WO2013139877A1 - Phosphorhaltige ungesättigte polyester, polyesterharze und ggf. faserverstärkte bauteile daraus - Google Patents

Phosphorhaltige ungesättigte polyester, polyesterharze und ggf. faserverstärkte bauteile daraus Download PDF

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WO2013139877A1
WO2013139877A1 PCT/EP2013/055864 EP2013055864W WO2013139877A1 WO 2013139877 A1 WO2013139877 A1 WO 2013139877A1 EP 2013055864 W EP2013055864 W EP 2013055864W WO 2013139877 A1 WO2013139877 A1 WO 2013139877A1
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WO
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carboxylic acid
groups
phosphorus
unsaturated carboxylic
phosphine oxide
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PCT/EP2013/055864
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Inventor
Sebastian Steffen
Monika Bauer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G63/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G63/68—Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen
    • C08G63/692—Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen containing phosphorus
    • C08G63/6924—Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen containing phosphorus derived from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds
    • C08G63/6928—Polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds in which at least one of the two components contains aliphatic unsaturation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F283/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers provided for in subclass C08G
    • C08F283/01—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers provided for in subclass C08G on to unsaturated polyesters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L67/00—Compositions of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L67/06—Unsaturated polyesters

Definitions

  • the present invention relates to an unsaturated polyester from or with one or more unsaturated dicarboxylic acids, optionally with the addition of one or more saturated dicarboxylic acids, and a diol component, including at least two different phosphorus-containing compounds, each having two free hydroxyl groups or one of which having free carboxylic acid groups and the other two free hydroxy groups.
  • a resin obtainable therefrom according to the invention has a good fire resistance and is excellently suited for the production of, in particular, fiber-reinforced components.
  • Unsaturated polyester resins are one of the most commonly used in terms of quantity
  • thermosetting resin systems are used as starting material for a wide variety of fiber-reinforced and unreinforced components.
  • these resin systems require at least 300% (based on the weight of resin used) of aluminum hydroxide; however, the processability is significantly worsened.
  • the processing to the fiber-reinforced components can usually be done only by hand lamination. Almost all manufacturers of unsaturated
  • Polyesters offer a corresponding resin system.
  • components are also protected by special gel coats, which generally act via the flame retardancy mechanism of intumescence or are particularly highly filled formulations. Often, the flame resistance of the components using these gel coats alone is not sufficient and must be supplemented by the use of the resins described above.
  • Halogen-containing resin systems that halogenated as monomeric polyester building blocks
  • EP 1 370 603 A1 deals with phosphorus-containing organic materials and their use as flame retardants (additives or materials).
  • the document describes an oligomer termed a "first polymer" consisting of an unsaturated polycarboxylic acid, optionally a saturated polycarboxylic acid, a polyol and a phosphorus-containing
  • the product contains hydroxyl and / or carboxy end groups and can therefore be reacted with acrylates, oxirane ring substances and / or with isocyanate groups.
  • DOPO Scholl & Seilacher
  • the oligomers obtained by reaction of various polycarboxylic acids and polyols using DOPO were reacted with acrylate; the products of this reaction were examined for flame-retardant properties.
  • DOPO derivatives are disclosed for incorporation into saturated polyester. Below this is e.g. a DOPO derivative prepared by reacting DOPO with itaconic acid followed by ethylene glycol carrying two free hydroxy groups.
  • Fumaric acid or the corresponding carboxylic acid anhydrides produced. Further reaction with a saturated dihydric alcohol and / or an oxaphospholane may follow. In this form, the polyester flame retardant is incorporated into the respective polyester resin formulation.
  • DOPO an unsaturated dicarboxylic acid and a polyhydric alcohol are optionally reacted with one another in one stage; the product of the reaction can be reacted with another bifunctional phosphorus compound such that only about the Half of all hydroxy groups is esterified, so that the subsequent reaction with an unsaturated dicarboxylic acid is possible.
  • the object of the present invention is to provide unsaturated polyesters and resins obtainable therefrom having good fire-resistant properties, which can be processed very well.
  • mineral flame retardants e.g., aluminum hydroxide
  • Components made of the resins should have improved thermal stability.
  • the materials should preferably be suitable for use in the field of rail vehicles. To do this, they must be able to meet the highest requirements of the introduction of DIN CEN / TS 45545-2.
  • A unsaturated carboxylic acid having at least two carboxy functions
  • PS a phosphine oxide with a carbon bonded to the phosphorus
  • C alcohol component containing one or more compounds containing at least two
  • PA1 a phosphine oxide with two over carbon bonded to the phosphorus
  • PA2 a phosphine oxide with an over carbon bonded to the phosphorus
  • Hydrocarbon group bearing at least two hydroxyl groups, x > 0 to 1
  • z 0 to 0.6, preferably to 0.5
  • b 0.1 to 0.6, preferably to 0.5
  • c 0 to 0.6, preferably to 0.5
  • z + c 0.1 to 0.6, preferably to 0.5
  • a + b + c are chosen such that the sum of the hydroxy groups of C, PA1 and PA2 is accurate or to a deviation of 50%, preferably 20%, more preferably 10% up or down of the sum of the carboxylic acid groups the acid component of the unsaturated ester (usually only compounds A plus B, but optionally also in combination with monofunctional acids) corresponds.
  • the unsaturated carboxylic acid A can be selected from one or more di-, tri- or higher-functional carboxylic acids and / or their anhydrides.
  • the person skilled in the art of synthesizing unsaturated polyester resins knows the appropriate one
  • a dicarboxylic acid e.g. Fumaric acid, maleic acid or itaconic acid.
  • the saturated carboxylic acid B can be selected from one or more di-, tri- or higher functional carboxylic acids and / or their anhydrides. Examples are adipic acid and its anhydride.
  • saturated carboxylic acid is also to be understood as meaning aromatic acids, for example terephthalic acid, isophthalic acid, phthalic acid and their anhydrides. The person skilled in the art of synthesizing unsaturated polyester resins knows the starting materials suitable for this purpose.
  • the phosphine oxide PS is characterized by the presence of a hydrocarbon radical attached to the phosphorus atom which is substituted by at least two carboxylic acid groups (and not necessarily but optionally further substituents).
  • Carbon chain of this hydrocarbon radical may be interrupted by coupling groups such as C (O) O, NHC (O), C (O) NH, NHC (O) NH or their sulfur analogs or by heteroatoms or groups such as O, S, NH.
  • the (optionally interrupted) carbon chain can be a linear, branched or cyclic alkyl group or an alkenyl, aryl or
  • the alkyl or alkenyl group preferably has 2 to 6
  • the two remaining substituents on the phosphorus atom are generally hydrocarbon groups, for example, independently of one another straight-chain, branched or cyclic alkyl groups having more preferably 2 to 6 carbon atoms, but optionally also Alkenyl, aryl or aralkyl groups which are bonded either directly via a carbon atom or via an oxygen bridge to the phosphorus atom. If one of the two substituents mentioned is bound to the phosphorus atom via an oxygen atom, the
  • Compound PS can also be addressed as Phosphinsaureester; when both of said substituents are bonded via an oxygen atom to the phosphorus atom, the
  • PS can also be addressed as a phosphonic acid ester.
  • PS has a molecular weight MG in the range between 250 and 900, often between 250 and 650.
  • Two of the three substituents of phosphorus in addition to the oxide-oxygen may optionally
  • Alkylene group which is two-fold bonded to the phosphorus atom or (in the case of
  • the starting mixture for the unsaturated polyester may also contain one or more (saturated and / or unsaturated) monocarboxylic acids if, for example, an end-capping reaction is to be produced.
  • the alcoholic component is selected from compounds and
  • Compound mixtures comprising at least one compound having at least two hydroxyl groups.
  • Diols are preferred; but it is also possible to use trifunctional or higher-functional alcohols. These may be standard and specialty products, e.g.
  • Particularly advantageous is the use of cycloaliphatic or aromatic-containing diols, e.g.
  • the phosphine oxide PA1 is characterized by two hydroxy groups (preferably in conversion) on two separate hydrocarbon groups bonded to the phosphorus atom via carbon atoms. Preferably, these groups are straight chain, branched or cyclic alkyl groups, more preferably of from 2 to 6 carbon atoms.
  • alkenyl, aryl or aralkyl groups are also possible.
  • the third substituent of the phosphine oxide is also usually a hydrocarbon group attached to the phosphorus atom via carbon, e.g. a straight-chain, branched or cyclic alkyl group, but if appropriate also an alkenyl, aryl or aralkyl group. It is preferably an alkyl group, more preferably 2 to 6 carbon atoms. Two of the three
  • Hydrocarbon groups may optionally be linked to one another, for example to form an alkylene group which is bonded to the phosphorus atom twice. At the respective hydrocarbon radicals can, but need not, further substituents are present.
  • PA1 has a molecular weight MW in the range between 124 and 500, often up to 300.
  • An example of a commercially available phosphine oxide PA1 is bis (3-hydroxypropyl) isobutylphosphine oxide. It can also mixtures of different
  • Phosphine oxides are used, which satisfy the above definition.
  • the phosphine oxide PA2 is characterized by the presence of a hydrocarbon radical attached to the phosphorus atom which is substituted by at least two hydroxy groups (and not necessarily but optionally further substituents). Incidentally, it may have a high structural similarity to the acid group-containing phosphine oxide PS. Thus the carbon chain of this hydrocarbon radical can pass through
  • Coupling groups such as C (0) 0, NHC (O), C (0) NH, NHC (0) NH or their sulfur analogs or by heteroatoms or groups such as O, S, NH be interrupted.
  • interrupted carbon chain may be a linear, branched or cyclic alkyl group or an alkenyl, aryl or aralkyl group.
  • the alkyl or alkenyl group preferably has 2 to 6 carbon atoms.
  • the two remaining substituents on the phosphorus atom are usually hydrocarbon groups, e.g. independently of one another straight-chain, branched or cyclic alkyl groups with more preferably 2 to 6 carbon atoms, but optionally also
  • Compound PA2 can also be addressed as a phosphinic acid ester; if both of said substituents are bonded via an oxygen atom to the phosphorus atom, the compound PA2 can also be addressed as a phosphonic acid ester.
  • PA2 has a molecular weight MW in the range between 300 and 900, often between 300 and 700. Two of the three substituents of phosphorus in addition to the oxide-oxygen may possibly have
  • Phosphin yarnester can receive, which either already carries the necessary hydroxy groups or can be converted to the corresponding compound.
  • the product of the reaction of DOPO with itaconic acid described above for PS can be converted with a diol into the corresponding dihydroxy compound, giving 3- (1: 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenantrene-10-oxide) propanedicarboxylic acid.
  • bisethyleneglycol ester is formed;
  • this reaction can also be carried out with other di- or polyfunctional diols, such as e.g. Triethylene glycol, diethylene glycol or another compound of the mentioned under C in formula (A) diol or higher functional alcohol component.
  • x + y + z should be 1, wherein the proportion of B, defined by y, between 0 and ⁇ 1, preferably between 0 and 0.7, and more preferably not more than 0.5.
  • compound B is wholly or only present in a proportion of a few%, i. y is in these cases between 0 and 0.2, preferably between 0 and 0.1.
  • the sum a + b + c must be chosen so that the sum of the hydroxy groups of C, PA1 and PA2 is exactly or to a deviation of 50% up or down the sum of the carboxylic acid groups of the acid component of the unsaturated ester (usually only connections A plus possibly B plus possibly PS, but optionally also in combination with
  • b + c should be between 0.5 and 1.5, and preferably about 1, if for A and optionally B and optionally PS respectively dicarboxylic acids and if none other monovalent acids are used.
  • PS and PA2 are interchangeable. That means it's on that
  • the phosphorus content is in the range of about 4.5 to 7 mass% or more.
  • a sufficient or high phosphorus content of the resin is crucial for the fire resistance of the components, which is why the content is limited only by procedural parameters and by the phosphorus contents of the starting materials.
  • Starting materials usually added an inhibitor to protect the double bonds during the polycondensation, such as hydroquinone.
  • an unsaturated polyester is usually prepared, for example, by mixing the starting materials and then, e.g. thermally induced polycondensation, the equilibrium of the reaction being known in a known manner, e.g. By distilling off the resulting water, is shifted to the product side.
  • the inventors have found that the addition of a combination of the phosphorus-containing compounds PA1 and PA2 has an advantageous effect on the reaction conditions in the production of the polyester and also later the properties of the polyester
  • thermosets positively influenced. This also applies in the event that PA2 is wholly or partially replaced by PS. If only the phosphine oxide PA1 is used in an amount which leads to the desired phosphorus content of the polyester, the viscosity of the melt rises to an intolerable level during the polycondensation. If, on the other hand, only the phosphine oxide PA2 and / or PS are used, the melt viscosity drops very sharply; Surprisingly, however, the glass transition temperature of a duromer produced with this polyester is clearly too low despite and even with a comparable phosphorus content. Only the combination of both phosphine oxides leads to the advantageous result according to the invention. Without wishing to be bound to an interpretation of the cause of these properties, the inventors speculate that this is due to the fact that the phosphorus of PA1 is incorporated into the polymer chain while it is located in PA2 or PS on a side chain.
  • Accelerator e.g., a cobalt compound when, for example, curing at
  • Room temperature is required), as known from the prior art, a reactive resin is formed, which can be brought into a suitable form and cured by storage at room temperature, optionally also at elevated temperature, or radiation-chemically.
  • the reactive resin according to the invention can be used unfilled or filled with one or more fillers.
  • the fillers are chosen according to the type of application; For example, to obtain particularly high fire protection properties, an inorganic or mineral filler such as aluminum trihydroxide (ATH) may be added as known in the art.
  • ATH aluminum trihydroxide
  • the content of the flame retardant can be selected according to the level of fire protection requirements; amounts between 25 and 300% by mass, based on the mass of the reactive resin used, are preferred, amounts between 50 and 200% by mass, more preferred amounts between 75 and 170% by mass, and most preferably amounts between 90 and 160% by mass.
  • the reactive resin of the invention can be used as such for the production of moldings.
  • An important application is the production of fibers interspersed, in particular fiber-reinforced components; this can be - filled or unfilled - as
  • Coating or impregnation resin can be used.
  • fibers come into consideration, such as e.g. Glass, carbon, natural, mineral (e.g., basalt), metal and aramid fibers and thermoplastic and ceramic fibers, as well as any mixtures of these fibers, among which glass fibers, carbon fibers and natural fibers and blends thereof are particularly favorable.
  • the nature of the bonding of the fibers with each other is subordinate; For example, fiber scrims can be used.
  • the molded articles are produced by means of impregnated fiber mats (eg of a fiber fabric), which are introduced individually or as a composite of a plurality of such mats in a negative mold and hardened therein.
  • impregnated fiber mats eg of a fiber fabric
  • any commercially available, possibly also flame-resistant gelcoats or standard gel coats can be used, which are used to produce a specific surface of the later component between the surface of the mold and the Layer can be arranged from the material according to the invention.
  • any commercially available, possibly also flame-resistant gelcoats or standard gel coats can be used, which are used to produce a specific surface of the later component between the surface of the mold and the Layer can be arranged from the material according to the invention.
  • flame-resistant gelcoats or standard gel coats can be used, which are used to produce a specific surface of the later component between the surface of the mold and the Layer can be arranged from the material according to the invention.
  • the properties of the gel coats should be taken into account with regard to their effect on the fire resistance of the building or molding parts thus obtained, and the corresponding ones thereof
  • the resin solution may be hot, i. in melt of the polyester or cold, i.e. be prepared in the solidified state by adding styrene, methyl methacrylate, or other suitable mono- or dimers.
  • the compound is preferably used in an amount of from 25 to 75% by mass, more preferably from 40 to 60% by mass, and most preferably about 50% by mass, based on the mixture,
  • the viscosity reducer is preferably used in an amount of 0 to 20% by mass, more preferably at least 5% by mass and more preferably about 10% by mass, based on the mixture,
  • a good example of this is
  • the compatibility-improving group (the group containing the phosphorus atom) improves the compatibility with the phosphine oxide-containing ester; at the same time, the compound acts as a reactive additive, which is generally copolymerized only on crosslinking of the polyester.
  • the resin solution can be thermally cured (including room temperature) or radiation-chemically.
  • an inorganic, preferably mineral filler such as aluminum hydroxide By adding an inorganic, preferably mineral filler such as aluminum hydroxide, the flame resistance is further increased. Fiber reinforcement by e.g. Glass fibers is possible.
  • a special feature is the achievement of the specifications from the pre-standard DIN CEN / TS 45545-2 for rail vehicles with regard to the flame resistance and the simple processing of the resin mixtures and a good impregnation of the glass fibers.
  • An unsaturated polyester was prepared in a polycondensation reaction.
  • Into a 2 liter four-neck round bottom flask were charged 3.1 mol of fumaric acid, 1.24 mol of neopentyl glycol, 0.93 mol of bis (3-hydroxypropyl) isobutylphosphine oxide and 0.93 mol of 3- (1: 9, 10-dihydro 9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide) -1, 2-propanedicarboxylic acid bis-triethylene glycol ester and 150 ppm hydroquinone weighed and thermally subjected to a polycondensation reaction. The reaction was carried out under exclusion of atmospheric oxygen. The resulting reaction water was separated by distillation.
  • the polycondensation was carried out to an acid number of 30.2 mg KOH / g. At the end of the reaction, a melt viscosity of 1570 mPa * s (150 ° C and 6000 1 / s) was determined. The phosphorus content of the unsaturated polyester was 4.8% by mass.
  • Reactive resin solution prepared.
  • the unsaturated polyester was converted into a 1 liter
  • An unsaturated polyester was prepared from 1.5 mol of fumaric acid, 0.60 mol of isosorbide, 0.45 mol of bis (3-hydroxypropyl) isobutylphosphine oxide and 0.45 mol of 3- (1: 9, 10-dihydro-9-oxa 10-phosphaphenanthrene-10-oxide) -1, 2-propanedicarboxylic acid bis-triethylene glycol ester and 150 ppm hydroquinone.
  • the polycondensation was carried out to an acid number of 28.5 mg KOH / g.
  • a melt viscosity of 3527 mPa * s 150 ° C and 2507 1 / s
  • the phosphorus content of the unsaturated polyester in this case was also 4.8% by mass.
  • Reactive resin solution prepared.
  • the unsaturated polyester was converted into a 1 liter
  • An unsaturated polyester was prepared from 2.2 moles of fumaric acid, 0.65 moles of isosorbide, 0.22 moles of tricyclodecanedimethanol, 0.65 moles of bis (3-hydroxypropyl) -isobutylphosphine oxide, and 0.65 moles of 3- (1: 9,10- Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide) -1,2-propanedicarboxylic acid bis-triethylene glycol ester and 150 ppm hydroquinone.
  • the polycondensation was carried out to an acid number of 32 mg KOH / g.
  • a melt viscosity of 2418 mPa * s 150 ° C and 4000 1 / s
  • the phosphorus content of the unsaturated polyester was 4.6% by mass in this case.
  • Reactive resin solution prepared.
  • the unsaturated polyester was converted into a 1 liter
  • An unsaturated polyester was prepared from 4.595 moles of fumaric acid, 1.15 moles of 1,2-propanediol, 1.15 moles of hydroxypivalic acid neopentyl glycol, 2.3 moles of bis (3-hydroxypropyl) -isobutylphosphine oxide and 150 ppm of hydroquinone.
  • the polycondensation was carried out to an acid number of 47.8 mg KOH / g.
  • a melt viscosity of 9990 mPa * s 150 ° C and 100 1 / s
  • the phosphorus content of the unsaturated polyester in this case was 5.9 mass%. From the condensed unsaturated polyester was laboratory scale a
  • Reactive resin solution prepared.
  • the unsaturated polyester was converted into a 1 liter
  • An unsaturated polyester was prepared from 2.98 mol of fumaric acid, 0.53 mol of 1,2-propanediol, 0.53 mol of neopentyl glycol and 1.925 mol of 3- (1: 9, 10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenantrene. 10-oxide) -1, 2-propanedicarboxylic acid bis-triethylene glycol ester and 150 ppm hydroquinone.
  • the polycondensation was carried out to an acid number of 19.1 mg KOH / g.
  • a melt viscosity of 526 mPa * s 150 ° C and 10000 1 / s
  • Phosphorus content of the unsaturated polyester was again 4.6% by mass in this case.
  • Reactive resin solution prepared.
  • the unsaturated polyester was converted into a 1 liter
  • Filled impregnating solutions were prepared from the reactive resin solutions of Examples 1 to 3 and the comparative examples.
  • 100 g of reactive resin was weighed into a mixing beaker.
  • a mineral flame retardant a fixed amount of aluminum trihydroxide (ATH, e.g., Martinal ON 921 or Martinal 908 (both Martinswerk) was added to the reactive resin.
  • the content of the mineral flame retardant varied between 100 and 200% by weight, based on the amount of reactive resin used. As a result, the fire resistance of the later laminates could be adjusted.
  • ATH aluminum trihydroxide
  • Impregnating solutions with 100, 150 and 200 m% ATH used.
  • the ATH was using
  • Dispersing disk incorporated into the reactive resin solution for 5 minutes, so that a complete wetting of the particles could take place.
  • a few percent of commercial process additives (dispersing and dispersing) could be used
  • the impregnating solution (reactive resin plus ATH) 1, 5% by mass of cobalt accelerator (Pergaquick C1 1) was added based on 100 g of reactive resin and homogenized by means of disperser. 3% by weight (based on 100 g of reactive resin) of methyl ethyl ketone peroxide (peroxant ME 50-L) were added as hardening initiator and briefly homogenized by means of a disperser. The mixing usually takes place at room temperature. The order must be adhered to in order to avoid impairment of the curing behavior.
  • Comparative Example 2 without any problems, while the solution of Comparative Example 1 was so tough that it could be pressed into the Glasgelegekomplex only at considerable expense.
  • the Glasgelegekomplex was placed so that the Wirrglasmatte pointed down.
  • On the thus impregnated or coated in the case of Comparative Example 1 with application of force first Glasgelege another Glasgelege was placed and soaked in an analogous manner with the impregnating or coated. This process was continued until a five-layered construction was achieved.
  • the impregnated laminate construction was stored at 25 ° C for 24 hours to cure. To increase the mechanical and thermal properties, after the 24 hours, a post-curing in a drying oven was performed. For this purpose, the laminate was stored for one hour at 80 ° C and 2 hours at 120 ° C.
  • the laminate was cut to the required sample size using a table saw.
  • Heat radiation of 50 kW / m 2 determines the fire resistance of the samples.
  • the sample size of the measured specimens is 100 ⁇ 100 mm 2 (corresponds to an irradiation area of 88.4 cm 2 ).
  • the characterization was based on the prescribed procedures according to ISO 5660-1 and -2. In each case 2 specimens were measured. In the table the "worse" measurements are given.
  • THR Total Heat Release (total released heat)
  • TSR Total Smoke Release (total released smoke)
  • Example 2 The reactive resin solution of Example 2 was poured into a plate form. Curing was carried out analogously to the curing conditions of Example 5. The plate was characterized by dynamic mechanical analysis (DMA) and cone calorimetry.
  • DMA dynamic mechanical analysis
  • the reactive resin solution of Example 2 was 150 parts or 200 parts
  • Example 5 Aluminum trihydroxide filled, mixed by means of dispersing and transferred into a plate form. Curing was carried out analogously to the curing conditions of Example 5. The plate was characterized by DMA and Cone calorimetry.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ungesättigte Carbonsäureester, erhältlich aus oder unter Verwendung der folgenden Ausgangsmaterialien: AxByPSzCaPA1bPA2c (I) mit A = ungesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen, B = gesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen, PS = Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Carbonsäuregruppen trägt, C = Alkohol-Komponente, enthaltend eine oder mehrere Verbindungen, die mindestens zwei Hydroxygruppen aufweisen, PA1 = Phosphinoxid mit zwei über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen Kohlenwasserstoffgruppen, die jeweils mindestens eine Hydroxygruppe tragen, PA2 = Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Hydroxygruppen trägt, x = >0 bis 1, y = 0 bis <1, z = 0 bis 0,6, x + y + z= 1, a = 0 bis 0,8, b = 0,1 bis 0,6, c = 0 bis 0,6, z + c = 0,1 bis 0,6, wobei die Summe der Hydroxygruppen von C, PA1 und PA2 bis zu einer Abweichung von 50 % nach oben oder unten der Summe der Carbonsäuregruppen der Säurekomponente aus A, B entspricht, hieraus hergestellte ungesättigte Polyesterharze, umfassend neben einem solchen ungesättigten Carbonsäureester mindestens eine Verbindung mit einer C=C-Doppelbindung oder einem Hetero-Ring, die/der unter dem Einfluss von Wärme, Licht oder ionisierender Strahlung in ein Kettenpolymer übergehen kann, sowie ggf. eine Verbindung mit einer C=C-Doppelbindung, die unter dem Einfluss von Wärme, Licht oder ionisierender Strahlung ausschließlich radikalisch in ein entstehendes Kettenpolymer einbaubar ist und zusätzlich eine Phosphin- oder Phosphonsäure- oder Phosphin- oder Phosphonester-Gruppe aufweist. Hieraus lassen sich ungefüllte und gefüllte, unverstärkte und verstärkte Formkörper (Duromere) herstellen.

Description

„
1
Phosphorhaltige ungesättigte Polyester, Polyesterharze und ggf. faserverstärkte Bauteile daraus
Die vorliegende Erfindung betrifft einen ungesättigten Polyester aus oder mit einer oder mehreren ungesättigten Dicarbonsäuren, ggf. unter Zusatz einer oder mehrerer gesättigter Dicarbonsäuren, und einer Diol-Komponente, darunter mindestens zwei unterschiedlichen phosphorhaltigen Verbindungen, die jeweils zwei freie Hydroxygruppen aufweisen oder von denen eine zwei freie Carbonsäuregruppen und die andere zwei freie Hydroxygruppen aufweist. Ein hieraus erhältliches, erfindungsgemäßes Harz besitzt eine gute Brandfestigkeit und eignet sich ausgezeichnet zur Herstellung von insbesondere faserverstärkten Bauteilen.
Ungesättigte Polyesterharze stellen eine der mengenmäßig am häufigsten eingesetzten
Stoffklassen der bekannten duromeren Harzsysteme dar. Sie werden als Ausgangsmaterial für verschiedenste faserverstärkte und unverstärkte Bauteile eingesetzt. Eine große Schwäche besitzen die ungesättigten Polyester bzw. die Bauteile hieraus jedoch: sie sind leicht
entflammbar und verbrennen nahezu vollständig.
Im Stand der Technik für faserverstärkte Bauteile auf Basis ungesättigter Polyesterharze wird versucht, diesem Nachteil mit vier verschiedenen Verfahren zu begegnen:
1 . Verwendung von hochgefüllten Harzsystemen
In der Regel benötigen diese Harzsysteme mindestens 300% (bezogen auf die eingesetzte Masse Harz) an Aluminiumhydroxid; hierdurch wird die Verarbeitungsfähigkeit allerdings deutlich verschlechtert. Die Verarbeitung zu den faserverstärkten Bauteilen kann in der Regel nur durch Handlaminieren erfolgen. Nahezu alle Hersteller von ungesättigten
Polyestern bieten ein entsprechendes Harzsystem an.
2. Verwendung eines besonders flammgeschützten Gelcoats
Alternativ zum hochgefüllten Harz werden Bauteile auch durch spezielle Gelcoats geschützt, die in der Regel über den Flammschutzmechanismus der Intumeszenz wirken oder besonders hochgefüllte Formulierungen sind. Häufig reicht die Flammfestigkeit der Bauteile unter Einsatz dieser Gelcoats allein nicht aus und muss durch die Verwendung der oben beschriebenen Harze ergänzt werden.
3. Halogenhaltige Harzsysteme
Halogenhaltige Harzsysteme, die als monomere Polyesterbausteine halogenierte
Verbindungen enthalten, werden nur noch in sehr geringem Umfang auf dem Markt angeboten. Auf dem deutschen Markt finden diese halogenierten Systeme quasi keine Anwendung mehr, da aus Umwelt- und Gesundheitsschutzgründen die Verwendung von halogenierten Flammschutzmitteln sehr umstritten und in manchen Anwendungen bereits verboten ist.
4. Phosphorhaltige Flammschutzadditive
Alle bisher beschriebenen Ansätze können durch weitere Additive, vor allem durch phosphor- und stickstoffbasierte Flammschutzmittel, ergänzt werden. Auf diese Weise kann die Brandfestigkeit weiter gesteigert werden. Dies geht jedoch in der Regel mit einem Verlust an thermischer und chemischer Stabilität einher und erschwert in manchen Fällen zudem die Verarbeitbarkeit der Harzsysteme.
EP 1 370 603 A1 beschäftigt sich mit phosphorhaltigen organischen Materialien und deren Verwendung als Flammschutzmittel (Zusätze oder Materialien). Die Druckschrift beschreibt ein als "erstes Polymer" bezeichnetes Oligomer, das aus einer ungesättigten Polycarbonsäure, optional einer gesättigten Polycarbonsäure, einem Polyol und einer phosphorhaltigen
Verbindung erhältlich ist, die eine P=0-Bindung und eine hydrolysestabile P-C-Bindung aufweist, ausgewählt vor allem unter Phosphinoxiden und Dihydrooxaphosphaphenanthren- oxiden, die eine P-H-Bindung aufweisen. Das Produkt enthält Hydroxy- und/oder Carboxy- Endgruppen und kann deshalb mit Acrylaten, Substanzen mit Oxiran-Ringen und/oder mit Isocyanatgruppen umgesetzt werden. In den Beispielen wurde DOPO (Schill & Seilacher) als Phosphaphenanthren-oxid eingesetzt. Die Oligomere, die durch Reaktion verschiedener Polycarbonsäuren und Polyole unter Einsatz von DOPO erhalten wurden, wurden mit Acrylat umgesetzt; die Produkte dieser Reaktion wurden auf flammverzögernde Eigenschaften hin untersucht.
In DE-OS 26 46 218 werden DOPO-Derivate zur Einarbeitung in gesättigte Polyester offenbart. Darunter ist z.B. ein DOPO-Derivat, das durch Umsetzung von DOPO mit Itaconsäure und anschließend mit Ethylenglykol hergestellt wurde und zwei freie Hydroxygruppen trägt.
Gemäß DE 2008 009 298 A1 wird ein Polyester-Flammschutzmittel durch Umsetzung von DOPO oder einem Derivat davon mit unter anderem Itaconsäure, Maleinsäure oder
Fumarsäure bzw. den entsprechenden Carbonsäureanhydriden hergestellt. Eine weitere Umsetzung mit einem gesättigten zweiwertigen Alkohol und/oder einem Oxaphospholan kann folgen. In dieser Form wird das Polyester-Flammschutzmittel in die jeweilige Polyesterharz- Formulierung eingearbeitet.
Gemäß DE 10 2009 037 6 31 A1 werden DOPO, eine ungesättigte Dicarbonsäure und ein mehrwertiger Alkohol ggf. einstufig miteinander umgesetzt; das Produkt der Reaktion kann mit einer weiteren bifunktionellen Phosphorverbindung so umgesetzt werden, dass nur ca. die Hälfte aller Hydroxy-Gruppen verestert wird, so dass die nachfolgende Umsetzung mit einer ungesättigten Dicarbonsäure möglich ist.
In DE 10 1008 012 806 A1 wird das Additionsprodukt von DOPO an einer ungesättigten mehrwertigen Carbonsäure einer Polykondensation u.a. mit einem mehrwertigen Alkohol unterworfen. Der dabei entstehende Polyester dient als Flammschutzmittel für Formmassen auf der Grundlage von Polyamiden.
Kommerziell ist ein System aus einem Basisharz, einem Gelcoat und einer Lackierung der Walter Mäder AG, Kilwangen (CH) verfügbar. Dieses System besteht aus einem
Komplettsystem. Wenn - und nur wenn - das Basisharz in Verbindung mit dem Gelcoat der Lackierung der Herstellerin eingesetzt wird, kann das System die in der Einführung befindliche DIN CEN/TS 45545-2 erfüllen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung von ungesättigten Polyestern sowie hieraus erhältlichen Harzen mit guten Brandfestigkeitseigenschaften, die sich sehr gut verarbeiten lassen. Außerdem soll eine deutliche Reduzierung von Füllstoffen, wie
beispielsweise mineralischen Flammschutzmitteln (z.B. Aluminiumhydroxid) erreicht werden. Aus den Harzen hergestellte Bauteile sollen eine verbesserte thermische Stabilität aufweisen. Die Materialien sollen sich vorzugsweise für die Anwendung im Bereich der Schienenfahrzeuge eignen. Hierfür müssen sie die höchste Anforderung der in der Einführung befindlichen DIN CEN/TS 45545-2 erfüllen können.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines ungesättigten Polyesters aus oder mit den nachfolgend in Formel (I) definierten Ausgangsmaterialien
AxByPSzCaPA1 bPA2c (I) mit
A = ungesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen
B = gesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen
PS = ein Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Carbonsäuregruppen trägt,
C = Alkohol-Komponente, enthaltend eine oder mehrere Verbindungen, die mindestens zwei
Hydroxygruppen aufweisen,
PA1 = ein Phosphinoxid mit zwei über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppen, die jeweils mindestens eine Hydroxygruppe tragen,
PA2 = ein Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Hydroxygruppen trägt, x = >0 bis 1
y = 0 bis <1
z = 0 bis 0,6, vorzugsweise bis 0,5
x + y + z = 1
a = 0 bis 0,8
b = 0,1 bis 0,6, vorzugsweise bis 0,5
c = 0 bis 0,6, vorzugsweise bis 0,5
z + c = 0,1 bis 0,6, vorzugsweise bis 0,5
wobei a + b + c so gewählt sind, dass die Summe der Hydroxygruppen von C, PA1 und PA2 genau oder bis zu einer Abweichung von 50 %, vorzugsweise von 20%, stärker bevorzugt von 10% nach oben oder nach unten der Summe der Carbonsäuregruppen der Säurekomponente des ungesättigten Esters (in der Regel nur Verbindungen A plus B, gegebenenfalls aber auch in Kombination mit monofunktionellen Säuren) entspricht.
Die ungesättigte Carbonsäure A kann ausgewählt werden unter einer oder mehreren Di-, Trioder höherfunktionellen Carbonsäuren und/oder deren Anhydriden. Der Fachmann auf dem Gebiet der Synthese ungesättigter Polyesterharze kennt die hierfür geeigneten
Ausgangsmaterialien. Besonders bevorzugt wird zumindest teilweise eine Dicarbonsäure eingesetzt, z.B. Fumarsäure, Maleinsäure oder Itaconsäure.
Die gesättigte Carbonsäure B kann ausgewählt werden unter einer oder mehreren Di-, Tri- oder höherfunktionellen Carbonsäuren und/oder deren Anhydriden. Beispiele sind Adipinsäure und deren Anhydrid. Unter dem Ausdruck "gesättigte Carbonsäure" sollen auch aromatische Säuren verstanden werden, beispielsweise Terephthalsäure, Isophthalsäure, Phthalsäure und deren Anhydride. Der Fachmann auf dem Gebiet der Synthese ungesättigter Polyesterharze kennt die hierfür geeigneten Ausgangsmaterialien.
Das Phosphinoxid PS ist charakterisiert durch das Vorhandensein eines am Phosphoratom gebundenen Kohlenwasserstoffrestes, der mit mindestens zwei Carbonsäuregruppen (und nicht notwendigerweise, aber gegebenenfalls weiteren Substituenten) substituiert ist. Die
Kohlenstoffkette dieses Kohlenwasserstoffrestes kann durch Kupplungsgruppen wie C(0)0, NHC(O), C(0)NH, NHC(0)NH oder deren Schwefel-Analoga oder durch Heteroatome oder -gruppen wie O, S, NH, unterbrochen sein. Die (ggf. unterbrochene) Kohlenstoff-Kette kann eine lineare, verzweigte oder cyclische Alkylgruppe oder eine Alkenyl-, Aryl- oder
Aralkylgruppen sein. Die Alkyl- oder Alkenylgruppe weist vorzugsweise 2 bis 6
Kohlenstoffatome auf. Die beiden restlichen Substituenten am Phosphoratom sind in der Regel Kohlenwasserstoffgruppen, z.B. unabhängig voneinander geradkettige, verzweigte oder cyclische Alkylgruppen mit stärker bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, ggf. aber auch Alkenyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen, die entweder direkt über ein Kohlenstoffatom oder über eine Sauerstoffbrücke an das Phosphoratom gebunden sind. Wenn einer der beiden genannten Substituenten über ein Sauerstoffatom an das Phosphoratom gebunden ist, kann die
Verbindung PS auch als Phosphinsaureester angesprochen werden; wenn beide der genannten Substituenten über ein Sauerstoffatom an das Phosphoratom gebunden ist, kann die
Verbindung PS auch als Phosphonsäureester angesprochen werden. In bevorzugter Weise besitzt PS ein Molekulargewicht MG im Bereich zwischen 250 und 900, oft zwischen 250 und 650. Zwei der drei Substituenten des Phosphors neben dem Oxid-Sauerstoff können ggf.
miteinander verbunden sein, beispielsweise in Form einer Arylen-, Aralkylen- oder
Alkylengruppe, die zweifach an das Phosphoratom gebunden ist oder (im Falle des
Phosphinsäureesters) nur einseitig auf diese Weise und auf der anderen Seite über eine Sauerstoff-Brücke bzw. (im Falle des Phosphonsäureesters) beidseitig über eine
Sauerstoffbrücke. Ein bekanntes Molekül, das dieser Struktur zugrunde liegt, ist 1 :9,10-Dihydro- 9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO); man kann daraus durch Umsetzung einer C=C-doppelbindungshaltigen Verbindung mit dem phosphorgebundenen Wasserstoff einen entsprechenden Phosphinsaureester erhalten, der entweder bereits die erforderlichen
Carbonsäuregruppen trägt oder zu der entsprechenden Verbindung umgesetzt werden kann. Wird das DOPO z.B. mit Itaconsäure umgesetzt, entsteht ein Rest mit zwei
Carbonsäurefunktionen.
Fakultativ kann die Ausgangsmischung für den ungesättigten Polyester zusätzlich zu der in der Formel (I) genannten Säurekomponente auch eine oder mehrere (gesättigte und/oder ungesättigte) Monocarbonsäuren enthalten, wenn zum Beispiel ein Endgruppenverschluss erzeugt werden soll.
Die alkoholische Komponente wird ausgewählt unter Verbindungen und
Verbindungsgemischen, die mindestens eine Verbindung mit mindestens zwei Hydroxygruppen aufweisen. Diole sind bevorzugt; es können aber auch tri- oder höherfunktionelle Alkohole eingesetzt werden. Hierbei kann es sich um Standard- und Spezialprodukte, wie z.B.
Ethylenglykol, Propylenglykol, Neopentylglykol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, handeln. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz cycloaliphatischer oder aromatenhaltiger Diole, z.B.
Isosorbid, Tricyclodecan-dimethanol oder bispropoxyliertes Bisphenol A, da diese im Brandfall die Esterpyrolyse behindern. Weitere bis- und/oder tris-hydroxyfunktionelle Rohstoffe, die sich für die Polykondensationsreaktion eignen, können ebenfalls eingesetzt werden. Neben den vorgenannten Alkoholen können für einen ggf. gewünschten Endgruppenverschluss auch monofunktionelle Alkohole eingesetzt werden. Das Phosphinoxid PA1 ist charakterisiert durch zwei Hydroxygruppen (vorzugsweise in Umstellung) an zwei getrennten, über Kohlenstoffatomen an das Phosphoratom gebundenen Kohlenwasserstoffgruppen. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Gruppen um geradkettige, verzweigte oder cyclische Alkylgruppen, stärker bevorzugt mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen.
Stattdessen sind aber auch Alkenyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen möglich. Der dritte Substituent des Phosphinoxids ist in der Regel ebenfalls eine über Kohlenstoff an das Phosphoratom gebundene Kohlenwasserstoffgruppe, z.B. eine geradkettige, verzweigte oder cyclische Alkylgruppe, ggf. aber auch eine Alkenyl-, Aryl- oder Aralkylgruppe. Bevorzugt handelt es sich um eine Alkylgruppe mit stärker bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatomen. Zwei der drei
Kohlenwasserstoffgruppen können ggf. miteinander verbunden sein, beispielsweise eine Alkylengruppe bilden, die zweifach an das Phosphoratom gebunden ist. An den jeweiligen Kohlenwasserstoff resten können, müssen aber nicht, weitere Substituenten vorhanden sein. In bevorzugter Weise besitzt PA1 ein Molekulargewicht MG im Bereich zwischen 124 und 500, häufig von bis zu 300. Ein Beispiel für ein kommerziell verfügbares Phosphinoxid PA1 ist Bis-(3- hydroxypropyl)isobutylphosphinoxid. Es können auch Mischungen unterschiedlicher
Phosphinoxide eingesetzt werden, die der obigen Definition genügen.
Das Phosphinoxid PA2 ist charakterisiert durch das Vorhandensein eines am Phosphoratom gebundenen Kohlenwasserstoffrestes, der mit mindestens zwei Hydroxygruppen (und nicht notwendigerweise, aber gegebenenfalls weiteren Substituenten) substituiert ist. Im Übrigen kann es eine hohe strukturelle Ähnlichkeit zum säuregruppenhaltigen Phosphinoxid PS aufweisen. So kann die Kohlenstoffkette dieses Kohlenwasserstoff restes durch
Kupplungsgruppen wie C(0)0, NHC(O), C(0)NH, NHC(0)NH oder deren Schwefel-Analoga oder durch Heteroatome oder -gruppen wie O, S, NH unterbrochen sein. Die (ggf.
unterbrochene) Kohlenstoff-Kette kann eine lineare, verzweigte oder cyclische Alkylgruppe oder eine Alkenyl-, Aryl- oder Aralkylgruppe sein. Die Alkyl- oder Alkenylgruppe weist vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatome auf. Die beiden restlichen Substituenten am Phosphoratom sind in der Regel Kohlenwasserstoffgruppen, z.B. unabhängig voneinander geradkettige, verzweigte oder cyclische Alkylgruppen mit stärker bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, ggf. aber auch
Alkenyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen, die entweder direkt über ein Kohlenstoffatom oder über eine Sauerstoffbrücke an das Phosphoratom gebunden sind. Wenn einer der beiden genannten Substituenten über ein Sauerstoffatom an das Phosphoratom gebunden ist, kann die
Verbindung PA2 auch als Phosphinsäureester angesprochen werden; wenn beide der genannten Substituenten über ein Sauerstoffatom an das Phosphoratom gebunden ist, kann die Verbindung PA2 auch als Phosphonsäureester angesprochen werden. In bevorzugter Weise besitzt PA2 ein Molekulargewicht MG im Bereich zwischen 300 und 900, oft zwischen 300 und 700. Zwei der drei Substituenten des Phosphors neben dem Oxid-Sauerstoff können ggf.
miteinander verbunden sein, beispielsweise in Form einer Arylen-, Aralkylen- oder Alkylengruppe, die zweifach an das Phosphoratom gebunden ist, oder (im Falle des Phosphin- bzw. Phosphonsäureesters) nur einseitig auf diese Weise und auf der anderen Seite über eine Sauerstoff-Brücke bzw. beidseitig über eine Sauerstoffbrücke. Das bedeutet, dass wiederum das bekannte Molekül 1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenantren-10-oxid (DOPO) dieser Struktur zugrunde liegen kann, woraus man durch Umsetzung einer C=C-doppelbindungs- haltigen Verbindung mit dem phosphorgebundenen Wasserstoff einen entsprechenden
Phosphinsäureester erhalten kann, der entweder bereits die erforderlichen Hydroxygruppen trägt oder zu der entsprechenden Verbindung umgesetzt werden kann. Beispielsweise kann das oben für PS beschriebene Produkt der Umsetzung von DOPO mit Itaconsäure mit einem Diol in die entsprechende Dihydroxyverbindung überführt werden, wobei 3-(1 :9,10-Dihydro-9- oxa-10-phosphaphenantren-10-oxid)propandicarbonsäure-bisethylenglykolester entsteht; diese Umsetzung kann selbstverständlich auch mit anderen Di- oder mehrfunktionellen Diolen erfolgen wie z.B. Triethylenglykol, Diethylenglykol oder einer anderen Verbindung der unter C in Formel (A) genannten Diol- oder höherfunktionellen Alkohol-Komponente. 3-(1 :9,10-Dihydro-9- oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid)propandicarbonsäure-bistriethylenglykolester ist als Produkt der Fa. Schill & Seilacher„Struktol", XP3700, im Handel erhältlich.
Alle vorgenannten Kohlenwasserstoffreste bzw. -gruppen an PS, PA1 und PA2 können, müssen aber nicht, neben den genannten Carbonsäure- bzw. Hydroxygruppen weitere
Substituenten tragen.
Die Summe von x + y + z soll 1 ergeben, wobei der Anteil an B, definiert über y, zwischen 0 und <1 , vorzugsweise zwischen 0 und 0,7 und dabei besonders bevorzugt nicht über 0,5 liegt. In vielen Ausführungsformen fehlt eine Verbindung B ganz oder ist nur in einem Anteil von wenigen % vorhanden, d.h. y liegt in diesen Fällen zwischen 0 und 0,2, vorzugsweise zwischen 0 und 0,1 .
Die Summe a + b + c muss so gewählt werden, dass die Summe der Hydroxygruppen von C, PA1 und PA2 genau oder bis zu einer Abweichung von 50 % nach oben oder nach unten der Summe der Carbonsäuregruppen der Säurekomponente des ungesättigten Esters (in der Regel nur Verbindungen A plus ggf. B plus ggf. PS, optional aber auch in Kombination mit
monofunktionellen Säuren) entspricht. Werden ausschließlich Dicarbonsäuren eingesetzt, muss demnach a + b + c dann 1 ergeben, wenn die Komponenten C, PA1 und PA2 jeweils zwei Hydroxygruppen aufweisen. Dabei kann dann, wenn hohe Anteile an PA1 und PA2 verwendet werden, ggf. auf den Zusatz von C ganz verzichtet werden, weshalb a auch 0 sein kann. Da PA1 und PA2 in der Regel jeweils zwei Hydroxygruppen aufweisen, sollte in diesen Fällen b + c = zwischen 0,5 und 1 ,5 und vorzugsweise etwa 1 sein, wenn für A und ggf. B und ggf. PS jeweils Dicarbonsäuren und wenn keine weiteren monovalenten Säuren eingesetzt werden. PS und PA2 sind untereinander austauschbar. Das bedeutet, dass es auf das
Mengenverhältnis von PS und PA2 nicht ankommt, wenn nur die Summe von z und c einen Wert von 0,1 bis 0,6, vorzugsweise von bis zu 0,5 annimmt. Es sei jedoch auf eine bevorzugte Ausführungsform verwiesen, in der z = 0 ist.
Für die Zwecke des später gewünschten Flammschutzes ist es bevorzugt, die
Mengenverhältnisse von a : b : (c + z) so zu wählen, dass der Phosphorgehalt des gebildeten Polyesters mindestens bei 3 Masse-% liegt. Bevorzugt liegt der Phosphorgehalt im Bereich von etwa 4,5 bis 7 Masse-% oder mehr. Ein ausreichender bzw. hoher Phosphorgehalt des Harzes ist entscheidend für die Brandfestigkeit der Bauteile, weshalb der Gehalt nach oben nur durch verfahrenstechnische Parameter und durch die Phosphorgehalte der Edukte begrenzt ist.
Wie bei der Herstellung von ungesättigten Polyestern üblich, wird den zu veresternden
Ausgangsmaterialien in der Regel ein Inhibitor zum Schutz der Doppelbindungen während der Polykondensation zugegeben, beispielsweise Hydrochinon.
Aus den obigen Komponenten wird in üblicher weise ein ungesättigter Polyester hergestellt, beispielsweise durch Vermischen der Ausgangsmaterialien und nachfolgender z.B. thermisch herbeigeführter Polykondensation, wobei das Gleichgewicht der Reaktion in bekannter Weise, z.B. durch Abdestillieren des entstehenden Wassers, zur Produktseite hin verschoben wird. Die Erfinder konnten feststellen, dass sich der Zusatz einer Kombination aus den phosphorhaltigen Verbindungen PA1 und PA2 vorteilhaft auf die Reaktionsbedingungen bei der Herstellung des Polyesters auswirkt und außerdem später die Eigenschaften des aus dem Polyester
hergestellten Duromeren positiv beeinflusst. Dies gilt ebenfalls für den Fall, dass PA2 ganz oder teilweise durch PS ersetzt ist. Wird nämlich nur das Phosphinoxid PA1 in einer Menge eingesetzt, die zum gewünschten Phosphor-Gehalt des Polyesters führt, steigt die Viskosität der Schmelze während der Polykondensation auf ein intolerables Maß an. Werden dagegen nur das Phosphinoxid PA2 und/oder PS verwendet, sinkt die Schmelzviskosität zwar sehr stark ab; überraschenderweise ist jedoch die Glasübergangstemperatur eines mit diesem Polyester erzeugten Duromeren trotz und auch bei vergleichbarem Phosphorgehalt deutlich zu niedrig. Erst die Kombination beider Phosphinoxide führt zu dem erfindungsgemäßen, vorteilhaften Ergebnis. Ohne auf eine Interpretation der Ursache dieser Eigenschaften festgelegt werden zu wollen, vermuten die Erfinder, dass dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass der Phosphor von PA1 in die Polymerkette eingebunden wird, während er sich in PA2 bzw. PS an einer Seitenkette befindet.
Dem Polyester kann sodann entweder in der Schmelze oder kalt, d.h. in erstarrtem Zustand, ein copolymerisierbares Mono- oder Oligomer zugegeben werden, beispielsweise Styrol, Methylmethacrylat oder eine andere C=C-doppelbindungshaltige Verbindung. Von Vorteil ist der Zusatz von mindestens 5, vorzugsweise zwischen etwa 10 und 20 Masse-% Methylmethacrylat zu einem anderen copolymerisierbaren Mono- oder Oligomer wie Styrol, weil diese Substanz die Viskosität der Mischung senkt, was für die Herstellung von Vorteil ist, und darüber hinaus als Rauchgasunterdrücker fungiert. Durch Vermischen in der Schmelze, Schütteln oder andere vergleichbare Maßnahmen entsteht eine homogene Mischung. Werden dieser Mischung Initiator (z.B. Methylethylketonperoxid) und, falls technisch erforderlich oder günstig,
Beschleuniger (z.B. eine Cobalt-Verbindung, wenn zum Beispiel eine Härtung bei
Raumtemperatur gefordert ist) zugesetzt, wie aus dem Stand der Technik bekannt, entsteht ein Reaktivharz, das in eine geeignete Form gebracht und durch Lagerung bei Raumtemperatur, ggf. auch bei erhöhter Temperatur, oder strahlenchemisch gehärtet werden kann.
Das erfindungsgemäße Reaktivharz kann ungefüllt oder mit einem oder mehreren Füllstoffen gefüllt zum Einsatz kommen. Die Füllstoffe werden je nach Art des Einsatzzweckes gewählt; um besonders hohe Brandschutzeigenschaften zu erhalten, kann beispielsweise ein anorganischer oder mineralischer Füllstoff wie Aluminiumtrihydroxid (ATH) zugesetzt werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der Gehalt des Flammschutzmittels kann je nach Höhe der Brandschutzanforderungen gewählt werden; günstig sind Mengen zwischen 25 und 300 Masse-%, bezogen auf die Masse des eingesetzten Reaktivharzes, bevorzugt sind Mengen zwischen 50 und 200 Masse-%, stärker bevorzugt sind Mengen zwischen 75 und 170 Masse- %, und ganz besonders bevorzugt sind Mengen zwischen 90 und 160 Masse-%.
Das erfindungsgemäße Reaktivharz kann als solches für die Herstellung von Formkörpern eingesetzt werden. Ein wichtiges Einsatzgebiet liegt in der Herstellung mit Fasern durchsetzter, insbesondere faserverstärkter Bauteile; hierfür kann es - gefüllt oder ungefüllt - als
Beschichtungs- oder Imprägnierharz verwendet werden. Dabei kommen prinzipiell alle Arten von Fasern in Betracht wie z.B. Glas-, Kohle-, Natur-, Mineral- (z.B. Basalt-), Metall- und Aramidfasern und thermoplastische und keramische Fasern, sowie beliebige Mischungen dieser Fasern, worunter Glasfasern, Kohlefasern und Naturfasern und deren Mischungen besonders günstig sind. Die Art der Bindung der Fasern untereinander ist dabei nachrangig; beispielsweise können Fasergelege verwendet werden.
In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung werden die Formkörper mit Hilfe von imprägnierten Fasermatten (z.B. aus einem Fasergelege) hergestellt, die einzeln oder als Verbund aus mehreren solchen Matten schichtformig in eine Negativform eingebracht und darin gehärtet werden. Bei Bedarf können beliebige, kommerziell verfügbare, ggf. auch flammfest ausgerüstete Gelcoats oder Standardgelcoats eingesetzt werden, die zur Erzeugung einer spezifischen Oberfläche des späteren Bauteils zwischen der Oberfläche der Form und der Schicht aus dem erfindungsgemäßen Material angeordnet werden. Natürlich sind die
Eigenschaften der Gelcoats hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Brandfestigkeit der so erhaltenen Bau- bzw. Formteile jeweils zu berücksichtigen und deren entsprechende
Eigenschaften ggf. durch Anpassung der Brandschutzeigenschaften der erfindungsgemäßen Fasermatten zu korrigieren.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Herstellungsvorschriften und
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 . Herstellung einer Harzlösung
Die Harzlösung kann heiß, d.h. in Schmelze des Polyesters oder kalt d.h. im erstarrtem Zustand durch Zugabe von Styrol, Methylmethacrylat, oder anderen geeigneten Mono- oder Dimeren hergestellt werden. Eine besonders geeignete Mischung, die zur Vergleichbarkeit der nachstehenden Beispiele gleichbleibend eingesetzt wurde, besteht aus den nachfolgenden Komponenten bzw. weist diese auf: einen ungesättigten Polyester aus einer Zusammensetzung gemäß Formel (I), vorzugsweise in einer Menge von 25 bis 75 Masse-%, stärker bevorzugt von 30 bis 50 Masse-% und insbesondere von etwa 40 Masse-%, bezogen auf die Mischung, eine C=C-doppelbindungshaltige, unter C-C-Kettenverlängerung copolymerisierbare Verbindung, die vorzugsweise eine Allyl- oder Vinylgruppe trägt. Bevorzugt ist Styrol. Die Verbindung wird vorzugsweise in einer Menge von 25-75 Masse-%, stärker bevorzugt von 40 bis 60 Masse-% und insbesondere von etwa 50 Masse-% eingesetzt, bezogen auf die Mischung,
einen einpolymerisierbaren Viskositätssenker und vorzugsweise Rauchgasunterdrücker für das spätere Duromer. Bevorzugt ist Methylmethacrylat. Der Viskositätssenker wird vorzugsweise in einer Menge von 0 bis 20 Masse-%, stärker bevorzugt von mindestens 5 Masse-% und insbesondere von etwa 10 Masse-% eingesetzt, bezogen auf die Mischung,
bei Bedarf eine geringe Menge (bis zu ca. 5 Masse-%, vorzugsweise bis zu ca. 2 Masse-%) eines einpolymerisierbaren Kompatibilitätsverbesserers. Dieser weist eine C=C-Doppelbindung, vorzugsweise eine Allyl- oder Vinylgruppe auf, die nur radikalisch einbaubar ist, und besonders bevorzugt zusätzlich eine Phosphin- oder Phosphonsäure- oder Phosphin- oder Phosphonester-Gruppe. Ein günstiges Beispiel hierfür ist
Vinylphosphonsäuredimethylester. Der Bedarf kann entstehen, wenn die Polarität des gebildeten Polyesters durch den Einbau der Phosphinoxide so verschoben wurde, dass die Kompatibilität von ungesättigtem Ester und der Mischung aus C=C- doppelbindungshaltiger Verbindung und einpolymerisierbarem Viskositätssenker nicht mehr gewährleistet ist. Die kompatibilitätsverbessernde Gruppe (die das Phosphoratom enthaltende Gruppe) verbessert die Verträglichkeit mit dem phosphinoxidhaltigen Ester; gleichzeitig wirkt die Verbindung als reaktives Additiv, das in der Regel erst beim Vernetzen des Polyesters einpolymerisiert wird.
2. Herstellung der Härtungsmischung
Durch Zugabe eines Initiators (Peroxid) und gegebenenfalls eines Beschleunigers (Co-Lösung) kann die Harzlösung thermisch (einschließlich Raumtemperatur) oder strahlenchemisch gehärtet werden. Durch Zugabe eines anorganischen, vorzugsweise mineralischen Füllstoffs wie Aluminiumhydroxid wird die Flammfestigkeit weiter gesteigert. Eine Faserverstärkung durch z.B. Glasfasern ist möglich. Eine Besonderheit ist die Erreichung der Vorgaben aus der Vornorm DIN CEN/TS 45545-2 für Schienenfahrzeuge bzgl. der Flammfestigkeit und die einfache Verarbeitung der Harzmischungen und eine gute Tränkung der Glasfasern.
Beispiele
Beispiel 1 :
Ein ungesättigter Polyester wurde in einer Polykondensationsreaktion hergestellt. In einen 2 Liter Vier-Hals-Rundkolben wurden 3,1 mol Fumarsäure, 1 ,24 mol Neopentylglykol, 0,93 mol Bis-(3-hydroxypropyl)-isobutylphosphinoxid und 0,93 mol 3-(1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10- phosphaphenanthren-10-oxid)-1 ,2-propandicarbonsäure-bis-triethylenglykolester und 150 ppm Hydrochinon eingewogen und thermisch einer Polykondensationsreaktion unterzogen. Die Reaktion erfolgte unter Ausschluss von Luftsauerstoff. Das entstehende Reaktionswasser wurde mittels Destillation abgetrennt. Die Polykondensation wurde bis zu einer Säurezahl von 30,2 mg KOH/g geführt. Bei Reaktionsende wurde eine Schmelzviskosität von 1570 mPa*s (150°C und 6000 1/s) bestimmt. Der Phosphorgehalt des ungesättigten Polyesters betrug 4,8 Masse-%.
Aus dem kondensierten ungesättigten Polyester wurde im Labormaßstab eine
Reaktivharzlösung hergestellt. Hierzu wurde der ungesättigte Polyester in eine 1 Liter
Braunglasflasche gefüllt und kalt (bei Raumtemperatur) unter permanenter Durchmischung (Rollen- oder Schütteltisch) in 50 m-% Styrol und 10 m-% Methyl methacrylat (als
Viskositätssenker und Rauchgasunterdrücker) gelöst. Beispiel 2:
Ein ungesättigter Polyester wurde aus 1 ,5 mol Fumarsäure, 0,60 mol Isosorbid, 0,45 mol Bis-(3- hydroxypropyl)-isobutylphosphinoxid und 0,45 mol 3-(1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10- phosphaphenanthren-10-oxid)-1 ,2-propandicarbonsäure-bis-triethylenglykolester und 150 ppm Hydrochinon hergestellt. Die Polykondensation wurde bis zu einer Säurezahl von 28,5 mg KOH/g geführt. Bei Reaktionsende wurde eine Schmelzviskosität von 3527 mPa*s (150°C und 2507 1/s) bestimmt. Der Phosphorgehalt des ungesättigten Polyesters betrug in diesem Fall ebenfalls 4,8 Masse-%.
Aus dem kondensierten ungesättigten Polyester wurde im Labormaßstab eine
Reaktivharzlösung hergestellt. Hierzu wurde der ungesättigte Polyester in eine 1 Liter
Braunglasflasche gefüllt und kalt (bei Raumtemperatur) unter permanenter Durchmischung (Rollen- oder Schütteltisch) in 50 m-% Styrol und 10 m-% Methyl methacrylat (als
Viskositätssenker und Rauchgasunterdrücker) gelöst.
Beispiel 3:
Ein ungesättigter Polyester wurde aus 2,2 mol Fumarsäure, 0,65 mol Isosorbid, 0,22 mol Tricyclodecandimethanol, 0,65 mol Bis-(3-hydroxypropyl)-isobutylphosphinoxid und 0,65 mol 3- (1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid)-1 ,2-propandicarbonsäure-bis- triethylenglykolester und 150 ppm Hydrochinon hergestellt. Die Polykondensation wurde bis zu einer Säurezahl von 32 mg KOH/g geführt. Bei Reaktionsende wurde eine Schmelzviskosität von 2418 mPa*s (150°C und 4000 1/s) bestimmt. Der Phosphorgehalt des ungesättigten Polyesters betrug in diesem Fall 4,6 Masse-%.
Aus dem kondensierten ungesättigten Polyester wurde im Labormaßstab eine
Reaktivharzlösung hergestellt. Hierzu wurde der ungesättigte Polyester in eine 1 Liter
Braunglasflasche gefüllt und kalt (bei Raumtemperatur) unter permanenter Durchmischung (Rollen- oder Schütteltisch) in 50 m-% Styrol und 10 m-% Methylmethacrylat (als
Viskositätssenker und Rauchgasunterdrücker) gelöst
Vergleichsbeispiel 1 :
Ein ungesättigter Polyester wurde aus 4,595 mol Fumarsäure, 1 ,15 mol 1 ,2-Propandiol, 1 ,15 mol Hydroxypivalinsäureneopentylglykol, 2,3 mol Bis-(3-hydroxypropyl)-isobutylphosphinoxid und 150 ppm Hydrochinon hergestellt. Die Polykondensation wurde bis zu einer Säurezahl von 47,8 mg KOH/g geführt. Bei Reaktionsende wurde eine Schmelzviskosität von 9990 mPa*s (150°C und 100 1/s) bestimmt. Der Phosphorgehalt des ungesättigten Polyesters betrug in diesem Fall 5,9 Masse-%. Aus dem kondensierten ungesättigten Polyester wurde im Labormaßstab eine
Reaktivharzlösung hergestellt. Hierzu wurde der ungesättigte Polyester in eine 1 Liter
Braunglasflasche gefüllt und kalt (bei Raumtemperatur) unter permanenter Durchmischung (Rollen- oder Schütteltisch) in 50 m-% Styrol und 10 m-% Methyl methacrylat (als
Viskositätssenker und Rauchgasunterdrücker) gelöst.
Vergleichsbeispiel 2:
Ein ungesättigter Polyester wurde aus 2,98 mol Fumarsäure, 0,53 mol 1 ,2-Propandiol, 0,53 mol Neopentylglykol und 1 ,925 mol 3-(1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenantren-10-oxid)-1 ,2- propandicarbonsäure-bis-triethylenglykolester und 150 ppm Hydrochinon hergestellt. Die Polykondensation wurde bis zu einer Säurezahl von 19,1 mg KOH/g geführt. Bei Reaktionsende wurde eine Schmelzviskosität von 526 mPa*s (150°C und 10000 1/s) bestimmt. Der
Phosphorgehalt des ungesättigten Polyesters betrug in diesem Fall wiederum 4,6 Masse-%.
Aus dem kondensierten ungesättigten Polyester wurde im Labormaßstab eine
Reaktivharzlösung hergestellt. Hierzu wurde der ungesättigte Polyester in eine 1 Liter
Braunglasflasche gefüllt und kalt (bei Raumtemperatur) unter permanenter Durchmischung (Rollen- oder Schütteltisch) in 50 m-% Styrol und 10 m-% Methylmethacrylat (als
Viskositätssenker und Rauchgasunterdrücker) gelöst.
Beispiel 4 Herstellung einer gefüllten Imprägnierlösung:
Aus den Reaktivharzlösungen aus Beispiel 1 bis 3 sowie den Vergleichsbeispielen wurden gefüllte Imprägnierlösungen hergestellt. Hierzu wurde 100 g Reaktivharz in einen Mischbecher eingewogen. Als mineralisches Flammschutzmittel wurde dem Reaktivharz eine festgelegte Menge Aluminiumtrihydroxid (ATH, z.B. Martinal ON 921 oder Martinal 908 (beide Martinswerk)) zugeben. Der Gehalt des mineralischen Flammschutzmittels variierte zwischen 100 und 200 Masse-% bezogen auf die eingesetzte Reaktivharzmenge. Hierdurch konnte die Brandfestigkeit der späteren Laminate eingestellt werden. Für die weitere Charakterisierung wurden
Imprägnierlösungen mit 100, 150 und 200 m-% ATH eingesetzt. Das ATH wurde mittels
Dispergierscheibe 5 Minuten lang in die Reaktivharzlösung eingearbeitet, so dass eine vollständige Benetzung der Partikel erfolgen konnte. Zur besseren Verarbeitbarkeit konnten, wenn erforderlich, wenige Prozent an kommerziellen Prozessadditiven (Dispergier- und
Benetzungsadditive der Fa. BYK z.B. BYK W 980) eingesetzt werden, die idealer Weise vor der Zugabe des ATHs eingerührt wurden.
Zur späteren Härtung der Laminate wurde der Imprägnierlösung (Reaktivharz plus ATH) 1 ,5 Masse-% Cobaltbeschleuniger (Pergaquick C1 1 ) bezogen auf 100 g Reaktivharz hinzugegeben und mittels Dispergierer homogenisiert. Als Härtungsinitiator wurden 3 Masse-% (bezogen auf 100 g Reaktivharz) Methylethylketonperoxid (Peroxan ME 50-L) hinzugegeben und kurz mittels Dispergierer homogenisiert. Die Vermischung erfolgt üblicherweise bei Raumtemperatur. Die Reihenfolge ist zwingend einzuhalten, um eine Beeinträchtigung des Härtungsverhaltens zu vermeiden.
Da durch den Einsatz der phosphorhaltigen Bausteine im Polyester die Polarität der Harze mit dem Reaktivverdünner (Styrol plus Methylmethacrylat) verschoben wurde, wurde zum Teil 2 Masse-% Vinylphosphonsäuredimethylester als kompatibilisierendes und gleichzeitig reaktives Additiv zugegeben und kurz homogenisiert.
Bei der Homogenisierung der einzelnen Bestandteile der Imprägnierlösung wurde stets die Drehzahl so gewählt, dass möglichst keine Erwärmung der Imprägnierlösung auftrat, um die Topfzeit der Imprägnierlösung nicht zu verkürzen.
Beispiel 5 Herstellung der Laminate:
Im Handlaminierverfahren wurde die nach Beispiel 4 hergestellte Imprägnierlösung
schichtweise auf einen Glasgelegekomplex (Fa. Saertex 600 g/m2 0790°-Glasgelege mit 219 g/m2 aufgenähter Wirrglasmatte) aufgetragen und mittels Entlüftungswalzen verteilt und entlüftet. Dies gelang mit den Reaktivharzlösungen aus den Beispielen 1 bis 3 und dem
Vergleichsbeispiel 2 ohne Probleme, während die Lösung des Vergleichsbeispiels 1 so zäh war, dass sie nur unter erheblichem Aufwand in den Glasgelegekomplex hineingedrückt werden konnte. Der Glasgelegekomplex wurde so aufgelegt, dass die Wirrglasmatte nach unten zeigte. Auf das so getränkte bzw. im Falle von Vergleichsbeispiel 1 unter Kraftanwendung bestrichene erste Glasgelege wurde ein weiteres Glasgelege aufgelegt und auf analoge Weise mit der Imprägnierlösung getränkt bzw. bestrichen. Dieses Verfahren wurde weitergeführt, bis ein fünfschichtiger Aufbau erreicht war.
Der getränkte bzw. bestrichene Laminataufbau wurde zur Härtung 24 Stunden bei 25 °C gelagert. Zur Erhöhung der mechanischen und thermischen Eigenschaften wurde nach Ablauf der 24 Stunden eine Nachhärtung in einem Trockenschrank durchgeführt. Hierzu wurde das Laminat eine Stunde bei 80°C und 2 Stunden bei 120 °C gelagert.
Zur weiteren Charakterisierung wurde das Laminat mittels Tischkreissäge auf die erforderliche Probengröße zugeschnitten.
Aus den Imprägnierlösungen nach Beispiel 4 wurden folgende Laminate hergestellt: „
Tabelle 1 :
Figure imgf000017_0001
Beispiel 6 Bestimmung der Brandfestigkeit und der Glasübergangstemperatur der
faserverstärkten Laminate:
Mittels eines Cone-Kalorimeters (Fa. Fire Testing Technology, 2002) wurde bei einer
Wärmeeinstrahlung von 50 kW/m2 die Brandfestigkeit der Proben bestimmt. Die Probengröße der gemessenen Probekörper ist 100x100 mm2 (entspricht einer Bestrahlungsfläche von 88,4 cm2). Die Charakterisierung erfolgte in Anlehnung an die vorgegebenen Verfahrensweisen nach ISO 5660-1 und -2. Es wurden jeweils 2 Probekörper gemessen. In der Tabelle sind die jeweils "schlechteren" Messungen angegeben.
„„
Tabelle 2:
Figure imgf000018_0001
Legende:
TTI: Time To Ignition (Entzündungszeit)
HRRPeak: Peak of Heat Release Rate (Maximalwert der Wärmefreisetzungsrate)
MAHRE: Maximum of Average Rate of Heat Emission (Maximum der mittleren
Wärmefreisetzungsrate)
THR: Total Heat Release (gesamtfreigesetzte Wärme)
TSR: Total Smoke Release (gesamtfreigesetzter Rauch)
CR: Char Residue (Verbrennungsrückstand)
Zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur wurden von den Laminaten Probekörper mit den Maßen 45x6x3 mm3 (LxBxH) zugeschnitten und mittels dynamisch-mechanischer Analyse RSA3 (Fa. PA Instruments) bei einer Frequenz von 1 Hz bestimmt. Als Maß für die
Glasübergangstemperatur wurde das Maximum des Verlustfaktors herangezogen.
Tabelle 3:
Figure imgf000019_0001
Beispiel 7
Unverstärkte Reinharzgießharzplatten:
Die Reaktivharzlösung nach Beispiel 2 wurde in eine Plattenform gegossen. Die Aushärtung erfolgte analog zu den Härtungsbedingungen aus Beispiel 5. Die Platte wurde mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) und Cone-Kalorimetrie charakterisiert.
Beispiel 10 und 1 1
Unverstärkte, gefüllte Gießharzplatten:
Die Reaktivharzlösung nach Beispiel 2 wurde mit 150 Teilen bzw. 200 Teilen
Aluminiumtrihydroxid gefüllt, mittels Dispergierscheibe vermischt und in eine Plattenform überführt. Die Aushärtung erfolgte analog zu den Härtungsbedingungen aus Beispiel 5. Die Platte wurde mittels DMA und Cone-Kalorimetrie charakterisiert.
* * *

Claims

Patentansprüche
1 . Ungesättigter Carbonsäureester, erhältlich aus oder unter Verwendung der folgenden Ausgangsmaterialien:
AxByPSzCaPA1 bPA2c (I)
mit
A = ungesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen
B = gesättigte Carbonsäure mit mindestens zwei Carboxyfunktionen
PS = ein Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Carbonsäuregruppen trägt,
C = Alkohol-Komponente, enthaltend eine oder mehrere Verbindungen, die mindestens zwei Hydroxygruppen aufweisen,
PA1 = ein Phosphinoxid mit zwei über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppen, die jeweils mindestens eine Hydroxygruppe tragen,
PA2 = ein Phosphinoxid mit einer über Kohlenstoff am Phosphor gebundenen
Kohlenwasserstoffgruppe, die mindestens zwei Hydroxygruppen trägt,
x = >0 bis 1
y = 0 bis <1
z = 0 bis 0,6
X + y + Z= 1
a = 0 bis 0,8
b = 0,1 bis 0,6,
c = 0 bis 0,6,
z + c = 0,1 bis 0,6,
wobei die Summe der Hydroxygruppen von C, PA1 und PA2 genau oder bis zu einer Abweichung von 50 % nach oben oder nach unten der Summe der Carbonsäuregruppen der Säurekomponente aus A, B entspricht.
2. Ungesättigter Carbonsäureester nach Anspruch 1 , worin die über Kohlenstoff am
Phosphor gebundenen Kohlenwasserstoffgruppen des Phosphinoxids PA1 , die jeweils mindestens eine Hydroxygruppe tragen, ausgewählt sind unter geradkettigen, verzweigten oder cyclischen Alkyl- und Alkenylgruppen sowie Aryl- oder Aralkylgruppen, wobei der dritte Substituent am Phosphoratom ebenfalls eine über Kohlenstoff an das Phosphoratom gebundene Kohlenwasserstoffgruppe ist, ausgewählt unter geradkettigen, verzweigten oder cyclischen Alkyl- und Alkenylgruppen sowie Aryl- und Aralkylgruppen.
3. Ungesättigter Carbonsäureester nach Anspruch 2, worin die über Kohlenstoff am
Phosphor gebundenen geradkettigen, verzweigten oder cyclischen Alkyl- und
Alkenylgruppen 2 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisen.
4. Ungesättigter Carbonsäureester nach Anspruch 3, worin das Phospinoxid PA1 ein Bis-(3- hydroxyalkyl)alkylphosphinoxid ist, dessen Alkylgruppen vorzugsweise 3 oder 4
Kohlenstoffatome aufweisen.
5. Ungesättigter Carbonsäureester nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin der mindestens zwei Carbonsäuregruppen tragende Kohlenwasserstoffrest des
Phosphinoxids PS und/oder der mindestens zwei Hydroxygruppen tragende
Kohlenwasserstoff rest des Phosphinoxids PA2 durch mindestens eine Kupplungsgruppe, ausgewählt unter C(0)0, NHC(O), C(0)NH, NHC(0)NH oder deren Schwefel-Analoga, und/oder durch mindestens ein Heteroatom oder eine Heterogruppe, ausgewählt unter O, S und NH, unterbrochen ist.
6. Ungesättigter Carbonsäureester nach Anspruch 5, worin einer der beiden restlichen
Substituenten am Phosphoratom eine über Kohlenstoff an das Phosphoratom gebundene Kohlenwasserstoffgruppe ist, ausgewählt unter geradkettigen, verzweigten oder cyclischen Alkyl und Alkenylgruppen sowie Aryl- und Aralkylgruppen, und worin der andere der beiden restlichen Substituenten am Phosphoratom ein über Sauerstoff gebundener Kohlenwasserstoffrest ist.
7. Ungesättigter Carbonsäureester nach Anspruch 6, worin das Phosphinoxid PS und/oder das Phosphinoxid PA2 ein Derivat von 1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10- oxid (DOPO) ist, das durch Umsetzung einer C=C-doppelbindungshaltigen Verbindung mit dem phosphorgebundenen Wasserstoff des DOPO erhalten wurde, und vorzugsweise eine 3-(1 :9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid)alkandicarbonsäure, vorzugsweise die entsprechende Propandicarbonsäure, und/oder ein Diolester davon ist.
8. Ungesättigter Carbonsäureester nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einem Phosphorgehalt, von mindestens 3 Masse-%, vorzugsweise im Bereich von 4,5 bis 7 Masse-%.
9. Ungesättigter Carbonsäureester nach einem der voranstehenden Ansprüche, weiterhin enthaltend einen Inhibitor zum Schutz der Doppelbindungen während der
Polykondensation, vorzugsweise Hydrochinon.
10. Ungesättigtes Polyesterharz, umfassend
a. einen ungesättigten Carbonsäureester nach einem der voranstehenden Ansprüche, b. mindestens eine Verbindung mit mindestens einer C=C-Doppelbindung oder einem Hetero-Ring, die/der unter dem Einfluss von Wärme, Licht oder ionisierender Strahlung in ein Kettenpolymer übergehen kann, sowie
c. gegebenenfalls eine Verbindung mit einer C=C-Doppelbindung, die unter dem
Einfluss von Wärme, Licht oder ionisierender Strahlung ausschließlich radikalisch in ein entstehendes Kettenpolymer einbaubar ist und zusätzlich eine Phosphin- oder Phosphonsäure- oder Phosphin- oder Phosphonester-Gruppe aufweist.
1 1 . Ungesättigtes Polyesterharz nach Anspruch 10, worin die unter b. genannte Verbindung Styrol oder eine Mischung aus Styrol und einem Acrylester oder Methacrylester, insbesondere Methylmethacrylat, und/oder die unter e, genannte Verbindung
Vinylphosphonsäuredimethylester ist.
12. Ungesättigtes Polyesterharz nach Anspruch 1 1 , worin das Masseverhältnis von Styrol zu Acrylester oder Methacrylester im Bereich von 10:1 bis 1 :1 , vorzugsweise von 8:1 bis 2:1 liegt.
13. Ungesättigtes Polyesterharz nach einem der Ansprüche 10 bis 12, worin der ungesättigte Carbonsäureester und die unter b. genannte(n) Verbindung(en) im Masseverhältnis von 20:80 bis 60:40, vorzugsweise von 70:30 bis 50:50, eingesetzt werden und worin das Harz 0 bis 10, vorzugsweise 0 bis 5 Masse-% der unter c. genannten Verbindung, 0 bis 3 Masse-% eines Härtungsbeschleunigers und 0 bis 5 Masse-% eines Härtungsinitiators, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des Harzes, aufweist.
14. Ungesättigtes Polyesterharz nach einem der Ansprüche 10 bis 13, zusätzlich umfassend einen vorzugsweise anorganischen oder mineralischen Füllstoff mit
Brandschutzeigenschaften.
15. Ungesättigtes Polyesterharz nach Anspruch 14, worin als Füllstoff Aluminiumtrihydroxid verwendet wird, vorzugsweise in einer Menge von 80 bis 200 Masseteilen, bezogen auf die Masse des Harzes, wie in den Ansprüchen 10 bis 13 definiert.
16. Ungesättigtes Polyesterharz, nach einem der Ansprüche 10 bis 15, das mit einem Verstärkungsmaterial versehen ist, wobei das Verstärkungsmaterial vorzugsweise in Form von Fasern, insbesondere als Fasermatte, vorliegt, die mit dem ungesättigten
Polyesterharz imprägniert, getränkt oder beschichtet sind/ist.
17. Ungesättigtes Polyesterharz nach Anspruch 16, worin die Fasern ausgewählt sind unter Glasfasern, Kohlefasern, keramischen Fasern und Mineralfasern.
18. Formkörper, bestehend aus oder umfassend ein Duromer, das durch Härtung des
Polyesterharzes nach einem der Ansprüche 10 bis 16 erhalten wurde.
* * *
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