische hydrophile Gruppen handeln.
Als nichtionische hydrophile Gruppen kommen insbesondere Polyethylenglycolether aus vorzugsweise 5 bis 100, bevorzugt 10 bis 80 Ethylenoxid-Wiederholungseinheiten, in Betracht. Der Gehalt an Polyethylenoxid-Einheiten beträgt im allgemeinen 0 bis 10, bevorzugt 0 bis 6 Gew.-%, bezogen auf die Gewichtsmenge aller Monomere (a) bis (e).
Bevorzugte Monomere mit nichtionischen hydrophilen Gruppen sind Polyethylenoxid- diole mit mindestens 20 Gew.-% Ethylenoxid, Polyethylenoxidmonoole sowie die Reak- tionsprodukte aus einem Polyethylenglykol und einem Diisocyanat, die eine endständig veretherten Polyethylenglykolrest tragen. Derartige Diisocyanate sowie Verfahren zu deren Herstellung sind in den Patentschriften US-A 3 905 929 und US-A 3 920 598 angegeben.
Ionische hydrophile Gruppen sind vor allem anionische Gruppen wie die Sulfonat-, die Carboxylat- und die Phosphatgruppe in Form ihrer Alkalimetall- oder Ammoniumsalze sowie kationische Gruppen wie Ammonium-Gruppen, insbesondere protonierte tertiäre Aminogruppen oder quartäre Ammoniumgruppen.
Potentiell ionische hydrophile Gruppen sind vor allem solche, die sich durch einfache Neutralisations-, Hydrolyse- oder Quatemisierungsreaktionen in die oben genannten ionischen hydrophilen Gruppen überführen lassen, also z.B. Carbonsäuregruppen oder tertiäre Aminogruppen.
(Potentiell) ionische Monomere (c) sind z.B. in Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, S.311-313 und beispielsweise in der DE-A 1 495 745 ausführlich beschrieben.
Als (potentiell) kationische Monomere (c) sind vor allem Monomere mit tertiären Aminogruppen von besonderer praktischer Bedeutung, beispielsweise: Tris-(hydroxyalkyl)- amine, N,N'-Bis(hydroxyalkyl)-alkylamine, N-Hydroxyalkyl-dialkylamine, Tris- (aminoalkyl)-amine, N,N'-Bis(aminoalkyl)-alkylamine, N-Aminoalkyl-dialkylamine, wobei die Alkylreste und Alkandiyl-Einheiten dieser tertiären Amine unabhängig voneinander aus 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bestehen. Weiterhin kommen tertiäre Stickstoffatome aufweisende Polyether mit vorzugsweise zwei endständigen Hydroxylgruppen, wie sie z.B. durch Alkoxylierung von zwei an Aminstickstoff gebundene Wasserstoffatome aufweisende Amine, z.B. Methylamin, Anilin oder N,N'-Dimethylhydrazin, in an sich üblicher Weise zugänglich sind, in Betracht. Derartige Polyether weisen im allgemeinen ein zwischen 500 und 6000 g/mol liegendes Molgewicht auf.
Diese tertiären Amine werden entweder mit Säuren, bevorzugt starken Mineralsäuren wie Phosphorsäure, Schwefelsäure, Halogenwasserstoffsäuren oder starken organischen Säuren oder durch Umsetzung mit geeigneten Quaternisierungsmitteln wie C bis C6-Alkylhalogeniden oder Benzylhalogeniden, z.B. Bromiden oder Chloriden, in die Ammoniumsalze überführt.
Als Monomere mit (potentiell) anionischen Gruppen kommen üblicherweise aliphati- sche, cycloaliphatische, araliphatische oder aromatische Carbonsäuren und Sulfonsäu- ren in Betracht, die mindestens eine alkoholische Hydroxylgruppe oder mindestens eine primäre oder sekundäre Aminogruppe tragen. Bevorzugt sind Dihydroxyalkylcar- bonsäuren, vor allem mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, wie sie auch in der US-A 3 412 054 beschrieben sind. Insbesondere sind Verbindungen der allgemeinen Formel (c-i)
■,3
R
HO-R1 -R-OH (α,)
COOH
in welcher R1 und R2 für eine C bis C4-Alkandiyl-(Einheit) und R3 für eine C bis C4- Alkyl-(Einheit) steht und vor allem Dimethylolpropionsäure (DMPA) bevorzugt.
Weiterhin eignen sich entsprechende Dihydroxysulfonsäuren und Dihydroxyphosphon- säuren wie 2,3-Dihydroxypropanphosphonsäure.
Ansonsten geeignet sind Dihydroxylverbindungen mit einem Molekulargewicht über 500 bis 10000 g/mol mit mindestens 2 Carboxylatgruppen, die aus der DE-A 3 911 827 bekannt sind. Sie sind durch Umsetzung von Dihydroxylverbindungen mit Tetracarbon- säuredianhydriden wie Pyromellitsäuredianhydrid oder Cyclopentantetracarbonsäure- dianhydrid im Molverhältnis 2 : 1 bis 1 ,05 : 1 in einer Polyadditionsreaktion erhältlich. Als Dihydroxylverbindungen sind insbesondere die als Kettenverlängerer aufgeführten Monomere (b2) sowie die Diole (b1) geeignet.
Als Monomere (c) mit gegenüber Isocyanaten reaktiven Aminogruppen kommen Ami- nocarbonsäuren wie Lysin, ?-Alanin oder die in der DE-A 2034479 genannten Addukte von aliphatischen diprimären Diaminen an a,ß-ungesättigte Carbon- oder Sulfonsäuren in Betracht.
Solche Verbindungen gehorchen beispielsweise der Formel (c2)
H2N-R4-NH-R5-X (c2)
in der
R4 und R5 unabhängig voneinander für eine d- bis C6-Alkandiyl-Einheit, bevorzugt Ethylen
und X für COOH oder SO3H stehen.
Besonders bevorzugte Verbindungen der Formel (c2) sind die N-(2-Aminoethyl)-2- aminoethancarbonsäure sowie die N-(2-Aminoethyl)-2-aminoethansulfonsäure bzw. die entsprechenden Alkalisalze, wobei Na als Gegenion besonders bevorzugt ist.
Weiterhin besonders bevorzugt sind die Addukte der oben genannten aliphatischen diprimären Diamine an 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, wie sie z.B. in der DE-B 1 954 090 beschrieben sind.
Sofern Monomere mit potentiell ionischen Gruppen eingesetzt werden, kann deren Überführung in die ionische Form vor, während, jedoch vorzugsweise nach der Isocya- nat-Polyaddition erfolgen, da sich die ionischen Monomeren in der Reaktionsmischung häufig nur schwer lösen. Besonders bevorzugt liegen die Sulfonat- oder Carboxylatgruppen in Form ihrer Salze mit einem Alkaliion oder einem Ammoniumion als Ge- genion vor.
Die Monomere (d), die von den Monomeren (a) bis (c) verschieden sind und weiche gegebenenfalls auch Bestandteile des Polyurethans sind, dienen im allgemeinen der Vernetzung oder der Kettenverlängerung. Es sind im allgemeinen mehr als zweiwertige nicht-phenolische Alkohole, Amine mit 2 oder mehr primären und/oder sekundären Aminogruppen sowie Verbindungen, die neben einer oder mehreren alkoholischen Hydroxylgruppen eine oder mehrere primäre und/oder sekundäre Aminogruppen tragen.
Alkohole mit einer höheren Wertigkeit als 2, die zur Einstellung eines gewissen
Verzweigungs- oder Vernetzungsgrades dienen können, sind z.B. Trimethylolpropan, Glycerin oder Zucker.
Ferner kommen Monoalkohole in Betracht, die neben der Hydroxyl-Gruppe eine weite- re gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppe tragen wie Monoalkohole mit einer oder mehreren primären und/oder sekundären Aminogruppen, z.B. Monoethanolamin.
Polyamine mit 2 oder mehr primären und/oder sekundären Aminogruppen werden vor allem dann eingesetzt, wenn die Kettenverlängerung bzw. Vernetzung in Gegenwart von Wasser stattfinden soll, da Amine in der Regel schneller als Alkohole oder Wasser mit Isocyanaten reagieren. Das ist häufig dann erforderlich, wenn wässerige Dispersionen von vernetzten Polyurethanen oder Polyurethanen mit hohem Molgewicht gewünscht werden. In solchen Fällen geht man so vor, daß man Prepolymere mit Isocyanatgruppen herstellt, diese rasch in Wasser dispergiert und anschließend durch Zuga- be von Verbindungen mit mehreren gegenüber Isocyanaten reaktiven Aminogruppen kettenverlängert oder vernetzt.
Hierzu geeignete Amine sind im allgemeinen polyfunktionelle Amine des Molgewichtsbereiches von 32 bis 500 g/mol, vorzugsweise von 60 bis 300 g/mol, welche mindes- tens zwei Aminogruppen, ausgewählt aus der Gruppe der primären und sekundären
Aminogruppen, enthalten. Beispiele hierfür sind Diamine wie Diaminoethan, Diami- nopropane, Diaminobutane, Diaminohexane, Piperazin, 2,5-Dimethylpiperazin, Amino- 3-aminomethyl-3,5,5-trimethyl-cyclohexan (Isophorondiamin, IPDA), 4,4'- Diaminodicyclohexylmethan, 1 ,4-Diaminocyclohexan, Aminoethylethanolamin, Hydra- zin, Hydrazinhydrat oder Triamine wie Diethylentriamin oder 1 ,8-Diamino-4- aminomethyloctan.
Die Amine können auch in blockierter Form, z.B. in Form der entsprechenden Ketimine (siehe z.B. CA-A 1 129 128), Ketazine (vgl. z.B. die US-A 4 269 748) oder Aminsalze (s. US-A 4 292 226) eingesetzt werden. Auch Oxazolidine, wie sie beispielsweise in der US-A 4 192 937 verwendet werden, stellen verkappte Polyamine dar, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane zur Kettenverlängerung der Prepo- lymeren eingesetzt werden können. Bei der Verwendung derartiger verkappter Polyamine werden diese im allgemeinen mit den Prepolymeren in Abwesenheit von Wasser vermischt und diese Mischung anschließend mit dem Dispersionswasser oder einem Teil des Dispersionswassers vermischt, so daß hydrolytisch die entsprechenden Polyamine freigesetzt werden.
Bevorzugt werden Gemische von Di- und Triaminen verwendet, besonders bevorzugt Gemische von Isophorondiamin (IPDA) und Diethylentriamin (DETA).
Die Polyurethane enthalten bevorzugt 1 bis 30, besonders bevorzugt 4 bis 25 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Komponenten (b) und (d) eines Polyamins mit mindestens 2 gegenüber Isocyanaten reaktiven Aminogruppen als Monomere (d).
Für den gleichen Zweck können auch als Monomere (d) höher als zweiwertige Isocyanate eingesetzt werden. Handelsübliche Verbindungen sind beispielsweise das Isocy- anurat oder das Biuret des Hexamethylendiisocyanats.
Monomere (e), die gegebenenfalls mitverwendet werden, sind Monoisocyanate, Monoalkohole und monoprimäre und -sekundäre Amine. Im allgemeinen beträgt ihr Anteil maximal 10 mol-%, bezogen auf die gesamte Molmenge der Monomere. Diese mono- funktionellen Verbindungen tragen üblicherweise weitere funktionelle Gruppen wie ole- finische Gruppen oder Carbonylgruppen und dienen zur Einführung von funktionellen Gruppen in das Polyurethan, die die Dispergierung bzw. die Vernetzung oder weitere polymeranaloge Umsetzung des Polyurethans ermöglichen. In Betracht kommen hierfür Monomere wie lsopropenyl-a,a-dimethy!benzylisocyanat (TMl) und Ester von Acryl- oder Methacrylsäure wie Hydroxyethylacrylat oder Hydroxyethylmethacrylat.
Überzüge mit einem besonders guten Eigenschaftsprofil erhält man vor allem dann, wenn als Monomere (a) im wesentlichen nur aliphatische Diisocyanate, cycloaliphati- sche Diisocyanate oder araliphatische Diisocyanate eingesetzt werden.
Diese Monomerkombination wird in hervorragender Weise ergänzt als Komponente (c) durch Diaminosulfonsäure-Alkali-Salze; ganz besonders durch die N-(2-Aminoethyl)-2- aminoethansulfonsäure bzw. ihre entsprechenden Alkalisalze, wobei das Na-Salz am besten geeignet ist, und eine Mischung von DETA/IPDA als Komponente (d).
Auf dem Gebiet der Polyurethanchemie ist allgemein bekannt, wie das Molekulargewicht der Polyurethane durch Wahl der Anteile der miteinander reaktiven Monomere sowie des arithmetischen Mittels der Zahl der reaktiven funktionellen Gruppen pro Molekül eingestellt werden kann.
Normalerweise werden die Komponenten (a) bis (e) sowie ihre jeweiligen Molmengen so gewählt, dass das Verhältnis A : B mit
A der Molmenge an Isocyanatgruppen und
B der Summe aus der Molmenge der Hydroxylgruppen und der Molmenge der funktionellen Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion reagieren können
0,5 : 1 bis 2 : 1 , bevorzugt 0,8 : 1 bis 1 ,5, besonders bevorzugt 0,9 : 1 bis 1 ,2 : 1 be- trägt. Ganz besonders bevorzugt liegt das Verhältnis A : B möglichst nahe an 1 : 1.
Die eingesetzten Monomere (a) bis (e) tragen im Mittel üblicherweise 1 ,5 bis 2,5, bevorzugt 1 ,9 bis 2,1 , besonders bevorzugt 2,0 Isocyanatgruppen bzw. funktionelle Gruppen, die mit Isocyanaten in einer Additionsreaktion reagieren können.
Das Polyurethan ist insgesamt vorzugsweise zu 20 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mindestens 30 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu mindestens 40 Gew.-% aus Polyetherdiolen bt aufgebaut.
Die Polyaddition der Komponenten (a) bis (e) zur Herstellung des Polyurethans erfolgt vorzugsweise bei Reaktionstemperaturen von bis zu 180°C, bevorzugt bis zu 150°C unter Normaldruck oder unter autogenem Druck.
Die erforderlichen Reaktionszeiten liegen im Bereich von 1 bis 20 Stunden, insbeson- dere im Bereich von 1 ,5 bis 10 Stunden. Es ist auf dem Gebiet der Polyurethanchemie
bekannt, wie die Reaktionszeit durch eine Vielzahl von Parametern wie Temperatur, Konzentration der Monomere, Reaktivität der Monomeren beeinflußt wird. Es kann sich weiterhin empfehlen, zur Neutralisation der überschüssigen Säure nach der Polyaddition Ammoniak hinzuzusetzen.
Die Polyaddition der Monomere a> bis e} zur Herstellung der PUR-Dispersion kann dabei in Abwesenheit oder aber in Anwesenheit von metallorganischen Katalysatoren erfolgen. Unter der Bezeichnung metallorganische Katalysatoren .sollen dabei verstanden werden Verbindungen von Elementen aus folgenden Gruppen des Periodensys- tems: la (mit Ausnahme von Wasserstoff), lla, lila mit Ausnahme von Bor, IVa mit Ausnahme von Kohlenstoff, Va mit Ausnahme von Stickstoff und Phosphor, Via mit Ausnahme von Sauerstoff und Schwefel, lllb, IVb, Vb, Vlb, Vllb, Vlllb, Ib, Mb sowie die Lan- thaniden und Actiniden, die eine kovalente Bindung Element-Kohlenstoff aufweisen. Dazu zählen u.a. auch die häufig verwendeten organischen Zinnverbindungen, wie zum Beispiel Dibutylzinndilaurat.
Als Polymerisationsapparate kommen Rührkessel in Betracht, insbesondere dann, wenn durch Mitverwendung von Lösungsmitteln für eine niedrige Viskosität und eine gute Wärmeabfuhr gesorgt ist.
Bevorzugte Lösungsmittel sind mit Wasser unbegrenzt mischbar, weisen einen Siedepunkt bei Normaldruck von 40 bis 100°C auf und reagieren nicht oder nur langsam mit den Monomeren.
Meistens werden die Dispersionen nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:
Nach dem "Acetonverfahren" wird in einem mit Wasser mischbaren und bei Normaldruck unter 100°C siedenden Lösungsmittel aus den Komponenten (a) bis (c) ein ionisches Polyurethan hergestellt. Es wird soviel Wasser zugegeben, bis sich eine Disper- sion bildet, in der Wasser die kohärente Phase darstellt.
Das "Prepolymer-Mischverfahren" unterscheidet sich vom Acetonverfahren darin, daß nicht ein ausreagiertes (potentiell) ionisches Polyurethan, sondern zunächst ein Prepo- lymer hergestellt wird, das Isocyanat-Gruppen trägt. Die Komponenten werden hierbei so gewählt, daß das definitionsgemäße Verhältnis A:B größer 1 ,0 bis 3, bevorzugt 1 ,05 bis 1 ,5 beträgt. Das Prepolymer wird zuerst in Wasser dispβrgierf und anschließend gegebenenfalls durch Reaktion der Isocyanat-Gruppen mit Aminen, die mehr als 2 gegenüber Isocyanaten reaktive Aminogruppen tragen, vernetzt oder mit Aminen, die 2 gegenüber Isocyanaten reaktive Aminogruppen tragen, kettenverlängert. Eine Ketten- Verlängerung findet auch dann statt, wenn kein Amin zugesetzt wird. In diesem Fall
werden Isocyanatgruppen zu Aminogruppen hydrolysiert, die mit noch verbliebenen Isocyanatgruppen der Prepolymere unter Kettenverlängerung abreagieren.
Üblicherweise wird, falls bei der Herstellung des Polyurethans ein Lösungsmittel mit- verwendet wurde, der größte Teil des Lösungsmittels aus der Dispersion entfernt, beispielsweise durch Destillation bei vermindertem Druck. Bevorzugt weisen die Dispersionen einen Lösungsmittelgehalt von weniger als 10 Gew.-% auf und sind besonders bevorzugt frei von Lösungsmitteln.
Die Dispersionen haben im allgemeinen einen Feststoffgehalt von 10 bis 75, bevorzugt von 20 bis 65 Gew.-% und eine Viskosität von 10 bis 500 m Pas (gemessen bei einer Temperatur von 20°C und einer Schergeschwindigkeit von 250 s"1).
Insbesondere ist auch ein Verfahren zur Herstellung geeignet, bei dem zunächst aus Makroolen, ionisch und potentiell ionischen Polyolen und überschüssigen Polyisocya- naten ein NCO-terminiertes Prepolymer hergestellt wird, dieses Prepolymer mit Verbindungen, die mindestens 2 gegenüber Isocyanat reaktive Aminogruppen aufweisen, in einem Verhältnis NCO-Gruppen/NH-Gruppen von 1 :1 umgesetzt, neutralisiert und anschließend mit Wasser dispergiert wird.
Als Makroole werden insbesondere solche Verbindungen eingesetzt, die ein Molekulargewicht von 500 bis 5000, vorzugsweise von 800 bis 4500, besonders bevorzugt von 800 bis 3000 aufweisen. Ganz besonders bevorzugt ist der Einsatz von Makrodio- len.
Bei den Makrodiolen handelt es sich insbesondere um Polyesterole, die z.B. aus Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, Seite 62 - 65 bekannt sind. Hierzu verweisen wir auch auf unsere vorstehenden Ausführungen bzgl. der Diole (bi), der Polycarbonat-Diole, der Polyesterole auf Lactonbasis, der Polyethe- role und der Polyhydroxyolefine.
Was die verwendeten Polyisocyanate betrifft, so sind hierfür die (gleichen) Diisocyanate anzuwenden, wie bereits vorstehend beschrieben.
Die beschriebenen Makroole, ionischen oder potentiell ionischen Polyole sowie Isocyanate und ggf. kurzkettigen Polyole können zu einem NCO-terminierten Prepolymer umgesetzt werden. Hierbei werden vorzugsweise difunktionelle Bausteine enthaltende Polyole verwendet. Das Verhältnis von NCO-Gruppen zu NCO-reaktiven Gruppen sollte zwischen 1 ,1 :1 bis 2:1 , vorzugsweise 1 ,15:1 bis 1 ,9:1 , besonders bevorzugt 1 ,2:1 bis 1 ,5:1 liegen.
Dieses Prepolymer kann anschließend im Schritt b weiter umgesetzt werden. Als 'Reaktionskomponente können alle aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Verbindungen verwendet werden, die mindestens zwei gegenüber Isocyanaten reaktive Ami- nogruppen tragen. Bevorzugt ist der Einsatz von Diamin. Hierfür in Frage kommen insbesondere Ethylendiamin, Propylendiamin, Hβxamethylendiamin, Isophorondiamin (IPDA), p-Xylylendiamin, 4,4-Diamino-dicyclohexylmethan und 4,4-Diamino-3,3- dimethyldicyclohexylmethan.
Das Prepolymer wird mit den genannten Verbindungen vorzugsweise in einem NCO- Gruppen/NH-Gruppen-Verhältnis von 0,9:1 bis 1 :1 umgesetzt. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von 0,95:1 bis 1 :1 , ganz besonders 1 :1. Daraus folgt, daß der NCO- Gehalt nach Schritt b) 0, maximal 0,2 Gew.-% bezogen auf das Prepolymer ist.
Im Anschluß an die Umsetzung des Prepolymers erfolgt eine Neutralisierung. Hierfür sind z.B. Ammoniak, N-Methylmorpholin, Dimethylisopropanolamin, Triethylamin, Di- methylethanolamin, Methyldiethanolamin, Triethanolamin, Morpholin, Tripropylamin, Ethanolamin, Diethanolamin, Triisopropanolamin, N-Ethyl-diisopropylamin und Gemische daraus geeignet.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Ammoniak. Der Gehalt an COO" NH4 + nach der Neutralisierung soll zwischen 100 und 600 mmol/kg, vorzugsweise 200 bis 500, besonders bevorzugt 250 bis 500 liegen.
Nach der Neutralisation wird mit Wasser dispergiert und ggf. Lösemittel abdestilliert. Durch die Zugabe von Wasser und das anschließende Entfernen des Lösemittels durch Destillation läßt sich insbesondere die gewünschte Festkörperkonzentration einstellen. Auf diese Weise kann man eine Makroole enthaltende Polyurethan-Dispersion herstellen, welche bevorzugt zur Beschichtung des erfindungsgemäßen Schutzüber- zugsmaterials geeignet ist.
Die erhaltene Polyurethandispersion eignet sich auch ohne weitere Zusatzstoffe für die Herstellung von wiederabziehbaren Schutzüberzügen.
Die Polyurethandispersionen können jedoch Hilfs- und Zusatzstoffe wie Treibmittel, Entschäumer, Emulgatoren, Verdicker, Thixotropiermittel, Farbstoffe, Pigmente oder Füllstoffe enthalten.
Insbesondere können Füllstoffe oder Pigmente zugesetzt werden. Für die vorteilhaften Eigenschaften des Schutzüberzugs ist ein solcher Zusatz aber nicht notwendig.
Zur Herstellung des Schutzüberzuges kann die Polyurethandispersion direkt auf den zu schützenden Gegenstand aufgebracht werden.
Geeignet sind dazu übliche Auftragsverfahren, vorteilhaft ist bei komplexen Gegenständen im allgemeinen ein Sprühauftrag.
Die Verfilmung des Polyurethans und Entfernung des Dispersionswassers kann durch erhöhte Temperaturen beschleunigt werden.
Auf dem Gegenstand bildet sich ein Schutzüberzug aus Polyurethan aus.
Der Schutzüberzug ist wiederabziehbar, er kann insbesondere bei Raumtemperatur (21 °C) von Hand leicht abgezogen werden.
Insbesondere ist der Schutzüberzug bei Raumtemperatur rückstandsfrei wiederabziehbar.
Insbesondere erfüllt der erfindungsgemäße Schutzüberzug auch die nachfolgenden Prüfungen A, B und C.
A: Beständigkeit gegen Temperaturlagerung
Eine mit Dispersion beschichtete Oberfläche wird für 3 Stunden bei 80°C gelagert (DIN 50017 KK). Der Abziehwiderstand soll nach dieser Lagerung möglichst unverändert sein. Darüber hinaus darf die zu schützende Oberfläche nicht angegriffen sein (optische Begutachtung).
B: Laugenbeständigkeit
Eine mit Dispersion beschichtete Oberfläche wird mit 1 N NaOH für 30 Minuten bei 75°C gelagert. Nach Abwaschen mit klarem Wasser und einer Regenerationszeit von 24 h darf weder die Oberfläche noch der Schutzüberzug angegriffen sein.
C: Beständigkeit gegen Klimawechsellagerung
Eine mit Dispersion beschichtete Oberfläche wird einer Klimawechselbelastung unterzogen und darf in ihren Eigenschaften nicht negativ verändert werden. Insbesondere dürfen keine sichtbaren Veränderungen an der Oberfläche zu sehen sein. Ebenso darf die Haftung nicht wesentlich verändert sein. Typische Klimawechsellagerung: P-VW
1200 (1 h aufheizen auf 80°C, relative Luftfeuchte 80%, 4 h halten der Bedingungen, 2 h abkühlen auf -30°C, 4 h halten der Bedingungen, 1 h aufheizen auf Raumtemperatur). Dieser Zyklus wird in der Regel 10 mal wiederholt.
Der wiederabziehbare Schutzüberzug eignet sich insbesondere zum Schutz von Gegenständen während Transport oder Lagerung.
Es kann sich um Gegenstände mit unterschiedlichsten, zu schützenden Oberflächen, z.B. aus Holz, Kunststoff, Glas und insbesondere Metall handeln.
In Betracht kommen insbesondere lackierte Kraftfahrzeuge oder andere lackierte Oberflächen. Insbesondere kommen frisch lackierte Oberflächen (Lackalter kleiner 2 Stunden) in Betracht.
1. Herstellung der Polyurethan-Dispersionen
1.1 In einem Rührkolben mit Thermometer und Rückflusskühler werden bei 50°C vorgelegt:
400 g (0,200 mol) eines Polypropylenoxids der OH-Zahl 56
40,2 g (0,300 mol) Dimethylolpropionsäure (DMPA) und 18,0 g (0,2 mol) Butandiol-1 ,4
Dazu werden
200,0 g (0,900 mol) Isophorondiisocyanat (IPDI) und 80 g Aceton
gegeben und auf 100°C aufgeheizt. Nach 3 Stunden wird mit
800 g Aceton verdünnt
und auf 30°C abgekühlt. Der NCO-Gehalt wird zu 1 ,01 % (berechnet. 1 ,08%) bestimmt. Zu der Lösung werden
34,0 g (0,200 mol) Isophorondiamin (IPDA) gegeben
und weitere 90 Minuten gerührt. Dann werden
25,0 g (0,368 mol) einer 25%igen wässrigen Ammoniak-Lösung zugegeben und mit
800 g Wasser
dispergiert. Anschließend wird das Aceton im Vakuum abgezogen.
1.2 In einem Rührkolben mit Thermometer und Rückflusskühler werden bei 50°C vorgelegt:
400 g (0,200 mol) eines Polypropylenoxids der OH-Zahl 56 40,2 g (0,300 mol) Dimethylolpropionsäure (DMPA) und 45,0 g (0,500 mol) Butandiol-1 ,4
Dazu werden
266,4 g (1 ,200 mol) Isophorondiisocyanat (IPDI) und 80 g Aceton
gegeben und auf 100°C aufgeheizt. Nach 3 Stunden wird mit
800 g Aceton verdünnt
und auf 30°C abgekühlt. Der NCO-Gehalt wird zu 1 ,04% (berechnet. 1 ,03%) be- stimmt. Zu der Lösung werden
34,0 g (0,200 mol) Isophorondiamin (IPDA) gegeben
und weitere 90 Minuten gerührt. Dann werden
35,0 g (0,515 mol) einer 25%igen wässrigen Ammoniak-Lösung zugegeben und mit
800 g Wasser
dispergiert. Anschließend wird das Aceton im Vakuum abgezogen.
Prüfung der Schälfestigkeit
100 Teile der Dispersion aus Beispiel 1.1 , 1 Teil einer Lösung von Teil Borchigel L 75 N in 1 Teil Wasser und 1 Teil Dispers-Weiss 00-2207 wurden gemischt. Diese Mi- schung wurde mit Hilfe eines 600 μm Ericsson-Rakels auf lackierte Automobil-Bleche aufgetragen und bei Raumtemperatur getrocknet.
Nach einer zweitägigen Lagerung bei Raumtemperatur bzw. zwei Tage Raumtemperatur und drei Stunden bei 80°C wurde die Schälfestigkeit mit folgenden Ergebnissen geprüft:
Wie ersichtlich, ist die Haftung der Folien einerseits so hoch, dass kein Ablösen zur Unzeit zu befürchten steht, andererseits lassen sich die Folien ohne höheren Aufwand wieder ablösen.