WO2015022253A1 - Glycidylether von divinylbenzol-derivaten und deren oligomere als härtbare epoxidharze - Google Patents

Glycidylether von divinylbenzol-derivaten und deren oligomere als härtbare epoxidharze Download PDF

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glycidyl
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atom
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    • C09J163/00—Adhesives based on epoxy resins; Adhesives based on derivatives of epoxy resins

Definitions

  • the present invention relates to glycidyl ethers of the formula I, which are glycidyl ethers of divinylbenzene derivatives of the formula II having two or more glycidyl groups.
  • the invention further relates to oligomers of the glycidyl ethers of the formula I.
  • the invention also relates to processes for the preparation of these monomeric and oligomeric glycidyl ethers, and their use for the production of adhesives, composites, moldings or coatings.
  • the present invention further relates to a curable epoxy resin composition
  • a curable epoxy resin composition comprising a hardener component and a resin component containing as polyepoxide compound at least one glycidyl ether of the formula I, an oligomer of a glycidyl ether of the formula I or an oligomer based on a glycidyl ether of the formula I.
  • the invention further relates to a process for curing these curable epoxy resin compositions and cured epoxy resins obtainable or obtained by curing this curable epoxy resin composition.
  • the invention also provides the divinylbenzene derivatives of the formula II used as an intermediate for the preparation of the glycidyl ethers according to the invention.
  • epoxy resins are usually called oligomeric compounds having on average more than one epoxide group per molecule, which are converted by reaction with suitable curing agents or by polymerization of the epoxy groups in thermosets or cured epoxy resins.
  • Cured epoxy resins because of their excellent mechanical and chemical properties, such as high impact strength, high abrasion resistance, good heat and chemical resistance, in particular a high resistance to alkalis, acids, oils and organic solvents, high weather resistance, excellent adhesion to many materials and high electrical insulation capacity , widespread. They serve as a matrix for composites and are often the main component in electro laminates, structural adhesives, casting resins, coatings and powder coatings.
  • Epoxy resins derived from epichlorohydrin are referred to as glycidyl based resins.
  • glycidyl based resins As a rule, bisphenol A or bisphenol F diglycidyl ethers or the corresponding oligomers are used as epoxy resins.
  • the coating should withstand strongly acidic or salt-containing foods (eg tomatoes) or drinks, so that no corrosion of the metal occurs, which in turn could lead to contamination of the contents.
  • the coating must not affect the taste or appearance of the food. Since coated containers are often further formed during the manufacture of the containers, the coating must be flexible. Many filling goods, eg food, are only in the Can pasteurized; therefore, the coating must survive heating to 121 ° C for at least 2 hours undamaged and without migration of ingredients.
  • WO 2012/089657 discloses a BPA-free preparation of a film-forming resin and an adhesion promoter.
  • an epoxidized resin is prepared, for example, from the diglycidyl ethers of NPG, ethylene glycol, propylene or dipropylene glycol, 1,4-butanediol or 1,6-hexanediol.
  • NPG diglycidyl ethers
  • ethylene glycol propylene or dipropylene glycol
  • 1,4-butanediol 1,6-hexanediol
  • WO 2010/100122 proposes a coating system obtainable by reacting an epoxidized vegetable oil with hydroxy-functional compounds, e.g. Propylene glycol, propane-1,3-diol, ethylene glycol, NPG, trimethylolpropane, diethylene glycol, and the like.
  • hydroxy-functional compounds e.g. Propylene glycol, propane-1,3-diol, ethylene glycol, NPG, trimethylolpropane, diethylene glycol, and the like.
  • WO 2012/091701 proposes various diols or their diglycidyl ethers as substitutes for BPA or BADGE for epoxy resins, inter alia derivatives of BPA and ring-hydrogenated BPA, alicyclic diols based on cydobutane and diols with a furan ring as the basic structure.
  • the present invention has for its object to provide monomeric or oligomeric glycidyl ether compounds for use in epoxy resin systems, in particular as at least partial replacement of BADGE in corresponding epoxy resin systems, especially for use for coating containers. Accordingly, the present invention relates to glycidyl ethers of the formula I.
  • A is a glycidyl group ) or an H atom
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom, and
  • R 9 and R 10 are each, independently of one another, an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, preferably an H atom,
  • At least 2, but preferably all A radicals are each a glycidyl group.
  • glycidyl ethers of the formula I in this specification of the radicals are also referred to for the purposes of this invention as "glycidyl ether I”.
  • the present invention relates to glycidyl ethers of the formula I in variant A,
  • A is a glycidyl group
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom.
  • glycidyl ethers of the formula I in this specification of the radicals (variant A) are also referred to for the purposes of this invention as "glycidyl ether IA”.
  • the present invention relates to glycidyl ethers of the formula I in variant B,
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom, and
  • R1, R4, R5 or R8 is a CR9R10OA group
  • A is a glycidyl group or an H atom
  • R 9 and R 10 are each, independently of one another, an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, preferably an H atom,
  • At least 2, but preferably all A radicals are each a glycidyl group.
  • glycidyl ethers of the formula I in this specification of the radicals (variant B) are also referred to in the context of this invention as "glycidyl ether IB" for short.
  • Glycidyl ethers IA and IB are subsets of glycidyl ether I.
  • the glycidyl ethers I, IA and IB expressly include all possible stereoisomers.
  • the glycidyl ethers I, IA and IB also explicitly include the constitutional isomers wherein the two substituents on the benzene ring are ortho, meta or para to each other.
  • a C 1 -C 10 -alkyl group is an aliphatic, saturated hydrocarbon chain having 1 to 10 C atoms, which may be linear, branched or cyclic and has no heteroatoms.
  • a Ci-C4-alkyl group is a methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, sec-butyl or tert-butyl group.
  • the term glycidyl ether I, IA or IB expressly also relates to individual specific compounds from the respective group as well as mixtures of several specific compounds of the respective group.
  • Another object of the invention are also oligomers of glycidyl ethers I, IA and IB, respectively, by the intermolecular reaction of glycidylated residues with non-glycidylated, hydroxyl-containing residues of the glycidyl ethers I, IA and IB and their partial (1 glycidyl group having ) or non-glycidylated (having no glycidyl group) derivatives with formation of the oxirane ring, the hydroxyl group of the oligomer resulting from the ring opening of the oxirane ring in turn also being able to be present in glycidylated form.
  • the oligomers have 2 to 100, preferably 2 to 30 monomeric units (degree of oligomerization). They can be linear or branched, preferably they are linear. On average, they have at least 1, 3, preferably at least 1, 5, more preferably at least 2 glycidyl groups.
  • the term oligomer of the glycidyl ethers I, IA or IB also encompasses mixtures of different oligomers (for example oligomers with different degrees of oligomerization, with different branching structures or different monomers of the respective variant (glycidyl ethers I, IA or IB)). These oligomers are also referred to in the context of this invention as oligomeric glycidyl ethers I, IA and IB.
  • the invention thus provides a glycidyl ether selected from the group consisting of glycidyl ether I and oligomeric glycidyl ethers thereof (oligomeric glycidyl ether I), wherein the oligomeric glycidyl ether by the intermolecular reaction of glycidylated residues with non-glycidylated, hydroxyl-containing residues of the monomeric glycidyl ether of the formula I.
  • oligomeric glycidyl ether formed by the ring opening of the oxirane ring can again also be present in glycidylated form, and wherein the oligomeric glycidyl ether has a degree of oligomerization of from 2 to 100 and in the Agent has at least 1, 3 glycidyl groups.
  • the invention thus also provides a glycidyl ether selected from the group consisting of glycidyl ether IA and oligomeric glycidyl ethers thereof (oligomeric glycidyl ethers IA), the oligomeric glycidyl ether being obtained by the intermolecular reaction of glycidylated residues with non-glycidylated, hydroxyl-containing residues of the monomeric glycidyl ether of the formula I and their partially or non-glycidylated derivatives to form the opening of the oxirane ring, the resulting by the ring opening of the oxirane ring hydroxyl group of the oligomeric glycidyl ether may in turn be present in glycidylierter form, and wherein the oligomeric glycidyl ether a degree of oligomerization of 2 to 100 and on average at least 1 , 3 glycidyl groups.
  • the invention thus also provides a glycidyl ether selected from the group consisting of glycidyl ether IB and oligomeric glycidyl ethers thereof (oligomeric glycidyl ether IB), wherein the oligomeric glycidyl ether by the intermolecular reaction of glycidylated residues with non-glycidylated, hydroxyl-containing residues of the monomeric glycidyl ether of the formula I and their partially or non-glycidylated derivatives to form the opening of the oxirane ring, wherein the resulting by the ring opening of the oxirane ring hydroxyl group of the oligomeric glycidyl ether may again be present in glycidylierter form, and wherein the oligomeric glycidyl ether a degree of oligomerization of 2 to 100 and on average having at least 1, 3 glycidyl groups.
  • One embodiment of the invention relates to mixtures of monomeric glycidyl ether I, IA or IB and the corresponding oligomeric glycidyl ether I, IA or IB.
  • the present invention further relates to a process for the preparation of monomeric and oligomeric glycidyl ethers I, IA or IB comprising the reaction of the corresponding divinylbenzene derivatives II, IIA or IIB with epichlorohydrin.
  • the divinylbenzene derivatives II are divinylbenzene derivatives of the formula II
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom, and
  • R9 and R10 are each independently an H atom or a Ci-C4-alkyl group, preferably an H atom.
  • the divinylbenzene derivatives IIA are divinylbenzene derivatives of the formula II in variant A with the following specification of the radicals:
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom.
  • the divinylbenzene derivatives IIA are diols.
  • the divinylbenzene derivatives IIB are divinylbenzene derivatives of the formula II in variant B with the following specification of the radicals:
  • B is an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom, and
  • At least one of the radicals R1, R4, R5 or R8 is a CR9R10OH group, and R9 and R10 are each independently an H atom or a Ci-C4-alkyl group, preferably an H atom.
  • the divinylbenzene derivatives IIB are trihydric and tetrahydric alcohols (polyols).
  • the glycidylation reaction generally produces a mixture of monomeric and oligomeric glycidyl ether.
  • the monomeric glycidyl ethers can be separated from the oligomeric glycidyl ethers by means of separation methods known to those skilled in the art, such as, for example, chromatographic, extractive or distillative processes.
  • the reaction according to the invention of the divinylbenzene derivatives is carried out to the corresponding with 1 to 20, preferably with 1 to 10 equivalents of epichlorohydrin at a temperature in a range from 20 to 180 ° C, preferably from 70 to 150 ° C in the presence of a Lewis acid as a catalyst, preferably in the presence of stannic chloride.
  • the reaction mixture is mixed with a base (for example dilute sodium hydroxide solution) and heated for a further period of time (for example 1 to 5 h) (for example under reflux). Thereafter, the product can be isolated by means of phase separation and washing steps with water.
  • 1 to 20 equivalents, preferably 2 to 10 equivalents of epichlorohydrin are used for the preparation of the glycidyl ethers according to the invention.
  • the reaction is usually carried out in a temperature range from -10 ° C to 120 ° C, preferably 20 ° C to 60 ° C.
  • bases such as aqueous or alcoholic solutions or dispersions of inorganic salts, such as LiOH, NaOH, KOH, Ca (OH) 2 or Ba (OH) 2 may be added.
  • suitable catalysts such as tertiary amines can be used.
  • the divinylbenzene derivatives IIA and IIB can be prepared according to the following reaction scheme from divinylbenzene derivatives of the formula III
  • R 19 and R 20 are each independently an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom, and the two substituents on the benzene ring in ortho, meta - or para position can stand.
  • the divinylbenzene derivative of the formula III is converted by means of hydroformylation (HF) with carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2) into the corresponding dicarbonyl compounds. This can then either directly to the diols (divinylbenzene derivatives IIA), or after an aldol reaction (AD) with, for example.
  • Formaldehyde (H2CO) to the polyols (divinylbenzene derivatives IIB) be hydrogenated (Hyd), for example. With hydrogen (H2).
  • H2CO Formaldehyde
  • the aldol reaction is only possible if a hydrogen atom is bonded to the carbon atom alpha-permanent carbon atom.
  • the divinylbenzene derivatives II correspond to the entirety of the group of divinylbenzene derivatives IIA and IIB.
  • the reaction of the divinylbenzene derivative of the formula III to the corresponding dialdehydes is usually carried out by means of hydroformylation.
  • the divinylbenzene derivative of the formula III is reacted with a mixture of carbon monoxide and hydrogen (synthesis gas) in the presence of a hydroformylation catalyst (for example organometallic cobalt or rhodium compounds) at elevated pressure (for example 10 to 100 bar overpressure) and at Temperatures in the range of, for example. 40 to 200 ° C converted to the corresponding dialdehydes.
  • a hydroformylation catalyst for example organometallic cobalt or rhodium compounds
  • dialdehyde derivatives of the divinylbenzene derivative of the formula III can be hydrogenated directly to the corresponding diols (divinylbenzene derivatives IIA). Such hydrogenation can be carried out, for example, by means of hydrogen under elevated pressure in the presence of a hydrogenation catalyst.
  • dialdehyde derivatives of the divinylbenzene derivative of formula III can also be converted to the corresponding polyols (divinylbenzene derivatives IIB).
  • the invention thus provides a process for the preparation of glycidyl ether IA which comprises (i) the hydroformylation of divinylbenzene derivatives of the formula III with a mixture of carbon monoxide and hydrogen in the presence of a hydroformylation catalyst at elevated pressure to give the corresponding dialdehydes, and (ii ) the catalytic hydrogenation of the dialdehydes from the hydroformylation to the corresponding diols, and (iii) the reaction of the diols from the catalytic hydrogenation with epichlorohydrin to the corresponding glycidyl ethers IA, wherein in the divinylbenzene derivatives of the formula III the radicals R19 and R20 each independently of one another are an H atom or a C 1 -C 10 -alkyl group, preferably an H atom or a C 1 -C 4 -alkyl group, in particular an H atom.
  • the invention also provides the divinylbenzene derivatives II, IIA and IIB which serve as an intermediate in the preparation of the glycidyl ethers I, IA or IB according to the invention.
  • the present invention further relates to processes for the preparation of oligomers based on glycidyl ether I, IA or IB, by reacting monomeric glycidyl ether I, IA, and IB with diols (chain extension).
  • oligomeric glycidyl ether I, IA, or IB preferably has a low degree of oligomerization, in particular a degree of oligomerization of from 5 to 10. Preference is given to 0.01 to 0.95, more preferably 0.05 to 0.8, in particular 0.1 to 0.4 equivalents of the diol based on the glycidyl ether or used used.
  • the resulting oligomer based on glycidyl ethers I, IA or IB has an average of more than 1, preferably more than 1.5, more preferably more than 1, 9 epoxide groups per molecule.
  • the reaction is usually carried out in a temperature range from 50 ° C to 200 ° C, preferably from 60 ° C to 160 ° C.
  • Suitable diols are typically aromatic, cycloaliphatic or aliphatic dihydroxy compounds, for example furandimethanol, ring-hydrogenated bisphenol A, ring-hydrogenated bisphenol F, neopentyl glycol, bisphenol A, bisphenol F or bisphenol S, preferably furandimethanol, ring-hydrogenated bisphenol A or ring-hydrogenated bisphenol F.
  • the subject of the present invention are also oligomers based on glycidyl ethers I, IA, and IB, which are available or obtained by reacting a monomeric glycidyl ether I, IA, or IB or the corresponding oligomeric glycidyl ether or a Mixture of monomeric glycidyl ether I, IA, or IB and the corresponding oligomeric glycidyl ether with one or more diols.
  • the oligomeric glycidyl ether I, IA or IB preferably has a low degree of oligomerization, in particular a degree of oligomerization of from 5 to 10.
  • the one or more diols used are not identical to the divinylbenzene derivatives IIA, whereby mixed oligomers based on glycidyl ethers I, IA, and IB, respectively, are obtainable.
  • the one or more diols used are identical to the divinylbenzene derivatives IIA, whereby oligomers based on glycidyl ethers I, IA, and IB, respectively, are obtainable.
  • relatively high molecular weight oligomeric glycidyl ethers I, IA or IB can also be prepared starting from oligomeric glycidyl ethers I, IA or IB with a lower degree of oligomerization.
  • the present invention also relates to curable epoxy resin compositions comprising a hardener component containing at least one curing agent and a resin component containing at least one polyepoxide compound selected from the group consisting of monomeric glycidyl ether I, IA or IB, oligomeric glycidyl ether I, IA or IB and oligomer based on glycidyl ethers I, IA and IB, respectively.
  • the present invention also relates to curable epoxy resin compositions
  • curable epoxy resin compositions comprising a hardener component containing at least one curing agent and a resin component containing at least one polyepoxide compound selected from the group consisting of monomeric glycidyl ether I, IA or IB, oligomeric glycidyl ether I, IA or IB and Mischoligo- mer, which is based on glycidyl ethers I, IA and IB.
  • the present invention relates to curable epoxy resin compositions
  • curable epoxy resin compositions comprising a hardener component containing at least one curing agent and a resin component containing at least one polyepoxide compound selected from the group consisting of monomeric glycidyl ether I and oligomeric glycidyl ether I.
  • the present invention relates to Invention curable epoxy resin compositions
  • the present invention relates to curable epoxy resin compositions
  • EW epoxy equivalent
  • the curable epoxy resin composition according to the invention preferably comprises less than 40% by weight, preferably less than 10% by weight, particularly preferably less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, of bisphenol A or F based compounds on the entire resin component.
  • the curable epoxy resin composition of the invention is free of bisphenol A or F based compounds.
  • Bisphenol A or F based compounds in the context of the present invention are bisphenol A and F themselves, their diglycidyl ethers, and oligomers or polymers based thereon.
  • the polyepoxide compounds according to the invention overall make up a proportion of at least 40% by weight, preferably at least 60% by weight, in particular at least 80% by weight, based on the total resin component.
  • the total resin component makes up at least 10% by weight, in particular at least 25% by weight, based on the total curable epoxy resin composition.
  • Epo For the purposes of the present invention, all epoxy compounds and only the epoxide compounds of the curable epoxy resin composition of the resin component are attributable.
  • Epo For the purposes of the present invention, xid compounds are compounds having at least one epoxide group, that is to say corresponding reactive diluents, for example.
  • the epoxy compounds of the resin component preferably have on average at least 1.1, preferably at least 1.5, in particular at least 1.9 epoxide groups per molecule.
  • Hardeners in the context of the invention are compounds which are suitable for effecting crosslinking of the polyepoxide compounds according to the invention.
  • polyepoxide compounds By reaction with hardeners, polyepoxide compounds can be converted into non-fusible, three-dimensionally "crosslinked", duroplastic materials.
  • the curing agent has at least two functional groups which can react with the oxirane and / or hydroxyl groups of the polyepoxide compounds to form covalent bonds (polyaddition reaction). Curing then results in the formation of a polymeric network of covalently linked units derived from the polyepoxide compounds and units derived from the hardener molecules, whereby the degree of crosslinking can be controlled via the relative amounts of the functional groups in the curing agent and in the polyepoxide compound.
  • a compound is used which causes the homopolymerization of Polyepoxidnaps each other. Such compounds are often referred to as initiator or catalyst.
  • 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 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. It is also possible to use mixtures of various polyaddition reaction hardeners and mixtures of homopolymerization-inducing hardeners, as well as mixtures of polyaddition reaction-inducing and homopolymerization-inducing hardeners for curing polyepoxide compounds.
  • Suitable functional groups which can undergo a polyaddition reaction with the oxirane groups of polyepoxide compounds are, for example, amino groups, hydroxy groups, thioalcohols or derivatives thereof, isocyanates and carboxyl groups or derivatives thereof, such as anhydrides.
  • epoxy resins polyepoxide compounds
  • aliphatic, cycloaliphatic and aromatic polyamines carboxylic anhydrides
  • polyesters are usually used as hardeners for epoxy resins. aliphatic, cycloaliphatic and aromatic polyamines, carboxylic anhydrides.
  • lyamidoamine, aminoplasts such as formaldehyde condensation products of melamine, urea, benzoguanamine or phenoplasts such as novolacs used.
  • acrylate-based oligomeric or polymeric curing agents having hydroxy or glycidyl functions in the side chain as well as epoxy vinylester resins are used.
  • the skilled worker knows for which applications a fast or slow-acting hardener is used.
  • a hardener which acts very slowly (or only at a higher temperature).
  • a hardener which is released as an active form only under conditions of use, for example ketimines or aldimines.
  • Known hardeners have a linear or at most weakly crosslinked structure. They are described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition on CD-ROM, 1997, Wiley-VCH, Chapter "Epoxy Resins", which is hereby incorporated by reference in its entirety.
  • Suitable hardeners for the curable epoxy resin composition according to the invention are, for example, polyphenols, polycarboxylic acids, polymercaptans, polyamines, primary monoamines, sulfonamides, aminophenols, aminocarboxylic acids, carboxylic anhydrides, phenolic hydroxy-containing carboxylic acids, sulfanilamides, and mixtures thereof.
  • the respective poly compounds for example polyamine
  • di compounds for example diamine
  • Preferred hardeners for the curable epoxy resin composition of the present invention are amino hardeners and phenolic resins.
  • the curable epoxy resin composition of the invention includes an amino hardener as a curing agent.
  • Amino hardeners suitable for the polyaddition reaction are compounds which have at least two secondary or at least one primary amino group. Linkage of the amino groups of the amino hardener with the epoxide groups of the polyepoxide compound forms polymers whose units derive from the amino hardeners and the polyepoxide compounds. Amino hardeners are therefore usually 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.
  • the amino hardeners of the curable epoxy resin composition of the present invention have at least one primary amino group or two secondary amino groups.
  • Starting from polyepoxide compounds having at least two epoxide groups hardening by a polyaddition reaction (chain extension) can take place with an amino compound having at least two amino functions.
  • the functionality of an amino compound corresponds to their number of NH bonds.
  • a primary amino group thus has a functionality of 2 while a secondary amino group has a functionality of 1.
  • amino hardeners are used with a functionality of at least 3 (for example, at least 3 secondary amino groups or at least one primary and one secondary amino group), especially those having two primary amino groups (functionality of 4).
  • Preferred amino hardeners are dimethyldicykan (DMDC), dicyandiamide (DICY), isophoronediamine (IPDA), diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), bis (p-aminocyclohexyl) methane (PACM), methylenedianiline (for example 4,4'-methylenedianiline)
  • Polyetheramines for example polyetheramine D230, diaminodiphenylmethane (DDM), diaminodiphenylsulfone (DDS), 2,4-toluenediamine, 2,6-toluenediamine, 2,4-diamino-1-methylcyclohexane, 2,6-diamino-1-methylcyclohexane, 2,4-diamino-3
  • DICY isophorone diamine
  • IPDA isophorone diamine
  • methylenedianiline for example 4,4'-methylenedianiline
  • aminoplasts such as condensation products of aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, crotonaldehyde or benzaldehyde with melamine, urea or benzoguanamine.
  • polyepoxide compound and amino hardener are preferably used in an approximately stoichiometric ratio in relation to the epoxide or amino functionality. Particularly suitable ratios of epoxide groups to amino functionality are, for example, 1: 0.8 to 0.8: 1.
  • the curable epoxy resin composition of the present invention includes a phenolic resin as a curing agent.
  • Phenol resins suitable for the polyaddition reaction have at least two hydroxyl groups.
  • Phenolic resins can typically be used in both stoichiometric and substoichiometric proportions to the epoxy compounds.
  • the use of suitable catalysts promotes the reaction of the secondary hydroxyl groups of the already formed epoxy resin with epoxide groups.
  • Suitable phenolic resins are novolaks, phenolic resoles, generally condensation products of aldehydes (preferably formaldehyde and acetaldehyde) with phenols.
  • Preferred phenols are phenol, cresol, xylenols, p-phenylphenol, p-tert.-butyl-phenol, p-tert.amyl-phenol, cyclopentylphenol, p-nonyl and p-octylphenol.
  • the curable epoxy resin composition of the invention may also comprise an accelerator for curing.
  • curing accelerators examples include imidazole or imidazole derivatives or urea derivatives (urones), for example 1,1-dimethyl-3-phenylurea (fenuron).
  • urones 1,1-dimethyl-3-phenylurea
  • tertiary amines such as Triethanolamine, benzyldimethylamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol and tetramethyl guanidine as curing accelerator is described (US 4,948,700).
  • tertiary amines such as Triethanolamine, benzyldimethylamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol and tetramethyl guanidine
  • the curing of epoxy resins with DICY can be accelerated by the addition of fenuron.
  • the curable epoxy resin composition of the present invention may also include a diluent.
  • Diluents for the purposes of this invention are conventional diluents or reactive diluents.
  • the addition of diluent to a curable epoxy resin composition usually lowers its viscosity.
  • Conventional diluents are typically organic solvents or mixtures thereof, for example ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone (MIBK), diethyl ketone or cyclohexanone, esters of aliphatic carboxylic acids such as ethyl acetate, propyl acetate, methoxypropyl acetate or butyl acetate, glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol or propylene glycol, etc.
  • ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone (MIBK), diethyl ketone or cyclohexanone
  • esters of aliphatic carboxylic acids such as ethyl acetate, propyl acetate, methoxypropyl acetate or butyl acetate
  • glycols such as ethylene glycol,
  • Glycol derivatives such as ethoxyethanol, ethoxyethanol acetate, ethylene or propylene glycol mono- or dimethyl ethers, aromatic hydrocarbons such as toluene or xylenes, aliphatic hydrocarbons such as heptane, and alkanols such as methanol, ethanol, n- or isopropanol or butanols.
  • Reactive diluents are low molecular weight substances which, in contrast to conventional solvents, have functional groups, generally oxirane groups, which can react with the hydroxy groups of the resin and / or the functional groups of the hardener to form covalent bonds.
  • Reactive diluents for the purposes of the present invention are aliphatic or cycloaliphatic compounds. They do not evaporate during curing, but are covalently bonded into the forming resin matrix during curing.
  • Suitable reactive diluents are, for example, mono- or polyfunctional oxiranes. Examples of monofunctional reactive diluents are glycidyl ethers of aliphatic and cycloaliphatic monohydroxy compounds having generally 2 to 20 carbon atoms, such as.
  • polyfunctional reactive diluents are, in particular, glycidyl ethers of polyfunctional alcohols having generally 2 to 20 C atoms which typically have on average 1.5 to 4 glycidyl groups, such as 1,4-butanediol diglycidyl ether, 1,6-hexanediol diglycidyl ether, diethylene glycol diglycidyl ether or the glycidyl ethers of Trimethylolpropane or pentaerythritol.
  • the reactive diluents described so far improve the viscosity properties of the epoxy resin compositions, they often worsen the hardness of the cured resin and lead to lower solvent resistance. Furthermore, it is known that the reactive diluents the Reactivity of the formulated epoxy resin compositions reduce, resulting in longer curing times.
  • the curable epoxy resin composition of the invention may also include fillers, for example pigments.
  • suitable fillers are metal oxides such as titanium dioxide, zinc oxide and iron oxide or hydroxides, sulfates, carbonates, silicates of these or other metals, for example calcium carbonate, aluminum oxide, aluminum silicates.
  • Further suitable fillers are, for example, silicon dioxide, pyrogenic or precipitated silica and also carbon black, talc, barite or other nontoxic pigments. It is also possible to use mixtures of the fillers.
  • the proportion by weight of the fillers in the coating, their particle size, hardness and their aspect ratio will be selected by a person skilled in the art according to the application requirements.
  • the curable epoxy resin composition according to the invention may contain further additives as required, for example defoamers, dispersants, wetting agents, emulsifiers, thickeners, biocides, co-solvents, bases, corrosion inhibitors, flame retardants, release agents and / or waxes.
  • further additives for example defoamers, dispersants, wetting agents, emulsifiers, thickeners, biocides, co-solvents, bases, corrosion inhibitors, flame retardants, release agents and / or waxes.
  • the curable epoxy resin composition of the present invention may also contain reinforcing fibers such as glass fibers or carbon fibers. These can be present for example as short fiber pieces of a few mm to cm in length, and as continuous fibers, wound or tissue.
  • the present invention further relates to a process for producing a cured epoxy resin comprising curing the curable epoxy resin composition.
  • the curing can be carried out at atmospheric pressure and at temperatures below 250 ° C., in particular at temperatures below 235 ° C., preferably at temperatures below 220 ° C., in particular in a temperature range from 40 ° C. to 220 ° C.
  • the curing of the curable epoxy resin composition to moldings is usually carried out in a tool until dimensional stability is achieved and the workpiece can be removed from the tool.
  • the subsequent process for reducing residual stresses of the workpiece and / or completing the crosslinking of the cured epoxy resin is called tempering.
  • the tempering process usually takes place at temperatures at the limit of the stiffness of the mold (Menges et al., "Werkstoff ambience Kunststoffe” (2002), Hanser-Verlag, 5th edition, page 136.) Usually at temperatures of 120 ° C. to 220 ° C. ° C, preferably tempered at temperatures of 150 ° C. to 220 ° C. Usually, the hardened workpiece is exposed to the annealing conditions for a period of 30 to 240 minutes Depending on the dimensions of the workpiece, longer annealing times may also be appropriate.
  • the substrate to be coated is first exposed to the curable epoxy resin composition, and then the curable epoxy resin composition is cured on the substrate.
  • the curable epoxy resin composition can be applied before or after the desired article is formed by dipping, spraying, rolling, brushing, knife coating or the like in liquid formulations or by applying a powder coating.
  • the application can be carried out on individual pieces (for example can parts) or on basically endless substrates, for example on steel strip rolls in coil coating. Suitable substrates are usually steel, tinplate (tinned steel) or aluminum (e.g., for beverage cans).
  • the curing of the curable epoxy resin composition after application to the substrate usually takes place in the temperature range from 20 ° C to 250 ° C, preferably from 50 ° C to 220 ° C, more preferably from 100 ° C to 220 ° C instead.
  • the time is usually 0.1 to 60 minutes, preferably 0.5 to 20 minutes, particularly preferably 1 to 10 minutes.
  • the present invention further relates to the cured epoxy resins obtainable or obtained by curing the curable epoxy resin composition according to the invention, in particular in the form of coatings on metallic substrates.
  • the present invention further relates to the use of monomeric or oligomeric glycidyl ethers I, IA or IB according to the invention or of oligomers based on glycidyl ether I, IA or IB or of the curable epoxy resin composition according to the invention for the production of adhesives, composites, moldings and coatings , in particular of coatings, preferably of containers, in particular of containers for the storage of foodstuffs.
  • Divinylbenzene (650 g, Aldrich) was added with isopropanol (650 g) and Rh (CO) 2-acetoacetate (65 mg).
  • the reaction mixture was in an autoclave CO / H2 (1: 1) with a cold pressure of 20 bar pressed. Subsequently, the reaction was carried out at 90 ° C and a reaction pressure of 280 bar (by stepwise pressing on of further synthesis gas (CO / H2 (1: 1))) for 5 h with stirring. After depressurizing to atmospheric pressure, 1200 g of the reaction mixture containing the corresponding dialdehydes with distilled water (120 g) and Raney nickel (40 g) added.
  • the reaction mixture was pressed in an autoclave of hydrogen at a cold pressure of 60 bar. Subsequently, the reaction was carried out at 120 ° C and a reaction pressure of 100 bar (by further pressurizing with hydrogen) for 15 hours with stirring. After relaxing to atmospheric pressure, the Raney nickel was separated from the reaction mixture via a frit with diatomaceous earth. 1200 g of the remaining reaction mixture containing the corresponding diols were then purified by distillation. For this purpose, the isopropanol was first stripped off in a rotary evaporator at 80 ° C. and 100 to 10 mbar. The remaining diol-containing fraction was then fractionally distilled at temperatures of 15 to 185 ° C to obtain the Divinybenzol derivative IIA, which is a mixture of the different diols.
  • reaction mixture With a molar excess of aqueous formaldehyde (36.5% tig), whereupon this reaction mixture is then slowly added to a catalytic amount of triethanolamine, and it is then neutralized after the aldol reaction with formic acid (98% tig).
  • the reaction mixture thus prepared can, if appropriate after distillative purification, be subjected to a hydrogenation as described in Example 1, so that divinylbenzene derivative IIB, which is a mixture of the different polyols, can be obtained.
  • the divinylbenzene derivative IIA (0.7 mol, 136 g), which is a mixture of the various diols resulting from the hydroformylation and subsequent hydrogenation of divinylbenzene, was heated to 90 ° C and treated with stannic chloride (7, 6 mmol, 2 g).
  • Epichlorohydrin (1.4 mol, 129.5 g) was subsequently added dropwise in portions, during which the temperature did not rise above 140.degree. C. and should not fall below 85.degree. After the end of the addition, stirring was continued at 90 ° C. until no epoxide content could be measured.
  • the reaction mixture was cooled to room temperature, treated with 25% sodium hydroxide solution (1, 4 mol, 224 g) and heated once to boiling. After cooling, the phases were separated, the organic phase washed several times with water and dried in vacuo. The product was obtained with a yield of 95%.
  • the resulting epoxy resin had an EEW of 202, suggesting that in addition to monomeric diglycidyl ether, dimers, trimers, and higher molecular weight diglycidyl ethers are also present. were goods.
  • the monomeric diglycidyl ether can be separated by distillation from the oligomers.
  • the glycidyl ether IB can be prepared analogously to Example 3 by reaction with epichlorohydrin.
  • the molar amount of epichlorohydrin used is preferably adjusted based on the number of hydroxyl groups of the divinylbenzene derivative IIB in comparison with the divinylbenzene derivative IIA.
  • the monomeric glycidyl ether IB can be purified by distillation from the oligomers.
  • Glycidyl ether IA from Example 3 (EEW 202 g / eq) was mixed immediately after the preparation and without further purification with a stoichiometric amount of an amine hardener.
  • the hardener used was isophoronediamine (IPDA).
  • IPDA isophoronediamine
  • a corresponding stoichiometric mixture of bisphenol A-based epoxy resin (BADGE, Epilox A19-03 from LEUNA resins, EEW 182 g / eq) and IPDA was prepared. The mixtures were incubated at 23 ° C and 75 ° C for rheological characterization.
  • the rheological measurements for investigating the reactivity profile were carried out on a shear stress controlled plate-plate rheometer (MCR 301 from Anton Paar) with a plate diameter of, for example, 15 mm and a gap distance of, for example, 0.25 mm at the different temperatures.
  • MCR 301 shear stress controlled plate-plate rheometer
  • the measurement of the gelling time was carried out in a rotationally oscillating manner on the abovementioned rheometer at, for example, 23 ° C. and 75 ° C.
  • the intersection of loss modulus (G ") and storage modulus (G ') provides the gelation time
  • the average viscosity for 2 to 5 minutes after preparation of the mixture was considered to be initial viscosity (AV).
  • Tg glass transition temperature

Abstract

Gehärtete Epoxidharze sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften weit verbreitet. Üblicherweise werden Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-diglycidylether eingesetzt, die jedoch wegen ihrer endokrinen Wirkung für viele Bereiche problematisch sind. Die vorliegende Erfindung betrifft Glycidylether von Divinylbenzol basierten Diolen und/oder Polyolen und darauf basierende härtbare Epoxidharz-Zusammensetzungen als Alternative zu den Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-diglycidylether bzw. den darauf basierenden Epoxidharz-Zusammensetzungen.

Description

Glycidylether von Divinylbenzol-Derivaten und deren Oligomere als härtbare Epoxidharze
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft Glycidylether der Formel I, bei denen es sich um Glycidylether von Divinylbenzol-Derivaten der Formel II mit zwei oder mehr Glycidylgruppen handelt. Die Erfindung betrifft weiter Oligomere der Glycidylether der Formel I. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung dieser monomeren und oligomeren Glycidylether, sowie deren Verwendung zur Herstellung von Klebstoffen, Verbundwerkstoffen, Formkörpern oder Beschichtungen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung umfassend eine Härterkomponente und eine Harzkomponente, die als Polyepoxidverbindung mindestens einen Glycidylether der Formel I, ein Oligomer eines Glycidylethers der Formel I oder ein auf einen Glycidylether der Formel I basierendes Oligomer enthält. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Härtung dieser härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzungen und durch Här- tung dieser härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung erhältliche bzw. erhaltene gehärtete Epoxidharze. Gegenstand der Erfindung sind auch die als Zwischenprodukt für die Herstellung der erfindungsgemäßen Glycidylether eingesetzten Divinylbenzol-Derivate der Formel II.
Als Epoxidharze bezeichnet man üblicherweise oligomere Verbindungen mit im Mittel mehr als einer Epoxidgruppe pro Molekül, die durch Umsetzung mit geeigneten Härtern oder durch Polymerisation der Epoxidgruppen in Duroplaste bzw. gehärtete Epoxidharze umgewandelt werden. Gehärtete Epoxidharze sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften, wie hohe Schlagzähigkeit, hohe Abriebfestigkeit, gute Hitze- und Chemikalienbeständigkeit, insbesondere eine hohe Beständigkeit gegenüber Laugen, Säuren, Ölen und organischen Lösungsmitteln, hohe Witterungsbeständigkeit, ausgezeichnete Haftfähigkeit auf vielen Werkstoffen und hohes elektrisches Isolationsvermögen, weit verbreitet. Sie dienen als Matrix für Faserverbundwerkstoffe ("Composites") und sind oft Hauptbestandteil in Elekt- rolaminaten, Strukturklebstoffen, Gießharzen, Beschichtungen und Pulverlacken. Die meisten kommerziellen (ungehärteten) Epoxidharze werden durch Kupplung von Epich- lorhydrin an Verbindungen, die wenigstens zwei reaktive Wasserstoffatome besitzen, wie Poly- phenole, Mono- und Diamine, Aminophenole, heterocyclische Imide und Amide, aliphatische Diole oder Polyole oder dimere Fettsäuren, hergestellt. Epoxidharze, die sich von Epich- lorhydrin ableiten, werden als Glycidyl-basierte Harze bezeichnet. In der Regel werden Bi- sphenol-A- oder Bisphenol-F-Diglycidylether bzw. die entsprechenden Oligomere als Epoxidharze eingesetzt.
Insbesondere an Beschichtungen von Behältern für die Lagerung von Lebensmitteln und Getränken werden hohe Anforderungen gestellt. So soll die Beschichtung stark sauren oder salz- haltigen Lebensmitteln (z.B. Tomaten) oder Getränken widerstehen, damit keine Korrosion des Metalls eintritt, die wiederum zur Kontamination des Füllguts führen könnte. Andererseits darf die Beschichtung nicht den Geschmack oder das Aussehen der Lebensmittel beeinträchtigen. Da während der Herstellung der Behälter oft bereits beschichtete Behälter weiter geformt werden, muss die Beschichtung flexibel sein. Viele Füllgüter, z.B. Lebensmittel, werden erst in der Dose pasteurisiert; daher muss die Beschichtung eine Erhitzung auf 121 °C mindestens 2 Stunden unbeschädigt und ohne Migration von Inhaltsstoffen überstehen.
Die Verwendung von Epoxidharzen auf Basis von Bisphenol-A- oder Bisphenol-F- diglycidylether wird in zunehmend mehr Bereichen überdacht, da die entsprechenden Diole wegen ihrer endokrinen Wirkung als problematisch angesehen werden.
Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Vorschläge gemacht worden: US 2012/01 16048 offenbart ein Bisphenol-A (BPA) und Bisphenol-F (BPF) freies Polymer, das neben Esterbindungen auch Hydroxyetherbrücken umfasst, wobei Diepoxide zum Einsatz kommen, die auf offenkettige aliphatische Diole wie Neopentylglykol (NPG), einfache cyc- loaliphatische Diole wie 1 ,4-Cyclohexandimethanol oder aromatische Diole wie Resorcin basieren. Erfahrungsgemäß ergeben die beschriebenen aliphatischen und cycloaliphatischen Diole jedoch sehr weiche und wenig temperatur- und chemikalienbeständige Beschichtungen.
WO 2012/089657 offenbart eine BPA-freie Zubereitung aus einem filmbildenden Harz sowie einem Adhäsionspromotor. Als Harz wird ein epoxidiert.es Harz hergestellt beispielsweise aus den Diglycidylethern von NPG, Ethylenglycol, Propylen- oder Dipropylenglycol, 1 ,4-Butandiol oder 1 ,6-Hexandiol. Hier sind die gleichen Einschränkungen der Beschichtungseigenschaften wie im vorigen Beispiel zu erwarten.
WO 2010/100122 schlägt ein Beschichtungssystem vor, das erhältlich ist durch Umsetzung eines epoxidierten Pflanzenöls mit hydroxyfunktionellen Verbindungen wie z.B. Propylenglycol, Propan-1 ,3-diol, Ethylenglycol, NPG, Trimethylolpropan, Diethylenglycol u.a.
US 2004/0147638 beschreibt ein 2-Schichten (Kern/Hülle)-System, bei dem der Kern aus einem BPA- oder BPF-basierten Epoxidharz und die Deckschicht z.B. aus einem Acrylatharz gebildet wird. Kritisch ist hier, ob die Deckschicht wirklich vollständig die Migration von BPA oder Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) in das Füllgut verhindern kann.
WO 2012/091701 schlägt verschiedene Diole bzw. deren Diglycidylether als Ersatz für BPA bzw. BADGE für Epoxidharze vor, unter anderem Derivate von BPA und kernhydriertem BPA, alicyclische Diole auf Basis von Cydobutan sowie Diole mit einem Furanring als Grundstruktur.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, monomere bzw. oligomere Gly- cidylether-Verbindungen für die Verwendung in Epoxidharz-Systemen bereitzustellen, insbesondere als zumindest partieller Ersatz von BADGE in entsprechenden Epoxidharz-Systemen, vor allem für den Einsatz zur Beschichtung von Behältern. Entsprechend betrifft die vorliegende Erfindung Glycidylether der Formel I
Figure imgf000004_0001
wobei
R1 : B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 : CR9R10OA und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 : B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H, oder
R1 : B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = CR9R10OA,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = CR9R10OA und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = CR9R10OA,
und wobei
A eine Glycidylgruppe
Figure imgf000004_0002
) oder ein H-Atom ist, und
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom, sind,
und wobei
mindestens 2, bevorzugt aber alle A-Reste jeweils eine Glycidylgruppe sind.
Die Glycidylether der Formel I in dieser Spezifikation der Reste werden im Rahmen dieser Erfindung auch kurz als„Glycidylether I" bezeichnet.
In einer besonderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Glycidylether der Formel I in der Variante A,
wobei
R1 = B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H, und wobei
A eine Glycidylgruppe ist und
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist.
Die Glycidylether der Formel I in dieser Spezifikation der Reste (Variante A) werden im Rahmen dieser Erfindung auch kurz als„Glycidylether IA" bezeichnet.
In einer besonderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Glycidylether der Formel I in der Variante B,
wobei
R1 = B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = CR9R10OA und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = CR9R10OA,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = CR9R10OA und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = CR9R10OA,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist, und
mindestens einer der Reste R1 , R4, R5 oder R8 eine CR9R10OA-Gruppe ist, und A eine Glycidylgruppe oder ein H-Atom ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom, sind,
und wobei
mindestens 2, bevorzugt aber alle A-Reste jeweils eine Glycidylgruppe sind.
Die Glycidylether der Formel I in dieser Spezifikation der Reste (Variante B) werden im Rahmen dieser Erfindung auch kurz als„Glycidylether IB" bezeichnet.
Glycidylether IA und IB sind Teilmengen der Glycidylether I.
Die Glycidylether I, IA und IB umfassen ausdrücklich alle jeweils möglichen Stereoisomere. Die Glycidylether I, IA und IB umfassen auch ausdrücklich die Konstitutionsisomere, bei denen die beiden Substituenten am Benzolring in ortho-, meta- oder in para-Stellung zueinander stehen.
Eine Ci-Cio-Alkylgruppe im Sinne dieser Erfindung ist eine aliphatische, gesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 10 C-Atomen, die linear, verzweigt oder cyclisch sein kann und keine He- teroatome aufweist. Eine Ci-C4-Alkylgruppe ist eine Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n- Butyl-, iso-Butyl-, sec-Butyl- oder tert-Butyl-Gruppe. Der Begriff Glycidylether I, IA bzw. IB betrifft auch ausdrücklich einzelne spezifische Verbindungen aus der jeweiligen Gruppe wie auch Mischungen von mehreren spezifischen Verbindungen der jeweiligen Gruppe. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind auch Oligomere der Glycidylether I, IA bzw. IB, die durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen aufweisend Resten der Glycidylether I, IA bzw. IB und deren partiell (1 Gly- cidylgruppe aufweisend) oder nicht glycidylierten (keine Glycidylgruppe aufweisend) Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings ent- standene Hydroxylgruppe des Oligomers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann. Die Oligomere haben 2 bis 100, vorzugsweise 2 bis 30 monomere Einheiten (Oligomerisie- rungsgrad). Sie können linear oder verzweigt sein, vorzugsweise sind sie linear. Sie weisen im Mittel mindestens 1 ,3, bevorzugt mindestens 1 ,5, besonders bevorzugt mindestens 2 Gly- cidylgruppen auf. Der Begriff Oligomer der Glycidylether I, IA bzw. IB umfasst auch Mischungen verschiedener Oligomere (bspw. Oligomere mit verschiedenen Oligmerisierungsgrad, mit verschiedenen Verzweigungsstrukturen oder aus verschiedenen Monomeren der jeweiligen Variante (Glycidylether I, IA bzw. IB)). Diese Oligomere werden im Rahmen dieser Erfindung auch als oligomere Glycidylether I, IA bzw. IB bezeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Glycidylether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gylcidylether I und oligomere Glycidylether davon (oligomere Glycidylether I), wobei der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht- glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Glycidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligo- merer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oli- gomerer Glycidylether einen Oligomerisierungsgrad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Glycidylether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gylcidylether IA und oligomere Glycidylether davon (oligomere Glycidylether IA), wobei der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Glycidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligomerer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oligomerer Glycidylether einen Oligomerisierungsgrad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist. Gegenstand der Erfindung ist somit ebenfalls ein Glycidylether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gylcidylether IB und oligomere Glycidylether davon (oligomere Glycidylether IB), wobei der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Glycidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligomerer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oligomerer Glycidylether einen Oligomerisierungsgrad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft Gemische aus monomerem Glycidylether I, IA, bzw. IB und dem entsprechenden oligomeren Glycidylether I, IA, bzw. IB. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung von monomerem und oligomerem Glycidylether I, IA bzw. IB umfassend die Umsetzung von den entsprechenden Divinylbenzol-Derivaten II, IIA bzw. IIB mit Epichlorhydrin.
Dabei handelt es sich bei den Divinylbenzol-Derivaten II um Divinylbenzol-Derivate der Formel II
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wobei
R1 1 B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 CR9R10OH und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = H, oder
R1 1 B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = CR9R10OH,
und wobei
R15 B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 CR9R10OH und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H, oder
R15 B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = CR9R10OH,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom sind. Bei den Divinylbenzol-Derivaten IIA handelt es sich um Divinylbenzol-Derivate der Formel II in der Variante A mit der folgenden Spezifikation der Reste:
R1 1 = B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = H,
und
R15 = B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H,
wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist.
Bei den Divinylbenzol-Derivaten IIA handelt es sich um Diole.
Bei den Divinylbenzol-Derivaten IIB handelt es sich um Divinylbenzol-Derivate der Formel II in der Variante B mit der folgenden Spezifikation der Reste:
R1 1 = B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 = CR9R10OH und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = H, oder
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = CR9R10OH,
und
R15 = B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 = CR9R10OH und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H, oder
R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = CR9R10OH,
wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom ist, und
mindestens einer der Reste R1 , R4, R5 oder R8 eine CR9R10OH-Gruppe ist, und R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom sind.
Bei den Divinylbenzol-Derivaten IIB handelt es sich um drei- und vierwertige Alkohole (Polyole).
Bei der Glycidylierungsreaktion entsteht in der Regel ein Gemisch aus monomerem und oligo- merem Glycidylether. Die monomeren Glycidylether können mittels dem Fachmann bekannten Trennmethoden wie beispielsweise chromatographische, extraktive oder destillative Verfahren von den oligomeren Glycidylether getrennt werden.
Vorzugsweise erfolgt die erfindungsgemäße Umsetzung der Divinylbenzol-Derivate zu den entsprechenden mit 1 bis 20, vorzugsweise mit 1 bis 10 Äquivalenten Epichlorhydrin bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 180 °C, vorzugsweise von 70 bis 150 °C in Gegenwart einer Lewis-Säure als Katalysator, vorzugsweise in Gegenwart von Zinn(IV)chlorid. Anschließend wird das Reaktionsgemisch mit einer Base (bspw. verdünnte Natronlauge) versetzt und für eine weitere Zeitspanne (bspw. 1 bis 5 h) erhitzt (bspw. unter Rückfluss). Danach kann das Produkt mittels Phasentrennung und Waschschritten mit Wasser isoliert werden. In einer alternativen Variante werden 1 bis 20 Äquivalenten, bevorzugt 2 bis 10 Äquivalente Epichlorhydrin für die Herstellung der erfindungsgemäßen Glycidylether eingesetzt. Die Reaktion erfolgt üblicherweise in einem Temperaturbereich von -10 °C bis 120 °C, bevorzugt 20 °C bis 60 °C. Zur Beschleunigung der Umsetzung können Basen wie wässrige oder alkoholische Lösungen bzw. Dispersionen anorganischer Salze, wie z.B. LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH)2 oder Ba(OH)2 zugegeben werden. Darüber hinaus können geeignete Katalysatoren wie tertiäre Amine eingesetzt werden. Die Divinylbenzol-Derivate IIA bzw. IIB lassen sich herstellen gemäß dem folgenden Reaktionsschema aus Divinylbenzol-Derivaten der Formel III
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wobei R19 und R20 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H-Atom oder eine Ci-C4-Alkyl gruppe, insbesondere ein H-Atom sind und die beiden Substituenten am Benzolring in ortho-, meta- oder para-Stellung stehen können. Dazu wird in einem ersten Schritt das Divinylbenzol-Derivat der Formel III mittels Hydroformylierung (HF) mit Kohlenmonoxyd (CO) und Wasserstoff (H2) in die entsprechenden Dicarbonylverbin- dungen umgesetzt. Diese kann dann entweder direkt zu den Diolen (Divinylbenzol-Derivate IIA), oder nach einer Aldolreaktion (AD) mit bspw. Formaldehyd (H2CO) zu den Polyolen (Divi- nylbenzol-Derivate IIB) hydriert (Hyd) werden, bspw. mit Wasserstoff (H2). Die Aldolreaktion ist nur möglich, wenn an dem zur Carbonylgruppe alpha-ständigen C-Atom ein Wasserstoffatom gebunden ist. Bei dem Einsatz von Divinylbenzol-Derivaten der Formel III als Ausgangsverbindung sind bestimmte Aldolreaktionen nur möglich, wenn der entsprechende Rest an der Vinyl- gruppe (Im Reaktionsschema R bzw. R') ein Wasserstoffatom ist (im Reaktionsschema markiert mit * für R=H bzw. ** für R'=H). Die Divinylbenzol-Derivate II entsprechen der Gesamtheit der Gruppe aus Divinylbenzol-Derivate IIA und IIB.
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+ + + +
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+ + + +
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Die Umsetzung des Divinylbenzol-Derivats der Formel III zu den entsprechenden Dialdehyden erfolgt üblicherweise mittels Hydroformylierung. Dabei wird das Divinylbenzol-Derivat der Formel III mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) in Gegenwart eines Hydroformylierungs-Katalysators (bspw. metallorganische Kobalt- oder Rhodiumverbin- düngen) bei erhöhtem Druck (bspw. 10 bis 100 bar Überdruck) und bei Temperaturen im Bereich von bspw. 40 bis 200 °C zu den entsprechenden Dialdehyden umgesetzt.
Die Dialdehyd-Derivate des Divinylbenzol-Derivats der Formel III können direkt zu den entsprechenden Diolen (Divinylbenzol-Derivate IIA) hydriert werden. Eine solche Hydrierung kann bspw. mittels Wasserstoff unter erhöhtem Druck in Gegenwart eines Hydrierkatalysators erfolgen.
Alternativ können die Dialdehyd-Derivate des Divinylbenzol-Derivats der Formel III auch zu den entsprechenden Polyolen (Divinylbenzol-Derivate IIB) umgesetzt werden. Dazu werden die Dialdehyd-Derivate des Divinylbenzol-Derivats der Formel III , soweit sie über ein H-Atom in alpha- Position zur Aldehyd-Gruppe (C,H-acide Verbindung) verfügen, zunächst durch Aldolreaktion mit einer Carbonylverbindung der Formel R9R10C=O, vorzugsweise mit Formaldehyd (R9 = H und R10 = H), unter Ausbildung einer neuen C-C-Bindung zum beta-Hydroxyaldehyd umgesetzt. Anschließend können die Aldehydgruppen wie oben für die Dialdehyd-Derivate des Divi- nylbenzols beschrieben reduziert werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Glycidylether IA, umfassend (i) die Hydroformylierung von Divinylbenzol-Derivaten der Formel III mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Hydroformylierungs-Katalysators bei erhöhtem Druck zu den entsprechenden Dialdehyden, und (ii) die katalytische Hydrierung der Dialdehyde aus der Hydroformylierung zu den entsprechenden Diolen, und (iii) die Umsetzung der Diole aus der katalytischen Hydrierung mit Epichlohydrin zu den entsprechenden Gly- cidylethern IA, wobei bei dem Divinylbenzol-Derivaten der Formel III die Reste R19 und R20 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H- Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur Herstellung von Glycidylether IB, umfassend (i) die Hydroformylierung von Divinylbenzol-Derivaten der Formel III mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Hydroformylierungs- Katalysators bei erhöhtem Druck zu den entsprechenden Dialdehyden, und (ii) die Aldolreaktion der Dialdehyde aus der Hydroformylierung mit einer Carbonylverbindung der Formel R7R8C=0 unter Ausbildung einer neuen C-C-Bindung zu den entsprechenden beta-Hydroxyaldehyden, (iii) die katalytische Hydrierung der beta-Hydroxyaldehyden aus der Aldolreaktion zu den entsprechenden drei- und vierwertigen Alkoholen, und (iv) die Umsetzung der drei- und vierwerti- gen Alkoholen aus der katalytischen Hydrierung mit Epichlohydrin zu den entsprechenden Gly- cidylethern IB, wobei bei dem Divinylbenzol-Derivaten der Formel III die Reste R19 und R20 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe, vorzugsweise ein H- Atom oder eine Ci-C4-Alkylgruppe, insbesondere ein H-Atom sind. Gegenstand der Erfindung sind auch die Divinylbenzol-Derivate II, IIA und IIB, die als Zwischenprodukt bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Glycidylether I, IA, bzw. IB dienen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter Verfahren zur Herstellung von Oligomeren, die auf Glycidylether I, IA oder IB basieren, durch Umsetzung von monomerem Glycidylether I, IA, bzw. IB mit Diolen (Kettenverlängerung). Dazu wird monomerer Glycidylether I, IA, bzw. IB oder ein Gemisch von monomerem Glycidylether I, IA, bzw. IB und entsprechendem oligomerem Glycidylether I, IA, bzw. IB umgesetzt mit einem oder mehreren Diolen. Vorzugsweise weist dabei der oligomere Glycidylether I, IA, bzw. IB einen geringen Oligomerisierungsgrad, insbesondere einen Oligomerisierungsgrad von 5 bis 10 auf. Vorzugsweise werden dazu 0,01 bis 0,95, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,8, insbesondere 0,1 bis 0,4 Äquivalente des Diols bezogen auf den oder die eingesetzten Glycidylether eingesetzt. Vorzugsweise wird durch einen unterstöch- iometrischen Einsatz des Diols bzw. der Diole erreicht, dass das resultierende Oligomer, das auf Glycidylether I, IA, bzw. IB basiert, im Mittel mehr als 1 , bevorzugt mehr als 1 ,5, besonders bevorzugt mehr als 1 ,9 Epoxidgruppen pro Molekül aufweist. Die Reaktion erfolgt üblicherweise in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 200 °C, bevorzugt von 60 °C bis 160 °C. Geeignete Diole sind typischerweise aromatische, cycloaliphatische oder aliphatische Dihydroxyverbin- dungen, beispielsweise Furandimethanol, kernhydriertes Bisphenol A, kernhydriertes Bisphenol F, Neopentylglykol, Bisphenol A, Bisphenol F oder Bisphenol S, bevorzugt Furandimethanol, kernhydriertes Bisphenol A oder kern hydriertes Bisphenol F.
Entsprechend sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch Oligomeren, die auf Glycidylether I, IA, bzw. IB basieren, die erhältlich sind bzw. erhalten werden, durch Umsetzung eines monomeren Glycidylethers I, IA, bzw. IB oder des entsprechenden oligomeren Gly- cidylethers oder eines Gemisch von monomerem Glycidylether I, IA, bzw. IB und dem entsprechenden oligomeren Glycidylether mit einem oder mehreren Diolen. Vorzugsweise weist dabei der oligomere Glycidylether I, IA, bzw. IB einen geringen Oligomerisierungsgrad, insbesondere einen Oligomerisierungsgrad von 5 bis 10 auf. In einer besonderen Ausführungsform sind die eingesetzten ein oder mehreren Diole nicht identisch ist mit den Divinylbenzol-Derivaten IIA, wodurch Mischoligomere, die auf Glycidylether I, IA, bzw. IB basieren, erhältlich sind bzw. erhalten werden. In einer besonderen Ausführungsform sind die eingesetzten ein oder mehreren Diole identisch mit den Divinylbenzol-Derivaten IIA, wodurch Oligomere, die auf Glycidylether I, IA, bzw. IB basieren, erhältlich sind bzw. erhalten werden. In analoger Weise können auch ge- zielt höhermolekulare oligomere Glycidylether I, IA, bzw. IB ausgehend von oligomeren Glycidylether I, IA, bzw. IB mit geringerem Oligomerisierungsgrad hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch härtbare Epoxidharz-Zusammensetzungen, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monomerem Glycidylether I, IA bzw. IB, oligomerem Glycidylether I, IA bzw. IB und Oligomer, das auf Glycidylether I, IA bzw. IB basiert. Die vorliegende Erfindung betrifft auch härtbare Epoxidharz-Zusammensetzungen, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monomerem Glycidylether I, IA bzw. IB, oligomerem Glycidylether I, IA bzw. IB und Mischoligo- mer, das auf Glycidylether I, IA bzw. IB basiert.
Vorzugsweise betrifft die vorliegende Erfindung härtbare Epoxidharz-Zusammensetzungen, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe beste- hend aus monomerem Glycidylether I und oligomerem Glycidylether I. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung härtbare Epoxidharz-Zusammensetzungen, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monomerem Glycidylether IA, monomerem Glycidylether IB, oligomerem Glycidylether IA und oligomerem Gly- cidylether IB.
In einer besonderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung härtbare Epoxidharz- Zusammensetzungen, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus oligomerem Glycidylether IA und oligomerem Glycidylether IB, wobei das Epoxidäquivalent (EEW) der eingesetzten oligomeren Glycidylether im statistischen Mittel zwischen 130 und 6000 g/mol, insbesondere zwischen 140 und 1000 g/mol liegt.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung weniger als 40 Gew.-%, bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Bisphenol A oder F basierte Verbindungen bezogen auf die gesamte Harzkomponente auf. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz- Zusammensetzung frei von Bisphenol A oder F basierten Verbindungen. Bisphenol A oder F basierte Verbindungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Bisphenol A und F selbst, de- ren Diglycidylether, sowie darauf basierende Oligo- oder Polymere.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz- Zusammensetzung machen die erfindungsgemäßen Polyepoxidverbindungen insgesamt einen Anteil von mindestens 40 Gew.-%, bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, insbesondere mindes- tens 80 Gew.-% bezogen auf die gesamte Harzkomponente aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz- Zusammensetzung macht die gesamte Harzkomponente mindesten 10 Gew.-%, insbesondere mindestens 25 Gew.-% bezogen auf die gesamte härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung aus.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Epoxidverbindungen und nur die Epoxidverbin- dungen der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung der Harzkomponente zuzurechnen. Epo- xidverbindungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Verbindungen mit mindestens einer Epoxidgruppe, also beispielsweise auch entsprechende Reaktivverdünner.
Vorzugsweise weisen die Epoxidverbindungen der Harzkomponente im statistischen Mittel min- destens 1 ,1 , bevorzugt mindestens 1 ,5, insbesondere mindestens 1 ,9 Epoxidgruppen pro Molekül auf.
Härter im Sinne der Erfindung sind Verbindungen, die geeignet sind, eine Vernetzung der erfindungsgemäßen Polyepoxidverbindungen zu bewirken.
Durch Umsetzung mit Härtern können Polyepoxidverbindungen in nicht schmelzbare, dreidimensional "vernetzte", duroplastische Materialien überführt werden.
Bei der Härtung von Epoxidharzen unterscheidet man zwischen zwei Härtungstypen. Im ersten Fall weist der Härter wenigstens zwei funktionellen Gruppen auf, welche mit den Oxiran- und/oder Hydroxygruppen der Polyepoxidverbindungen unter Ausbildung kovalenter Bindungen reagieren können (Polyadditionsreaktion). Beim Aushärten kommt es dann zur Ausbildung eines polymeren Netzwerkes aus miteinander kovalent verknüpften von den Polyepoxidverbindungen abstammenden Einheiten und von den Härtermolekülen abstammenden Einheiten, wo- bei der Grad der Vernetzung über die relativen Mengen der funktionellen Gruppen im Härter und in der Polyepoxidverbindung gesteuert werden kann. Im zweiten Fall wird eine Verbindung eingesetzt, welche die Homopolymerisation von Polyepoxidverbindungen untereinander bewirkt. Derartige Verbindungen werden häufig auch als Initiator oder Katalysator bezeichnet. 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 Epoxidgruppe 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. Auch Mischungen aus verschiedenen Polyadditionsreaktion eingehenden Härtern und Mi- schungen aus Homopolymerisation induzierenden Härtern, sowie Mischungen aus Polyadditionsreaktion eingehenden und Homopolymerisation induzierenden Härtern können zur Härtung von Polyepoxidverbindungen eingesetzt werden.
Geeignete funktionelle Gruppen, die mit den Oxirangruppen von Polyepoxidverbindungen (Epo- xidharzen) eine Polyadditionsreaktion eingehen können, sind beispielsweise Aminogruppen, Hydroxygruppen, Thioalkohole bzw. Derivate davon, Isocyanate und Carboxylgruppen bzw. Derivate davon, wie Anhydride. Dementsprechend werden üblicherweise als Härter für Epoxidharze aliphatische, cycloaliphatische und aromatische Polyamine, Carbonsäureanhydride, Po- lyamidoamine, Aminoplaste wie z.B. Formaldehydkondensationsprodukte von Melamin, Harnstoff, Benzoguanamin oder Phenoplaste wie z.B. Novolake, eingesetzt. Auch oligomere oder polymere Härter auf Acrylatbasis mit Hydroxy- oder Glycidylfunktionen in der Seitenkette sowie Epoxyvinylesterharze werden verwendet. Dem Fachmann ist bekannt, für welche Anwendun- gen ein schnell oder langsam wirkender Härter eingesetzt wird. So wird er beispielsweise für lagerstabile Einkomponenten-Formulierungen einen sehr langsam (bzw. erst bei höherer Temperatur) wirkenden Härter verwenden. Gegebenenfalls wird man einen Härter verwenden, der erst unter Anwendungsbedingungen als aktive Form freigesetzt wird, beispielsweise Ketimine oder Aldimine. Bekannte Härter besitzen eine lineare oder höchstens schwach vernetzte Struk- tur. Sie sind beispielsweise in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Auflage auf CD-ROM, 1997, Wiley-VCH, Kapitel "Epoxy Resins" beschrieben, worauf hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Geeignete Härter für die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung sind beispielsweise Polyphenole, Polycarbonsäuren, Polymerkaptane, Polyamine, primäre Monoamine, Sulfonamide, Aminophenole, Aminocarbonsäuren, Carbonsäureanyhdride, phenolische Hydro- xygruppen enthaltende Carbonsäuren, Sulfanilamide, sowie Mischungen davon. Im Rahmen dieser Erfindung sei unter den jeweiligen Poly-Verbindungen (z.B. Polyamin) auch die entsprechenden Di-Verbindungen (z.B. Diamin) zu verstehen.
Bevorzugte Härter für die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung sind Aminohärter und Phenolharze.
In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz- Zusammensetzung einen Aminohärter als Härter. Für die Polyadditionsreaktion geeignete Aminohärter sind Verbindungen, die mindestens zwei sekundäre oder mindestens eine primäre Aminogruppe besitzen. Durch die Verknüpfung der Aminogruppen des Aminohärters mit den Epoxidgruppen der Polyepoxidverbindung bilden sich Polymere, deren Einheiten von den Ami- nohärtern und den Polyepoxidverbindungen stammen. Aminohärter werden daher in der Regel im stöchiometrischem 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.
Die Aminohärter der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung besitzen mindestens eine primäre Aminogruppe oder zwei sekundäre Aminogruppen. Ausgehend von Polyepoxidverbindungen mit mindestens zwei Epoxidgruppen kann mit einer Aminoverbindung mit mindestens zwei Aminofunktionen eine Härtung durch eine Polyadditionsreaktion (Kettenverlängerung) erfolgen. Dabei entspricht die Funktionalität einer Aminoverbindung ihrer Anzahl an NH-Bindungen. Eine primäre Aminogruppe hat somit eine Funktionalität von 2, während eine sekundäre Aminogruppe eine Funktionalität von 1 hat. Durch die Verknüpfung der Aminogruppen des Aminohärters mit den Epoxidgruppen der Polyepoxidverbindung bilden sich Polymere aus dem Aminohärter und der Polyepoxidverbindung, wobei die Epoxidgruppen zu freien OH- Gruppen umgesetzt werden. Bevorzugt werden Aminohärter verwendet, mit einer Funktionalität von mindestens 3 (beispielsweise mindestens 3 sekundäre Aminogruppen oder mindestens eine primäre und eine sekundäre Aminogruppe), insbesondere solche mit zwei primären Aminogruppen (Funktionalität von 4). Bevorzugte Aminohärter sind Dimethyldicykan (DMDC), Dicyandiamid (DICY), Isophorondiamin (IPDA), Diethylentriamin (DETA), Triethylentetramin (TETA), Bis(p-aminocyclohexyl)methan (PACM), Methylendianilin (bspw. 4,4'-Methylendianilin), Polyetheramine, bspw. Polyetheramin D230, Diaminodiphenylmethan (DDM), Diaminodiphenylsulfon (DDS), 2,4-Toluoldiamin, 2,6- Toluoldiamin, 2,4-Diamino-1 -methylcyclohexan, 2,6-Diamino-1 -methylcyclohexan, 2,4-Diamino- 3,5-diethyltoluol, 2,6-Diamino-3,5-diethyltoluol, 1 ,2-Diaminobenzol, 1 ,3-Diaminobenzol, 1 ,4- Diaminobenzol, Diaminodiphenyloxid, 3,3',5,5'-Tertramethyl-4,4'-diaminodiphenyl und 3,3'- Dimethyl4,4'-diaminodiphenyl, sowie Aminoplaste wie z.B. Kondensationsprodukte von Aldehyden wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Crotonaldehyd oder Benzaldehyd mit Melamin, Harnstoff oder Benzoguanamin sowie Gemisch davon. Besonders bevorzugte Aminohärter für die erfin- dungsgemäße härtbare Zusammensetzung sind Dimethyldicykan (DMDC), Dicyandiamid
(DICY), Isophorondiamin (IPDA) und Methylendianilin (bspw. 4,4'-Methylendianilin) sowie Aminoplaste wie z.B. Kondensationsprodukte von Aldehyden wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Crotonaldehyd oder Benzaldehyd mit Melamin, Harnstoff oder Benzoguanamin. Vorzugsweise werden bei der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung Polyepoxidverbindung und Aminohärter in einem bezogen auf die Epoxid- bzw. die Aminofunk- tionalität in etwa stöchiometrischem Verhältnis eingesetzt. Besonders geeignete Verhältnisse von Epoxidgruppen zu Aminofunktionalität sind beispielsweise 1 : 0,8 bis 0,8 : 1 . In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz- Zusammensetzung ein Phenolharz als Härter. Für die Polyadditionsreaktion geeignete Phenolharze besitzen mindestens zwei Hydroxylgruppen. Durch die Verknüpfung der Hydroxylgruppen des Phenolharzes mit den Epoxidgruppen der Polyepoxidverbindung bilden sich Polymere, deren Einheiten von den Phenolharzen und den Polyepoxidverbindungen stammen. Phenolharze können in der Regel sowohl im stochiometrischen als auch im substochiometrischen Verhältnis zu den Epoxidverbindungen eingesetzt. Bei Einsatz substöchiometrischer Mengen des Phenolharzes wird durch Einsatz geeigneter Katalysatoren die Reaktion der sekundären Hydroxygrup- pen des bereits entstandenen Epoxidharzes mit Epoxidgruppen begünstigt. Geeignete Phenolharze sind beispielsweise Novolake, phenolische Resole, allgemein Kondensationsprodukte von Aldehyden (bevorzugt Formaldehyd und Acetaldehyd) mit Phenolen. Bevorzugte Phenole sind Phenol, Cresol, Xylenole, p-Phenylphenol, p-tert.butyl-Phenol, p- tert.amyl-Phenol, Cyclopentylphenol, p-Nonyl- und p-Octylphenol. Die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung kann auch einen Beschleuniger für die Härtung umfassen. Geeignete Härtungsbeschleuniger sind beispielsweise Imidazol oder Imidazol-Derivate oder Harnstoffderivate (Urone), wie beispielsweise 1 ,1 -Dimethyl-3- phenylharnstoff (Fenuron). Auch die Verwendung von tertiären Aminen wie beispielsweise Triethanolamin, Benzyldimethylamin, 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol und Tetramethyl- guanidin als Härtungsbeschleuniger ist beschrieben (US 4,948,700). Bekanntermaßen kann beispielsweise die Härtung von Epoxidharzen mit DICY durch Zugabe von Fenuron beschleunigt werden.
Die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung kann auch ein Verdünnungsmittel beinhalten.
Verdünnungsmitteln im Sinne dieser Erfindung sind konventionelle Verdünnungsmittel oder Re- aktivverdünner. Durch die Zugabe von Verdünnungsmittel zu einer härtbaren Epoxidharz- Zusammensetzung wird üblicherweise deren Viskosität gesenkt.
Konventionelle Verdünnungsmittel sind typischerweise organische Lösungsmittel oder Mischungen davon, beispielsweise Ketone wie Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon (MIBK), Diethylketon oder Cyclohexanon, Ester aliphatischer Carbonsäuren wie Ethylacetat, Propylacetat, Methoxypropylacetat oder Butylacetat, Glykole wie Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol oder Propylenglykol etc., Glykolderivate wie Ethoxyethanol, Ethoxyethano- lacetat, Ethylen- oder Propylenglycolmono- oder dimethylether, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol oder Xylole, aliphatische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Heptan, sowie Alkanole wie Methanol, Ethanol, n- oder Isopropanol oder Butanole. Während des Aushärtens des Epoxidharzes verdampfen sie aus der Harzmasse. Dies kann zu einer unerwünschten Volumenreduktion des Harzes (Schrumpfung) oder zur Porenbildung führen, und so mechanische Eigenschaften des ausgehärteten Materials wie beispielsweise die Bruchfestigkeit aber auch die Oberflächeneigenschaften nachteilig beeinflussen.
Reaktivverdünner sind niedermolekulare Substanzen, die im Unterscheid zu konventionellen Lösungsmitteln funktionelle Gruppen, in der Regel Oxirangruppen, aufweisen, welche mit den Hydroxygruppen des Harzes und/oder den funktionellen Gruppen des Härters unter Ausbildung kovalenter Bindungen reagieren können. Reaktivverdünner im Sinne der vorliegenden Erfin- dung sind aliphatische oder cycloaliphatische Verbindungen. Sie verdampfen während des Aushärtens nicht, sondern werden während des Aushärtens kovalent in die sich bildende Harzmatrix eingebunden. Geeignete Reaktivverdünner sind beispielsweise mono- oder polyfunktionelle Oxirane. Beispiele für monofunktionelle Reaktivverdünner sind Glycidylether aliphatischer und cycloaliphatischer Monohydroxyverbindungen mit in der Regel 2 bis 20 C- Atomen wie z. B. Ethylhexylglycidylether sowie Glycidylester aliphatischer oder cycloaliphatischer Monocarbonsäuren mit in der Regel 2 bis 20 C-Atomen. Beispiele für polyfunktionelle Reaktivverdünner sind insbesondere Glycidylether polyfunktioneller Alkohole mit in der Regel 2 bis 20 C-Atomen, die im Mittel typischerweise 1 ,5 bis 4 Glycidylgruppen aufweisen, wie 1 ,4- Butandioldiglycidylether, 1 ,6-Hexandioldiglycidylether, Diethylenglykoldiglycidylether oder die Glycidylether des Trimethylolpropans oder Pentaerythritols. Bisher beschriebene Reaktivverdünner verbessern zwar die Viskositätseigenschaften der Epoxidharzzusammensetzungen, vielfach verschlechtern sie aber die Härte des ausgehärteten Harzes und führen zu einer geringeren Lösungsmittelbeständigkeit. Des Weiteren ist bekannt, dass die Reaktivverdünner die Reaktivität der damit formulierten Epoxidharz-Zusammensetzungen verringern, was längere Härtungszeiten zur Folge hat.
Die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung kann auch Füllstoffe, bei- spielsweise Pigmente, beinhalten. Geeignete Füllstoffe sind Metalloxide wie Titandioxid, Zinkoxid und Eisenoxid oder Hydroxide, Sulfate, Carbonate, Silicate dieser oder anderer Metalle, beispielsweise Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Aluminiumsilicate. Weitere geeignete Füllstoffe sind beispielsweise Siliziumdioxid, pyrogene oder Fällungskieselsäure sowie Ruß, Talk, Baryt oder andere nichttoxische Pigmente. Auch Mischungen der Füllstoffe können eingesetzt wer- den. Den Gewichtsanteil der Füllstoffe an der Beschichtung, ihre Partikelgröße, -härte sowie ihren Formfaktor (aspect ratio) wird ein Fachmann je nach den Anwendungserfordernissen wählen.
Die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung kann weitere Additive je nach den Erfordernissen enthalten, beispielsweise Entschäumer, Dispergiermittel, Netzmittel, Emul- gatoren, Verdicker, Biocide, Co-Solventien, Basen, Korrosionsinhibitoren, Flammschutzmittel, Trennmittel und/oder Wachse.
Die erfindungsgemäße härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung kann auch Verstärkungsfasern wie Glasfasern oder Carbonfasern enthalten. Diese können beispielsweise als kurze Faserstücke von wenigen mm bis cm Länge, sowie als Endlosfasern, Wickel oder Gewebe vorliegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Epoxidharzes, umfassend die Härtung der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung.
Die Härtung kann bei Normaldruck und bei Temperaturen kleiner 250 °C, insbesondere bei Temperaturen kleiner 235 °C, vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 220 °C erfolgen, insbesondere in einem Temperaturbereich von 40 °C bis 220 °C. Die Härtung der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung zu Formkörpern erfolgt üblicherweise in einem Werkzeug, bis Formstabilität erreicht ist und das Werkstück aus dem Werkzeug entnommen werden kann. Der sich anschließende Prozess zum Abbau von Eigenspannungen des Werkstücks und/oder zum Vervollständigen der Vernetzung des gehärteten Epoxidharzes wird Tempern genannt. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Temperprozess auch vor Entnahme des Werkstückes aus dem Werkzeug durchzuführen, etwa zur Vervollständigung der Vernetzung. Der Temperprozess findet üblicherweise bei Temperaturen an der Grenze der Formsteifigkeit statt (Menges et. al.,„Werkstoffkunde Kunststoffe" (2002), Hanser-Verlag, 5. Auflage, S. 136). Üblicherweise wird bei Temperaturen von 120 °C bis 220 °C, bevorzugt bei Temperaturen von 150 °C bis 220 °C getempert. Üblicherweise wird das gehärtete Werkstück für einen Zeit- räum von 30 bis 240 min den Temperbedingungen ausgesetzt. Abhängig von den Abmessungen des Werkstücks, können auch längerer Temperzeiten angebracht sein. Bei der Härtung der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung zu Beschichtungen wird zunächst das zu beschichtende Substrat mit der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung beaufschlagt und anschließend die härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung auf dem Substrat gehärtet.
Das Beaufschlagen der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung kann vor oder nach dem Formen des gewünschten Artikels durch Tauchen, Spritzen, Aufwalzen, Aufstreichen, Aufrakeln oder dergleichen bei flüssigen Formulierungen oder durch Aufbringen eines Pulverlacks erfolgen. Das Aufbringen kann auf Einzelstücke (z.B. Dosenteile) oder auf prinzipiell endlose Sub- strate, beispielsweise auf Bandrollen aus Stahl beim Coil Coating, erfolgen. Geeignete Substrate sind üblicherweise aus Stahl, Weißblech (verzinnter Stahl) oder Aluminium (z.B. für Getränkedosen). Das Aushärten der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung nach Aufbringen auf dem Substrat findet üblicherweise im Temperaturbereich von 20 °C bis 250 °C, bevorzugt von 50 °C bis 220 °C, besonders bevorzugt von 100 °C bis 220 °C statt. Die Zeit beträgt üblicher- weise 0,1 bis 60 min, bevorzugt 0,5 bis 20 min, besonders bevorzugt 1 bis 10 min.
Eine ausführliche Beschreibung der gängigen Typen von Metallverpackungen und ihrer Herstellung, verwendete Metalle und Legierungen und Beschichtungsmethoden wird in P.K.T. Oldring und U. Nehring: Packaging Materials, 7. Metal Packaging for Foodstuffs, ILSI Report, 2007, gegeben, worauf hiermit Bezug genommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter die durch Härtung der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung erhältlichen bzw. erhaltenen gehärteten Epoxidharze, insbesondere in Form von Beschichtungen auf metallischen Substraten.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter die Verwendung von erfindungsgemäßen monomeren oder oligomeren Glycidylether I, IA oder IB oder von Oligomeren, die auf Glycidylether I, IA oder IB basieren, bzw. der erfindungsgemäßen härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung zur Herstellung von Klebstoffen, Verbundwerkstoffen, Formkörpern und Beschichtungen, insbesondere von Beschichtungen, vorzugsweise von Behältern, insbesondere von Behältern für die Lagerung von Lebensmitteln.
Die Erfindung wird nun durch die nachfolgenden, nichtlimitierenden Beispiele näher erläutert. Beispiel 1
Herstellung von Divinylbenzol-Derivat IIA
Divinylbenzol (650 g; Aldrich) wurden mit Isopropanol (650 g) und Rh(CO)2-Acetoacetat (65 mg) versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde in einem Autoklaven CO/H2 (1 :1 ) mit einem Kaltdruck von 20 bar aufgepresst. Anschließend wurde die Reaktion bei 90 °C und einem Reaktionsdruck von 280 bar (durch stufenweise Aufpressen von weiterem Synthesegas (CO/H2 (1 :1 ))) für 5 h unter Rühren durchgeführt. Nach Entspannen auf Normaldruck wurden 1200 g des Reaktionsgemisches, das die entsprechenden Dialdehyde enthielt, mit destilliertem Wasser (120 g) und Raney-Nickel (40 g) versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde in einem Autoklaven Wasserstoff mit einem Kaltdruck von 60 bar aufgepresst. Anschließend wurde die Reaktion bei 120 °C und einem Reaktionsdruck von 100 bar (durch weiteres Aufpressen von Wasserstoff) für 15 h unter Rühren durchgeführt. Nach Entspannen auf Normaldruck wurde das Raney-Nickel über eine Fritte mit Kieselgur aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt. 1200 g des verbleibenden Reaktionsgemisches, das die entsprechenden Diole enthielt, wurden anschließend destillativ gereinigt. Dazu wurde zunächst in einem Rotationsverdampfer das Isopropanol bei 80 °C und 100 bis 10 mbar abgezogen. Die verbleibende Diol-haltige Fraktion wurde anschließend bei Temperaturen von 1 15 bis 185 °C fraktioniert destilliert um das Divinybenzol-Derivat IIA, das eine Mi- schung der verschiedenen Diole ist, zu erhalten.
Beispiel 2
Herstellung von Divinylbenzol-Derivat IIB Die Herstellung von Divinylbenzol-Derivat IIB aus Divinylbenzol kann entsprechend Beispiel 1 erfolgen, wobei das Reaktionsgemisch aus der Umsetzung mit Synthesegas (Hydroformylie- rungs-Produkt), das die entsprechenden Dialdehyde enthält, vor der Durchführung des Hydrierungsschritts zunächst einer Aldolreaktion mit bspw. Formaldehyd unterzogen wird. Dazu kann das Dialdehyd-haltige Reaktionsgemisch aus der Hydroformylierungsreaktion, ggf. nach zuvor durchgeführter destillativer Aufreinigung, bspw. mit einem molaren Überschuss an wässrigem Formaldehyd (36,5%tig) werden, worauf diesem Reaktionsgemisch dann einer katalytischen Menge von Triethanolamin langsam zudosiert wird, und es anschließend nach erfolgter Aldolreaktion mit Ameisensäure (98%tig) neutralisiert wird. Das so hergestellte Reaktionsgemisch kann, ggf. nach destillativer Aufreinigung einer Hydrierung wie in Beispiel 1 beschrieben unter- zogen werden, so dass Divinylbenzol-Derivat IIB, das eine Mischung der verschiedenen Polyole ist, erhältlich ist.
Beispiel 3
Herstellung von monomerem und/oder oligomerem Glycidylether IA
Das Divinylbenzol-Derivat IIA (0,7 mol, 136 g), das eine Mischung der verschiedenen Diolen ist, die sich aus der Hydroformylierung und anschließenden Hydrierung von Divinylbenzol ergeben wurde auf 90 °C erhitzt und mit Zinn(IV)chlorid (7,6 mmol, 2 g) versetzt. Anschließend wurde portionsweise Epichlorhydrin (1 ,4 mol, 129,5 g) zugetropft, wobei die Temperatur nicht über 140 °C steigen und nicht unter 85 °C fallen sollte. Nach beendeter Zugabe wurde noch solange bei 90 °C gerührt bis kein Epoxidgehalt mehr messbar war. Die Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, mit 25%iger Natronlauge (1 ,4 mol, 224 g) versetzt und einmal zum Sieden erhitzt. Nach Abkühlen wurden die Phasen getrennt, die organische Phase mehrfach mit Wasser gewaschen und am Vakuum getrocknet. Das Produkt wurde mit einer Ausbeute von 95% erhalten.
Das so erhaltene Epoxidharz wies einen EEW von 202 auf, was darauf hindeutet, dass neben monomerem Diglycidylether auch Dimere, Trimere und höhermolekulare Diglycidylether vor- handen waren. Der monomere Diglycidylether lässt sich destillativ von den Oligomeren abtrennen.
Beispiel 4
Herstellung von monomerem und/oder oligomerem Glycidylether IB
Ausgehend von dem Divinylbenzol-Derivat IIB aus Beispiel 2 kann der Glycidylether IB analog zu Beispiel 3 durch Umsetzung mit Epichlohydrin hergestellt werden. Dabei wird vorzugsweise die molare Menge an eingesetztem Epichlohydrin bezogen auf die Anzahl Hydroxylgruppen des Divinylbenzol-Derivats IIB im Vergleich zu dem Divinylbenzol-Derivat IIA angepasst.
Der monomere Glycidylether IB kann destillativ von den Oligomeren gereinigt werden.
Beispiel 5
Herstellung von gehärtetem Epoxidharz aus monomerem und/oder oligomerem Glycidylether IA
Glycidylether IA aus Beispiel 3 (EEW 202 g/eq) wurde unmittelbar nach der Herstellung und ohne weitere Aufreinigung mit einer stöchiometrischen Menge eines aminischen Härters gemischt. Als Härter wurde Isophorondiamin (IPDA) eingesetzt. Zum Vergleich wurde eine entsprechende stochiometrische Mischung aus Bisphenol-A basiertem Epoxidharz (BADGE; Epilox A19-03 der Firma LEUNA Harze, EEW 182 g/eq) und IPDA hergestellt. Die Mischungen wurden für die Theologischen Charakterisierung bei 23 °C und 75 °C inkubiert.
Die Theologischen Messungen zur Untersuchung des Reaktivitätsprofils wurden an einem schubspannungsgesteuerten Platte-Platte Rheometer (MCR 301 der Firma Anton Paar) mit einem Plattendurchmesser von bspw. 15 mm und einem Spaltabstand von bspw. 0,25 mm bei den unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt.
Die Messung der Gelierzeit wurde rotierend-oszillierend an dem oben genannten Rheometer bei bspw. 23 °C und 75 °C durchgeführt werden. Der Schnittpunkt von Verlustmodul (G") und Speichermodul (G') liefert die Gelierzeit. Die mittlere Viskosität während 2 bis 5 min nach Herstellen der Mischung wurde als Anfangsviskosität (AV) erachtet.
Die Messung der Glasübergangstemperatur (Tg) wurde mittels DSC-Untersuchung (Differential Scanning Calorimetry) der Härtungsreaktion nach ASTM D 3418 beim 2ten Durchlauf durchgeführt, wobei das folgende Temperaturprofil gefahren wurde: 0°C -> 5K/min 180°C -> 30min 180°C -» 20K/min 0°C -» 20K/min 220°C.
Die Ergebnisse für Anfangsviskosität (AV), Zeit bis zum Erreichen einer Viskosität von 10.000 mPa*s (t-ioooomPas), Gelierzeit (.GEL) und Glasübergangstemperatur (Tg) für das Harz auf Basis des Glycidylether IA im Vergleich zu einem BADGE basierten Harz sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1 : Rheologische Untersuchung und DSC
Figure imgf000022_0001
Die Messungen zeigen, dass mit dem HDVB-DGE basierten Harz eine deutlich geringere Glasübergangstemperatur erzielt wird, was auf eine erhöhte Flexibilität hinweist. Des Weiteren sind eine deutlich erniedrigte Startviskosität sowie eine verminderte Reaktivität bei der Härtung mit einem üblichen Aminohärter festzustellen.
Beispiel 6
Herstellung von gehärtetem Epoxidharz aus monomerem und/oder oligomerem Glycidylether IB Glycidylether IB aus Beispiel 4 kann entsprechend Beispiel 5 eingesetzt und charakterisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Glycidylether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glycidylether der Formel I
Figure imgf000023_0001
und oligomeren Glycidylether davon,
wobei
R1 = B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = CR9R10OA und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = CR9R10OA,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = CR9R10OA und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = CR9R10OA,
und wobei
A eine Glycidylgruppe oder ein H-Atom ist, und
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist,
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe sind,
und wobei
mindestens 2 A-Reste jeweils eine Glycidylgruppe sind,
und wobei
der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Glycidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligomerer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oligomerer Glycidylether einen Oligomerisierungs- grad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist. Der Glycidylether gemäß Anspruch 1 , ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glycidylether der Formel I und oligomeren Glycidylether davon,
wobei
R1 = B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H ,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H,
und wobei
A eine Glycidylgruppe ist, und
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist,
und wobei
der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Glycidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligomerer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oligomerer Glycidylether einen Oligomerisierungs- grad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist.
Der Glycidylether gemäß Anspruch 1 , ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glycidylether der Formel I und oligomeren Glycidylether davon,
wobei
R1 = B und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = CR9R10OA und R2 = CH2OA und R3 = H und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = H, oder
R1 = B und R2 = H und R3 = CH2OA und R4 = CR9R10OA,
und wobei
R5 = B und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = CR9R10OA und R6 = CH2OA und R7 = H und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = H, oder
R5 = B und R6 = H und R7 = CH2OA und R8 = CR9R10OA,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist, und
mindestens einer der Reste R1 , R4, R5 oder R8 eine CR9R10OA-Gruppe ist, und
A eine Glycidylgruppe oder ein H-Atom ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine C1-C4-
Alkylgruppe sind,
und wobei mindestens 2 A-Reste jeweils eine Glycidylgruppe sind,
und wobei
der oligomere Glycidylether durch die intermolekulare Reaktion von glycidylierten Resten mit nicht-glycidylierten, Hydroxylgruppen enthaltenden Resten des monomeren Gly- cidylethers der Formel I und deren partiell oder nicht glycidylierten Derivate unter Öffnung des Oxiranrings entstehen, wobei die durch die Ringöffnung des Oxiranrings entstandene Hydroxylgruppe des oligomerer Glycidylethers wiederum auch in glycidylierter Form vorliegen kann, und wobei der oligomerer Glycidylether einen Oligomerisierungs- grad von 2 bis 100 und im Mittel mindestens 1 ,3 Glycidylgruppen aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Glycidylether nach Anspruch 2, umfassend
die Hydroformylierung von Divinylbenzol-Derivat der Formel III
Figure imgf000025_0001
mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Hydro- formylierungs-Katalysators bei erhöhtem Druck zu den entsprechenden Dialdehy- den, und
die katalytische Hydrierung der Dialdehyde aus der Hydroformylierung zu den entsprechenden Diolen, und
die Umsetzung der Diole aus der katalytischen Hydrierung mit Epichlohydrin zu den entsprechenden Glycidylethern gemäß Anspruch 2,
wobei bei dem Divinylbenzol-Derivaten der Formel III die Reste R19 und R20 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe sind.
Verfahren zur Herstellung von Glycidylether nach Anspruch 3, umfassend
die Hydroformylierung von Divinylbenzol-Derivat der Formel III
Figure imgf000025_0002
mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Hydro- formylierungs-Katalysators bei erhöhtem Druck zu den entsprechenden Dialdehy- den, und die Aldolreaktion der Dialdehyde aus der Hydroformylierung mit einer Carbonylverbindung der Formel R7R8C=0 unter Ausbildung einer neuen C-C-Bindung zu den entsprechenden beta-Hydroxyaldehyden,
die katalytische Hydrierung der beta-Hydroxyaldehyden aus der Aldolreaktion zu den entsprechenden drei- und vierwertigen Alkoholen, und
die Umsetzung der drei- und vierwertigen Alkoholen aus der katalytischen Hydrierung mit Epichlohydrin zu den entsprechenden Glycidylethern gemäß Anspruch 3, wobei bei dem Divinylbenzol-Derivaten der Formel III die Reste R19 und R20 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe sind.
Divinylbenzol-Derivat der Formel II
Figure imgf000026_0001
wobei
R1 1 B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 CR9R10OH und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = H, oder
R1 1 B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = CR9R10OH,
und wobei
R15 B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 CR9R10OH und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H, oder
R15 B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = CR9R10OH,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine C1-C4-
Alkylgruppe sind.
Das Divinylbenzol-Derivat der Formel II gemäß Anspruch 6,
wobei
R1 1 = B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14
und wobei
R15 = B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist.
Das Divinylbenzol-Derivat der Formel II gemäß Anspruch 6,
wobei
R1 1 = B und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 = CR9R10OH und R12 = CH2OH und R13 = H und R14 = H, oder
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = H, oder
R1 1 = B und R12 = H und R13 = CH2OH und R14 = CR9R10OH,
und wobei
R15 = B und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 = CR9R10OH und R16 = CH2OH und R17 = H und R18 = H, oder
R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = H, oder
R15 = B und R16 = H und R17 = CH2OH und R18 = CR9R10OH,
und wobei
B ein H-Atom oder eine Ci-Cio-Alkylgruppe ist, und
mindestens einer der Reste R1 , R4, R5 oder R8 eine CR9R10OH-Gruppe ist, und
R9 und R10 jeweils unabhängig voneinander ein H-Atom oder eine C1-C4- Alkylgruppe sind.
Oligomer, das erhältlich ist durch Umsetzung von Glycidylether der Formel I gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem oder mehreren Diolen.
0. Härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidver- bindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glycidylether der Formel I nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oligomerern Glycidylether nach einem der Ansprüche
1 bis 3 und Oligomer nach Anspruch 9.
1 . Die härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung gemäß Anspruch 10, umfassend eine Härterkomponente, die mindestens einen Härter enthält, und eine Harzkomponente, die mindestens eine Polyepoxidverbindung enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glycidylether der Formel I nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und oligomerern Glycidylether nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
2. Die härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , wobei der mindestens eine Härter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aminohärter und Phenolharz.
13. Die härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Polyepoxidverbindungen insgesamt einen Anteil von mindestens 40 Gew.-% bezogen auf die gesamte Harzkomponente ausmachen. 14. Die härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die härtbare Epoxidharz-Zusammensetzung einen Anteil von weniger als 40 Gew.-% Bisphenol A oder F basierte Verbindungen bezogen auf die gesamte Harzkomponente aufweist. 15. Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Epoxidharzes, umfassend die Härtung der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
Gehärtetes Epoxidharz erhältlichen durch Härtung der härtbaren Epoxidharz- Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
Verwendung der härtbaren Epoxidharz-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Herstellung von Klebstoffen, Verbundwerkstoffen, Formkörpern oder Beschich- tungen.
PCT/EP2014/066952 2013-08-14 2014-08-07 Glycidylether von divinylbenzol-derivaten und deren oligomere als härtbare epoxidharze WO2015022253A1 (de)

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US14/911,827 US20160194436A1 (en) 2013-08-14 2014-08-07 Glycidyl ethers of divinylbenzene derivatives and oligomers thereof as curable epoxy resins
EP14747946.3A EP3033320A1 (de) 2013-08-14 2014-08-07 Glycidylether von divinylbenzol-derivaten und deren oligomere als härtbare epoxidharze

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EP13180427.0 2013-08-14
EP13180427 2013-08-14

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