WO2012136273A1 - Hyperverzweigte polymere zur modifikation der zähigkeit von anionisch gehärteten epoxidharz-systemen - Google Patents

Hyperverzweigte polymere zur modifikation der zähigkeit von anionisch gehärteten epoxidharz-systemen Download PDF

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WO2012136273A1
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dendritic
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curable composition
epoxy resin
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Michael Henningsen
Jean-Francois Stumbe
Anna Cristadoro
Manfred DÖRING
Lin ZANG
Volker ALTSTÄDT
Alexander Schmidt
Johannes Kraemer
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Basf Se
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    • C08J2300/202—Dendritic macromolecules, e.g. dendrimers or hyperbranched polymers

Definitions

  • Hyperbranched polymers for modifying the toughness of anionically cured epoxy resin systems Hyperbranched polymers for modifying the toughness of anionically cured epoxy resin systems
  • the invention relates to a curable composition
  • a curable composition comprising one or more epoxy compounds, one or more anionic curing catalysts and an addition of one or more dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester amide polymers and the 1, 3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid-based dendritic polymers.
  • Further objects of the invention are the process for the preparation of cured epoxy resins from the curable composition, and the use of dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester amide polymers and the on 1, 3,5- tris-alkanol-substituted cyanuric acid-based dendritic polymers, toughening additive in cured with anionic curing catalysts epoxy systems, as well as cured epoxy resin of the curable composition and moldings produced therefrom.
  • Epoxy compounds are used in the production of coatings, as adhesives, in the production of moldings and for many other purposes. They are generally present in liquid form during processing (as solutions in suitable solvents or as liquid, solvent-free 100% systems).
  • the epoxy compounds are generally low molecular weight compounds or linear oligomers. In use, they are hardened. There are different ways to cure known. Starting from epoxide compounds having at least two epoxide groups, an amino compound having at least two amino functions or an acid anhydride compound having at least one anhydride group can be cured by a polyaddition reaction (chain extension). The functionality of an amino compound corresponds to their number of NH bonds. A primary amino group thus has a functionality of 2 and while a secondary amino group has a functionality of 1. Amino hardeners suitable for the polyaddition reaction therefore have at least two secondary or at least one primary amino group.
  • amino hardeners By linking the amino groups of the amino hardener with the epoxide groups of the epoxide compound, co-polymers are formed whose monomer units form the amino hardener and the epoxide compound.
  • Amino hardeners are therefore generally used in a stoichiometric ratio to the epoxy compounds. If, for example, the amino hardener has two primary amino groups, ie can couple with up to four epoxide groups, crosslinked structures can be formed. High reactivity amino or acid anhydride compounds are generally added just prior to the desired cure. They are therefore so-called two-component (2K) systems. Furthermore, catalysts for the homo- or copolymerization of the epoxy compounds can be used.
  • Homopolymerization-inducing catalysts are Lewis bases (anionic homopolymerization, anionic curing catalysts) or Lewis acids (cationic homopolymerization, cationic curing catalysts). They cause the formation of ether bridges between the epoxide compounds. It is believed that the catalyst reacts with a first ring-opening epoxide group to form a reactive hydroxy group which in turn reacts with another epoxide group to form an ether bridge, resulting in a new reactive hydroxy group. Due to this reaction mechanism, the sub-stoichiometric use of such catalysts for curing is sufficient.
  • Imidazole is an example of a catalyst that induces anionic homopolymerization of epoxide compounds.
  • Boron trifluoride is an example of a catalyst that initiates cationic homopolymerization. Suitable catalysts should be readily miscible with the epoxy compounds.
  • latent catalysts Homopolymerization-inducing catalysts that are only active at high temperatures are latent catalysts.
  • Such latent catalysts have the advantage that one-component (1K) systems are possible, i. the epoxide compounds may contain the latent catalysts without undesirable early curing.
  • the mixtures should be stable for as long as possible at room temperature and under normal storage conditions, so that they are suitable as storable 1 K systems.
  • the temperatures required for the curing should not be too high, in particular they should be less than or equal to 200 ° C. Lower curing temperatures can save energy costs and avoid unwanted side reactions.
  • the mechanical and performance properties of the cured systems should not deteriorate as much as possible. It is desired that these properties (e.g., hardness, flexibility, adhesiveness, etc.) be at least as good or even better.
  • Imidazolium salts have been found to be latent anionic catalysts of cure with favorable properties (Ricciardi et al., J Polymer Part Part C (Polymer Letters) (1983) 21: 633-
  • imidazolium salts which are liquid under normal conditions (ionic liquids).
  • latent catalysts as curing agents in epoxy systems makes it possible to combine easily manageable processing conditions in the curing process with a favorable processing time.
  • a sufficiently long processing time for example at room temperature, which enables the production of large and complex shaped bodies and also a good penetration of the fibers in composites, and at the same time a rapid and complete curing at elevated temperature are advantages of such epoxy systems.
  • Hardened epoxy resins based on these epoxide systems which are the improved mechanical properties, such as in particular an improved toughness, have.
  • the present invention relates to curable compositions comprising one or more epoxide compounds, one or more anionic curing catalysts for the curing of epoxide compounds and an addition of one or more dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester amide polymers and the dendritic polymers based on 1,3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid.
  • the invention also provides a process for curing the curable composition.
  • Another object of the invention is a cured epoxy resin obtainable by curing the curable composition of the invention.
  • the cured epoxy resin is present as a shaped body, particularly preferably as a composite material, for example with glass or carbon fibers.
  • the invention also relates to fibers (for example glass or carbon fibers) which are preimpregnated with the curable composition according to the invention (for example prepregs).
  • the invention further relates to the use of dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester-amide polymers and the dendritic polymers based on 1, 3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid in curable polymers Compositions of epoxy compounds and anionic curing catalysts for the curing of epoxy compounds to improve the toughness of the cured epoxy resin.
  • Anionically curing catalysts for the curing of epoxide compounds are in particular imidazoles (imidazole and derivatives thereof) and imidazolium salts (salts of imidazolium and derivatives of imidazolium), preferably imidazolium salts.
  • imidazoles for the purposes of this invention are imidazole and its derivatives.
  • imidazolium salts for the purposes of this invention are salts of imidazolium and salts of derivatives of imidazolium. Derivatives in this context are compounds which are characterized by an imidazole or imidazolium ring.
  • WO 2008/152003 which is hereby expressly incorporated by reference and should be considered incorporated here (in particular page 3, line 24 to page 8, line 31), describes imidazolium salts, which are suitable for the inventive curable composition as a latent anionic curing catalyst for curing.
  • Imidazolium salts which are particularly suitable anionic curing catalysts for the curing of epoxide compounds are 1,3-substituted imidazolium salts of the formula I.
  • R 1 and R 3 independently of one another, are an organic radical having 1 to 20 C atoms and R 2, R 4 and R 5, independently of one another, are an H atom or an organic radical having 1 to 20 C atoms, in particular 1 to 10 C atoms, R4 and R5 may together form an aliphatic or aromatic ring,
  • n 1, 2 or 3.
  • Suitable anions X are, in particular, compounds having one or more carboxylate groups (carboxylates) which have the above pK.sub.B value, preferably aliphatic monocarboxylates having 1 to 20 carbon atoms, particularly preferably formate, acetate, propionate and butyrate.
  • Suitable anions X with a pKa value less than 13 are also cyanide and cyanate.
  • 1,3-substituted imidazolium salts of the formula I in which the anion X is selected from the group consisting of thiocyanate anion, dicyanamide anion and anions of an oxygen acid of the phosphorus
  • imidazolium salts for the curable composition of the invention are 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM-Ac) 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate (EMIM-SCN), 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium acetate, and 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium acetate-acetic acid complex. Most preferably, EMIM-Ac.
  • Suitable anionic curing catalysts for the curing of epoxide compounds imidazole are the compounds selected from the A group consisting of imidazole, 2-methylimidazole, 2-ethylimidazole, 2-undecylimidazole, 2-heptadecylimidazole, 2-phenylimidazole, 1, 2-dimethylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 2-phenyl-4-methylimidazole, 1-benzyl 2-phenylimidazole, 1-benzyl-2-methylimidazole, 1-cyanoethyl-2-methylimidazole, 1-aminoethyl-2-methylimidazole and 1-aminopropylimidazole.
  • anionically curing catalysts can also be used for the curing of epoxide compounds.
  • Anionically curing catalysts for the curing of epoxide compounds in the context of this invention are Lewis bases which induce anionic homopolymerization of the epoxide compounds. They can bring about the complete hardening of the epoxide compound without the addition of further hardeners and also in substoichiometric amounts, based on the epoxide compounds. Complete curing is achieved, in particular, when at least 90% of the epoxide groups of the epoxide compounds have reacted by bridging the monomers.
  • the anionic curing catalysts for the curing of epoxy compounds can also be used in combination with additional anhydride hardener. By the anionic curing catalysts, the copolymerization of epoxy compound and anhydride can be initiated and thus accelerated. Accordingly, the invention also relates to curable compositions comprising one or more epoxide compounds, one or more anionic curing catalysts for the curing of epoxide compounds, one or more anhydride curing agents and an addition of one or more dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers , the dendritic polyesteramide polymers and the dendritic polymers based on 1,3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid.
  • Suitable anhydride hardeners are cyclic carboxylic acid anhydrides such as, for example, succinic anhydride, maleic anhydride, phthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylbicyclo [2,2,1] hept-5-ene-2,3-dicarboxylic anhydride or trimellitic anhydride.
  • the dendritic polymers and the hyperbranched polymers are calculated as dendritic polymers.
  • Hyperbranched polymers like dendrimers, are characterized by a highly branched structure and high functionality. Dendrimers are molecularly uniform macromolecules with a highly symmetric structure.
  • hyperbranched polymers are heterogeneous both molecularly and structurally. They are obtained by a non-generational construction. It is therefore not necessary to isolate and purify intermediates.
  • Hyperbranched polymers can be obtained by simply mixing the components required for construction and their reaction in a so-called one-pot reaction. Hyperbranched polymers can have dendrimeric substructures. In addition, they also have linear polymer chains and unequal polymer branches.
  • AB x monomers are suitable for the synthesis of the hyperbranched polymers. These have two different functional groups A and B in one molecule, which can react intermolecularly to form a linkage. The functional group A is contained only once per molecule and the functional group B twice or more times. The reaction of said AB X monomers with one another produces uncrosslinked polymers with regularly arranged branching sites. The polymers have almost exclusively B groups at the chain ends.
  • hyperbranched polymers can be prepared via the A x + B y synthesis route.
  • a x and B y represent two different monomers with the functional groups A and B and the indices x and y the number of functional groups per monomer.
  • a x + B3 synthesis shown here using the example of an A2 + B3 synthesis, a difunctional monomer A 2 is reacted with a trifunctional monomer B 3. This initially results in a 1: 1 adduct of A and B monomers with an average of one functional group A and two functional groups B, which can then also react to form a hyperbranched polymer.
  • the hyperbranched polymers thus obtained also have predominantly B groups as end groups.
  • the degree of branching DB is defined as T + Z
  • T + Z + L T + Z + L
  • T is the mean number of terminally bound monomer units
  • Z is the average number of branching monomer units
  • L is the mean number of linearly bound monomer units in the macromolecules of the respective substances.
  • the hyperbranched polymers differ from the dendrimers.
  • Dendrimers are polymers whose degree of branching DB is 99 to 100%. Thus, a dendrimer has the maximum possible number of branch points, which can be achieved only by a highly symmetrical structure.
  • degree of branching see also Frey et al., Acta Polym. (1997), 48:30.
  • hyperbranched polymers are thus understood as meaning essentially uncrosslinked macromolecules which are structurally nonuniform. However, starting from a central molecule, analogous to dendrimers, they can be constructed with uneven chain length of the branches.
  • dendritic polymers can be used according to the invention as dendritic polymers.
  • hyperbranched polymers different from dendrimers are used, i. which are both structurally and molecularly non-uniform (and thus have no uniform molecular weight, but a molecular weight distribution).
  • “Hyperbranched” in the context of the present invention means that the degree of branching (DB) is 10 to 99%, preferably 25 to 90% and in particular from 30 to 80%.
  • dendrimers is meant in this context dendritic polymers having a degree of branching (DB) of> 99 to 100%.
  • the hyperbranched polymers used according to the invention are essentially not crosslinked.
  • “Substantially non-crosslinked” or “uncrosslinked” in the sense of the present invention means that a degree of crosslinking of less than 15 wt .-%, preferably less than 10 wt .-% is present, wherein the degree of crosslinking over the insoluble portion of the polymer is determined.
  • the insoluble portion of the polymer is, for example, by extraction for 4 hours with the same solvent as used for gel permeation chromatography (GPC), that is preferably dimethylacetamide or hexafluoroisopropanol, depending on which of the solvents makes the polymer more soluble is, in a Soxhlet apparatus and, after drying the residue to constant weight, weighing the remaining residue determined.
  • GPC gel permeation chromatography
  • the dendritic polymers used in the present invention have a weight average molecular weight Mw of at least 500 g / mol, e.g. from 500 to
  • 200,000 g / mol or preferably from 1,000 to 100,000 g / mol, in particular from 1,000 to 10,000 g / mol.
  • the dendritic polymers are dendritic polyester polymers based on monomers having a carboxylic acid group and two or more alcohol groups.
  • the synthesis of such compounds is described, for example, in WO 93/17060.
  • the monomers apart from the O atoms of the carboxylic acid and the alcohol groups, the monomers have no further heteroatoms.
  • the monomer is an aliphatic monocarboxylic acid having 2 to 20 C atoms and two Alcohol groups, more preferably an aliphatic monocarboxylic acid having 4 to 20 carbon atoms and two alcohol groups, in which the alcohol groups sit at different carbon atoms.
  • the alcohol groups of the monomer are chemically equivalent and equally reactive.
  • these polyester polymers are based on a monohydric or polyhydric alcohol as the central molecule to which the monomers are linked with their carboxylic acid group to form an ester bridge.
  • the central molecule is preferably a polyhydric alcohol having 1 to 20 C atoms, for example 2,2-dimethylolbutan-1-ol or pentaerythritol or a derivative thereof, whose alcohol groups are etherified with diols, such as glycol.
  • the polyester polymers have free alcohol groups on the terminal monomer units (polyester polyols), but they can also be modified.
  • polyester polyols examples include Boltorn® P500, Boltorn® P1000 and Boltorn® H2004 (from Perstorp Specialty Chemicals AB).
  • Boltorn® P500 is based on 2,2-dimethylolpropionic acid as the monomer and 2,2-dimethylolbutanol as the central molecule.
  • the dendritic polymers are polyesteramide polymers based on ⁇ , ⁇ -disubstituted carboxamides as monomer having a free carboxylic acid group and two or more alcohol groups.
  • These monomers can be prepared, for example, by equimolar reaction of a carboxylic acid anhydride with a secondary amine whose radicals have a total of at least two alcohol groups.
  • the radicals of the amine are preferably aliphatic alkanol radicals having preferably 1 to 20, in particular 2 to 10, carbon atoms.
  • the two residues of the secondary amine are identical.
  • a suitable secondary amine is, for example, diisopropanolamine (DIPA).
  • Suitable carboxylic acid anhydrides are, for example, succinic anhydride, maleic anhydride, phthalic anhydride (PSA), or hexahydrophthalic anhydride (HHPSA).
  • polyesteramide polymers have free alcohol groups on the terminal monomer units (polyesteramide polyol), but they may be modified.
  • polyesteramide polymers are Hybrane® polymers (from Royal DSM NV). The synthesis of such compounds is described for example in US
  • the dendritic polymers are those based on 1, 3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid as a monomer.
  • the triolic monomers are polycondensed with dehydration and formation of ether bridges.
  • a suitable triolic monomer is, for example, 1,3,5-tris (2-hydroxyethyl) cyanuric acid (THIC), whose oligomerization is described in WO 2006/084488.
  • THIC 1,3,5-tris (2-hydroxyethyl) cyanuric acid
  • the dendritic polymers based on 1, 3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid have free alcohol groups on the terminal monomer units, but these can be modified.
  • Alkanols within the meaning of the invention are alkyl radicals which have at least one free alcohol group and 1 to 20 C atoms. They can be linear, branched or cyclic. Preferably have In addition to the oxygen atoms of the alcohol group or alcohol groups, they have no further heteroatoms.
  • the dendritic polymers used according to the invention are preferably polyols having terminal alcohol groups. Terminal groups in the sense of this invention are free functional groups of the terminal monomers of the dendritic polymer. These polyols preferably have on average from 3 to 1000 alcohol groups, particularly preferably from 5 to 500 alcohol groups, very particularly preferably from 6 to 50 alcohol groups. Their OH number is usually 100 to 1000 mg KOH / g or more, preferably 100 to 800 mg KOH / g, particularly preferably 120 to 700 mg KOH / g. The OH number is determined according to DIN 53240, part 2.
  • the terminal alcohol groups are modified with reagents which have a reactive group suitable for coupling to the terminal alcohol groups.
  • the reactive group may be, for example, an alcohol group which forms ether bridges with the terminal alcohol groups of the polyol or a carboxylic acid group or an activated carboxylic acid group (for example acid chloride or acid anhydride) which undergoes ester bridges with the terminal alcohol groups of the polyol ,
  • at least 10% of the terminal alcohol groups are modified, more preferably at least 40%, most preferably at least 70%.
  • the modifying reagent may have other functional groups (eg, carboxylic acid groups) such that these groups then represent the terminal groups of the modified dendritic polymer. It may also be such that besides the reactive group it has only one aliphatic or aromatic radical without further heteroatoms.
  • the aliphatic or aromatic radical is preferably a radical of 1 to 25 carbon atoms.
  • Such a modifying reagent is, for example, a fatty acid, acetic acid, or benzoic acid, or activated derivatives thereof.
  • An example of such a hyperbranched polymer modified is Boltorn® U3000 (ex Perstorp Specialty Chemicals AB). For epoxide systems mediated by curing with amino hardeners or by U.V.
  • compositions consist of at least 30 wt .-%, preferably at least 50 wt .-%, most preferably at least 70 wt .-% of epoxy compounds. (without consideration of possibly used solvents).
  • the content of the anionic curing catalyst for the curing of the epoxy compound is preferably 0.01 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of epoxy compound, more preferably at least 0.1, more preferably at least 0.5 and most preferably at least 1 Part by weight per 100 parts by weight of epoxy compound.
  • the content is not higher than 8 parts by weight, especially not higher than 6 parts by weight per 100 parts by weight of epoxy compound, in particular, the content, for example, 1 to 6 or 3 to 6 parts by weight per 100 wt. Parts epoxy compound amount.
  • the content of the dendritic polymer is preferably 0.1 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of epoxy compound, more preferably at least 0.5 part, and most preferably at least 1 part by weight per 100 parts by weight of epoxy compound.
  • the content is preferably not higher than 15 parts by weight, in particular not higher than 12 parts by weight per 100 parts by weight of epoxide compound.
  • Epoxy compounds according to this invention have 2 to 10, preferably 2 to 6, very particularly preferably 2 to 4 and in particular 2 epoxide groups.
  • the epoxide groups are, in particular, glycidyl ether groups, as are formed in the reaction of alcohol groups with epichlorohydrin.
  • the epoxide compounds may be low molecular weight compounds, which generally have an average molecular weight (Mw) of less than 1000 g / mol, or relatively high molecular weight compounds (oligomers or polymers).
  • Mw average molecular weight
  • oligomeric or polymeric epoxy compounds preferably have a degree of oligomerization of from 2 to 25, more preferably from 2 to 10 monomer units. They may be aliphatic or cycloaliphatic compounds or compounds containing aromatic groups.
  • the epoxy compounds are compounds having two aromatic or aliphatic 6-membered rings or their oligomers.
  • epoxide compounds which are obtainable by reacting the epichlorohydrin with compounds which have at least two reactive H atoms, in particular with polyols.
  • epoxide compounds obtainable by reacting the epichlorohydrin with compounds containing at least two, preferably two, hydroxyl groups and two aromatic or aliphatic 6-membered rings.
  • bisphenol A and bisphenol F and hydrogenated bisphenol A and bisphenol F may be mentioned.
  • bisphenol A diglycidyl ether DGEBA
  • DGEBA diglycidyl ether
  • reaction products of epichlorohydrin with other phenols for example with cresols or phenol-aldehyde adukten, such as phenol-formaldehyde resins, in particular novolacs.
  • epoxide compounds which are not derived from epichlorohydrin. Suitable examples include epoxide compounds which receive the epoxide groups by reaction with glycidyl (meth) acrylate.
  • the curable composition of the present invention may contain other ingredients in addition to the epoxy compound, the anionic curing catalyst, and the dendritic polymer selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyesteramide polymers, and the 1,3,5 tris-dendritic polymer.
  • additional ingredients are, for example, phenolic resins, anhydride hardeners, fillers or pigments.
  • the composition of the invention may also contain solvents.
  • organic solvents may be used to adjust desired viscosities.
  • the composition contains solvent at most in minor amounts, such as less than 5 parts by weight per 100 parts by weight of epoxy compound.
  • the curable composition of the invention is suitable for 1 K systems or as a storable component for 2 K systems.
  • 2 K systems the components are brought into contact with each other shortly before use, after which the resulting mixture is no longer stable on storage, because the crosslinking reaction or hardening sets in and leads to an increase in viscosity.
  • 1 K systems already contain all the necessary components, they are storage stable.
  • the latent anionic curing catalyst composition for the curing of the epoxy compound is preferably liquid at processing temperatures of 10 to 100 ° C, more preferably 20 to 40 ° C. The increase in the viscosity of the entire composition at temperatures up to 50 ° C.
  • the curing can be carried out at normal pressure and at temperatures below 250 ° C., in particular at temperatures below 200 ° C., preferably at temperatures below 175 ° C., in particular in a temperature range from 40 to 175 ° C.
  • tempering of the material can be carried out after curing.
  • the heat treatment is preferably carried out in a temperature range of 10 ° C below the T g of the material to 60 ° C above the T g of the material. Preferably, it is annealed for at least one hour.
  • the compositions according to the invention are suitable as coating or impregnating agents, as adhesives, for the production of moldings and composite materials, or as castables for embedding, bonding or solidification of moldings.
  • lacquers may be mentioned as coating agents.
  • the compositions according to the invention it is possible with the compositions according to the invention to obtain scratch-resistant protective lacquers on any substrates, for example of metal, plastic or wood-based materials.
  • the compositions are also suitable as insulating coatings in electronic applications, for example as an insulating coating for wires and cables.
  • the use for the production of photoresists They are also particularly suitable as a repair varnish, eg also for the repair of pipes without disassembly of the pipes (your in-place pipe (CIPP) rehabilitation). They are also suitable for sealing floors.
  • CIPP your in-place pipe
  • Composites for the preparation of composites include the curing of preimpregnated fibers or fiber fabrics (e.g., prepregs) after storage, or extrusion, pultrusion, winding, and resin transfer molding (RTM), resin infusion technologies (RI).
  • preimpregnated fibers or fiber fabrics e.g., prepregs
  • RTM resin transfer molding
  • RI resin infusion technologies
  • compositions are suitable, for example, for the production of prepreg fibers, for example prepregs and their further processing into composite materials.
  • the fibers may be impregnated with the composition of the invention and then cured at a higher temperature. During the impregnation and, if appropriate, subsequent storage, no or only a slight hardening begins.
  • dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester-amide polymers and the dendritic polymers based on 1,3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid
  • epoxy compositions with anionically curing Catalysts for curing the epoxy compound, particularly with imidazolium salts as latent curing catalysts provide an improvement in the toughness of the cured epoxy resin producible therefrom, as compared to corresponding compositions without such additive.
  • the crack or fracture toughness (Kic value) of the cured epoxy resins improves.
  • the glass transition temperature (T g ) is reduced only slightly.
  • the modulus of elasticity is determined by the addition according to the invention of dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyesteramide polymers and the 1,3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid based dendritic polymers, not or only slightly reduced.
  • the addition according to the invention of these dendritic polymers also essentially does not adversely affect the latency and the process (storage stability at room temperature, onset temperature of the curing, completeness of the curing) of the anionically induced curing. Shaped body having such improved properties is of particular interest for components, in particular composite materials, to which high mechanical demands are made.
  • the crack or fracture toughness Kic is a measure of the resistance of a material to the onset of crack growth. It can be determined according to the standard ISO 15386.
  • the modulus of elasticity is a measure of the resistance that a material opposes to deformation. Materials with a higher modulus of elasticity allow the production of components and materials with higher rigidity with the same geometry of the component. It can be determined according to Saxena and Hudak, Int J Fracture (1978) 14 (5) or according to the standards DIN EN ISO 527, DIN EN 20527, DIN 53455/53457, DIN EN 61 or ASTM D638 (tensile test) resp in accordance with the standards DIN EN ISO 178, DIN EN 20178, DIN 53452/53457, DIN EN 63 or ASTM D790 (bending test).
  • the glass transition temperature T g is the temperature at which the softening of a plastic occurs. It can be determined by means of Differential Scanning Calorimetry (DSC) according to DIN 53765. It can also be determined by Dynamic Mechanical Analysis (DMA). In this case, a rectangular specimen with a forced frequency and predetermined deformation on torsion loaded (DIN EN ISO 6721), the temperature increased with a defined ramp and recorded storage and loss module at fixed time intervals. The former represents the stiffness of a viscoelastic material. The latter is proportional to the work dissipated in the material. The phase shift between the dynamic stress and the dynamic strain is characterized by the phase angle ⁇ .
  • the glass transition temperature can be determined by different methods, for example as the maximum of the tan-5 curve, as the maximum of the loss modulus or by means of the tangent method on the storage module.
  • Example 1 Influence of dendritic polymers selected from the group consisting of the dendritic polyester polymers, the dendritic polyester-amide polymers and the dendritic polymers based on 1,3,5-tris-alkanol-substituted cyanuric acid on the mechanical properties of imidazolium Salt-cured epoxy resins 90 g of an epoxy resin of the bisphenol A type (DGEBA, Epilox A 18-00 from LEUNA-Harze GmbH) and 5 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM-Ac) were mixed with an addition of 10 g of a mixed dendritic polymer.
  • DGEBA Bisphenol A type
  • EMIM-Ac 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate
  • the dendritic polymers used as adjuncts were Hybrane® 93 (ex Royal DSM NV), Boltorn® P500 (ex Perstorp Specialty Chemicals AB, dried under vacuum at 1 10 ° C before use), Boltorn® P1000 (ex Perstorp Specialty Chemicals AB), Boltorn® H2004 (from Perstorp Specialty Chemicals AB), Boltorn® U3000 (from Perstorp Specialty Chemicals AB) and oligomeric 1,3,5-tris- (2-hydroxyethyl) cyanuric acid (polyTHIC, prepared according to WO 2006 / 084488, Example 1).
  • the glass transition temperature T g was determined by dynamic mechanical analysis (DMA). In this case, a rectangular specimen with a forced frequency and a predetermined deformation was subjected to torsion (DIN EN ISO 6721), the temperature was increased with a defined ramp and the storage and loss module was recorded at fixed time intervals. The former represents the stiffness of a viscoelastic material. The latter is proportional to the work dissipated in the material. The phase shift between the dynamic stress and the dynamic strain is characterized by the phase angle ⁇ . The glass transition temperature T g was determined as the maximum of the tan- ⁇ curve.
  • DMA dynamic mechanical analysis
  • CT Compact Tension

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine härtbare Zusammensetzung umfassend ein oder mehre Epoxidverbindungen, ein oder mehrere anionisch härtende Katalysatoren und einen Zusatz eines oder mehrerer dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren. Diese dendritischen Polymere verbessern die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit des gehärteten Epoxidharzes.

Description

Hyperverzweigte Polymere zur Modifikation der Zähigkeit von anionisch gehärteten Epoxidharz- Systemen
Beschreibung
Gegenstand der Erfindung ist eine härtbare Zusammensetzung umfassend ein oder mehre E- poxidverbindungen, ein oder mehrere anionisch härtende Katalysatoren und einen Zusatz eines oder mehrerer dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5- tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind das Verfahren zur Herstellung von gehärteten Epoxidharzen aus der härtbaren Zusammensetzung, sowie die Verwendung von dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymere, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren, als Zähigkeit verbessernder Zusatz in mit anionisch härtenden Katalysatoren gehärteten Epoxid-Systemen, als auch gehärtetes Epoxidharz aus der härtbaren Zusammensetzung sowie daraus hergestellte Formkörper. Epoxidverbindungen werden zur Herstellung von Beschichtungen, als Klebstoff, zur Herstellung von Formkörpern und für viele andere Zwecke verwendet. Sie liegen dazu während der Verarbeitung im Allgemeinen in flüssiger Form vor (als Lösungen in geeigneten Lösemitteln oder als flüssige, lösemittelfreie 100 % Systeme). Die Epoxidverbindungen sind im Allgemeinen niedermolekular Verbindungen oder lineare Oligomere. Bei der Verwendung werden sie gehärtet. Es sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Härtung bekannt. Ausgehend von Epoxidverbindungen mit mindestens zwei Epoxidgruppen kann mit einer Aminoverbindung mit mindestens zwei Ami- nofunktionen oder einer Säureanhydridverbindung mit mindestens einer Anhydridgruppe eine Härtung durch eine Polyadditionsreaktion (Kettenverlängerung) erfolgen. Dabei entspricht die Funktionalität einer Aminoverbindung ihrer Anzahl an NH-Bindungen. Eine primäre Aminogrup- pe hat somit eine Funktionalität von 2 und während eine sekundäre Aminogruppe eine Funktionalität von 1 hat. Für die Polyadditionsreaktion geeignete Aminohärter besitzen daher mindestens zwei sekundäre oder mindestens eine primäre Aminogruppe. Durch die Verknüpfung der Aminogruppen des Aminohärters mit den Epoxidgruppen der Epoxidverbindung bilden sich Co- Polymere deren Monomereinheiten der Aminohärter und die Epoxidverbindung bilden. Amino- härter werden daher in der Regel im stöchiometrischen Verhältnis zu den Epoxidverbindungen eingesetzt. Wenn der Aminohärter beispielsweise zwei primäre Aminogruppen hat, also mit bis zu vier Epoxidgruppen koppeln kann, können vernetzte Strukturen entstehen. Amino- oder Säureanhydridverbindungen mit hoher Reaktivität werden im Allgemeinen erst kurz vor der gewünschten Härtung zugesetzt. Es handelt sich daher um sogenannte zweikomponentige (2K) Systeme. Weiterhin können Katalysatoren für die Homo- oder Copolymerisation der Epoxidverbindungen verwendet werden.
Homopolymerisation induzierende Katalysatoren sind Lewis-Basen (anionische Homopolymeri- sation; anionisch härtende Katalysatoren) oder Lewis-Säuren (kationische Homopolymerisation; kationisch härtenden Katalysatoren). Sie bewirken die Ausbildung von Etherbrücken zwischen den Epoxidverbindungen. Es wird angenommen, dass der Katalysator mit einer ersten Epo- xidgruppe unter Ringöffnung reagiert, wobei eine reaktive Hydroxygruppe entsteht, die wiederum mit einer weiteren Epoxidgruppe unter Ausbildung einer Etherbrücke reagiert, was zu einer neuen reaktiven Hydroxygruppe führt. Aufgrund dieses Reaktionsmechanismus genügt der un- terstöchiometrische Einsatz solcher Katalysatoren zur Aushärtung. Imidazol ist ein Beispiel für einen Katalysator, der eine anionische Homopolymerisation von Epoxidverbindungen induziert. Bortrifluorid ist ein Beispiel für einen Katalysator, der eine kationische Homopolymerisation auslöst. Geeignete Katalysatoren sollen mit den Epoxidverbindungen gut mischbar sein.
Homopolymerisation induzierende Katalysatoren, die erst bei hohen Temperaturen aktiv sind, sind latente Katalysatoren. Derartige latente Katalysatoren haben den Vorteil, dass einkompo- nentige (1 K) Systeme möglich sind, d.h. die Epoxidverbindungen können die latenten Katalysatoren enthalten, ohne dass es zu einer unerwünschten frühzeitigen Härtung kommt. Die Mischungen sollen bei Raumtemperatur und üblichen Lagerbedingungen möglichst lange Zeit stabil sein, so dass sie sich als lagerfähige 1 K Systeme eignen. Bei der Verwendung aber sollen die für die Härtung benötigten Temperaturen nicht allzu hoch sein, insbesondere sollen sie kleiner oder gleich 200 °C sein. Durch tiefere Härtungstemperaturen können Energiekosten eingespart werden und unerwünschte Nebenreaktionen vermieden werden. Trotz der niedrigeren Härtungstemperatur sollen die mechanischen und anwendungstechnischen Eigenschaften der gehärteten Systeme möglichst nicht schlechter werden. Gewünscht ist, dass diese Eigenschaften (z.B. Härte, Flexibilität, Klebekraft etc) mindestens gleich gut sind oder sogar besser werden.
Imidazoliumsalze haben sich als latente anionische Katalystoren der Härtung mit günstigen Ei- genschaften erwiesen (Ricciardi et al., J Polymer Sei Part C (Polymer Letters) (1983) 21 :633-
638; DE-A 2416408; US 3,635,894; Kowalczyk und Spychaj, Polimery (2003) 48:833-835; Sun et al., J Adhesion Sei Techn (2004) 18:109-121 ; JP 2004-217859; EP 458502;
WO 2008/152002; WO 2008/152003; WO 2008/152004; WO 2008/152005; WO 2008/15201 1 ).
Besonders günstig zur Verwendung als Härter von flüssigen Epoxid-Zusammensetzungen sind Imidazoliumsalze, die unter Normalbedingungen flüssig sind (ionische Flüssigkeiten).
Die Verwendung dieser latenten Katalysatoren als Härter in Epoxid-Systemen ermöglicht die Kombination von gut handhabbaren Verarbeitungsbedingungen bei dem Härtungsprozess mit einer günstigen Verarbeitungszeit. Eine hinreichend lange Verarbeitungszeit, beispielsweise bei Raumtemperatur, die die Herstellung großer und komplexer Formkörper und auch eine gute Durchdringung der Fasern bei Verbundwerkstoffen ermöglicht, und gleichzeitig eine schnelle und vollständige Aushärtung bei erhöhter Temperatur sind Vorteile solcher Epoxid-Systeme. Wünschenswert wären gehärtete Epoxidharze auf Grundlage dieser Epoxid-Systeme, die zu- dem verbesserte mechanische Eigenschaften, wie insbesondere eine verbesserte Zähigkeit, aufweisen.
Als der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher erachtet werden die Bereitstellung von Zusätzen für Zusammensetzungen aus Epoxidverbindungen und anionisch härtende Katalysatoren der Härtung (insbesondere Imidazoliumsalz-Härter), durch die die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit, der daraus resultierenden gehärteten Epoxidharze verbessert wird. Entsprechend betrifft die vorliegende Erfindung härtbare Zusammensetzungen umfassend ein oder mehrere Epoxidverbindungen, ein oder mehrere anionisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen und einen Zusatz eines oder mehrerer dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanur- säure basierenden dendritischen Polymeren.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Härtung der härtbaren Zusammensetzung. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein gehärtetes Epoxidharz erhältlich durch die Härtung der erfindungsgemäßen härtbaren Zusammensetzung. Bevorzugt liegt das gehärtete Epoxidharz als Formkörper vor, besonders bevorzugt als Verbundwerkstoff, beispielsweise mit Glas- oder Carbonfasern. Gegenstand der Erfindung sind auch Fasern (bspw. Glas- oder Carbonfasern), die mit der erfindungsgemäßen härtbaren Zusammensetzung präimpregniert sind (bspw. Prepregs).
Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung von dendritischen Polymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendriti- sehen Polymeren, in härtbaren Zusammensetzungen aus Epoxidverbindungen und anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen zur Verbesserung der Zähigkeit des gehärteten Epoxidharzes.
Anionisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen sind insbesondere Imidazole (Imidazol und Derivate davon) und Imidazoliumsalze (Salze des Imidazoliums und von Derivaten des Imidazoliums), bevorzugt Imidazoliumsalze.„Imidazole" im Sinne dieser Er- findungs sind Imidazol und dessen Derivate.„Imidazoliumsalze" im Sinne dieser Erfindung sind Salzes des Imidazoliums und Salze von Derivaten des Imidazoliums. Derivate sind in diesem Zusammenhang Verbindungen, die charakterisiert sind durch einen Imidazol- bzw. Imidazolium- Ring.
WO 2008/152003, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird und hier als inkorporiert gelten soll (insbesondere Seite 3, Zeile 24 bis Seite 8, Zeile 31 ), beschreibt Imidazoliumsalze, die für die erfindungsgemäße härtbare Zusammensetzung als latenter anionisch härtender Katalysator für die Härtung geeignet sind.
Als anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen besonders geeignete Imidazoliumsalze sind 1 ,3-substituierte Imidazoliumsalze der Formel I
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worin
R1 und R3 unabhängig voneinander für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen, insbesondere 1 bis 10 C-Atomen, stehen, wobei R4 und R5 auch zusammen einen aliphatischen oder aromatischen Ring ausbilden können,
X für ein Anion steht und
n für 1 , 2 oder 3 steht.
Bevorzugt sind 1 ,3-substituierte Imidazoliumsalze der Formel I, bei denen das Anion X einen pKß -Wert kleiner 13 (gemessen bei 25 °C, 1 bar in Wasser
oder Dimethylsulfoxid) aufweist. Als geeignete Anionen X seinen insbesondere Verbindungen mit einer oder mehreren Carboxylatgruppen (Carboxylate) genannt, die den vorstehenden pKß- Wert haben, bevorzugt aliphatische Monocarboxylate mit 1 bis 20 C-Atomen, besonders bevorzugt Formiat, Acetat, Propionat und Butyrat. Geeignete Anionen X mit einem pKß-Wert kleiner 13 sind auch Cyanid und Cyanat.
Bevorzugt sind auch 1 ,3-substituierte Imidazoliumsalze der Formel I, bei denen das Anion X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Thiocyanat-Anion, Dicyanamid-Anion und Anionen einer Sauerstoffsäure des Phosphors
Bevorzugt sind weiter 1 ,3-substituierte Imidazoliumsalze der Formel I, bei denen R2 ein H-Atom ist.
Besonders bevorzugte Imidazoliumsalze für die erfindungsgemäße härtbare Zusammensetzung sind 1 -Ethyl-3-methylimidazolium-Acetat (EMIM-Ac) 1 -Ethyl-3-methylimidazolium-Thiocyanat (EMIM-SCN), 1 -Ethyl-2,3-dimethylimidazolium-Acetat und 1 -Ethyl-2,3-dimethylimidazolium- Acetat-Essigsäure Komplex. Ganz besonders bevorzugt ist EMIM-Ac.
Als anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen geeignete Imi- dazole (Imidazol und Derivate davon) sind beispielsweise die Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Imidazol, 2-Methylimidazol, 2-Ethylimidazol, 2-Undecylimidazol, 2- Heptadecylimidazol, 2-Phenylimidazol, 1 ,2-Dimethylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol, 2- Phenyl-4-methylimidazol, 1 -Benzyl-2-phenylimidazol, 1 -Benzyl-2-methylimidazol, 1 -Cyanoethyl- 2-methylimidazol, 1 -Aminoethyl-2-methylimidazol und 1 -Aminopropylimidazol.
In entsprechender Weise können statt Imidazoliumsalzen oder Imidazolen auch andere ani- oisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen verwendet werden.
Anionisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen im Sinne dieser Er- findung sind Lewis-Basen, die eine anionische Homopolymerisation der Epoxidverbindungen induzieren. Sie können ohne Zusatz weiterer Härter und auch in substöchiometrischen Mengen, bezogen auf die Epoxidverbindungen, die vollständige Härtung der Epoxidverbindung bewirken. Eine vollständige Härtung ist insbesondere dann erreicht wenn mindestens 90 % der Epo- xidgruppen der Epoxidverbindungen unter Verbrückung der Monomere reagiert haben.
Die anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen können auch in Kombination mit zusätzlichem Anhydridhärter eingesetzt werden. Durch die anionisch härtenden Katalysatoren kann die Copolymerisation von Epoxidverbindung und Anhydridhärter initiiert und damit beschleunigt werden. Entsprechend sind Gegenstand dieser Erfindung auch härtbare Zusammensetzungen umfassend ein oder mehre Epoxidverbindungen, ein oder mehrere anionisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen, ein oder mehrere Anhydridhärter und einen Zusatz eines oder mehrerer dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyestera- mid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendriti- sehen Polymeren. Geeignete Anhydridhärter sind cyclische Carbonsäureanhydride wie beispielsweise Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Hexa- hydrophthalsäureanhydrid, Methylbicyclo[2,2,1 ]hept-5-en-2,3-dicarbonsäureanhydrid oder Tri- mellithsäureanhydrid. Zu den dendritischen Polymeren werden die Dendrimere und die hyperverzweigten Polymere gerechnet. Hyperverzweigte Polymere zeichnen sich ebenso wie Dendrimere durch eine stark verzweigte Struktur und eine hohe Funktionalität aus. Dendrimere sind molekular einheitliche Makromoleküle mit einem hoch symmetrischen Aufbau. Sie lassen sich, ausgehend von einem zentralen Molekül, durch kontrollierte, schrittweise Verknüpfung von mehrfach funktionellen Monomeren mit bereits gebundenen Monomeren herstellen. Dabei vervielfacht sich mit jedem Verknüpfungsschritt die Zahl der Monomerendgruppen (und damit der Verknüpfungen) um den Faktor 2 oder höher, und man erhält generationenweise aufgebaute, monodisperse Polymere mit baumartigen Strukturen, die im Idealfall kugelförmig sind und deren Äste jeweils exakt dieselbe Anzahl von Monomereinheiten enthalten. Allerdings wird die Herstellung der monodisper- sen Dendrimere dadurch verkompliziert, dass bei jedem Verknüpfungsschritt Schutzgruppen eingeführt und wieder entfernt werden müssen und vor Beginn jeder neuen Wachstumsstufe intensive Reinigungsschritte erforderlich sind, weshalb man Dendrimere üblicherweise nur im Labormaßstab herstellt. Der beschriebene generationenweise Aufbau ist erforderlich, um vollständig regelmäßig aufgebaute, dendrimere Strukturen zu erzeugen.
Im Gegensatz dazu sind hyperverzweigte Polymere sowohl molekular wie strukturell uneinheit- lieh. Sie werden durch einen nicht-generationenweisen Aufbau erhalten. Es ist daher auch nicht notwendig, Zwischenprodukte zu isolieren und zu reinigen. Hyperverzweigte Polymere können durch einfaches Vermischen der zum Aufbau erforderlichen Komponenten und deren Reaktion in einer sogenannten Ein-Topf-Reaktion erhalten werden. Hyperverzweigte Polymere können dendrimere Substrukturen aufweisen. Daneben weisen sie aber auch lineare Polymerketten und ungleiche Polymeräste auf. Zur Synthese der hyperverzweigten Polymere eignen sich insbesondere so genannte ABx-Monomere. Diese weisen zwei verschiedene funktionelle Gruppen A und B in einem Molekül auf, die unter Bildung einer Verknüpfung intermolekular miteinander reagieren können. Die funktionelle Gruppe A ist dabei nur einmal pro Molekül enthalten und die funktionelle Gruppe B zweifach oder mehrfach. Durch die Reaktion der besagten ABX- Monomere miteinander entstehen unvernetzte Polymere mit regelmäßig angeordneten Verzweigungsstellen. Die Polymere weisen an den Kettenenden fast ausschließlich B-Gruppen auf.
Weiterhin lassen sich hyperverzweigte Polymere über die Ax + By - Syntheseroute herstellen. Darin stehen Ax und By für zwei unterschiedliche Monomere mit den funktionellen Gruppen A und B und die Indices x und y für die Anzahl der funktionellen Gruppen pro Monomer. Bei der Ax + By-Synthese, dargestellt hier am Beispiel einer A2 + B3-Synthese, setzt man ein difunktionelles Monomer A2 mit einem trifunktionellen Monomer B3 um. Dabei entsteht zunächst ein 1 :1 -Addukt aus A- und B-Monomeren mit im Mittel einer funktionellen Gruppe A und zwei funktionellen Gruppen B, das dann ebenfalls zu einem hyperverzweigten Polymer reagieren kann. Auch die so erhaltenen hyperverzweigten Polymere weisen überwiegend B-Gruppen als Endgruppen auf.
Für die dentritischen Polymere ist der Verzweigungsgrad DB (degree of branching) definiert als T+Z
DB (%) = x 100,
T+Z+L wobei T die mittlere Anzahl der terminal gebundenen Monomereinheiten, Z die mittlere Anzahl der Verzweigungen bildenden Monomereinheiten und L die mittlere Anzahl der linear gebunde- nen Monomereinheiten in den Makromolekülen der jeweiligen Stoffe bedeuten.
Durch den so definierten Verzweigungsgrad unterscheiden sich die hyperverzweigten Polymere von den Dendrimeren. Dendrimere sind Polymere, deren Verzweigungsgrad DB 99 bis 100 % beträgt. Damit weist ein Dendrimer die maximal mögliche Anzahl an Verzweigungsstellen auf, welche nur durch einen hochsymmetrischen Aufbau erreicht werden kann. Zur Definition des „degree of branching" siehe auch Frey et al., Acta Polym. (1997), 48:30. Unter hyperverzweigten Polymeren werden im Rahmen dieser Erfindung also im Wesentlichen unvernetzte Makromoleküle verstanden, die strukturell uneinheitlich sind. Sie können, ausgehend von einem Zentralmolekül, analog zu Dendrimeren, jedoch mit uneinheitlicher Kettenlänge der Äste aufgebaut sein. Sie können aber auch linear mit funktionellen seitenständigen Ästen aufgebaut sein oder lineare und verzweigte Molekülteile aufweisen. Zur Definition von Dendrimeren und hyperverzweigten Polymeren siehe auch Flory, J. Am. Chem. Soc. (1952), 74:2718 und Frey et al., Chem. Eur. J. (2000), 6:2499. Weitere Angaben zu hyperverzweigten Polymeren und deren Synthese sind beispielsweise in J.M.S. - Rev. Macromol. Chem. Phys. (1997), C37:555-579 und der dort zitierten Literatur zu finden.
Sowohl Dendrimere als auch hyperverzweigte Polymere können erfindungsgemäß als dendritische Polymere eingesetzt werden. Vorzugsweise werden hyperverzweigte Polymere eingesetzt, die von Dendrimeren verschieden sind, d.h. die sowohl strukturell als auch molekular uneinheitlich sind (und damit kein einheitliches Molekulargewicht, sondern eine Molekularge- wichtsverteilung aufweisen).
"Hyperverzweigt" bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Verzweigungsgrad (DB) 10 bis 99 %, bevorzugt 25 bis 90 % und insbesondere von 30 bis 80 % beträgt. Unter "Dendrimeren" werden in diesem Zusammenhang dendritische Polymere mit einem Verzwei- gungsgrad (DB) von >99 bis 100 % verstanden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten hyperverzweigten Polymere sind im Wesentlichen nicht vernetzt. "Im Wesentlichen nicht vernetzt" oder "unvernetzt" bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass ein Vernetzungsgrad von weniger als 15 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 10 Gew.-% vorhanden ist, wobei der Vernetzungsgrad über den unlöslichen Anteil des Polymers bestimmt wird. Der unlösliche Anteil des Polymeren wird beispielsweise durch 4- stündige Extraktion mit dem gleichen Lösungsmittel, wie es für die Gelpermeationschroma- tographie (GPC) verwendet wird, das heißt vorzugsweise Dimethylacetamid oder Hexafluori- sopropanol, je nachdem, in welchem der Lösungsmittel das Polymer besser löslich ist, in einer Soxhlet-Apparatur und, nach Trocknung des Rückstands bis zur Gewichtskonstanz, Wägung des verbliebenen Rückstandes, bestimmt.
Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäß verwendeten dendritischen Polymere ein gewichtsmittleres Molekulargewicht Mw von wenigstens 500 g/mol, z.B. von 500 bis
200.000 g/mol oder vorzugsweise von 1 .000 bis 100.000 g/mol, insbesondere von 1.000 bis 10.000 g/mol, auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den dendritischen Polymeren um dendritische Polyester-Polymere auf Basis von Monomeren mit einer Carbonsäuregruppe und zwei oder mehr Alkoholgruppen. Die Synthese solcher Verbindungen ist beispielsweise in WO 93/17060 beschrieben. Bevorzugt weisen die Monomere abgesehen von den O-Atomen der Carbonsäure- und der Alkoholgruppen keine weiteren Heteroatome auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Monomer um eine aliphatische Monocarbonsäure mit 2 bis 20 C-Atomen und zwei Alkoholgruppen, besonders bevorzugt um eine aliphatische Monocarbonsäure mit 4 bis 20 C- Atomen und zwei Alkoholgruppen, bei denen die Alkoholgruppen an unterschiedlichen C- Atomen sitzen. Bevorzugter Weise sind die Alkoholgruppen des Monomers chemisch gleichwertig und gleich reaktiv. In einer Variante liegt diesen Polyester-Polymeren ein ein- oder mehr- wertiger Alkohol als Zentralmolekül zugrunde, an dem die Monomere mit ihrer Carbonsäuregruppe unter Bildung einer Esterbrücke verknüpft sind. Bevorzugt ist das Zentralmolekül ein mehrwertiger Alkohol mit 1 bis 20 C-Atomen, beispielsweise 2,2-Dimethylolbutan-1 -ol oder Pen- taerythritol oder ein Derivate davon, deren Alkoholgruppen mit Diolen wie Glykol verethert sind. Die Polyester-Polymere weisen an den terminalen Monomereinheiten freie Alkoholgruppen auf (Polyester-Polyole), die aber auch modifiziert sein können. Beispiele solcher Polyester-Polyole sind Boltorn® P500, Boltorn® P1000 und Boltorn® H2004 (von Perstorp Specialty Chemicals AB). Auf 2,2-Dimethylolpropionsäure als Monomer und 2,2-Dimethylolbutanol als Zentralmolekül basiert beispielsweise Boltorn® P500. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den dendritischen Polymeren um Polyesteramid-Polymere auf Basis von Ν,Ν-disubstituierten Carbonsäureamiden als Monomer mit einer freien Carbonsäuregruppe und zwei oder mehr Alkoholgruppen. Diese Monomere sind herstellbar beispielsweise durch äquimolare Umsetzung eines Carbonsäureanhydrids mit einem sekundären Amin, dessen Reste insgesamt mindestens zwei Alkoholgruppen aufweisen. Die Reste des Amins sind bevorzugt aliphatische Alkanol-Reste mit vorzugsweise 1 bis 20, insbesondere 2 bis 10 C-Atomen. Vorzugsweise sind die beiden Reste des sekundären Amins identisch. Ein geeignetes sekundäres Amin ist beispielsweise Diisopropanolamin (DIPA). Geeignete Carbonsäureanhydride sind beispielsweise Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid (PSA), oder Hexahydrophthalsäureanhydrid (HHPSA). Es ist auch möglich Gemische von geeigneten sekundären Aminen und Carbonsäureanhydriden für die Herstellung der Monomere zu verwenden. Die Polyveresterung der Monomere zu dem Polyesteramid- Polymer kann katalytisch oder nicht-katalytisch erfolgen. Die Polyesteramid-Polymere weisen an den terminalen Monomereinheiten freie Alkoholgruppen auf (Polyesteramid-Polyol), die aber modifiziert sein können. Beispiele solcher Polyesteramid-Polymere sind Hybrane® Polymere (von Royal DSM N.V.). Die Synthese solcher Verbindungen ist beispielsweise in US
20020019509 A beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den dendritischen Polymeren um solche, die auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure als Monomer basieren. Bei diesen dendritischen Polymeren sind die triolischen Monomere unter Wasserabspaltung und Ausbildung von Etherbrücken polykondensiert. Ein geeignetes triolisches Monomer ist beispielsweise 1 ,3,5-Tris-(2-hydroxyethyl)cyanursäure (THIC), dessen Oligomerisierung in WO 2006/084488 beschrieben ist. Die auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymere weisen an den terminalen Monomereinheiten freie Alkoholgruppen auf, die aber modifiziert sein können.
Alkanole im Sinne der Erfindung sind Alkylreste, die mindestens eine frei Alkoholgruppe und 1 bis 20 C-Atome aufweisen. Sie können linear, verzweigt oder cyclisch sein. Bevorzugt weisen sie neben den Sauerstoffatomen der Alkoholgruppe oder Alkoholgruppen keine weiteren Hete- roatome auf.
Die erfindungsgemäß verwendeten dendritischen Polymere sind vorzugsweise Polyole mit ter- minalen Alkoholgruppen. Terminale Gruppen im Sinne dieser Erfindung sind freie funktionelle Gruppen der terminalen Monomere des dendritischen Polymers. Bevorzugt weisen diese Polyole im Mittel 3 bis 1000 Alkoholgruppen auf, besonders bevorzugt 5 bis 500 Alkoholgruppen, ganz besonders bevorzugt 6 bis 50 Alkoholgruppen. Ihre OH-Zahl beträgt üblicherweise 100 bis 1 .000 mg KOH/g oder mehr, bevorzugt 100 bis 800 mg KOH/g, besonders bevorzugt 120 bis 700 mg KOH/g. Die OH-Zahl wird bestimmt nach DIN 53240, Teil 2.
In einer alternativen Ausführungsform sind bei den erfindungsgemäß verwendeten dendritischen Polymeren die terminalen Alkoholgruppen modifiziert mit Reagenzien, die eine zur Kopplung mit den terminalen Alkoholgruppen geeignete reaktive Gruppe aufweisen. Bei der reakti- ven Gruppe kann es sich beispielsweise um eine Alkoholgruppe handeln, die mit den terminalen Alkoholgruppen des Polyols Etherbrücken eingeht, oder um eine Carbonsäuregruppe oder eine aktivierte Carbonsäuregruppe (beispielsweise Säurechlorid oder Säureanhydrid) handeln, die mit den terminalen Alkoholgruppen des Polyols Esterbrücken eingeht. Vorzugsweise sind in diesem Fall mindestens 10 % der terminalen Alkoholgruppen modifiziert, besonders bevorzugt mindestens 40 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 70 %. Das modifizierende Reagenz kann weitere funktionelle Gruppen aufweisen (bspw. Carbonsäuregruppen), so dass diese Gruppen dann die terminalen Gruppen des modifizierten dendritischen Polymers darstellen. Es kann auch dergestalt sein, dass es neben der reaktiven Gruppe nur einen aliphatischen oder aromatischen Rest ohne weitere Heteroatome aufweist. Bei dem aliphatischen oder aromati- sehen Rest handelt es sich bevorzugt um einen Rest aus 1 bis 25 C-Atomen. Ein solches modifizierendes Reagenz ist beispielsweise eine Fettsäure, Essigsäure, oder Benzoesäure, bzw. aktivierte Derivate davon. Ein Beispiel für ein derart modifiziertes hyperverzweigtes Polymer ist Boltorn® U3000 (von Perstorp Specialty Chemicals AB). Für Epoxid-Systeme, deren Härtung durch Aminohärter oder durch UV-Stahlung vermittelt ist, wurde der Zusatz von hyperverzweigten Polymeren zur Modifizierung der mechanischen Eigenschaften verschiedentlich berichtet (Ratna et al., J Mater Sei (2003) 38:147-154; Ratna et al., Polymer (2001 ) 42:8833-8839; Ratna et al., Polym. Eng Sei (2001 ) 41 :1815-1822; Sangermano et al., Polym Int (2005) 54:917-921 ; Boogh et al., Proceedings ICCM-12 Conference, Paris, France (1999); Cicala et al., Poly Eng Sei (2009) 49:577-584). Den in diesen Arbeiten untersuchten Systemen liegen jedoch andere Reaktionsmechanismen für den Härtungsprozess zugrunde als bei den erfindungsgemäßen Epoxid-Systemen mit anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung der Epoxidverbindungen. Bevorzugte Zusammensetzungen bestehen zu mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise zu mindestens 50 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zu mindestens 70 Gew.-% aus Epoxidverbindungen. (ohne Berücksichtigung von ggf. mitverwendeten Lösemitteln). Der Gehalt des anionisch härtenden Katalysators für die Härtung der Epoxidverbindung beträgt vorzugsweise 0,01 bis 10 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung, besonders bevorzugt beträgt er mindestens 0,1 , insbesondere mindestens 0,5 und ganz besonders bevorzugt mindestens 1 Gew.-Teil auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung. Vorzugsweise ist der Gehalt nicht höher als 8 Gew.-Teile, insbesondere nicht höher als 6 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung, insbesondere kann der Gehalt z.B. 1 bis 6 oder 3 bis 6 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung betragen. Dies gilt insbesondere bei dem Imidazoliumsalz der Formel I als anionisch härtender Katalysator für die Epoxidverbindung. Der Gehalt des dendritischen Polymers beträgt vorzugsweise 0,1 bis 20 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung, besonders bevorzugt beträgt er mindestens 0,5 und ganz besonders bevorzugt mindestens 1 Gew.-Teil auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung. Vorzugsweise ist der Gehalt nicht höher als 15 Gew.-Teile, insbesondere nicht höher als 12 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung.
Epoxidverbindungen gemäß dieser Erfindung besitzen 2 bis 10, bevorzugt 2 bis 6, ganz besonders bevorzugt 2 bis 4 und insbesondere 2 Epoxidgruppen. Bei den Epoxidgruppen handelt es sich insbesondere um Glycidylethergruppen, wie sie bei der Umsetzung von Alkoholgruppen mit Epichlorhydrin entstehen. Bei den Epoxidverbindungen kann es sich um niedermolekulare Ver- bindungen, welche im Allgemeinen ein mittleres Molgewicht (Mw) kleiner 1.000 g/mol haben, oder um höhermolekulare Verbindungen (Oligomere oder Polymere) handeln. Solche oligome- ren oder polymeren Epoxidverbindungen haben bevorzugt einen Oligomerisierungsgrad von 2 bis 25, besonders bevorzugt von 2 bis 10 Monomer-Einheiten. Es kann sich um aliphatische, auch cycloaliphatische, Verbindungen oder um Verbindungen mit aromatischen Gruppen han- dein. Insbesondere handelt es sich bei den Epoxidverbindungen um Verbindungen mit zwei aromatischen oder aliphatischen 6-Ringen oder deren Oligomere. Technisch von Bedeutung sind Epoxidverbindungen, die durch Umsetzung des Epichlorhydrins mit Verbindungen, welche mindestens zwei reaktive H-Atome haben, insbesondere mit Polyolen, erhältlich sind. Von besonderer Bedeutung sind Epoxidverbindungen, die durch Umsetzung des Epichlorhydrins mit Verbindungen, welche mindestens zwei, vorzugsweise zwei Hydroxylgruppen und zwei aromatische oder aliphatische 6-Ringe enthalten, erhältlich sind. Als derartige Verbindungen seien insbesondere Bisphenol A und Bisphenol F, sowie hydriertes Bisphenol A und Bisphenol F genannt. Als Epoxidverbindungen gemäß dieser Erfindung werden üblicherweise verwendet Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA). In Betracht kommen auch Umsetzungsprodukte des E- pichlorhydrins mit anderen Phenolen, z.B. mit Kresolen oder Phenol-aldehyd-adukten, wie Phenolformaldehydharzen, insbesondere Novolaken. Geeignet sind auch Epoxidverbindungen, welche sich nicht vom Epichlorhydrin ableiten. In Betracht kommen z.B. Epoxidverbindungen, welche die Epoxidgruppen durch Umsetzung mit Glycidyl(meth)acrylat erhalten. Die erfindungsgemäße härtbare Zusammensetzung kann weitere Bestandteile enthalten zusätzlich zu der Epoxidverbindung, dem anionisch härtenden Katalysator und dem dendritischen Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cya- nursäure basierenden dendritischen Polymeren. Solche zusätzlichen Bestandteile sind beispielsweise Phenolharze, Anhydridhärter, Füllstoffe oder Pigmente. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann auch Lösemittel enthalten. In Betracht kommen gegebenenfalls organische Lösemittel, um gewünschte Viskositäten einzustellen. Bevorzugt enthält die Zusammen- setzung Lösemittel allenfalls in untergeordneten Mengen, wie beispielsweise kleiner 5 Gew.- Teile auf 100 Gew.-Teile Epoxidverbindung.
Die erfindungsgemäße härtbare Zusammensetzung eignet sich für 1 K-Systeme oder auch als lagerfähige Komponente für 2 K-Systeme. Bei 2 K-Systemen werden die Komponenten erst kurz vor der Verwendung miteinander in Kontakt gebracht, danach ist die erhaltenen Mischung nicht mehr lagerstabil, weil die Vernetzungsreaktion bzw. Härtung einsetzt und zu einem Viskositätsanstieg führt. 1 K-Systeme enthalten bereits alle notwendigen Bestandteile, sie sind lagerstabil. Die Zusammensetzung mit latenten anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung der E- poxidverbindung ist vorzugsweise bei Verarbeitungstemperaturen von 10 bis 100 °C, besonders bevorzugt bei 20 bis 40 °C flüssig. Die Zunahme der Viskosität der gesamten Zusammensetzung bei Temperaturen bis zu 50°C ist über einen Zeitraum von 10 Stunden, insbesondere von 100 Stunden (ab Zugabe des latenten Katalysators) kleiner als 20 %, besonders bevorzugt klei- ner als 10 %, ganz besonders bevorzugt kleiner 5 %, insbesondere kleiner 2 % bezogen auf die Viskosität der Zusammensetzung ohne den latenten Katalysator bei 21 °C, 1 bar .
Die Härtung kann bei Normaldruck und bei Temperaturen kleiner 250°C, insbesondere bei Temperaturen kleiner 200°C, vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 175°C erfolgen, insbe- sondere in einem Temperaturbereich von 40 bis 175°C. Optional kann nach der Härtung noch eine Temperung des Materials erfolgen. Die Temperung erfolgt vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 10 °C unterhalb des Tg des Materials bis 60 °C oberhalb des Tg des Materials. Vorzugsweise wird mindestens eine Stunde lang getempert. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eignen sich als Beschichtungs- oder Imprägnierungsmittel, als Klebstoff, zur Herstellung von Formkörpern und Verbundwerkstoffen, oder als Gießmassen zur Einbettung, Anbindung oder Verfestigung von Formkörpern. Als Beschich- tungsmittel seien z.B. Lacke genannt. Insbesondere können mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen kratzfeste Schutzlacke auf beliebigen Substraten, z.B. aus Metall, Kunststoff oder Holzwerkstoffen erhalten werden. Die Zusammensetzungen eignen sich auch als Isolier- beschichtungen in elektronischen Anwendungen, z.B. als Isolierbeschichtung für Drähte und Kabel. Genannt sei auch die Verwendung zur Herstellung von Photoresisten. Sie eignen sich insbesondere auch als Reparaturlack, z.B. auch bei der Ausbesserung von Rohren ohne Demontage der Rohre (eure in place pipe (CIPP) rehabilitation). Sie eignen sich auch zur Versie- gelung von Fußböden. In Verbundwerkstoffen (Composites) sind unterschiedliche Materialien, z.B. Kunststoffe und Verstärkungsmaterialien (bspw. Glasfasern oder Carbonfasern) miteinander verbunden.
Als Herstellverfahren für Verbundwerkstoffe seien die Härtung von vorimprägnierten Fasern oder Fasergeweben (z.B. Prepregs) nach Lagerung oder aber die Extrusion, Strangziehen (pultrusion), Wickeln (winding) und resin transfer molding (RTM), resin infusion technologies (Rl) genannt.
Die Zusammensetzungen eignen sich z.B. zur Herstellung von vorimprägnierten Fasern, z.B. Prepregs und ihrer weiteren Verarbeitung zu Verbundwerkstoffen. Insbesondere können die Fasern mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung getränkt werden und danach bei einer höheren Temperatur gehärtet werden. Während der Tränkung und gegebenenfalls einer anschließenden Lagerung setzt noch keine oder nur eine geringfügige Härtung ein. Der erfindungsgemäße Zusatz von dendritischen Polymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid- Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren, bei Epoxid-Zusammensetzungen mit anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung der Epoxidverbindung, insbesondere mit Imidazoliumsalzen als latente Katalysatoren für die Härtung, bewirkt eine Verbesserung der Zähigkeit des daraus herstellbaren gehärteten Epoxidharzes, verglichen mit entsprechenden Zusammensetzungen ohne diesen Zusatz. Insbesondere verbessert sich die Riss- bzw. Bruchzähigkeit (Kic-Wert) der gehärteten Epoxidharze. Dabei verringert sich die Glasübergangstemperatur (Tg) nur geringfügig. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) wird durch den erfindungsgemäßen Zusatz von dendritischen Polymeren, ausge- wählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 , 3, 5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren, nicht oder nur geringfügig verringert. Auch beeinflusst der erfindungsgemäße Zusatz von diesen dendritischen Polymeren die Latenz und den Prozess (Lagerstabilität bei Raumtemperatur, Onset-Temperatur der Härtung, Vollständigkeit der Här- tung) der anionisch induzierten Härtung im Wesentlichen nicht nachteilig. Formkörper mit derart verbesserten Eigenschaften ist insbesondere interessant für Bauteile, insbesondere Verbundwerkstoffe, an die hohe mechanische Anforderungen gestellte werden.
Die Riss- oder Bruchzähigkeit Kic ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen ein einsetzendes Risswachstum. Sie kann ermittelt werden gemäß der Norm ISO 15386.
Der Elastizitätsmodul ist ein Maß für den Widerstand, den ein Material einer Verformung entgegensetzt. Materialien mit höherem Elastizitätsmodul erlauben die Herstellung von Bauteilen und Werstoffen mit höherer Steifigkeit bei gleicher Geometrie des Bauteils. Er kann bestimmt wer- den gemäß Saxena und Hudak, Int J Fracture (1978) 14(5) bzw. gemäß der Normen DIN EN ISO 527, DIN EN 20527, DIN 53455/53457, DIN EN 61 oder ASTM D638 (Zugversuch) bzw. gemäß der Normen DIN EN ISO 178, DIN EN 20178, DIN 53452/53457, DIN EN 63 oder ASTM D790 (Biegeversuch).
Die Glasübergangstemperatur Tg ist die Temperatur bei der die Erweichung eines Kunststoffes eintritt. Sie kann bestimmt werden mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC, Differential Scanning Calorimetry) gemäß der Norm DIN 53765. Sie kann auch bestimmt werden mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA). Dabei wird ein rechteckiger Probekörper mit einer erzwungenen Frequenz und vorgegebener Deformation auf Torsion belastet (DIN EN ISO 6721 ), die Temperatur mit einer definierten Rampe gesteigert und Speicher- und Verlustmodul in festen Zeitintervallen aufgezeichnet. Ersterer stellt die Steifigkeit eines viskoelastischen Werkstoffs dar. Letzterer ist proportional zur im Material dissipierten Arbeit. Die Phasenverschiebung zwischen der dynamischen Spannung und der dynamischen Verformung wird durch den Phasenwinkel δ gekennzeichnet. Die Glasübergangstemperatur kann nach unterschiedlichen Methoden bestimmt werden, bspw. als Maximum der tan-5-Kurve, als Maximum des Verlustmoduls oder mittels Tangentenmethode am Speichermodul.
Die Erfindung wird nun durch die nachfolgenden, nichtlimitierenden Beispiele näher erläutert. Beispiel 1 Einfluss von dendritischen Polymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris- Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren, auf die mechanischen Eigenschaften von Imidazolium-Salz gehärteten Epoxidharzen Jeweils 90 g eines Epoxidharzes vom Bisphenol A Typ (DGEBA, Epilox A 18-00 von LEUNA- Harze GmbH) und 5 g 1 -Ethyl-3-methylimidazolium Acetat (EMIM-Ac) wurden mit einem Zusatz von 10 g eines dendritischen Polymers vermischt. Bei den als Zusatz verwendeten dendritischen Polymeren handelte es sich um Hybrane® 93 (von Royal DSM N.V.), Boltorn® P500 (von Perstorp Specialty Chemicals AB; vor der Verwendung unter Vakuum getrocknet bei 1 10°C), Boltorn® P1000 (von Perstorp Specialty Chemicals AB), Boltorn® H2004 (von Perstorp Specialty Chemicals AB), Boltorn® U3000 (von Perstorp Specialty Chemicals AB) und oligomere 1 ,3,5- Tris-(2-hydroxyethyl)cyanursäure (polyTHIC, hergestellt gemäß WO 2006/084488, Beispiel 1 ). Als Referenz diente ein entsprechender Ansatz ohne Zusatz eines dendritischen Polymers, dafür aber mit insgesamt 100 g des DGEBA. Die so erhaltenen härtbaren Zusammensetzungen wurden für 30 min bei 1 10 °C und anschließend für 3 h bei 160 °C gehärtet.
Mittels einer Gießform aus Aluminium wurden Reinharzplatten mit abgestufter Dicke hergestellt. Um ein sicheres Entformen zu gewährleisten wurden die Werkzeughälften, sowie die Dichtung mit Trennmittel behandelt. Um ein gutes Mischergebnis zu erzielen wurden Epoxidverbindung und Zusatz bei der Vermischung temperiert, bei ca. 750 Umdrehungen/min homogenisiert und anschließend entgast. Nach der Einwaage des anionisch härtenden Katalysators wurde die Mischung in einem Vakuummischer vermischt und in die vorgewärmte Form gegeben. Der Aushärtezyklus erfolgte (isotherm) in einem Umluft-Wärmeofen. Nach dem Abkühlen wurde die Reinharzplatte entnommen. Die Prüfkörper wurden auf der Tischkreissäge mit einem Diamantsägeblatt ausgesägt. Die Einkerbung der CT-Proben wurde mit einem HSS Sägeblatt eingebracht. Die Bohrungen wurden auf einer Ständerbohrmaschine eingebracht. Für die Untersuchungen zur statischen Bruchzähigkeit wurden die CT-Prüfkörper mit einer Weite w von 33 mm mit einer Rasierklinge angerissen.
Die Glasübergangstemperatur Tg wurde mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) bestimmt. Dabei wurde ein rechteckiger Probekörper mit einer erzwungenen Frequenz und vorgegebener Deformation auf Torsion belastet (DIN EN ISO 6721 ), die Temperatur mit einer defi- nierten Rampe gesteigert und Speicher- und Verlustmodul in festen Zeitintervallen aufgezeichnet. Ersterer stellt die Steifigkeit eines viskoelastischen Werkstoffs dar. Letzterer ist proportional zur im Material dissipierten Arbeit. Die Phasenverschiebung zwischen der dynamischen Spannung und der dynamischen Verformung wird durch den Phasenwinkel δ gekennzeichnet. Die Glasübergangstemperatur Tg wurde als Maximum der tan-δ -Kurve bestimmt.
Zur Bestimmung der statischen Bruchzähigkeit
Figure imgf000015_0001
wurden jeweils fünf Compact Tension (CT)- Prüfkörper an einer Universalprüfmaschine der Firma Zwick untersucht. Die Prüfgeschwindigkeit beträgt 10 mm/min bei einer Temperatur von 23 °C und einer relativen Luftfeuchte von 50 %. Die Berechnung erfolgt nach ISO 15386. Der Elastizitätsmodul wurde gemäß Saxena und Hudak, IntJ Fracture (1978), 14(5) berechnet
Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1 : Mechanische Eigenschaften von Imidazoliumsalz (EMIM-Ac) gehärteten Epoxidhar- zen mit und ohne Zusatz von dendritischen Polymeren
Zusatz Tg (°C) Kic (MPam /2) E-Modul (MPa)
- 167 0,42 2964
Hybrane® 93 135 0,46 2647
Boltorn® P500 1 10 0,72 2723
Boltorn® P1000 1 17 0,66 2976
Boltorn® H2004 142 0,61 2630
Boltorn® U3000 127 0,52 2250
polyTHIC 150 0,51 2680

Claims

Patentansprüche
Härtbare Zusammensetzung, umfassend ein oder mehrere Epoxidverbindungen, ein oder mehrere anionisch härtende Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen und einen Zusatz eines oder mehrerer dendritischer Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid- Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren.
Die härtbare Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 , wobei der anionisch härtende Katalysator ein Imidazoliumsalz ist.
3. Die härtbare Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, wobei das Imidazoliumsalz ein 1 ,3- substituiertes Imidazoliumsalz der Formel I
Figure imgf000016_0001
ist, worin
R1 und R3 unabhängig voneinander für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen
R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen, insbesondere 1 bis 10 C-Atomen, stehen, wobei R4 und R5 auch zusammen einen aliphatischen oder aromatischen Ring ausbilden können,
X für ein Anion steht und
n für 1 , 2 oder 3 steht.
Die härtbare Zusammensetzung gemäß Anspruch 3, wobei das Anion X aus gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen Monocarboxylat-Anionen mit 1 bis 20 C- Atomen, Cyanid-Anion, Cyanat-Anion, Thiocyanat-Anion, Dicyanamid-Anion und Anionen einer Sauerstoffsäure des Phosphors
Die härtbare Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 , wobei der anionisch härtende Katalysator eine Imidazol-Verbindung ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Imidazol, 2-Methylimidazol, 2-Ethylimidazol, 2-Undecylimidazol, 2-Heptadecylimidazol, 2- Phenylimidazol, 1 ,2-Dimethylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol, 2-Phenyl-4- methylimidazol, 1 -Benzyl-2-phenylimidazol, 1 -Benzyl-2-methylimidazol, 1 -Cyanoethyl-2- methylimidazol, 1 -Aminoethyl-2-methylimidazol und 1 -Aminopropylimidazol.
6. Die härtbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das dendritische Polymer ein dendritisches Polyester-Polymer ist. 7. Die härtbare Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das dendritische Polyest- Polymer ein Polyol mit terminalen Alkoholgruppen ist.
8. Verfahren zur Herstellung von gehärtetem Epoxidharz, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gehärtet wird.
9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Härtung bei einer Temperatur von 40 bis 175 °C erfolgt.
10. Gehärtetes Epoxidharz herstellbar durch Härtung der härtbaren Zusammensetzung ge- mäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
1 1 . Formkörper aus dem gehärteten Epoxidharz gemäß Anspruch 10.
12. Verbundwerkstoff enthaltend Glas- oder Carbonfasern und das gehärtete Epoxidharz ge- mäß Anspruch 10.
13. Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit der härtbaren Zusammenstetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 präimpregniert sind. 14. Verwendung von dendritischen Polymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den dendritischen Polyester-Polymeren, den dendritischen Polyesteramid-Polymeren und den auf 1 ,3,5-tris-Alkanol-substituierter Cyanursäure basierenden dendritischen Polymeren, in härtbaren Zusammensetzungen aus Epoxidverbindungen und anionisch härtenden Katalysatoren für die Härtung von Epoxidverbindungen zur Verbesserung der Zähigkeit des gehärteten Epoxidharzes.
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