WO2006018144A1 - Partikel mit geschützten isocyanatgruppen - Google Patents

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WO2006018144A1
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organosilanes
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isocyanate
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Christoph Briehn
Torsten Gottschalk-Gaudig
Richard Weidner
Jürgen Pfeiffer
Volker Stanjek
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Consortium für elektrochemische Industrie GmbH
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    • C08G18/8077—Oximes

Definitions

  • the invention relates to particles which have protected silicone groups on their surface, to a process for their preparation and to coating formulations containing these particles.
  • Particles - in particular nanoparticles - containing coating systems are state of the art.
  • Corresponding coatings are described, for example, in EP 1 249 470 A2 or WO 03/16370.
  • the particles lead to an improvement in the properties of the corresponding coatings, in particular with regard to their scratch resistance and their chemical resistance.
  • a frequently occurring problem when using the - usually inorganic - particles in organic coating systems consists in a usually insufficient compatibility of particles and paint matrix. This can lead to the particles not being able to be dispersed sufficiently well in a coating matrix. In addition, even well-dispersed particles can settle at longer stand or storage times, possibly forming larger aggregates or agglomerates, which can no longer or only with difficulty be separated into the original particles during a redispersion. The processing of such inhomogeneous systems is in any case extremely difficult, often even impossible.
  • coatings containing a nanoparticle-modified binder are also known. These can be prepared by reacting a reactive functionalized particle with a binder which carries a complementary function. That In this case, the organofunctional particles are not chemically incorporated into the paint matrix first during paint curing but also during binder production. Such systems are described for example in EP 1 187 885 A or WO 01/05897.
  • a lacquer resin of hydroxy-functional polymers is used, which is used during lacquer hardening with an isocyanate-functional hardener
  • polyurethane coatings are characterized by particularly good properties, for example by a superior chemical resistance, on the other hand, there is still room for improvement in the scratch resistance of these systems.
  • they are used in particularly high-end and high-priced application areas, for example as clearcoats or topcoats for OEM finishes in the automotive and automotive industries.
  • most refinish paints for automotive repairs consist of such isocyanate curing systems.
  • Polyurethane lacquer systems the so-called 2K and 1K systems.
  • the former consist of two components, one of which consists essentially of the Isocyanathärter, while the paint resin is contained with its isocyanate-reactive groups in the second component. Both components must be stored and transported separately and may only be mixed shortly before processing, since the finished mixture has only a very limited pot life.
  • IK systems which consist of only one component in which there is a hardener with protected isocyanate groups in addition to the paint resin.
  • IK paints are thermally cured, whereby the protecting groups of the isocyanate units are removed, and the deprotected isocyanates can then react with the paint resin. Typical stoving temperatures of such 1 -component paints are 130-150 ° C.
  • Such particles containing protected isocyanate functions are already known in principle. Typically, they are prepared by condensing a particle with free silicon or metal hydroxide functions with an alkoxy-functional organosilicon compound whose organic moiety contains a protected isocyanate function.
  • Such masked isocyanate-containing organosilicon compounds have already been described, for example in DE 34 24 534 A1, EP 0 212 058 B1, EP 872 500 A, JP 08-291186 or JP 10-067787. However, all these compounds have in common that between the masked isocyanate group and the silyl group is a propylene group, whereby the hydrolysis and condensation of these silane compounds is only low.
  • these compounds also have only a low reactivity with respect to the silicon or Metallhydroxid- functions of the particle, so that they do not react or only very slowly, or that under suitable conditions for functionalization, eg elevated temperatures, a portion of the NCO protecting groups already is cleaved, whereby the particles are no longer applicable in IK polyurethane coatings.
  • the use of monofunctional alkoxysilanes would in some cases be particularly desirable since it would be extremely easy to provide the corresponding particles with these silanes with (sterically readily accessible) protected isocyanate functions.
  • monofunctional alkoxysilanes would have the advantage that they - assuming a higher reactivity - would completely abreact even without the addition of water and would not crosslink with each other to a - usually softer - shell around the particle.
  • the object of the present invention is therefore to provide particles with masked isocyanate functions which can be prepared without problems from precursors having a significantly higher reactivity.
  • the invention relates to particles (P) which have a core consisting of atoms selected from the group consisting of metal, silicon and oxygen atoms or silicone resins and at least one protected isocyanate group on their surface, the particles ( P) are obtainable by reacting particles (P1) which consist of atoms which are selected from metal, silicon and oxygen atoms, or of silicone resins and have free hydroxide functions, with a) organosilanes (A) containing at least one protected
  • organosilanes (Al) which have at least one NH, OH or SH function, being obtained as an intermediate NH-, OH- or SH-functional particles (P2), which in a further reaction step with a compound (A2), both via at least one protected isocyanate function as well as an unprotected
  • Isocyanate function are reacted to the particles (P), wherein the organosilanes (A) and (Al) before their reaction with the particles (Pl) either have an oxygen, sulfur or nitrogen atom in ⁇ -position to the silyl moiety or a Si-O or Si-N unit, which are part of a cyclic structural element.
  • the invention also provides a process for the preparation of the particles (P).
  • the organosilanes (A) or (Al) have a reactive silyl function of the general formula (I)
  • R ⁇ is hydrogen, alkyl, cycloalkyl or aryl radical having in each case 1 to 6 C atoms, it being possible for the carbon chain to be interrupted by nonadjacent oxygen, sulfur or NR 3 groups,
  • R 2 is an alkyl, cycloalkyl, aryl or arylalkyl radical having in each case 1 to 12 C atoms, where the carbon chain may be interrupted by nonadjacent oxygen, sulfur or NR 1 - groups
  • R 3 is hydrogen, alkyl, cycloalkyl, aryl, arylalkyl, aminoalkyl or aspartate ester radical
  • A is oxygen, sulfur, a group of formula NR 3 or a
  • n can assume the values 0, 1 or 2.
  • organosilanes (Al) which have a reactive silyl function of the general formula (II) or (IIa)
  • B is hydrogen or any carbon-containing radical
  • m can be the values 0, 1 or 2 and x can have the values from 0 to 10 and A, R 1 , R 2 and R 3 have the meanings given in the general formula (I).
  • organosilanes (Al) compounds of the general formula (III) or (IIIa) (R 1 O) 2 _ m R 2 m Si O
  • R 1 - the general formulas (I), (II), (IIa), (III) and (IIIa) are preferably methyl or ethyl radicals.
  • the group R 2 is preferably methyl, ethyl, isopropyl or phenyl radicals.
  • the preferred value for m is 2, while for x values of 1 to 4 are preferred and a value of 2 is particularly preferred.
  • R 1 preferably has at most 10 carbon atoms, in particular at most 4 carbon atoms.
  • B preferably has at most 18 carbon atoms.
  • B preferably represents an alkyl, cycloalkyl, alkenyl, aryl, arylalkyl, silylalkyl or silyl group which is either unsubstituted or substituted by halogen atoms, hydroxyl and / or amine functions.
  • the main chain of B may be interrupted by oxygen, sulfur or NR ⁇ groups.
  • the invention is based on the surprising fact that the silanes (A) and (Al) have an extremely high reactivity towards the free hydroxide functions of the particles (P1).
  • the free hydroxide functions are metal or silicon hydroxide functions.
  • the silanes (A) and (Al) are many times more reactive than conventional organosilanes in which the alkoxysilyl group is separated from the organic functionality by a propyl spacer. This applies both to the silanes with alkoxysilyl groups of the general formula (I) which in ⁇ -
  • the reaction between the particles (Pl) and the organosilanes (A) or (Al) takes place directly during the mixing of the reactants.
  • the particles (P1) can be present both as a dispersion in an aqueous or anhydrous solvent and in the solid state. In the latter case, mixing may be carried out, for example, in a fluidized bed reactor or other known mixing equipment, e.g. Plowshare mixers and others respectively.
  • silanes (A) and (Al) in addition to the silanes (A) and (Al), other silanes (S1), silazanes (S2) or (II) may additionally be used to produce the particles (P) from particles (P1) Siloxanes (S3) can be used.
  • the silanes (S1) have either hydroxysilyl groups or else hydrolyzable silyl functions, the latter being preferred.
  • these silanes can have further organ functions, but it is also possible to use silanes (SI) without further organ functions.
  • the silanes (A) or (Al) can be used as a mixture with the silanes (S1), silazanes (S2) or siloxanes (S3).
  • the particles can also be successively functionalized with the different silane types.
  • Carbon atoms which are optionally substituted by halogen atoms, amino groups, ether groups, ester groups, epoxy groups, mercapto groups, cyano groups, isocyanate groups, phosphonate groups, methacrylic groups or (poly) glycol radicals, the latter being composed of oxyethylene and / or oxypropylene units,
  • Z denotes halogen atom, pseudohalogen radical, Si-N-bonded amine radicals, amide radicals, oxime radicals, aminooxy radicals and acyloxy radicals
  • a denotes 0, 1, 2 or 3
  • b denotes 0, 1, 2 or 3
  • c denotes values 0, 1, 2 or 3
  • a + b + c are 0, 1, 2, 3 or 4.
  • a is preferably 0, 1 or 2
  • b and c are preferably 0 or 1.
  • silazanes (S2) or siloxanes (S3) it is particularly preferable to use hexamethyldisilazane or hexamethyldisiloxane or linear siloxanes having chain ends with or without organofunction.
  • particle (P1) it is possible to use all metal oxide and mixed metal oxide particles (eg. Aluminum oxides such as aluminum oxide, aluminum oxide with other metals and / or silicon, titanium oxides, zirconium oxides, iron oxides, etc.), silica particles (eg fumed silica, precipitated silica, colloidal silica) or silicon oxide compounds in which some valences of the silicon are provided with organic radicals, ie Silicone resins are used.
  • These particles (P1) are characterized in that they have on their surface on metal and / or silicon hydroxide functions, via which a reaction with the organosilanes (A) or (Al) can take place.
  • the particles (P1) preferably have an average diameter of 1 nm to 100 .mu.m, more preferably of 10 nm to 200 nm.
  • the particles (P 1) consist of fumed silica prepared in a flame reaction from silicon compounds, for example silicon tetrachloride or methyldichlorosilane, or hydrogentrichlorosilane or hydrogenmethyldichlorosilane, or other methylchlorosilanes or alkylchlorosilanes, also mixed with hydrocarbons, or any desired compounds volatilizable or sprayable mixtures of Organosilici- umENSen.
  • the preparation of the silica can be carried out optionally with and without the addition of water, for example in the step of cleaning; preferred is no addition of water.
  • the fumed silica has a density of surface silanol groups (Si-OH) accessible to chemical reactions of less than 2.5 SiOH / nm 2, preferably less than 2.1 SiOH / nm 2, preferably less than 2 SiOH / nm 2 preferably from 1.7 to 1.9 SiOH / nm 2.
  • Si-OH surface silanol groups
  • silicas prepared 1000 0 C greater
  • silicas prepared at high temperature Particular preference is given to pyrogenic silicas.
  • Hydrophilic silicas can be used which, freshly prepared, come directly from the burner, are stored temporarily or are already packaged in a commercial manner. It is also possible to use hydrophobicized silicas, for example commercially available hydrophobized silicas.
  • Mixtures of different metal oxides or silicas may also be used, e.g. Mixtures of metal oxides or silicas of different BET surface area, or mixtures of metal oxides with different degree of hydrophobization or Silyliergrad.
  • the silicic acid can be prepared in continuous or batch processes, the silylation process can be made up of one or more steps.
  • the silylated silica is prepared by a process in which the Preparation process in separate steps takes place: (A) firstly production of the hydrophilic silica, then (B) the silylation of the silica by a) loading of the hydrophilic silica with silane (A) or (Al), b) reaction of the hydrophilic silica with the silane ( A) or (Al) and c) purification of the silica from excess silane (A) or
  • the surface treatment is preferably carried out in an atmosphere which does not lead to the oxidation of the silylated silicic acid, i. preferably less than 10% by volume of oxygen, more preferably less than 2.5% by volume, best results being achieved with less than 1% by volume of oxygen.
  • the assignment is preferably carried out at temperatures of (-30) -250 0 C, preferably 20-150 ° C, more preferably 20-80 0 C; is preferably cooled to 30-50 0 C in the occupation step.
  • the residence time is 1 min - 24 h, preferably 15-240 min, for reasons of space-time yield particularly preferably 15-90 min.
  • the pressure in the occupancy ranges preferably from a weak negative pressure of 0.2 bar up to an overpressure of 100 bar, for technical reasons normal pressure, that is pressure-free working against outside / atmospheric pressure is preferred.
  • the silane (A) or (Al) is preferably added as a liquid and in particular the powdered silica added. This is preferably done by nozzle techniques, or similar techniques, such as effective atomization techniques, such as atomizing in 1-fluid nozzles under pressure (preferably at 5-20 bar), spraying in 2-fluid nozzles under pressure (preferably gas and liquid 2-20 bar), ultrafine distribution with atomizers or gas-solid exchange units with movable, rotating or static internals, which allow a homogeneous distribution of the silane with the powdered silica.
  • the silane (A) or (Al) is preferably finely divided
  • Aerosol added characterized in that the aerosol has a sinking rate of 0.1 - 20 cm / s and a drop size with an aerodynamic particle radius of 5 - 25 microns.
  • the loading of the silica and the reaction with the silane A or Al takes place under mechanical or gas-borne fluidization. Particularly preferred is the mechanical fluidization.
  • a gas-supported fluidization can be carried out by any inert gases that do not react with the silane (A) or (Al), the silica, and the silylated silica, so do not lead to side reactions, degradation reactions, oxidation processes and flame and explosion phenomena, such as preferably N 2, Ar, other noble gases, CO 2, etc.
  • the supply of the gases for fluidization is preferably in the range of Leerrohrgas nieen of 0.05-5 cm / s, more preferably from 0.5 to 2.5 cm / s.
  • unreacted silane (A) or (Al) and exhaust gases from the purification step are returned to the loading and Charge of silica returned; this can be done partially or completely, preferably at 10-90% of the total volume flow of the gas volumes leaving the purification. This happens in suitably tempered devices.
  • This recycling is preferably carried out in non-condensed phase, ie as gas or as vapor.
  • This recycling can be carried out as mass transfer along a pressure equalization or as controlled mass transfer with the technically usual systems of gas transportation, such as fans, pumps, Druck Kunststoffmebranpumpen. Since the return of the non-condensed phase is preferred, the heating of the returning lines is recommended if appropriate.
  • the recycling of the unreacted silane (A) or (Al) and the exhaust gases can be between 5 and 100% by weight, based on their total mass, preferably between 30 and 80% by weight.
  • the recycling can be based on 100 parts freshly used silane between 1 and 200 parts, preferably 10 to 30 parts.
  • the return of the Abalism consist the Silylierretress in the occupancy is preferably carried out continuously.
  • the reaction is preferably carried out at temperatures of 40-200 0 C, preferably at temperatures of 40-160 0 C and particularly preferably at 80-120 0 C.
  • the reaction time is 5 minutes to 48 hours, preferably 10 minutes to 5 hours.
  • protic solvents may be added, such as liquid or volatilizable alcohols or water; typical alcohols are isopropanol, ethanol and methanol. It is also possible to add mixtures of the abovementioned protic solvents. Preferably, 1-50% by weight of protic solvent based on the silica is added, especially preferably 5-25% by weight. Particularly preferred is water.
  • acidic catalysts Lewis or Brönsted acids
  • basic catalysts Lewis or Brönsted bases
  • ammonia may be added. These are preferably added in traces, ie less than 1000 ppna. Most preferably, no catalysts are added.
  • the filter is cleaned at a cleaning temperature of 20- 200 0 C, preferably 50-150 0 C, most preferably 50-100 0 C.
  • the purification step is preferably characterized by movement, slow agitation and gentle mixing is particularly preferred.
  • the stirrers are advantageously adjusted and moved so that preferably a mixing and fluidizing, but not complete turbulence, occurs.
  • the cleaning step may further be characterized by increased gas input, corresponding to an empty tube gas velocity of preferably 0.001-10 cm / s, preferably 0.01-1 cm / s.
  • This can be done by any inert gases that do not react with the silane (A) or (Al), the silica, and the silylated silica, so do not lead to side reactions, degradation reactions, oxidation processes and flame and explosion phenomena, such as preferably N2, Ar , other noble gases, CO2, etc.
  • methods of mechanical densification of the silica may be preferably employed, such as press rolls, milling units, such as pan passes, and the like
  • Ball mills continuous or discontinuous, compaction by screws or screw mixers, screw compressors, briquetting, or compression by suction of the air or Gas content by suitable vacuum methods.
  • the abovementioned grinding units such as ball mills or compression by screws, screw mixers, screw compressors, briquetting machines is particularly preferred.
  • processes for the mechanical densification of the silica are used following the purification, such as compression by suction of the air or gas contents by suitable vacuum methods or pressure rollers or a combination of both methods.
  • methods of deagglomerating the silica such as pin mills or refining devices such as pin mills, hammer mills, countercurrent mills, impact mills or refining mills, may be employed following purification.
  • the silanes (A) or (Al) are preferably used in an amount of greater than 0.5% by weight (based on the silica), preferably greater than 3% by weight (based on the silica), particularly preferably greater than 5% by weight. -% (based on the silica) used.
  • the silanes (A) or (Al) may be used alone or in any mixtures with other silanes (A) or (Al). Particularly preferred is an embodiment of the invention in which the particles (P) of pyrogenic silica, silanes (A) or (Al) and further silanes (Sl), which preferably correspond to the formula (IV), silazanes (S2) and / or siloxanes (S3) used.
  • the various silanes are preferably used as a mixture.
  • the silylated pyrogenic silica is characterized in particular in that it has an average primary particle particle size of less than 100 nm, preferably a mean primary particle particle size of 5 to 50 nm, these primary particles generally not being isolated in the silica, but constituents of larger aggregates ( Definition according to DIN 53206), which have a diameter of 100 to 1000 nm.
  • the silylated pyrogenic silicic acids are characterized in particular by the fact that the silica has a specific surface area of 10 to 400 m 2 / g (measured according to the BET method according to DIN 66131 and 66132), the silica having a fractal dimension of the mass D m of less or the same as
  • colloidal silicon or metal oxides which are generally present as a dispersion of the corresponding oxide particles of submicron size in an aqueous or other solvent are used as particles (P1).
  • the oxides of the metals aluminum, titanium, zirconium, tantalum, tungsten, hafnium, tin can be used.
  • Particular preference is given to using organic solutions of colloidal silica sols.
  • the preparation of the particles (P) according to the invention from colloidal silicon or metal oxides can be carried out by various processes.
  • silanes (A) - optionally in combination with other silanes (SI), silazanes (S2) or siloxanes (S3) - to the aqueous or organic sol.
  • This sol is optionally ionic, ie acid, for example by hydrochloric acid, or basic, for example by ammonia, or sterically, for example stabilized by alcohols.
  • the reaction usually occurs at
  • Temperatures of 0-200 0 C preferably at 20-80 0 C and particularly preferably at 20-60 0 C.
  • the reaction times are typically between 5 min and 48 h, preferably between 1 and 24 h.
  • acidic, basic or heavy metal-containing catalysts are preferably used in traces ⁇ 1000 ppm. However, it is particularly preferable to dispense with the addition of separate catalysts.
  • particles (P1) which consist of silicone resins of the general formula (V)
  • R 5 is an OR ⁇ function, an OH function, an optionally halogen, hydroxyl, amino, epoxy, phosphonate, thiol, (meth) acrylic, or even NCO-substituted hydrocarbon radical having 1-18 carbon atoms , e is greater than or equal to 0, f is greater than or equal to 0, g is a value of greater than or equal to 0, h is a value greater than or equal to 0, and the sum of e + f + g + h is at least one value of at least 1, preferably at least 5.
  • At least 70 mol% of all radicals R ⁇ are methyl, ethyl, isopropyl or phenyl radicals.
  • the sum of e + h has at least 90 mol% of the sum of e + f + g + h.
  • the particles (P) are prepared by reacting OH-functional particles (P1) with organosilanes (A) of the general formula (VI)
  • R-I and R ⁇ have the meanings given in the general formulas (I) and
  • X represents a protecting group which is split off at temperatures between 80 and 300 ° C. in the form of HX, thereby releasing an isocyanate function.
  • HX can be secondary or tertiary alcohols, such as isopropanol or t-butanol, CH-acidic compounds such as Diethyl malonate, acetylacetone, ethyl acetoacetate, oximes such as formaldoxime, acetaldoxime, methyl ethyl ketoxime, cyclohexanone oxime, acetophenone oxime, benzophenone oxime or diethylene glycol, lactams such as caprolactam, valerolactam, butyrolactam, phenols such as phenol, o-methylphenol, N-alkylamides such as N-methylacetamide, Imides such as phthalimide, secondary amines such as diisopropylamine, imidazole, 2-isopropylimidazole, pyrazole, 3,5-dimethylpryazole, 1,2,4-triazole and 2.5 dimethyl-1, 2,4-triazole can be used
  • Caprolactam diethyl malonate, dimethyl malonate, acetoacetic ester, diisopropylamine, pyrrolidone, 1, 2, 4-triazole, imidazole and 2-isopropylimidazole used. It is particularly preferred to use protecting groups which allow a low stoving temperature, e.g. Diethyl malonate, dimethyl malonate, butanone oxime, diisopropylamine, 3,5-dimethylpyrazole and 2-isopropylimidazole.
  • the particles (P) are prepared by reacting OH-functional particles (P1) with organosilanes (A) of the general formula (VII)
  • R - * -, R2, R3 and X have the meanings given for the formulas (I) to (VI),
  • Y represents a (z + 1) -functional aliphatic or aromatic radical and z is a number from 1 to 4, preferably 1 or 2.
  • Silanes (A) of the general formula (VII) are preferably prepared by reacting di- or polyisocyanates of the general formula (VIII)
  • Silanes (A) of the general formula (VI I) are particularly preferably prepared by reacting di- or polyisocyanates of the general formula (VIII) with aminosilanes (Al) of the general formula (IX)
  • the order of the reaction steps is arbitrary, i.
  • the di- or polyisocyanate can be reacted in a first reaction step both with the protecting group HX and with the silane (Al), wherein the proportions are chosen so that only a portion of the
  • the resulting mixture containing the silane of the general formula (VII) is preferably isocyanate-free.
  • the di- or polyisocyanate can also directly with a mixture of the Protective group HX and the silane (Al) are implemented. It can be used any solvent or solvent mixtures, preferably all the reaction components in this solvent (mixture) are soluble.
  • di- or polyisocyanates of the general formula (VIII) it is possible in principle to use all common isocyanates, as are frequently described in the literature.
  • Common diisocyanates are, for example, diisocyanatodiphenylmethane (MDI), both in the form of crude or industrial MDI and in the form of pure 4,4'- or 2,4 "- isomers or mixtures thereof, tolylene diisocyanate (TDI) in the form of its various regioisomers, diisocyanatonaphthalene (NDI), isophorone diisocyanate (IPDI), perhydrogenated MDI (H-MDI), tetramethylene diisocyanate, 2-methylpentamethylene diisocyanate, 2,2,4-trimethylhexamethylene diisocyanate,
  • MDI diisocyanatodiphenylmethane
  • NDI diisocyanatonaphthalene
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • Hexamethylene diisocyanate examples include polymeric MDI (P-MDI), triphenylmethane triisocanate as well as all isocyanurate or biuret trimerates of the above-listed diisocyanates. All di- and / or polyisocyanates can be used individually or in mixtures. If a particular UV stability of the products is desired, preferably aliphatic
  • Isocyanates or their Trimerisate or oligomers more preferably IPDI and HDI and their Trimerisate used.
  • the di- or polyisocyanate is first reacted with a deficit of a protective group HX, to obtain a mixture in which between 50 and 99% of all isocyanate groups are protected are. Subsequently, all unprotected isocyanate groups are reacted with the aminosilane (Al) of the general formula (IX).
  • a solvent may also be present.
  • a mixture is obtained which, in addition to silanes (A) of the general formula (VII), also completely protected isocyanates of the general formula (X)
  • y can assume a value of 2 to z + 1 and all other variables have the meanings given above.
  • the stoichiometric ratios and the reaction procedure are preferably chosen so that the content of silanes of the general formula (XI) is as low as possible.
  • This mixture which contains silanes of the general formula (VII), can be reacted directly with the particles (P1) which have free metal or silicon hydroxide functions, the silanes of the general formula (VII) having the particles (P1) to react with the particles (P).
  • the thereby released alcohol R 1 OH may optionally be separated by distillation.
  • This mixture containing the particles (P) and completely protected di- or polyisocyanates of the general formula (X), can - both in solvent-containing and solvent-free form - are used without further workup as the sole hardener or as part of the hardener component in a paint. If the paint next to it contains more Hardener, these are preferably isocyanate or melamine hardener, particularly preferably protected isocyanate hardener.
  • the described mixtures are preferably used as hardeners or as part of the hardener component in LC PU lacquers.
  • the particles (P) are prepared by reacting OH-functional particles (P1) with organosilanes (A1) of the general formula (II), (IIa), (III), (IIIa), or (IX ) are reacted to give aminoalkyl- or hydroxyalkyl-functional particles (P2) as an intermediate. These are then reacted in a second reaction step with a partially protected isocyanate (A2) of the general formula (XII)
  • the proportions between the aminoalkyl- or hydroxyalkyl-functional particles (P2) and the partially protected isocyanates (A2) are preferably chosen so that the resulting mixture containing the particles (P) is free of unprotected isocyanate groups.
  • the alcohol optionally liberated in the first reaction step is preferably removed by distillation, if appropriate under reduced pressure.
  • the entire synthesis of the particles (P) from the particles (P1) is via the particles formed as an intermediate (P2) carried out as a one-pot synthesis.
  • the partially protected isocyanates (A2) of the general formula (XII) are prepared by the reaction of a di- or polyisocyanate of the general formula (VIII) with protective groups HX.
  • the partially protected isocyanate of the general formula (XII) is prepared by simply mixing a diisocyanate or polyisocyanate of the general formula (VIII) with a protective group HX, where the protective group HX is used in deficit, so that a mixture in which between 50 and 99% of all isocyanate groups are protected.
  • this mixture also contains completely protected isocyanates of the general formula (X) and, if appropriate, also isocyanates of the general formula (XIII)
  • This mixture containing partially protected isocyanates (A2) corresponding to the formula (XII) can be reacted directly with the aminoalkyl or hydroxyalkyl funkionellen particles (P2), wherein the partially protected isocyanates (A2) with the particles
  • This mixture containing the particles (P) and completely protected di- or polyisocyanates of the general formula (X), both in solvent-containing and solvent-free form, can be used in a lacquer without further workup as a hardener component or as part of the hardener component.
  • the particles (P) are prepared by reacting OH-functional particles (P1) with organosilanes (A1) of the formula (XIV)
  • the silane of the general formula (XIV) has the same extremely high reactivity towards the silicon or Metal hydroxide functions such as silanes containing highly reactive silyl functions of the general formula (I).
  • silane of the general formula (XIV) has the additional advantage that no alcohol is liberated when it is reacted with the particles (P1).
  • the proportions between the amino-functional particles (P2) and the partially protected isocyanates (A2) are preferably chosen so that the resulting mixture containing the particles (P) is free of unprotected isocyanate groups.
  • the partially protected isocyanates (A2) of the general formula (XII) are prepared as already described by reacting a di- or polyisocyanate of the general formula (VIII) with protective groups HX.
  • Another object of the invention are coating formulations (B) containing the blocked isocyanate groups having particles (P). These are preferably scratch-resistant coatings.
  • the particles (P) can also act as the sole hardener component.
  • the particles (P) are preferably used as hardeners or as part of the hardener component in LC PU lacquers. As described, the particles (P) fall in their preparation, if appropriate directly as a mixture with other protected isocyanates. These mixtures can be used both as sole hardener components or only as part of a hardener components in paints.
  • the hardener component is combined with any isocyanate-reactive, at least difunctional substances.
  • these are preferably hydroxyl-containing prepolymers, more preferably hydroxyl-containing polyacrylates or polyesters.
  • the ratio of blocked isocyanate groups to isocyanate-reactive groups is usually selected from 0.5 to 1.5, preferably from 0.8 to 1.2.
  • the coating formulations (B) at 0-90 wt .-%, based on the solids content, a paint hardener having protected or unprotected NCO functions, preferably to 20-90 wt .-%, based on the solids content, a hydroxyl-functional paint resin and preferably at 3-40 wt .-%, based on the solids content, particles (P).
  • the coating formulations (B) may also contain the customary solvents and the additives and additives customary in coating formulations. Amongst others, leveling agents, surface-active substances, adhesion promoters, light stabilizers such as UV absorbers and / or Radical scavengers, thixotropic agents and other solids. In order to generate the respective desired property profiles of both the coating formulations (B) and the cured coatings, such additives are generally indispensable. Likewise, the coating formulations (B) may also contain pigments.
  • the coating formulations (B) obtained can be used to coat any substrates to improve the scratch resistance, abrasion resistance or
  • Preferred substrates are plastics such as polycarbonate, polybutylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polystyrene or polyvinyl chloride, as well as other coatings applied in an upstream step.
  • the coating agents may also be used as scratch-resistant clear or topcoats, e.g. in the automotive industry.
  • the application of the coating agent can be carried out by any method such as dipping, spraying, and casting. It is also possible to apply a wet-in-wet process
  • Example 3 Preparation of MQ resins with protected isocyanate groups and a coating formulation containing these MQ resins 2.25 g of the amino-functional MQ resin solution from Example 2 are admixed with 2.25 g of dry toluene. This gives a clear solution. This is mixed with good stirring 3.45 g of the solution produced in Example 1 partially protected isocyanates in butyl acetate. This results in a slight warming of the mixture. Subsequently, 5 g of a paint polyol (EGT 25-34 / 4 from. Bayer, polyol having an OH group content of 1.0 mmol OH / g) are incorporated. The mixture is stirred for several minutes until a homogeneous and clear solution has formed.
  • a paint polyol (EGT 25-34 / 4 from. Bayer, polyol having an OH group content of 1.0 mmol OH / g) are incorporated. The mixture is stirred for several minutes until a homogeneous and
  • Example 4 Preparation of MQ resins with protected isocyanate groups and a coating formulation containing these MQ resins 3.0 g of the amino-functional MQ resin from Example 2 are admixed with 3.0 g of toluene. This gives a clear solution. This is mixed with good stirring 3.75 g of the solution produced in Example 1 partially protected isocyanate. This results in a slight warming of the mixture. Subsequently, 5 g of a paint polyol (EGT 25-34 / 4 from. Bayer, polyol with an OH group content of 1.0 mmol OH / g) are incorporated. The mixture is stirred for several minutes until a homogeneous and clear solution has formed.
  • a paint polyol (EGT 25-34 / 4 from. Bayer, polyol with an OH group content of 1.0 mmol OH / g) are incorporated. The mixture is stirred for several minutes until a homogeneous and clear solution has formed.
  • Example 3 The procedure is as in Example 3, except that the use of the amino-functional MQ resins of Example 2 is omitted. In Comparative Example 1, the amounts used of the other paint components remain unchanged compared to Example 3.
  • Example 5 Preparation and Evaluation of Coating Films
  • Both the coating formulations of Examples 3 and 4 and Comparative Examples 1 and 2 give optically beautiful and smooth coatings.
  • the gloss of all 4 coatings - determined with a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk - was at all four paints at about 155 gloss units.
  • the scratch resistance of the cured coating films produced in this way is determined using a scouring tester according to Peter-Dahn.
  • a scouring fleece Scotch Brite® 2297 with a surface of 45 x 45 mm weighing 500 g is weighted and scratched with 40 strokes.
  • the gloss of the respective coating is measured with a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk.
  • the loss of gloss was determined:
  • Example 7 Preparation of alkoxysilanes with protected isocyanate groups.
  • Comparative Example 3 The procedure is as in Example 8, except that instead of the dispersion containing SiO 2 nanoparticles with protected isocyanate-functional, the pure protected isocyanate of Example 6 is used. The amount of this is adjusted accordingly, so that a molar ratio of protected isocyanate functions to hydroxyl groups of 1.1: 1 results. That is, there are 2.80 g of the protected isocyanate from Example 6 2.93 g polyol (Desmophen ® A 365 BA / X of Pa. Bayer) was used.
  • Example 9 Preparation and Evaluation of Coating Films
  • Examples 8 from also Comparative Example 3 are obtained optically flawless, smooth BeSchichtungen.
  • the gloss of all three coatings - determined by a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk - is at all three paints at about 145 gloss units.
  • the scratch resistance of the cured coating films produced in this way is determined using a scouring tester according to Peter-Dahn.
  • a scouring fleece Scotch Brite® 2297 with a surface of 45 x 45 mm weighing 500 g is weighted and scratched with 40 strokes.
  • the gloss of the respective coating is measured with a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk.
  • the loss of gloss was determined: Table 2: Loss loss in the scratch test according to Peter-Dahn:
  • Example 11 Preparation of a coating formulation comprising a modified blocked isocyanate groups by fumed silica to prepare a coating to the Fa 8.56 g Desmophen ® A 365 BA / X Bayer (acrylate-based paint polyol having a hydroxyl group content of 1.71 mmol OH / g) with. 6.33 g of Desmodur ® BL 3175 SN from. Bayer (methyl ethyl ketone oxime-blocked polyisocyanate, blocked NCO content approximately 11%) were mixed. This corresponds to a molar ratio of protected
  • Coating formulation with about 50% solids content is obtained.
  • 1.8 g of the fumed silica modified with blocked isocyanate groups obtained from Example 10 are incorporated into the mixture thus obtained by means of a dissolver, giving a clear coating formulation.
  • Example 12 Production and Evaluation of Paint Films
  • Example 11 and Comparative Example 4 respectively by means of a film-drawing device Coatmaster ® 509 MC Fa. Erichsen with a doctor blade gap height of 100 micrometers on a glass plate thoroughlyräkelt. Subsequently, the resulting coating films are dried in a circulating air dryer at 160 0 C for 30 minutes. Both the coating formulations of Examples 11 and Comparative Example 4 give optically flawless, smooth coatings.
  • the gloss of the coatings - determined by means of a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk - is in the case of the formulation from Example about 145 gloss units, in the case of Comparative Example 4 at about 170 gloss units.
  • the scratch resistance of the cured coating films produced in this way is determined using a scouring tester according to Peter-Dahn.
  • a scouring fleece Scotch Brite ® 2297 with a surface of 45 x 45 mm weighing 500 g is weighted and scratched with 50 strokes.
  • the gloss of the respective coating is measured with a gloss meter Micro gloss 20 ° from Byk.
  • the loss of gloss was determined:

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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind Partikel (P), welche über einen Kern, der aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus Siliconharzen besteht, und über mindestens eine geschützte Isocyanatgruppe an ihrer Oberfläche verfügen, wobei die Partikel (P) erhältlich sind durch eine Umsetzung von Partikeln (P1), die aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus Siliconharzen bestehen und über freie Hydroxidfunktionen verfügen, mit a) Organosilanen (A), die mindestens eine geschützte Isocyanatfunktion enthalten, oderb) mit Organosilanen (A1), die über mindestens eine NH-, OH- oder SH-Funktion verfügen, wobei als Zwischenprodukt NH-, OH- oder SH-funktionelle Partikel (P2) erhalten werden, die in einem weiteren Reaktionsschritt mit einer Verbindung (A2), die sowohl über mindestens eine geschützte Isocyanatfunktion als auch über eine ungeschützte Isocyanatfunktion verfügt, zu den Partikeln (P) umgesetzt werden, wobei die Organosilane (A) und (A1) vor ihrer Umsetzung mit den Partikeln (P1) entweder über ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatom in α-Position zur Silyleinheit verfügen oder eine Si-O oder Si-N-Einheit besitzen, die Teil eines cyclischen Strukturelementes sind.

Description

Partikel mit geschützten Isocyanatgruppen
Die Erf indung betrif f t Partikel , die auf ihrer Oberfläche geschüt zte I socyanatgruppen aufweisen, ein Verfahren zu deren Herstel lung sowie Beschichtungsf ormulierungen, die diese Partikel enthalten .
Partikel - insbesondere Nanopartikel - enthaltende Beschichtungssysteme sind Stand der Technik . Entsprechende Beschichtungen sind beispielsweise in EP 1 249 470 A2 oder WO 03 / 16370 beschrieben . Die Partikel führen dabei zu einer Verbesserung der Eigenschaf ten der entsprechenden Beschichtungen, insbesondere hinsichtlich ihrer Kratzf estigkeit sowie ihrer Chemikalienbeständigkeit .
Ein häufig auftretendes Problem beim Einsatz der - in der Regel anorganischen - Partikel in organischen Beschichtungssystemen besteht in einer meist unzureichenden Verträglichkeit von Partikel und Lackmatrix. Dies kann dazu führen, daß sich die Teilchen nicht hinreichend gut in einer Lackmatrix dispergieren lassen. Zudem können sich selbst gut dispergierte Partikel bei längeren Stand- oder Lagerzeiten absetzen, wobei sich gegebenenfalls größere Aggregate bzw. Agglomerate ausbilden, die sich auch bei einer Redispergierung nicht mehr bzw. nur schlecht in die ursprünglichen Teilchen auftrennen lassen. Die Verarbeitung von solchen inhomogenen Systemen ist in jedem Falle äußerst schwierig, oftmals sogar unmöglich.
Günstig ist daher der Einsatz von Partikeln, die auf ihrer Oberfläche über organische Gruppen verfügen, die zu einer besseren Verträglichkeit mit der Lackmatrix führen. Auf diese Weise wird das anorganische Partikel durch eine organische Hülle „maskiert". Besonders günstige Lackeigenschaften können dabei erreicht werden, wenn die organischen Funktionen auf den Partikeloberflächen zudem auch noch gegenüber der Lackmatrix reaktive Gruppen besitzen, so daß sie unter den jeweiligen Härtungsbedingungen des entsprechenden Lackes mit der Matrix reagieren können. So gelingt es, die Partikel während der Lackhärtung chemisch in die Matrix einzubauen, was oftmals besonders gute mechanische Eigenschaften aber auch eine verbesserte Chemikalienbeständigkeit zur Folge haben kann. Ein derartiges System ist beispielsweise in EP 832 947 A beschrieben.
Des weiteren ist auch der Einsatz von Beschichtungen bekannt, die ein mit Nanopartikeln modifiziertes Bindemittel enthalten. Diese können hergestellt werden, indem man ein mit einer reaktiven Funktionalität ausgestattetes Partikel mit einem Bindemittel, das eine komplementäre Funktion trägt, umsetzt. D.h. hier wird der organofunktioneile Partikel nicht erst bei der Lackhärtung sondern bereits bei der Bindemittelherstellung chemisch in die Lackmatrix eingebaut. Derartige Systeme sind beispielsweise in EP 1 187 885 A oder WO 01/05897 beschrieben.
Bei einem besonders wichtigen Lacktyp wird ein Lackharz aus hydroxyfunktionellen Polymeren eingesetzt, die bei der Lackhärtung mit einem isocyanatfunktionellen Härter zur
Reaktion gebracht werden. Diese Polyurethanlacke zeichnen sich durch besonders gute Eigenschaften, beispielsweise durch eine überlegene Chemikalienbeständigkeit aus, dagegen besteht insbesondere ,bei der Kratzfestigkeit dieser Systeme noch Verbesserungsbedarf . Typischerweise werden sie in besonders hochwertigen und hochpreisigen Anwendungsgebieten verwendet, beispielsweise als Klar- bzw. Decklacke für OEM-Lackierungen in der Automobil- und Fahrzeugindustrie. Ebenso bestehen auch die meisten Refinish-Lacke für Automobilreparaturen aus derartigen isocyanathärtenden Systemen.
Typischerweise unterscheidet man zwei unterschiedliche
Polyurethan-Lacksysteme, die sogenannten 2K- und 1K-Systeme. Erstere bestehen aus zwei Komponenten, von denen eine im wesentlichen aus dem Isocyanathärter besteht, während das Lackharz mit seinen isocyanatreaktiven Gruppen in der zweiten Komponente enthalten ist . Beide Komponenten müssen dabei getrennt gelagert und transportiert werden und dürfen erst kurz vor der Verarbeitung vermischt werden, da die fertige Mischung nur eine stark eingeschränkte Topfzeit besitzt. Oftmals günstiger sind hier die sogenannten IK-Systeme, die nur aus einer Komponente bestehen, in der neben dem Lackharz ein Härter mit geschützten Isocyanatgruppen vorliegt. IK-Lacke werden thermisch gehärtet, wobei die Schutzgruppen der Isocyanateinheiten abgespalten werden, und die entschützten Isocyanate anschließend mit dem Lackharz reagieren können. Typische Einbrenntemperaturen von derartigen 1K-Lacken liegen bei 130-150 0C.
Besonders bei diesen hochwertigen Lacken wäre eine weitere Eigenschaftsverbesserung wünschenswert. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuglackierungen, sowohl im OEM- als auch im Reparaturlackbereich. So ist vor allem die erreichbare Kratzfestigkeit von herkömmlichen Autolacken noch nicht hinreichend, so daß es z.B. in der Waschstraße durch Partikel im Waschwasser zu einer merklichen Verkratzung des Lackes kommt. Auf Dauer wird dadurch der Glanz des Lackes nachhaltig geschädigt. Hier wären Formulierungen wünschenswert, mit denen sich höhere Kratzfestigkeiten erreichen lassen. Ein besonders vorteilhafter Weg zur Lösung dieser Aufgabe ist die Verwendung von Partikeln, die auf ihrer Oberfläche geschützte Isocyanatfunktionen aufweisen. Werden derartige Partikel in IK-Polyurethanlacken eingesetzt, so werden bei der Lackhärtung auch die Isocyanatfunktionen auf den Partikeloberflächen freigesetzt und die Partikel werden chemisch in den Lack eingebaut. Zudem verbessern die geschützten Isocyanatfunktionen, die in der Regel identisch mit den geschützten Isocyanatfunktionen des Lackhärters sind, die Verträglichkeit von Partikel und Lackmatrix.
Derartige Partikel enthaltend geschützte Isocyanatfunktionen sind prinzipiell bereits bekannt. Typischerweise werden sie hergestellt, indem man einen Partikel mit freien Silicium- oder Metallhydroxidfunktionen mit einer alkoxysiIyIfunktioneilen Organosiliciumverbindung kondensiert, deren organischer Rest eine geschützte Isocyanatfunktion enthält. Derartige maskierte Isocyanatgruppen aufweisende Organosiliciumverbindungen sind bereits beschrieben, z.B. in DE 34 24 534 Al, EP 0 212 058 Bl, EP 872 500 A, JP 08-291186 oder JP 10-067787. Allerdings ist all diesen Verbindungen gemeinsam, daß sich zwischen der maskierten Isocyanatgruppe und der Silylgruppe eine Propylengruppe befindet, wodurch die Hydrolyse- und Kondensationsreaktivität dieser Silanverbindungen nur gering ist . Damit besitzen diese Verbindungen auch nur eine geringe Reaktivität gegenüber den Silicium- oder Metallhydroxid- funktionen des Partikels, so daß sie nicht oder aber nur sehr langsam reagieren, oder daß unter zur Funktionalisierung geeigneten Bedingungen, z.B. erhöhten Temperaturen, ein Teil der NCO-Schutzgruppen schon angespalten wird, wodurch die Partikel in IK-Polyurethanlacken nicht mehr einsetzbar sind. Dies gilt insbesondere für monoalkoxysilylguppen- funktionelle Silane mit geschützten Isocyanatfunktionen, deren Reaktivität so gering ist , daß sie zur Funkt ionalisierung von Partikeln meist gänzlich ungeeignet sind . Gerade der Einsatz von monofunktionellen Alkoxysilanen wäre in einigen Fällen j edoch besonders wünschenswert , da man die entsprechenden Partikel mit diesen Silanen extrem leicht mit (sterisch gut zugänglichen) geschützten Isocyanatfunktionen ausstatten könnte . So besäßen monofunktionelle Alkoxysilane den Vorteil , daß sie - eine höhere Reaktivität vorausgesetzt - auch ohne Wasserzusatz vollständig abreagieren würden und dabei auch nicht untereinander zu einer - meist weicheren - Hülle um den Partikel vernetzen würden .
Aufgabe der vorliegenden Erf indung ist daher die Bereitstellung von Partikeln mit maskierten Isocyanatfunktionen, die sich problemlos aus Vorstufen mit deutlich höherer Reaktivität herstellen lassen .
Gegenstand der Erfindung sind Partikel (P) , welche über einen Kern, der aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus Siliconharzen besteht, und über mindestens eine geschützte Isocyanatgruppe an ihrer Oberfläche verfügen, wobei die Partikel (P) erhältlich sind durch eine Umsetzung von Partikeln (Pl) , die aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus Siliconharzen bestehen und über freie Hydroxidfunktionen verfügen, mit a) Organosilanen (A) , die mindestens eine geschützte
Isocyanatfunktion enthalten, oder b) mit Organosilanen (Al), die über mindestens eine NH-, OH- oder SH-Funktion verfügen, wobei als Zwischenprodukt NH-, OH- oder SH-funktionelle Partikel (P2) erhalten werden, die in einem weiteren Reaktionsschritt mit einer Verbindung (A2) , die sowohl über mindestens eine geschützte Isocyanatfunktion als auch über eine ungeschützte
Isocyanatfunktion verfügt, zu den Partikeln (P) umgesetzt werden, wobei die Organosilane (A) und (Al) vor ihrer Umsetzung mit den Partikeln (Pl) entweder über ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatom in α-Position zur Silyleinheit verfügen oder eine Si-O oder Si-N-Einheit besitzen, die Teil eines cyclischen Strukturelementes sind.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der Partikel (P) .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzen die Organosilane (A) oder (Al) eine reaktive Silylfunktion der allgemeinen Formel (I)
(R1O) 3_n(R2JnSi-CH2-A- (I) ,
wobei
RΛ Wasserstoff, Alkyl-, Cycloalkyl- oder Arylrest mit jeweils 1 bis 6 C-Atomen, wobei die Kohlenstoffkette durch nicht benachbarte Sauerstoff-, Schwefel- oder NR3-Gruppen unterbrochen sein kann,
R2 Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl- oder Arylalkylrest mit jeweils 1 bis 12 C-Atomen, wobei die Kohlenstoffkette durch nicht benachbarte Sauerstoff-, Schwefel- oder NR-^-Gruppen unterbrochen sein kann, R3 Wasserstoff, Alkyl-, Cycloalkyl, Aryl-, Arylalkyl, Aminoalkyl- oder Aspartatesterrest,
A Sauerstoff, Schwefel, eine Gruppe der Formel NR3 oder ein
Stickstoffatom, das Teil eines heterocyclischen Ringes ist, bedeuten, und n die Werte 0, 1 oder 2 annehmen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Organosilane (Al) eingesetzt, die über eine reaktive Silylfunktion der allgemeinen Formel (II) oder (IIa)
Figure imgf000008_0001
verfügen, wobei
B Wasserstoff oder einen beliebigen kohlenstoffhaltigen Rest darstellt, m die Werte 0, 1 oder 2 und x die Werte von 0 bis 10 annehmen können und A, R1, R2 und R3 die bei der allgemeinen Formel (I) angegebenen Bedeutungen aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungform der Erfindung werden als Organosilane (Al) Verbindungen der allgemeinen Formel (III) oder (lila) ( R1O ) 2_mR2 mSi O
: i i i
CH2—( CH2 ) X
Figure imgf000009_0001
eingesetzt, wobei in, x, A, R1, R2, R^ die bei den allgemeinen Formeln (I) und (II) angegebenen Bedeutungen aufweisen.
Bei der Gruppe R^- handelt es sich bei den allgemeinen Formeln (I), (II), (IIa), (III) und (HIa) bevorzugt um Methyl- oder Ethylreste. Bei der Gruppe R2 handelt es sich bevorzugt um Methyl-, Ethyl-, Isopropyl- oder Phenylreste. Der bevorzugte Wert für m beträgt 2, während für x Werte von 1 bis 4 bevorzugt und ein Wert von 2 besonders bevorzugt wird. R^ weist vorzugsweise höchstens 10 Kohlenstoffatome, insbesondere höchstens 4 Kohlenstoffatome auf. B weist vorzugsweise höchstens 18 Kohlenstoffatome auf. B stellt bevorzugt eine Alkyl-, Cycloalkyl, Alkenyl-, Aryl, Arylalkyl, Silylalkyl- oder Silylgruppe dar, die entweder unsubstituiert oder aber durch Halogenatome, Hydroxyl- und/oder Aminfunktionen substituiert ist. Dabei kann die Hauptkette von B durch Sauerstoff, Schwefel oder NR^-Gruppen unterbrochen sein.
Der Erfindung liegt die überraschende Tatsache zugrunde, daß die Silane (A) bzw. (Al) eine extrem hohe Reaktivität gegenüber den freien Hydroxidfunktionen der Partikel (Pl) aufweisen. Die freien Hydroxidfunktionen sind Metall- oder Siliciumhydroxidfunktionen. So sind die Silane (A) bzw. (Al) um ein Vielfaches reaktiver als herkömmliche Organosilane, bei denen die Alkoxysilylgruppe durch einen Propylspacer von der organischen Funktionalität getrennt sind. Dies gilt sowohl für die Silane mit Alkoxysilylgruppen der allgemeinen Formel (I) , die in α-
Position zur Silyleinheit ein Heteroatom aufweisen, als auch für die cyclischen Silane der allgemeinen Formeln (II) , (IIa) , (III) und (lila) . Auf Grund dieser hohen Reaktivität reagieren die Organosilane (A) bzw. (Al) mit den Partikeln (Pl) deutlich schneller, und die Reaktion verläuft problemlos und vollständig ab. Dabei wird diese Reaktion oftmals erst durch die hohe Reaktivität der Silane möglich. Auch monofunktioneile Silane, d.h. Silane mit Silylgruppen der allgemeinen Formel (I) (II) , (IIa) , (III) oder (lila) mit n = 2 bzw. m = 2 sind hinreichend reaktiv gegenüber den Partikeln (Pl) und sind somit zur
Herstellung von erfindungsgemäßen Partikeln (P) mit geschützten Isocyanatfunktionen geeignet. Werden monofunktionelle Silane eingesetzt, so kann auf eine Wasserzugabe zur Hydrolyse der Alkoxysilylgruppen gänzlich verzichtet werden.
Die Reaktion zwischen den Partikeln (Pl) und den Organosilanen (A) bzw. (Al) findet direkt beim Durchmischen der Reaktionspartner statt. Dabei können die Partikel (Pl) sowohl als Dispersion in einem wäßrigen oder auch wasserfreien Lösungsmittel als auch im festen Zustand vorliegen. Im letztgenannten Fall kann die Durchmischung beispielsweise in einem Wirbelbettreaktor oder anderen bekannten Mischgeräten, wie z.B. Pflugscharmischern u.a. erfolgen.
Bei der Herstellung der Partikel (P) aus Partikeln (Pl) können zur Oberflächenmodifizierung neben den Silanen (A) und (Al) zusätzlich auch noch andere Silane (Sl), Silazane (S2) oder Siloxane (S3) eingesetzt werden. Die Silane (Sl) verfügen dabei entweder über Hydroxysilylgruppen oder aber über hydrolysier- bare Silylfunktionen, wobei letztere bevorzugt werden. Daneben können diese Silane über weitere Organofunktionen verfügen, es können aber auch Silane (Sl) ohne weitere Organofunktionen verwendet werden. Dabei können die Silane (A) bzw. (Al) als Mischung mit den Silanen (Sl), Silazanen (S2) oder Siloxanen (S3) eingesetzt werden. Daneben können die Partikel auch sukzessive mit den unterschiedlichen Silantypen funktionalisiert werden.
Besonders bevorzugt werden dabei Mischungen aus Silanen (A) bzw. (Al) mit Silanen (Sl) der allgemeinen Formel (IV)
(R1O) 4_a_b_c(R2)a (Z) cSi(R4)b (IV)
eingesetzt, wobei
R1, R2 und R3 die bei der allgemeinen Formel (I) angegebenen
Bedeutungen aufweisen, und R4 SiC-gebundene Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 18
Kohlenstoffatomen, die gegebenenfalls mit Halogenatomen, Aminogruppen, Ethergruppen, Estergruppen, Epoxygruppen, Mercaptogruppen, Cyanogruppen, Isocyanatgruppen, Phosphonatgruppen, Methacrylgruppen oder (PoIy) glykolresten substituiert sind, wobei letztere aus Oxyethylen- und/oder Oxypropyleneinheiten aufgebaut sind, bedeutet,
Z Halogenatom, Pseudohalogenrest, Si-N-gebundene Aminreste, Amidreste, Oximreste, Aminoxyreste und Acyloxyreste bedeutet, a die Werte 0, 1, 2 oder 3, b die Werte 0, 1, 2 oder 3, c die Werte 0, 1, 2 oder 3, a+b+c die Werte 0, 1, 2, 3 oder 4 bedeuten. Dabei steht a bevorzugt für 0, 1 oder 2, während b und c bevorzugt 0 oder 1 bedeuten.
Als Silazane (S2) bzw. Siloxane (S3) werden besonders bevorzugt Hexamethyldisilazan bzw. Hexamethyldisiloxan oder lineare Sil¬ oxane mit Kettenenden mit oder ohne Organofunktion eingesetzt.
Als Partikel (Pl) können sämtliche Metalloxid- und Metall- mischoxid-Partikel (z.B. .Aluminiumoxide wie Korund, Aluminium¬ mischoxide mit anderen Metallen und/oder Silicium, Titanoxide, Zirkonoxide, Eisenoxide etc.), Siliciumoxid-Partikel (z.B. pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure, kolloidale Kiesel¬ säure) oder Siliciumoxid-Verbindungen, bei denen einige Valen- zen des Siliciums mit organischen Resten versehen sind, d.h. Siliconharze, eingesetzt werden. Diese Partikel (Pl) zeichnen sich dadurch aus, daß sie auf ihrer Oberfläche über Metall- und/oder Siliciumhydroxid-Funktionen verfügen, über die eine Reaktion mit den Organosilanen (A) oder (Al) erfolgen kann. Die Partikel (Pl) besitzen bevorzugt einen mittleren Durchmesser von 1 nm bis 100 μm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 200 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Partikel (Pl) aus pyrogener Kieselsäure, die in einer Flammenreaktion aus Siliciumverbindungen hergestellt wird, z.B. aus Siliciumtetrachlorid oder Methyldichlorsilan, oder Hydrogentrichlorsilan oder Hydrogenmethyldichlorsilan, oder anderen Methylchlorsilanen oder Alkylchlorsilanen, auch im Gemisch mit Kohlenwasserstoffen, oder beliebigen verflüchtigbaren oder versprühbaren Gemischen aus Organosilici- umverbindungen. Die Herstellung der Kieselsäure kann dabei wahlweise mit und ohne Zusatz von Wasser erfolgen, zum Beispiel im Schritt der Reinigung; bevorzugt ist kein Zusatz von Wasser.
Vorzugsweise weist die pyrogene Kieselsäure eine Dichte an für chemische Reaktionen zugänglichen Oberflächen-Silanolgruppen (Si-OH) von kleiner als 2,5 SiOH/nm2, vorzugsweise kleiner 2,1 SiOH/nm^, bevorzugt von kleiner als 2 SiOH/nm2, besonders bevorzugt von 1,7 bis 1,9 SiOH/nm2 auf.
Es können auch auf naßchemisch hergestelltem Weg oder bei hoher Temperatur (größer 1000 0C) hergestellte Kieselsäuren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind pyrogen hergestellte Kieselsäuren. Es können hydrophile Kieselsäuren eingesetzt werden, die frisch hergestellt direkt aus dem Brenner kommen, zwischengelagert oder bereits handelsüblich verpackt sind. Es können auch hydrophobierte Kieselsäuren, z.B. handelsübliche hydrophobierte Kieselsäuren, eingesetzt werden.
Es können unverdichtete Kieselsäuren mit Schüttdichten vorzugsweise kleiner 60 g/l, aber auch verdichtete Kieselsäuren mit Schüttdichten vorzugsweise größer 60 g/l, eingesetzt werden.
Es können auch Gemische aus verschiedenen Metalloxiden oder Kieselsäuren eingesetzt werden, so z.B. Mischungen aus Metalloxiden oder Kieselsäuren unterschiedlicher BET- Oberflache, oder Mischungen aus Metalloxiden mit unterschiedlichem Hydrophobier- oder Silyliergrad.
Die Kieselsäure kann in kontinuierlichen, oder diskontinuierlichen Verfahren hergestellt werden, das Verfahren zur Silylierung kann aus einem oder mehreren Schritten aufgebaut sein. Bevorzugt wird die silylierte Kieselsäure mittels eines Verfahren hergestellt, bei dem der Herstellungsprozeß in getrennten Schritten erfolgt: (A) zunächst Herstellung der hydrophilen Kieselsäure, sodann (B) die Silylierung der Kieselsäure durch a) Beladung der hydrophilen Kieselsäure mit Silan (A) oder (Al), b) Reaktion der hydrophilen Kieselsäure mit dem Silan (A) oder (Al) und c) Reinigung der Kieselsäure von überschüssigem Silan (A) oder
(Al) .
Die Oberflächenbehandlung wird bevorzugt in einer Atmosphäre durchgeführt, die nicht zur Oxidation der silylierten Kiesel¬ säure führt, d.h. bevorzugt weniger als 10 Vol.-% Sauerstoff, besonders bevorzugt weniger als 2,5 Vol.-%, wobei beste Ergebnisse bei weniger als 1 Vol.-% Sauerstoff erzielt werden.
Belegung, Reaktion und Reinigung können als diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden. Aus technischen Gründen bevorzugt ist eine kontinuierliche Reaktionsführung.
Die Belegung erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von (-30) -250 0C, bevorzugt 20-150 °C, im besonderen bevorzugt 20-80 0C; bevorzugt wird beim Belegungsschritt auf 30-50 0C gekühlt. Die Verweilzeit beträgt 1 min - 24 h, bevorzugt 15-240 min, aus Gründen der Raumzeitausbeute besonders bevorzugt 15-90 min. Der Druck bei der Belegung reicht bevorzugt von einem schwachen Unterdruck von 0,2 bar bis zu einem Überdruck von 100 bar, wobei aus technischen Gründen Normaldruck, das heißt druckfreies Arbeiten gegenüber Außen-/Atmosphären-Druck bevorzugt ist.
Das Silan (A) oder (Al) wird bevorzugt als Flüssigkeit zugefügt und insbesondere der pulverförmigen Kieselsäure zugemischt. Dies geschieht vorzugsweise durch Düsentechniken, oder vergleichbare Techniken, wie effektive Verdüsungstechniken, wie Verdüsen in 1-Stoffdüsen unter Druck (vorzugsweise bei 5-20 bar) , Versprühen in 2-Stoffdüsen unter Druck (vorzugsweise Gas und Flüssigkeit 2-20 bar) , Feinstverteilen mit Atomizern oder Gas-Feststoff-Austauschaggregaten mit beweglichen, rotierenden oder statischen Einbauten, die eine homogene Verteilung des Silans mit der pulverförmigen Kieselsäure erlauben. Bevorzugt wird das Silan (A) oder (Al) als feinstverteiltes
Aerosol zugefügt, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerosol eine Sinkgeschwindigkeit von 0,1 - 20 cm/s und eine Tropfengröße mit einem aerodynamischen Partikelradius von 5 - 25 μm aufweist. Bevorzugt erfolgt die Beladung der Kieselsäure und die Reaktion mit dem Silan A oder Al unter mechanischer oder gasgetragener Fluidisierung. Besonders bevorzugt ist die mechanische Fluidisierung.
Eine Gas-getragene Fluidisierung kann durch alle inerten Gase erfolgen, die nicht mit dem Silan (A) oder (Al) , der Kieselsäure, und der silylierten Kieselsäure reagieren, also nicht zu Nebenreaktionen, Abbaureaktionen, Oxidationsvorgängen und Flammen- und Explosionserscheinungen führen, wie vorzugsweise N2, Ar, andere Edelgase, CO2, etc. Die Zuführung der Gase zur Fluidisierung erfolgt bevorzugt im Bereich von Leerrohrgasgeschwindigkeiten von 0,05-5 cm/s, besonders bevorzugt von 0,5-2,5 cm/s.
Besonders bevorzugt ist die mechanische Fluidisierung, die ohne zusätzlichen über die Inertisierung hinausgehenden Gaseinsatz, durch Flügelrührer, Ankerrührer und sonstige geeignete Rührorgane erfolgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden nicht abreagiertes Silan (A) oder (Al) und Abgase aus dem Reinigungsschritt wieder in den Schritt der Belegung und Beladung der Kieselsaure zurückgeführt; dies kann teilweise oder vollständig geschehen, bevorzugt zu 10-90 % des gesamten Volumenstromes der aus der Abreinigung austretenden Gasvolumina. Dies geschieht in geeignet temperierten Vorrichtungen.
Diese Rückführung erfolgt bevorzugt in nicht-kondensierter Phase, also als Gas oder als Dampf. Diese Rückführung kann als Stofftransport entlang eines Druckausgleichs erfolgen oder als gesteuerter Stofftransport mit den technisch üblichen Systemen des Gastransports, wie Ventilatoren, Pumpen, Druckluftmebranpumpen. Da die Rückführung der nichtkondensierten Phase bevorzugt ist, empfiehlt sich gegebenenfalls die Beheizung der rückführenden Leitungen. Die Rückführung des nicht abreagierten Silans (A) oder (Al) und der Abgase kann dabei zwischen 5 und 100 Gew.-%, bezogen auf deren Gesamtmasse, bevorzugt zwischen 30 und 80 Gew.-%, liegen. Die Rückführung kann dabei, bezogen auf 100 Teile frisch eingesetztes Silan zwischen 1 und 200 Teile, bevorzugt 10 bis 30 Teile betragen. Die Rückführung der Abreinigungprodukte der Silylierreaktion in die Belegung erfolgt bevorzugt kontinuierlich.
Die Reaktion erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von 40-200 0C, bevorzugt bei Temperaturen von 40-160 0C und besonders bevorzugt bei 80-120 0C.
Die Reaktionszeit beträgt 5 min bis 48 h, vorzugsweise 10 min bis 5 h.
Wahlweise können protische Lösungsmittel hinzugefügt werden, wie flussige oder verdampfbare Alkohole oder Wasser; typische Alkohole sind iso-Propanol, Ethanol und Methanol. Es können auch Gemische der oben genannten protischen Lösungsmittel zugefügt werden. Vorzugsweise werden 1-50 Gew.-% an protischen Losungsmittel bezogen auf die Kieselsäure zugefügt, besonders bevorzugt 5-25 Gew.-%. Besonders bevorzugt ist Wasser. Wahlweise können saure Katalysatoren (Lewis oder Brönsted Säuren), z.B. Chlorwasserstoff, oder basische Katalysatoren (Lewis oder Brönsted Basen), z.B. Ammoniak, zugesetzt werden. Bevorzugt werden diese in Spuren zugesetzt, d.h. kleiner als 1000 ppna. Besonders bevorzugt werden keine Katalysatoren zugesetzt.
Die Abreinigung erfolgt bei einer Reinigungstemperatur von 20- 200 0C, bevorzugt bei 50-1500C, besonders bevorzugt bei 50-100 0C. Der Reinigungsschritt ist vorzugsweise durch Bewegung gekennzeichnet, wobei langsame Bewegung und geringes Durchmischen besonders bevorzugt ist. Die Rührorgane werden dabei vorteilhafterweise so eingestellt und bewegt, daß bevorzugt ein Mischen und ein Fluidisieren, jedoch nicht völlige Verwirbelung, eintritt.
Der Reinigungsschritt kann weiterhin durch erhöhten Gaseintrag gekennzeichnet sein, entsprechend einer Leerrohrgasgeschwindigkeit von vorzugsweise 0,001-10 cm/s, bevorzugt 0,01-1 cm/s. Dies kann durch alle inerten Gase erfolgen, die nicht mit dem Silan (A) oder (Al) , der Kieselsäure, und der silylierten Kieselsäure reagieren, also nicht zu Nebenreaktionen, Abbaureaktionen, Oxidationsvorgängen und Flammen- und Explosionserscheinungen führen, wie vorzugsweise N2, Ar, andere Edelgase, CO2, etc.
Zusätzlich können während der Silylierung oder im Anschluss an die Reinigung vorzugsweise Verfahren zur mechanischen Verdichtung der Kieselsäure eingesetzt werden, wie zum Beispiel Presswalzen, Mahlaggregate, wie Kollergänge und wie
Kugelmühlen, kontinuierlich oder diskontinuierlich, Verdichtung durch Schnecken oder Schraubenmischer, Schraubenverdichter, Brikettierer, oder Verdichten durch Absaugen des Luft- oder Gasinhaltes durch geeignete Vakuummethoden.
Besonders bevorzugt ist die mechanische Verdichtung während der Silylierung durch Presswalzen, oben genannte Mahlaggregate wie Kugelmühlen oder Verdichtung durch Schnecken, Schraubenmischer, Schraubenverdichter, Brikettierer.
In einer weiteren besonders bevorzugten Verfahrensweise werden im Anschluss an die Reinigung Verfahren zur mechanischen Verdichtung der Kieselsäure eingesetzt, wie Verdichten durch Absaugen des Luft- oder Gasinhaltes durch geeignete Vakuummethoden oder Presswalzen oder Kombination von beiden Verfahren.
Zusätzlich können in einer besonders bevorzugten
Verfahrensweise im Anschluss an die Reinigung Verfahren zur Desagglomerierung der Kieselsäure eingesetzt werden, wie Stiftmühlen oder Vorrichtungen zur Mahlsichtung, wie Stiftmühlen, Hammermühlen, Gegenstrommühlen, Prallmühlen oder Vorrichtungen zur Mahlsichtung.
Die Silane (A) oder (Al) werden vorzugsweise in einer Menge größer 0,5 Gew.-% (bezogen auf die Kieselsäure), bevorzugt größer 3 Gew.-% (bezogen auf die Kieselsäure), besonders bevorzugt bevorzugt größer 5 Gew.-% (bezogen auf die Kieselsäure) eingesetzt.
Zur Oberflächenmodifizierung können die Silane (A) oder (Al) alleine oder in beliebigen Gemischen mit anderen Silanen (A) oder (Al) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird eine Ausführung der Erfindung, bei der die Partikel (P) aus pyro- gener Kieselsäure, Silanen (A) oder (Al) sowie weiteren Silanen (Sl) , die bevorzugt der Formel (IV) entsprechen, Silazanen (S2) und/oder Siloxanen (S3) eingesetzt. Die verschiedenen Silane werden dabei bevorzugt als Mischung eingesetzt.
Die silylierte pyrogene Kieselsäure ist insbesondere dadurch charakterisiert, daß sie eine mittlere Primärteilchen- Partikelgröße kleiner als 100 nm, bevorzugt eine mittlere Primärteilchen-Partikelgröße von 5 bis 50 nm aufweist, wobei diese Primärteilchen meist nicht isoliert in der Kieselsäure existieren, sondern Bestandteile größerer Aggregate (Definition nach DIN 53206) sind, die einen Durchmessern von 100 bis 1000 nm aufweisen.
Ferner sind die silylierten pyrogenen Kieselsäuren insbesondere dadurch charakterisiert, daß die Kieselsäure eine spezifischen Oberfläche von 10 bis 400 m^/g (gemessen nach der BET Methode nach DIN 66131 und 66132) aufweist, wobei die Kieselsäure eine fraktale Dimension der Masse Dm von kleiner oder gleich als
2,8, bevorzugt gleich oder kleiner 2,7, besonders bevorzugt von 2,4 bis 2,6, und eine Dichte an Oberflächen-Silanolgruppen SiOH von kleiner als 1,5 SiOH/nm^, bevorzugt von kleiner als 0,5 SiOH/nm^, besonders bevorzugt von kleiner als 0,25 SiOH/nm2 aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden als Partikel (Pl) kolloidale Silicium- oder Metalloxide eingesetzt, die im allgemeinen als Dispersion der entsprechenden Oxidteilchen von Submikrongröße in einem wäßrigen oder anderen Lösungsmittel vorliegen. Dabei können unter anderem die Oxide der Metalle Aluminium, Titan, Zirkonium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Zinn verwendet werden. Besonders bevorzugt werden organische Lösungen kolloidaler Kieselsole eingesetzt . Die Herstellung der erfindungsgemäßen Partikel (P) aus kolloidalen Silicium- oder Metalloxiden kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Bevorzugt erfolgt sie jedoch durch Zugabe der Silane (A) - gegebenenfalls in Kombination mit anderen Silanen (Sl) , Silazanen (S2) oder Siloxanen (S3) - zum wässrigen oder organischen SoI. Dieses SoI ist gegebenenfalls ionisch, d.h. sauer, z.B. durch Salzsäure, oder basisch, z.B. durch Ammoniak, oder sterisch, z.B. durch Alkohole, stabilisiert . Die Reaktion erfolgt in der Regel bei
Temperaturen von 0-200 0C, bevorzugt bei 20-80 0C und besonders bevorzugt bei 20-60 0C. Die Reaktionszeiten liegen typischerweise zwischen 5 Min und 48 h, bevorzugt zwischen 1 und 24 h. Wahlweise können auch noch saure, basische oder schwermetallhaltige Katalysatoren zugesetzt werden. Bevorzugt werden diese in Spuren < 1000 ppm einsetzt. Besonders bevorzugt wird jedoch auf den Zusatz von gesonderten Katalysatoren verzichtet .
Ebenfalls bevorzugt werden zudem Partikel (Pl) , die aus Siliconharzen der allgemeinen Formel (V)
(RS3SiO1Z2)B (R5 2Si02/2) f (R5Si03/2)g(SiO4/2)h (V)
bestehen, wobei
R5 eine OR^-Funktion, eine OH-Funktion, einen gegebenenfalls halogen-, hydroxyl-, amino-, epoxy-, phosphonat-, thiol-, (meth) acryl-, oder auch NCO-substituierten Kohlenwasserstoffrest mit 1-18 Kohlenstoffatomen, e einen Wert von größer oder gleich 0, f einen Wert von größer oder gleich 0, g einen Wert von größer oder gleich 0, h einen Wert von größer oder gleich 0 bedeuten und die Summe aus e + f + g + h mindestens einen Wert von mindestens 1, vorzugsweise mindestens 5 bedeutet.
Vorzugsweise sind mindestens 70 Mol-% aller Reste R^ Methyl-, Ethyl-, Isopropyl- oder Phenylreste. In einer bevorzugten Ausführungsform weist bei den Siliconharzen der allgemeinen Formel (V) die Summe aus e + h mindestens 90 Mol-% der Summe aus e + f + g + h auf.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Partikel (P) aus Siliconharzen entsprechend der Formel (V) und Silanen (A) kann über die oben beschriebenen Verfahren erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel (P) hergestellt durch eine Umsetzung von OH- funktionellen Partikeln (Pl) mit Organosilanen (A) der allgemeinen Formel (VI)
(R1O)3-H(R2JnSi-CH2-NH-C (O) -X (VI) ,
wobei
R-I- und R^ die bei der allgemeinen Formeln (I) angegebenen Bedeutungen aufweisen und
X eine Schutzgruppe darstellt, die bei Temperaturen zwischen 80 und 300 0C in Form von HX abgespalten wird, und dabei eine Isocyanatfunktion freisetzt.
Als Schutzgruppen HX können sekundäre oder tertiäre Alkohole, wie Isopropanol oder t-Butanol, CH-acide Verbindungen wie z.B. Malonsäurediethylester, Acetylaceton, Acetessigsäureethylester, Oxime wie z.B. Formaldoxim, Acetaldoxim, Methylethylketoxim, Cyclohexanonoxim, Acetophenonoxim, Benzophenonoxim oder Diethylenglyoxim, Lactame, wie z.B. Caprolactam, Valerolactam, Butyrolactam, Phenole wie Phenol, o-Methylphenol, N-Alkylamide wie z.B. N-Methylacetamid, Imide wie Phthalimid, sekundäre Amine wie z.B. Diisopropylamin, Imidazol, 2-Isopropylimidazol, Pyrazol, 3,5-Dimethylpryazol, 1,2,4-Triazol und 2,5 Dimethyl- 1, 2,4-triazol eingesetzt werden. Vorzugsweise werden dabei Schutzgruppen wie Butanonoxim, 3, 5-Dimethylpyrazol,
Caprolactam, Malonsäurediethylester, Malonsäuredimethylester, Acetessigester, Diisopropylamin, Pyrrolidon, 1, 2, 4-Triazol, Imidazol und 2-Isopropylimidazol verwendet. Besonders bevorzugt werden Schutzgruppen eingesetzt, die eine niedrige Einbrenntemperatur ermöglichen wie z.B. Malonsäurediethylester, Malonsäuredimethylester, Butanonoxim, Diisopropylamin, 3,5- Dimethylpyrazol und 2-Isopropylimidazol.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel (P) hergestellt durch eine Umsetzung von OH-funktioneilen Partikeln (Pl) mit Organosilanen (A) der allgemeinen Formel (VII)
(R1O) 3_n(R2)nSi-CH2-NR3-C (O) -NH-Y- (NH-C(O) -X) z (VII) ,
wobei
R-*-, R2, R3 und X die bei den Formeln (I) bis (VI) angegebenen Bedeutungen aufweisen,
Y einen (z+1) -funktionellen aliphatischen oder aromatischen Rest darstellt und z eine Zahl von 1-4, bevorzugt 1 oder 2, bedeutet. Silane (A) der allgemeinen Formel (VII) werden vorzugsweise hergestellt durch eine Umsetzung von Di- oder Polyisocyanaten der allgemeinen Formel (VIII)
Y(NCO)2+1 (VIII)
mit Aminosilanen (Al ) , die über Strukturelemente der Formel ( I ) verfügen, und Schutzgruppen HX .
Besonders bevorzugt werden Silane (A) der allgemeinen Formel (VI I ) hergestellt durch eine Umsetzung von Di - oder Polyisocyanaten der allgemeinen Formel (VIII ) mit Aminosilanen (Al) der allgemeinen Formel ( IX)
(R1O) 3 _n (R2 ) nSi -CH2 -NHR3 ( IX) ,
wobei sämtl iche übrigen Variablen die bei der allgemeinen Formel ( I ) angegebenen Bedeutungen aufweisen .
Dabei ist die Reihenfolge der Reaktionsschritte beliebig, d.h. das Di- oder Polyisocyanat kann in einem ersten Reaktionsschritt sowohl mit der Schutzgruppe HX als auch mit dem Silan (Al) umgesetzt werden, wobei die Mengenverhältnisse so gewählt werden, daß jeweils nur ein Teil der
Isocyanatgruppen abreagiert. In einem zweiten Reaktionsschritt werden die übrigen Isocyanatgruppen dann mit dem jeweils noch fehlenden Reaktionspartner umgesetzt. Die dabei erhaltene Mischung enthaltend das Silan der allgemeinen Formel (VII) ist bevorzugt isocyanatfrei. Selbstverständlich kann das Di- oder Polyisocyanat auch direkt mit einer Mischung aus der Schutzgruppe HX und dem Silan (Al) umgesetzt werden. Es können beliebige Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische mitverwendet werden, wobei vorzugsweise sämtliche Reaktionskomponenten in diesem Lösungsmittel (-gemisch) löslich sind.
Als Di- oder Polyisocyanate der allgemeinen Formel (VIII) können prinzipiell sämtliche gebräuchliche Isocyanate eingesetzt werden, wie sie in der Literatur vielfach beschrieben sind. Gängige Diisocyanate sind beispielsweise Diisocyanatodiphenylmethan (MDI) , sowohl in Form von rohem oder technischem MDI als auch in Form reiner 4,4'- bzw. 2,4"- Isomeren oder deren Mischungen, Tolylendiisocyanat (TDI) in Form seiner verschiedenen Regioisomere, Diisocyanatonaphthalin (NDI) , Isophorondiisocyanat (IPDI) , perhydriertes MDI (H-MDI) , Tetramethylendiisocyanat, 2-Methyl-pentamethylendiisocyanat, 2,2,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat,
Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diiocyanatocyclohexan, 1,3- Diisocyanato-4-methylcyclohexan oder auch
Hexamethylendiisocyanat (HDI) . Beispiele für Polyisocyanate sind polymeres MDI (P-MDI) , Triphenylmethantriisocanat sowie auch sämtliche Isocyanurat- oder Biuret-trimerisate der oben aufgeführter Diisocyanate. Sämtliche Di- und/oder Polyisocyanate können einzeln oder auch in Mischungen eingesetzt werden. Falls eine besondere UV-Stabilität der Produkte erwünscht wird, werden bevorzugt aliphatische
Isocyanate bzw. deren Trimerisate oder Oligomere, besonders bevorzugt IPDI und HDI sowie deren Trimerisate, verwendet.
In einer besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens wird das Di- oder Polyisocyanat zuerst mit einem Unterschuß einer Schutzgruppe HX umgesetzt, wobei eine Mischung erhalten wird, in der zwischen 50 und 99 % aller Isocyanatgruppen geschützt sind. Anschließend werden alle ungeschützten Isocyanatgruppen mit dem Aminosilan (Al) der allgemeinen Formel (IX) umgesetzt. Gegebenenfalls kann dabei auch ein Lösungsmittel zugegen sein. Es wird eine Mischung erhalten, die neben Silanen (A) der allgemeinen Formel (VII) auch noch vollständig geschützte Isocyanate der allgemeinen Formel (X)
Y-(NH-C(O)-X)2+1 (X)
und gegebenenfalls auch noch Silane der allgemeinen Formel (XI)
[ (R1O)3_n(R2)nSi-CH2-NR3-C(O) -NH]y-Y- (NH-C(O) -X) z+i_y (XI) ,
wobei y einem Wert von 2 bis z+1 annehmen kann und alle übrigen Variablen die oben angegebenen Bedeutungen aufweisen. Dabei werden die stöchiometrischen Verhältnisse sowie die Reaktionsführung bevorzugt so gewählt, daß der Gehalt an Silanen der allgemeinen Formel (XI) möglichst niedrig ist.
Diese Mischung, die Silane der allgemeinen Formel (VII) enthält, kann direkt mit den Partikeln (Pl), die über freie Metall- oder Siliciumhydroxidfunktionen verfügen, umgesetzt werden, wobei die Silane der allgemeinen Formel (VII) mit den Partikeln (Pl) zu den Partikeln (P) reagieren. Der dabei freiwerdende Alkohol R1OH kann gegebenenfalls destillativ abgetrennt werden. Diese Mischung, enthaltend die Partikel (P) sowie vollständig geschützte Di- oder Polyisocyanate der allgemeinen Formel (X) , kann - sowohl in lösemittelhaltiger als auch lösemittelfreier Form - ohne weitere Aufarbeitung als alleiniger Härter oder als Teil der Härterkomponente in einem Lack eingesetzt werden. Enthält der Lack daneben noch weitere Härter, so handelt es sich dabei bevorzugt um Isocyanat- oder Melaminhärter, besonders bevorzugt um geschützte Isocyanat- härter. Bevorzugt werden die beschriebenen Mischungen als Härter bzw. als Teil der Härterkomponente in lK-PU-Lacken eingesetzt .
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel (P) hergestellt, indem OH-funktioneile Partikel (Pl) mit Organosilanen (Al) der allgemeinen Formel (II), (IIa) , (III), (lila) , oder (IX) umgesetzt werden, wobei man als Zwischenprodukt aminoalkyl- bzw. hydroxyalkyl- funktionelle Partikel (P2) erhält. Diese werden dann in einem 2. Reaktionsschritt mit einem teilgeschützten Isocyanat (A2) der allgemeinen Formel (XII)
OCN-Y- (NH-C(0) -X) z (XII) ,
zu den Partikeln (P) umgesetzt, wobei die Variablen Y, X und z die bei der allgemeinen Formel (VII) angegebenen Bedeutungen besitzen.
Die Mengenverhältnisse zwischen den aminoalkyl- bzw. hydroxyalkyl-funktioneilen Partikeln (P2) und den teilgeschützten Isocyanaten (A2) werden dabei bevorzugt so gewählt, daß die resultierende Mischung enthaltend die Partikel (P) frei von ungeschützten Isocyanatgruppen ist.
Der im ersten Reaktionsschritt gegebenenfalls freiwerdende Alkohol wird bevorzugt destillativ, gegebenenfalls unter reduziertem Druck, entfernt. In einem bevorzugten Verfahren wird die gesamte Synthese der Partikel (P) ausgehend von den Partikeln (Pl) über die als Zwischenprodukt gebildeten Partikel (P2) als Eintopfsynthese durchgeführt.
Die teilgeschützten Isocyanate (A2) der allgemeinen Formel (XII) werden hergestellt durch die Umsetzung eines Di- oder Polyisocyanates der allgemeinen Formel (VIII) mit Schutzgruppen HX.
In einer besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens wird das teilgeschützte Isocyanat der allgemeinen Formel (XII) hergestellt durch einfaches Vermischen eines Di- oder Polyisocyanat der allgemeinen Formel (VIII) mit einer Schutzgruppe HX, wobei die Schutzgruppe HX im Unterschuß eingesetzt wird, so daß eine Mischung erhalten wird, in der zwischen 50 und 99 % aller Isocyanatgruppen geschützt sind. Diese Mischung enthält neben dem teilgeschützten Isocyanat (A2) der allgemeinen Formel (XII) auch noch vollständig geschützte Isocyanate der allgemeinen Formel (X) sowie gegebenenfalls auch noch Isocyanate der allgemeinen Formel (XIII)
(OCN)y-Y- (NH-C(O) -X) z+l-y (XIII)
wobei alle Variablen die oben angegebene Bedeutungen aufweisen. Dabei werden die stöchiometrischen Verhältnisse sowie die Reaktionsführung bevorzugt so gewählt, daß der Gehalt an Iso- cyanaten der allgemeinen Formel (XIII) möglichst niedrig ist.
Diese Mischung enthaltend teilgeschützte Isocyanate (A2) entsprechend der Formel (XII) kann direkt mit den aminoalkyl- oder hydroxyalkyl-funkionellen Partikeln (P2) umgesetzt werden, wobei die teilgeschützten Isocyanate (A2) mit den Partikeln
(P2) zu den Partikeln (P) reagieren. Diese Mischung, enthaltend die Partikel (P) sowie vollständig geschützte Di- oder Polyisocyanate der allgemeinen Formel (X) , kann - sowohl in lösemittelhaltiger als auch lösemittelfreier Form - ohne weitere Aufarbeitung als Härterkomponente oder als Teil der Härterkomponente in einem Lack eingesetzt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel (P) hergestellt, indem OH-funktionelle Partikel (Pl) mit Organosilanen (Al) der Formel (XIV)
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umgesetzt werden, und die dabei als Zwischenprodukt erhaltenen aminofunktioneilen Partikel (P2) in einem 2. Reaktionsschritt mit einem teilgeschützten Isocyanat (A2) der allgemeinen Formel (XII) zum Endprodukt (P) umgesetzt werden.
Die dabei im ersten Reaktionsschritt ablaufende Reaktion zwischen den Partikeln (Pl) mit Hydroxidgruppen und dem Silan der allgemeinen Formel (XIV) ist in dem folgenden Schema dargestellt (die Si/Me-OH-Gruppen stellen in diesem Schema die entsprechenden Funktionen auf der Oberfläche der Partikel (Pl) dar) :
Figure imgf000028_0002
Das Silan der allgemeinen Formel (XIV) besitzt dabei dieselbe extrem hohe Reakivität gegenüber den Silicium- oder Metallhydroxidfunktionen wie Silane enthaltend hochreaktive Silylfunktionen der allgemeinen Formel (I) .
Das Silan der allgemeinen Formel (XIV) besitzt jedoch den zusätzlichen Vorteil, daß bei dessen Umsetzung mit den Partikeln (Pl) kein Alkohol freigesetzt wird.
Beim zweiten Reaktionsschritt werden die Mengenverhältnisse zwischen den aminofunktionellen Partikeln (P2) und den teilgeschützten Isocyanaten (A2) bevorzugt so gewählt, daß die resultierende Mischung enthaltend die Partikel (P) frei von ungeschützten Isocyanatgruppen ist.
Die teilgeschützten Isocyanate (A2) der allgemeinen Formel (XII) werden wie bereits beschrieben durch die Umsetzung eines Di- oder Polyisocyanates der allgemeinen Formel (VIII) mit Schutzgruppen HX hergestellt.
Auch hier kann die aus der Umsetzung der teilgeschützten Isocyanate (A2) mit den aminofunkionellen Partikeln (P2) erhaltene Mischung - sowohl in lösemittelhaltiger als auch lösemittelfreier Form - ohne weitere Aufarbeitung als Härterkomponente oder auch als Teil der Härterkomponente in einem Lack eingesetzt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Beschichtungsformulierungen (B) , die die blockierte Isocyanatgruppen aufweisenden Partikel (P) enthalten. Dabei handelt es sich bevorzugt um kratzfeste Beschichtungen.
Dabei können die Partikel (P) zur Herstellung einer
Härterkomponenten für Polyurethanlackierungen mit beliebigen weiteren geschützten Isocyanathärtern, ungeschützten Isocyanathärtern oder Melaminhärtern vermischt werden, wobei jedoch geschützte Isocyanathärter bevorzugt werden. Gegebenenfalls können die Partikel (P) aber auch als alleinige Härterkomponente fungieren. Bevorzugt werden die Partikel (P) als Härter bzw. als Teil der Härterkomponente in lK-PU-Lacken eingesetzt. Wie beschrieben fallen die Partikel (P) bei ihrer Herstellung gegebenenfalls direkt als Mischung mit weiteren geschützten Isocyanaten an. Auch diese Mischungen können sowohl als alleinige Härterkomponenten oder auch nur als Teil einer Härterkomponenten in Lacken eingesetzt werden.
Zur Herstellung eines Polyurethanlackes wird die Härterkomponente mit beliebigen gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven, mindestens difunktionellen Substanzen kombiniert. Dabei handelt es sich bevorzugt um hydroxylgruppen-haltige Prepolymere, besonders bevorzugt um hydroxylgruppen-haltige Polyacrylate oder Polyester. Das Verhältnis von blockierten Isocyanatgruppen zu isocyanatreaktiven Gruppen wird üblicherweise von 0,5 bis 1,5, bevorzugt von 0,8 bis 1,2 gewählt.
Vorzugsweise enthalten die Beschichtungsformulierungen (B) zu 0-90 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffanteil, einen Lackhärter, der über geschützte oder ungeschützte NCO-Funktionen verfügt, vorzugsweise zu 20-90 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffanteil, ein hydroxylgruppen-funktionelles Lackharz und vorzugsweise zu 3-40 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffanteil, Partikel (P) .
Des weiteren können die Beschichtungsformulierungen (B) auch noch die gängigen Lösungsmittel sowie die in Lackformulierungen üblichen Additive und Zusätze enthalten. Zu nennen wären hier u.a. Verlaufshilfsmittel, oberflächenaktive Substanzen, Haftvermittler, Lichtschutzmittel wie UV-Absorber und/oder Radikalfänger, Thixotropiermittel sowie weitere Feststoffe. Zur Erzeugung der jeweils gewünschten Eigenschaftsprofile sowohl der Beschichtungsformulierungen (B) als auch der ausgehärteten Beschichtungen sind derartige Zusätze in der Regel unverzichtbar. Ebenso können die Beschichtungsformulierungen (B) auch Pigmente enthalten.
Die erhaltenen Beschichtungsformulierungen (B) können zur Beschichtung von beliebigen Substraten zur Verbesserung der Kratzfestigkeit, Abriebbeständigkeit oder
Chemikalienbeständigkeit verwendet werden. Bevorzugte Substrate sind Kunststoffe wie Polycarbonat, Polybutylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polystyrol oder Polyvinylchlorid sowie andere, in einem vorgelagerten Schritt aufgebrachte, Beschichtungen. Ebenso können die Beschichtungsmittel auch als kratzfeste Klar- oder Decklacke, z.B. in der Fahrzeugindustrie, verwendet werden. Das Aufbringen des Beschichtungsmittels kann durch beliebige Verfahren wie Eintauch-, Sprüh-, und Gießverfahren erfolgen. Auch ein Aufbringen nach einem „wet in wet"-Verfahren ist möglich. Die Aushärtung erfolgt durch
Erwärmen unter den für blockierte Isocyanate erforderlichen Bedingungen und kann selbstverständlich durch den Zusatz von Katalysatoren beschleunigt werden.
Alle Symbole der vorstehenden Formeln weisen ihre Bedeutungen jeweils unabhängig voneinander auf. In allen Formeln ist das Siliciumatom vierwertig.
Soweit nicht anders angegeben sind alle Mengen- und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, alle Drücke 0,10 MPa (abs.) und alle Temperaturen 20 6C.
Beispiele: Beispiel Is Herstellung von teilgeschützten Isocyanaten
Es werden 50 g Desmodur® VP LS 2294 (HDI-Trimerisat der Fa. Bayer mit einem Isocyanatgehalt von 5,46 mmol NCO/g) vorgelegt und mit 70 ml Butylacetat versetzt. Unter sehr guter Rührung werden bei einer Temperatur von -12 0C innerhalb von 10 min 17,85 g Butanoxim zugegeben. Die Temperatur steigt dabei bis maximal 0 0C an. Nach beendeter Zugabe wird die Kühlung entfernt. Durch die exotherme Reaktion erwärmt sich die Reaktionsmischung innerhalb der nächsten 20 min auf 30-40 0C. Es wird für 2 Stunden nachgerührt. 1H-NMR-spektroskopisch läßt sich nachweisen, daß das Butanoxim vollständig abreagiert hat. D.h. entsprechend der eingesetzten stöchiometrischen Mengen sind 75 % der im HDI-Trimerisat enthaltenen Isocyanatfunktionen mit Butanoxim geschützt worden. Die übrigen Isocyanateinheiten bleiben ungeschützt.
Beispiel 2: Herstellung von aminofunktionellen MQ-Harzen:
Zu einer Lösung von 25.00 g eines MQ-Harzes (Harz der Zusammen¬ setzung (Me3SiO]_/2) o,4 (si°4/2) 0, 6 (°l/2c2H5) 0,2' einem mittleren Molekulargewicht Mw von 1400 g/mol und einem OH-Gruppengehalt von 3.4 Gew.-%) in 25 ml trockenem Toluol wird eine Lösung von 5,76 g der Verbindung XIV in 5 ml trockenem Toluol getropft und bei Raumtemperatur für 6 Stunden gerührt. 1H- und 29Si-NMR- Spektroskopie zeigt, dass sämtliche OH-Gruppen des MQ-Harzes mit Aminopropyldimethylsilyl-Gruppen funktionalisiert sind und daß Verbindung XIV nicht mehr nachweisbar, d.h. vollständig abreagiert, ist.
Beispiel 3: Herstellung von MQ-Harzen mit geschützten Isocyanatgruppen und einer Beschichtungsformulierung enthaltend diese MQ-Harze 2,25 g der aminofunktioneilen MQ-Harz-Lösung aus Beispiel 2 werden mit 2,25 g trockenem Toluol versetzt. Man erhält eine klare Lösung. Diese wird unter gutem Rühren mit 3,45 g der in Beispiel 1 erzeugten Lösung teilgeschützter Isocyanate in Butylacetat versetzt. Dabei kommt es zu einer leichten Erwärmung der Mischung. Anschließend werden 5 g eines Lackpolyols (EGT 25-34/4 der Fa. Bayer, Polyol mit einem OH- Gruppengehalt von 1,0 mmol OH/g) eingearbeitet. Man rührt für mehrere Minuten, bis sich eine homogene und klare Lösung gebildet hat.
Beispiel 4: Herstellung von MQ-Harzen mit geschützten Isocyanatgruppen und einer Beschichtungsformulierung enthaltend diese MQ-Harze 3,0 g des aminofunktionellen MQ-Harzes aus Beispiel 2 werden mit 3,0 g Toluol versetzt. Man erhält eine klare Lösung. Diese wird unter gutem Rühren mit 3,75 g der in Beispiel 1 erzeugten Lösung teilgeschützter Isocyanat versetzt. Dabei kommt es zu einer leichten Erwärmung der Mischung. Anschließend werden 5 g eines Lackpolyols (EGT 25-34/4 der Fa. Bayer, Polyol mit einem OH-Gruppengehalt von 1,0 mmol OH/g) eingearbeitet. Man rührt für mehrere Minuten, bis sich eine homogene und klare Lösung gebildet hat.
Vergleichsbeispiele 1 und 2ι
Es wird so vorgegangen wie in Beispiel 3 , nur daß auf den Einsatz der aminofunktionellen MQ-Harze aus Beispiel 2 verzichtet wird. Bei Vergleichsbeispiel 1 bleiben dabei die eingesetzten Mengen der übrigen Lackkomponenten gegenüber Beispiel 3 unverändert.
Bei Vergleichsbeispiel 2 werden hingegen nur 2,6 g der Lösung teilgeschützer Isocyanate in Butylacetat aus Beispiel 1 auf 5,0 g des Lackpolyols' (EGT 25-34/4 der Fa. Bayer) zugegeben.
Beispiel 5 : Herstellung und Bewertung von Lackfilmen Die Beschichtungsmassen aus den Beispielen 3 und 4 sowie den Vergleichsbeispielen 1 und 2 werden jeweils mittels eines Filmziehgerätes Coatmaster® 509 MC der Fa. Erichsen mit einem Rakel der Spalthöhe 120 μm auf einer Glasplatten aufgeräkelt. Anschließend werden die erhaltenen Beschichtungsfilme in einem Umlufttrockenschrank 60 Minuten bei 140 0C getrocknet. Sowohl aus den Lackformulierungen der Beispiele 3 und 4 als auch der Vergleichsbeispiele 1 und 2 werden optisch schöne und glatte Beschichtungen erhalten. Der Glanz aller 4 Beschichtungen - bestimmt mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk - lag bei allen vier Lacken bei ca. 155 Glanz-Einheiten.
Die Kratzfestigkeit der so erzeugten ausgehärteten Lackfilme wird mit einem Scheuerprüfgerät nach Peter-Dahn ermittelt . Hierzu wird ein Scheuervlies Scotch Brite® 2297 mit einer Fläche von 45 x 45 mm mit einem Gewicht von 500 g beschwert und mit 40 Hüben verkratzt. Sowohl vor Beginn als auch nach Beendigung der Kratzversuche wird der Glanz der jeweiligen Beschichtung mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk gemessen. Als Maß für die Kratzfestigkeit der jeweiligen Beschichtung wurde der Glanzverlust bestimmt :
Tabelle 1: Glanzverlust beim Kratztest nach Peter-Dahn:
Figure imgf000035_0001
Beispiel 6 : Herstellung von geschützten. Isocyanaten
Es werden 50 g Desmodur® VP LS 3300 (HDI-Trimerisat der Fa. Bayer mit einem Isocyanatgehalt von 5,18 mmol NCO/g) vorgelegt und mit 80 ml Butylacetat versetzt. Unter sehr guter Rührung werden bei einer Temperatur von -12 0C innerhalb von 10 min 17,85 g Butanoxim zugegeben. Die Temperatur steigt dabei bis maximal 0 0C an. Nach beendeter Zugabe wird die Kühlung entfernt. Durch die exotherme Reaktion erwärmt sich die Reaktionsmischung innerhalb der nächsten 20 min auf 30-40 0C. Es wird für 2 Stunden nachgerührt. Es wird eine Lösung mit einem Feststoffgehalt von 55,3 Gew.-% und mit einem Gehalt von 1,97 mmol geschützten NCO-Gruppen/g erhalten, in der sich IR- spektroskopisch keine freien NGO-Bande mehr nachweisen lassen.
Beispiel 7: Herstellung von Alkoxysilanen mit geschützten Isocyanatgruppen.
Es werden 86,10 g 2-Butanonoxim und 0,12 g Borchi® Katalysator (Katalysator VP 0244 der Firma Borchers GmbH) vorgelegt und auf 80 0C erwärmt. Innerhalb von 1 h werden 150,00 g
Isocyanatomethyl-trimethoxysilan zugetropft und das Gemisch für'
1 h bei 80 0C gerührt. 1H-NMR und IR-Spektroskopie zeigen, dass das Isocyanatosilan vollständig umgesetzt wurde.
Beispiel 8: Herstellung von Siθ2~Nanopartikeln mit geschützten Isocyanatgruppen und einer Beschichtungsformulieriing enthaltend diese Partikel.
Zu 2,20 g des in Beispiel 7 hergestellten geschützten Isocyanatosilans werden innerhalb von 30 min 33,30 g eines Si02-Organosols (IPA-ST der Firma Nissan Chemicals, 30 Gew. -%
SiO2, 12 nm) getropft. Zu der hochviskosen Mischung werden
0,33 g Wasser gegeben und der pH-Wert der Dispersion mittels Trifluoressigsäure auf 3 eingestellt. Anschliessend wird das Gemisch für 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Nach Zugabe von 22,00 g Methoxypropanol wird das enthaltene Isopropanol bis zu einem SiO2-Gehalt von 37% abdestilliert. Der Gehalt an geschützten NCO-Gruppen in der Mischung beträgt 0,34 mmol/g. 26,0 g der Dispersion werden mit 20,0 g der nach Beispiel 6 hergestellte Lösung enthaltend geschützte Isocyanate in Butylacetat gemischt und 24 h bei Raumtemperatur gerührt . Der Gehalt geschützter Isocyanatgruppen in der Dispersion beträgt 1,05 mmol geschütztes NCO/g.
Zur Herstellung einer Beschichtung werden 4,82 g der oben beschriebenen Dispersion enthaltend Si02-Nanoteilchen mit geschützten Isocyanatfunktionen mit 2,93 g Desmophen® A 365 BA/X der Fa. Bayer (acrylatbasierendes Lackpolyol mit einem Hydroxylgruppengehalt von 1,71 mmol OH/g) vermischt. Dies entspricht einem molaren Verhältnis von geschützten Isocyanatfunktionen zu Hydroxylgruppen von 1,1 : 1. Die resultierende Beschichtungsmasse zeigt einen leichten Tyndall- Effekt . Ansonsten ist sie klar.
Vergleichsbeispiel 3: Es wird so vorgegangen wie in Beispiel 8, wobei allerdings anstelle der Dispersion enthaltend Siθ2~Nanoteilchen mit geschützten Isocyanatfunktionell das reine geschützte Isocyanat nach Beispiel 6 verwendet wird. Die Menge dieses wird entsprechend angepaßt, so daß ein molares Verhältnis von geschützten Isocyanatfunktionen zu Hydroxylgruppen von 1,1 : 1 resultiert. D.h. es werden 2,80 g des geschützten Isocyanates aus Beispiel 6 auf 2,93 g Polyol (Desmophen® A 365 BA/X der Pa. Bayer) eingesetzt.
Beispiel 9s Herstellung und Bewertung von Lackfilmen Die Beschichtungsmassen aus Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 3 werden jeweils mittels eines Filmziehgerätes Coatmaster® 509 MC der Fa. Erichsen mit einem Rakel der Spalthöhe 120 μm auf einer Glasplatte aufgeräkelt . Anschließend werden die erhaltenen Beschichtungsfilme in einem Umlufttrockenschrank 60 Minuten bei 1400C getrocknet. Sowohl aus den Lackformulierungen der
Beispiele 8 aus auch dem Vergleichsbeispiel 3 werden optisch einwandfreie, glatte BeSchichtungen erhalten. Der Glanz aller 3 Beschichtungen - bestimmt mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk - liegt bei allen drei Lacken bei ca. 145 Glanz-Einheiten.
Die Kratzfestigkeit der so erzeugten ausgehärteten Lackfilme wird mit einem Scheuerprüfgerät nach Peter-Dahn ermittelt. Hierzu wird ein Scheuervlies Scotch Brite® 2297 mit einer Fläche von 45 x 45 mm mit einem Gewicht von 500 g beschwert und mit 40 Hüben verkratzt. Sowohl vor Beginn als auch nach Beendigung der Kratzversuche wird der Glanz der jeweiligen Beschichtung mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk gemessen. Als Maß für die Kratzfestigkeit der jeweiligen Beschichtung wurde der Glanzverlust bestimmt : Tabelle 2: Glanzverlust beim Kratztest nach Peter-Dahn:
Figure imgf000038_0001
Beispiel 10; Herstellung von mit blockierten Isocyanatgruppen modifizierter pyrogener Kieselsäure
Bei einer Temperatur von 25 0C unter Inertgas N2 werden zu 100 g pyrogene hydrophile Kieselsäure, mit einer Feuchte kleiner 1% und einem HCl Gehalt kleiner 100 ppm und mit einer spezifischen
Oberfläche von 300 m^/g (gemessen nach der BET Methode nach DIN 66131 und 66132) (erhältlich unter dem Namen WACKER HDK T30 bei Wacker-Chemie GmbH, München, D) , 66 g des in Beispiel 7 beschriebenen geschützten Isocyanatosilans und 10 ml Wasser in feinstverteilter Form über eine Einstoffdüse (Druck 5 bar) zugedüst. Die so beladene Kieselsäure wird anschließend unter N2 2 h bei einer Temperatur von 25 0C fluidisiert und anschließend 2 h bei 100 0C in einem 100 1 Trockenschrank unter N2 zur Reaktion gebracht. Erhalten wird ein weißes Kieselsäure- Pulver mit homogener Silyliermittelschicht. Die Analysedaten sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3 Analysedaten der Kieselsäure aus Beispiel 10:
Figure imgf000038_0002
Beschreibung der Analysenmethoden
1. Kohlenstoffgehalt (%C)
Elementaranalyse auf Kohlenstoff; Verbrennen der Probe bei über 1000°C im 02-Strom, Detektion und Quantifizierung des entstehenden CO2 mit IR; Gerät LECO 244 2 . BET gemessen nach der BET Methode nach DIN 66131 und 66132
3. pH
4%ig (Gew%) Suspension der Kieselsäure in gesättigter wässrige Kochsalzlösung : Methanol = 50 : 50
Beispiel 11: Herstellung einer Beschichtungsformulierung enthaltend eine durch blockierte Isocyanatgruppen modifizierte pyrogene Kieselsäure Zur Herstellung einer Beschichtung werden 8,56 g Desmophen® A 365 BA/X der Fa. Bayer (acrylatbasierendes Lackpolyol mit einem Hydroxylgruppengehalt von 1,71 mmol OH/g) mit 6,33 g Desmodur® BL 3175 SN der Fa. Bayer (Methylethylketonoxim-blockiertes Polyisocyanat, blockierter NCO-Gehalt ca. 11 %) vermischt. Dies entspricht einem molaren Verhältnis von geschützten
Isocyanatfunktionen zu Hydroxylgruppen von 1,1 : 1. Des weiteren werden 0,05 g einer 50 %igen Dibutylzinndilauratlösung (in Methylethylketon) und 0,01 g ADDID® 100 der Fa. Wacker- Chemie GmbH (Verlaufshilfsmittel auf Basis Polydimethylsiloxan) sowie 3 , 15 g Methylethylketon zugemischt, wodurch eine
Beschichtungsformulierung mit ca 50 % Festgehalt erhalten wird. In die so erhaltene Mischung werden mittels eines Dissolvers 1,8 g der aus Beispiel 10 erhaltenen, mit blockierten Isocyanatgruppen modifizierten pyrogenen Kieselsäure eingearbeitet, wobei eine klare Beschichtungsformulierung erhalten wird.
Vergleichsbeispiel 4
Es wird vorgegangen wie in Beispiel 11 beschrieben, allerdings wird auf die Einarbeitung der modifizierten pyrogenen Kieselsäure verzichtet. Beispiel 12: Herstellung und Bewertung von Lackfilmen
Die Beschichtungsmassen aus Beispiel 11 und Vergleichsbeispiel 4 werden jeweils mittels eines Filmziehgerätes Coatmaster® 509 MC der Fa. Erichsen mit einem Rakel der Spalthöhe 100 μm auf einer Glasplatte aufgeräkelt . Anschließend werden die erhaltenen Beschichtungsfilme in einem Umlufttrockenschrank 30 Minuten bei 1600C getrocknet. Sowohl aus den Lackformulierungen der Beispiele 11 als auch dem Vergleichsbeispiel 4 werden optisch einwandfreie, glatte Beschichtungen erhalten. Der Glanz der Beschichtungen - bestimmt mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk - liegt im Fall der Formulierung aus Beispiel bei etwa 145 Glanzeinheiten, im Fall des Vergleichsbeispiel 4 bei ca. 170 Glanz-Einheiten.
Die Kratzfestigkeit der so erzeugten ausgehärteten Lackfilme wird mit einem Scheuerprüfgerät nach Peter-Dahn ermittelt . Hierzu wird ein Scheuervlies Scotch Brite® 2297 mit einer Fläche von 45 x 45 mm mit einem Gewicht von 500 g beschwert und mit 50 Hüben verkratzt. Sowohl vor Beginn als auch nach Beendigung der Kratzversuche wird der Glanz der jeweiligen Beschichtung mit einem Glanzmeßgerät Micro gloss 20° der Fa. Byk gemessen. Als Maß für die Kratzfestigkeit der jeweiligen Beschichtung wurde der Glanzverlust bestimmt :
Tabelle 4 : Glanzverlust beim Kratztest nach Peter-Dahn :
Figure imgf000040_0001

Claims

Patentansprüche
1. Partikel (P) , welche über einen Kern, der aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus Siliconharzen besteht, und über mindestens eine geschützte Isocyanatgruppe an ihrer Oberfläche verfügen, wobei die Partikel (P) erhältlich sind durch eine Umsetzung von Partikeln (Pl) , die aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus
Siliconharzen bestehen und über freie Hydroxidfunktionen verfügen, mit a) Organosilanen (A) , die mindestens eine geschützte
Isocyanatfunktion enthalten, oder b) mit Organosilanen (Al), die über mindestens eine NH-, OH- oder SH-Funktion verfügen, wobei als Zwischenprodukt NH-, OH- oder SH-funktionelle Partikel (P2) erhalten werden, die in einem weiteren Reaktionsschritt mit einer Verbindung (A2), die sowohl über mindestens eine geschützte Isocyanatfunktion als auch über eine ungeschützte Isocyanatfunktion verfügt, zu den Partikeln (P) umgesetzt werden, wobei die Organosilane (A) und (Al) vor ihrer Umsetzung mit den Partikeln (Pl) entweder über ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatom in α-Position zur Silyleinheit verfügen oder eine Si-O oder Si-N-Einheit besitzen, die Teil eines cyclischen Strukturelementes sind.
2. Partikel (P) nach Anspruch 1, bei denen die Organosilane (A) oder (Al) eine reaktive Silylfunktion der allgemeinen Formel (I) (R1O) 3 _n (R2 ) nSi -CH2 -A- ( I ) ,
besitzen, wobei R^- Wasserstoff, Alkyl-, Cycloalkyl- oder Arylrest mit jeweils 1 bis 6 C-Atomen, wobei die Kohlenstoffkette durch nicht benachbarte Sauerstoff-, Schwefel- oder NR3-Gruppen unterbrochen sein kann,
R^ Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl- oder Arylalkylrest mit jeweils 1 bis 12 C-Atomen, wobei die Kohlenstoffkette durch nicht benachbarte Sauerstoff-, Schwefel- oder NR^-Gruppen unterbrochen sein kann,
R3 Wasserstoff, Alkyl-, Cycloalkyl, Aryl-, Arylalkyl, Aminoalkyl- oder Aspartatesterrest, A Sauerstoff, Schwefel, eine Gruppe der Formel NR3 oder ein Stickstoffatom, das Teil eines heterocyclischen Ringes ist, bedeuten, und n die Werte 0, 1 oder 2 annehmen kann.
3. Partikel (P) nach Anspruch 1, bei denen Organosilane (Al) eingesetzt werden, die über eine reaktive Silylfunktion der allgemeinen Formeln (II) oder (IIa)
(R1O)2-raR2 mSi N-B (II)
CH2-(CH2)x
Figure imgf000042_0001
verfügen, wobei B Wasserstoff oder einen beliebigen kohlenstoffhaltigen Rest darstellt, m die Werte 0, 1 oder 2 und x die Werte zwischen 0 und 10 annehmen können und A, R^, R2 die bei der allgemeinen Formel (I) gemäss Anspruch 2 angegebenen Bedeutungen aufweisen.
4. Partikel (P) nach Anspruch 1, bei denen als Organosilane (Al) Verbindungen der allgemeinen Formeln (III) oder (lila)
Figure imgf000043_0001
(R1O)
Figure imgf000043_0002
eingesetzt werden, wobei m, x, A, R^, R^ die bei den allgemeinen Formeln (I) und (II) gemäss Anspruch 2 und 3 angegebenen Bedeutungen aufweisen.
5. Partikel (P) nach Anspruch 1 oder 2, welche hergestellt werden durch Umsetzung der Partikel (Pl) mit Organosilanen (A) der allgemeinen Formel (VI)
(R1O) 3_n(R2)nSi-CH2~NH-C(O) -X (VI) ,
wobei
R1 und R2 die bei den allgemeinen Formeln (I) und (II) gemäss Anspruch 2 und 3 angegebenen Bedeutungen aufweisen und X eine Schutzgruppe darstellt, die bei Temperaturen zwischen
80 und 300 0C in Form von HX abgespalten wird, und dabei eine Isocyanatfunktion freisetzt.
6. Partikel (P) nach Anspruch 1 oder 2, welche hergestellt werden durch Umsetzung der Partikel (Pl) mit Organosilanen
(A) der allgemeinen Formel (VII)
(Rlθ)3_n(R2)nSi-CH2-NR3-C(O) -NH-Y- (NH-C(O) -X) z (VII),
wobei
R1, R2, R3, n und X die bei den allgemeinen Formeln (I) und
(VI) gemäss Anspruch 2 und 5 angegebenen Bedeutungen aufweisen,
Y einen (z+1) -funktionellen aliphatischen oder aromatischen
Rest darstellt und z eine Zahl von 1-4, bevorzugt 1 oder 2, bedeutet.
7. Partikel (P) nach Anspruch 1 bis 4, welche erhältlich sind durch Umsetzung der Partikel (Pl) mit Organosilanen (Al) der allgemeinen Formeln (II) , (IIa) , (III) , (IHa) oder (IX)
(R1O) 3_n(R2)J1Si-CH2-NHR3 (IX) ,
wobei die dabei als Zwischenprodukt erhaltenen aminoalkyl- oder hydroxyalkyl-funktionellen Partikel (P2) in einem 2. Reaktionsschritt mit einem teilgeschützten Isocyanat (A2) der allgemeinen Formel (XII) OCN-Y- (NH-C (O ) -X) 2 (XI I ) ,
zu den Partikeln (P) umgesetzt werden, wobei die Variablen R1, R2, R3, Y, X, n und z die bei der allgemeinen Formel (VII) gemäss Anspruch 6 angegebenen Bedeutungen besitzen.
8. Partikel (P) nach Anspruch 7, welche hergestellt werden durch Umsetzung der Partikel (Pl) mit Organosilanen (Al) der Formel (XIV) ,
Figure imgf000045_0001
wobei die dabei als Zwischenprodukt erhaltenen aminoalkyl- funktionellen Partikel (P2) in einem 2. Reaktionsschritt mit einem teilgeschützten Isocyanat (A2) der allgemeinen Formel (XII) zum Endprodukt (P) umgesetzt werden.
9. Partikel (P) nach Anspruch 1 bis 8, bei denen als Partikel (Pl) kolloidale Silicium- oder Metalloxide eingesetzt werden.
10. Partikel (P) nach Anspruch 1 bis 8, bei denen als Partikel (Pl) pyrogene Kieselsäure eingesetzt wird.
11 . Partikel (P) nach Anspruch 1 bis 8 , bei denen als Partikel ( Pl ) Siliconharze der allgemeinen Formel (V)
(R53Si0l / 2) e (R5 2Si02 /2) f (R5Si03/2 ) g (SiO4/2 ) h (V) eingesetzt werden, wobei
R.5 eine OR^--Funktion, eine OH-Funktion, einen gegebenenfalls halogen- , hydroxyl-, amino-, epoxy- , thiol-, (meth) acryl- , oder auch NCO-substituierten KohlenwasserStoffrest mit 1-18
Kohlenstoffatomen, e einen Wert von größer oder gleich 0, £ einen Wert von größer oder gleich 0, g einen Wert von größer oder gleich 0, h einen Wert von größer oder gleich 0 bedeuten und die Summe aus e + f + g + h einen Wert von mindestens 1 bedeutet.
12. Verfahren zur Herstellung von Partikeln (P) , welche über einen Kern, der aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus
Siliconharzen besteht, und über mindestens eine geschützte Isocyanatgruppe an ihrer Oberfläche verfügen, wobei die Partikel (P) erhältlich sind durch eine Umsetzung von Partikeln (Pl) , die aus Atomen, die ausgewählt werden aus Metall-, Silicium- und Sauerstoffatomen, oder aus
Silicσnharzen bestehen und über freie Hydroxidfunktionen verfügen, mit a) Organosilanen (A) , die mindestens eine geschützte
Isocyanatfunktion enthalten, oder b) mit Organosilanen (Al), die über mindestens eine NH-, OH- oder SH-Funktion verfügen, wobei als Zwischenprodukt NH-, OH- oder SH-funktioneile Partikel (P2) erhalten werden, die in einem weiteren Reaktionsschritt mit einer Verbindung (A2) , die sowohl über mindestens eine geschützte Isocyanatfunktion als auch über eine ungeschützte Isocyanatfunktion verfügt, zu den Partikeln (P) umgesetzt werden, wobei die Organosilane (A) und (Al) vor ihrer Umsetzung mit den Partikeln (Pl) entweder über ein Sauerstoff-, Schwefel¬ oder Stickstoffatom in α-Position zur Silyleinheit verfügen oder eine Si-O oder Si-N-Einheit besitzen, die Teil eines cyclischen Strukturelementes sind.
13. Beschichtungsformulierungen (B) , die Partikel (P) gemäss Anspruch 1 bis 11 oder hergestellt gemäss Anspruch 12, enthalten.
14. Beschichtungsformulierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese zu 0-90 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffanteil, einen Lackhärter, der über geschützte oder ungeschützte NCO-Funktionen verfügt, zu 20-90 Gew. -%, bezogen auf den Feststoffanteil, ein Hydroxylgruppen- funktionelles Lackharz und zu 3-40 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffanteil, Partikel (P) enthält.
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