DE2225646A1 - Wasserverduennbare einbrennlacke - Google Patents
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Description
Wäßrige Bindemittelsysteme sind seit langem bekannt. Sie finden vorzugsweise in Kombination mit Aminoplasten als wäßrige
Einbrennlacke Verwendung. Es sind jedoch in letzter Zeit auch, lufttrocknende Systeme vorgestellt worden. Die Trocknungsund
Härtungsbedingungen für derartige Beschichtungen liegen zwischen Raumtemperatur und 250 C.
Für das immer stärker an Bedeutung gewinnende "coil-coating"
werden in der Regel lösungsmittelhaltige, nicht-wäßrige Systeme eingesetzt.
Der Vorteil wäßriger Systeme gegenüber nicht-wäßrigen Systemen ist offenkundig. So entfällt z.B. die mit der Verwendung von
üblichen organischen Lösungsmitteln verbundene Feuergefahr und die nachteilige physiologische Wirkung solcher Lösungsmittel.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, wäßrige Bindemittelsysteme
zu entwickeln, die für "coil-coating" geeignet sind und auch bei Temperaturen über 2500C hochglänzende, weiße,
elastische und harte Überzüge mit ausgezeichneter Wetterbeständigkeit erbringen.
Die bisher bekannten wäßrigen Bindemittelsysteme lösen die gestellte Aufgabe nicht. So sind die Bindemittel nach der
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DOS 1 495 244, die durch Reaktion eines hydroxylgruppenhaltigeri
Polyesters mit einer Säurezahl von weniger als 40, vorzugsweise weniger als 20, und einem Verhältnis der molaren
Carboxyläquivalente pro Ansatz zu den molaren Hydroxyläquivalenten pro Ansatz zwischen 0,6 und 0,9 mit einem oder mehreren
Polycarbonsäureanhydrid(en) und anschließende Neutralisation der freien Carboxylgruppen mit Ammoniak oder organischen
Aminen erhalten werden, zur Herstellung hochglänzender Deckiackierungen nicht geeignet.
Die Beispiele der DOS 1 495 244 zeigen mit Meßergebnissen
von maximal 106 im Glossmeter nach Lange, das entspricht 46 im Gardner-20°-Gerät, Glanzwerte, die den "coil-coat"-Anforderungen
nicht genügen.
Bindemittel, die gemäß DAS 1 519 146 aus Alkydharzen mit einem
Verhältnis der einkondensierten mehrwertigen Alkohole zu den einkondensierten Dicarbonsäuren von 1 : 1 bis 1,5 : 1 durch
Halbesterbildung mit Tetrahydrophthalsäure hergestellt worden sind, wurden - wie aus den Beispielen ersichtlich - für
den normalen Einbrennbereich um I50 C entwickelt. Für Beschichtungen
nach dem "coil-coat"-Verfahren sind sie ungeeignet, da die Systeme auf Basis von Tetrahydrophthalsäurehalbestern
bei den dort üblichen extremen Einbrennbedingungen keine hinsichtlich Glanz und Weißton ausreichenden überzüge
liefern. (Siehe Vergleichsversuch d.)
Auch die in den Offenlegungsschriften 1 805 182 bis 1 805 199,
2 012 525, 2 012 526, 2 013 097 und 2 013 702 beschriebenen
Überzugsmischungen, für deren Herstellung Dicarbonsäuregemische mit mehr als zwei Dicarbonsäuren eingesetzt werden
können, erfüllen die gestellte Aufgabe nicht. Zwar können auch wäßrige Einbrennlacksysteme erstellt werden, jedoch
beträgt ihre maximale Einbrenntemperatur nur 2500C„
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Es wurde nun überraschend gefunden, daß das gesteckte Ziel
zu erreichen ist, weiin man Bindemittel auf der Grundlage von Aminsalzen von Polyestern aus mehrwertigen Alkoholen und mindestens
drei verschiedenen Dicarbonsäuren einsetzt, wobei die Dicarbonsäuren zu 1,1 bis 55 Molprozent, vorzugsweise zu
5 bis 25 Molprozent, aus einem Gemisch von Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure und zu 98,9 bis 45 Molprozent, vorzugsweise 95 bis 75 Molprozent, aus mindestens einer weiteren
Dicarbonsäure bestehen und das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure gleich oder größer 1, insbesondere 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 25, ist.
Die Wirkung der Kombination der speziellen Mischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure mit mindestens einer
weiteren Dicarbonsäure ist für hochglänzende und weiße Überzüge bei hohen Einbrenntemperaturen spezifisch, denn es zeigt
sich, daß die an sich bekannte Verwendung von Mischungen mehrerer Dicarbonsäuren nicht ausreicht, sondern daß innerhalb
der oben angegebenen Grenzen, in denen die Mischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure, kombiniert mit- mindestens
einer weiteren Dicarbonsäure, vorliegen soll, allein das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure über
den technischen Portschritt entscheidet.
Art und Menge der zu verwendenden Dicarbonsäuren und das
molare Verhältnis der Mischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure
sind so spezifisch, daß keine andere Dicarbonsäurekombination Hochglanz und guten Weißton bei hohen ·
Einbrenntemperaturen erbringt. So sind Überzüge, in denen beispielsweise die Maleinsäure fehlt, nicht glänzend und
außerdem zum Teil in ihrem Weißton unzureichend.
Fehlt die Tetrahydrophthalsäure, so sind die Überzüge zum
Teil zwar weiß, jedoch ebenfalls nicht glänzend. Werden jedoch
andererseits ausschließlich Maleinsäure und Tetrahydrophthäl-
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säure als Dicarbonsäuren für die Bindemittel eingesetzt, so glänzen die Überzüge ebenfalls nicht, selbst bei einem molaren
Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsaure von 1 bis 100.
Der beschriebene Vorteil tritt nur dann auf, wenn mindestens drei Dicarbonsäuren eingesetzt werden, wobei sich der Anteil
der Dicarbonsäuremischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsaure
in den Grenzen von 1,1 bis 55 Molprozent, vorzugsweise von 5 bis 25 Molprozent, bewegt. Dabei ist jedoch
entscheidend, daß das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsaure gleich oder größer als 1 sein muß, da
sonst Überzüge mit unzureichendem Glanz erhalten werden.
Als mitzuverwendende Dicarbonsäuren eignen sich aromatische, cycloaliphatische, aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 12
Kohlenstoffatomen, beispielsweise Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Hexahydrophthalsäure, Hexahydroisophthalsäure,
Hexahydroterephthalsaure, Methyl-tetrahydrophthalsaure, Endomethylentetrahydrophthalsäure, Endoäthylentetrahydrophthalsäure,
Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Fumarsäure und Korksäure, wobei der Einsatz von Phthalsäure, Isophthalsäure
und Adipinsäure bevorzugt wird.
Die Polyester können durch Einkondensation von bis zu 2K)
Molprozent, vorzugsweise bis zu 20 Molprozent, Monocarbonsäuren, wie Benzoesäure, Butylbenzoesäure und Hexahydrobenzoesäure
oder anderen aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Monocarbonsäuren, in an sich bekannter
Weise modifiziert werden. Aber auch die Einkondensation von bis zu 20 Molprozent drei- und vierwertiger Carbonsäuren,
wie Trimellithsaure und Pyromellithsäure, ist möglich.
Als mehrwertige Alkohole können zweiwertige aliphatische und cycloaliphatische Alkohole mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen,
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wie Äthylenglykol, Propylenglykole, Diäthylenglykol, Dipropylenglykol,
Butandiole", Neopentylglykol, Hexandiole, Perhydrobisphenol und Dimethyloleyclohexan, sowie dreiwertige
Alkohole, wie Glycerin, Trimethyloläthan, Trimethylolpropan, Trimethylolhexan, eingesetzt werden. HÖherwertige
Alkohole, wie Pentaerythrit oder Dipentaerythrit, sowie
Mischungen aus mehrwertigen Alkoholen können ebenfalls verwendet we,rden.
Die Auswahl und das Verhältnis der mehrwertigen Alkohole sowie der mitzuverwendenden Dicarbonsäuren richtet sich nach
dem besonderen Verwendungszweck der Lackierungen. Für harte Einstellungen wird Propandiol-1,2 und Phthalsäure bevorzugt,
während Hexandiol-1,6 und Adipinsäure elastifizierend wirken.
Oft sind Kombinationen hartmachender und elastifizierender Komponenten von Vorteil. So werden die "coil-coat"-Forderungen
an Härte, Elastizität und Glanzhaltung bei Verwendung von Propandiol-1,2, Trimethylolpropan-1,1,1, Isophthalsäure,
Adipinsäure, Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure hervorragend erfüllt.
Die Polyester werden in an sich bekannter Weise durch Konden?·
sation nach den üblichen Verfahren hergestellt, wobei der Polyester bis zu der gewünschten Säurezahl kondensiert wird.
Die Säurezahl sollte größer als 35 sein. Oft genügen Säurezahlen
im Bereich von j8 bis όΟ, die in Verbindung mit einer
OH-Zahl des Polyesters zwischen 50 und 150 nach Neutralisation
wasserverdünnbare Bindemittel liefern, die dann mit wasserverdünnbaren
Aminoplasten, wie Harnstoff-Formaldehyd-Harzen, Triazinharzen, beispielsweise Formoguanaminharzeh, Acetoguanaminharzen,
Benzoguanaminharzen, oder Melaminharzen bzw. deren definierte Vorstufen, deren Methylolgruppen partiell oder
vollständig mit einwertigen Alkoholen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen veräthert sein können, zu äußerst wasserfesten Überzügen
aushärten. Selbstverständlich sind aber auch höhere
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Säure- bzw. OH-Zahlen möglich.
Die Polyester können aber auch nach dem bekannten Zweistufenverfahren
hergestellt werden. Zweckmäßigerweise wird dann ein hydroxylgruppenhaltiger Polyester mit einer Säurezahl unter
15, der mehrwertige Alkohole und Dicarbonsäuren im Molverhältnis zwischen 1 : 1 und 1,3 ϊ 1 einkondensiert enthält, mit
einer Mischung aus Tetrahydrophthalsäure und Maleinsäure zum Halbester umgesetzt.
Nach beendeter Umsetzung werden die Polyester zweckmäßigerweise mit organischen Lösungsmitteln, die ganz oder teilweise
mit Wasser mischbar sind, vermischt. Solche organischen Lösungsmittel sind insbesondere Ätheralkohole, wie Äthylenglykol-monomethyl-,
-äthyl-, -butyläther, aber auch Alkohole, Ester, Ketone, Ketoalkohole oder Äther. Sie unterstützen in
günstiger Weise die Wasserverdünnbarkeit und wirken viskositätssenkend.
Die Überführung der Polyester in ihre wasserverdünnbaren Salze
erfolgt in an sich bekannter Welse durch Zugabe von .Aminen.
Die Aminmenge wird vorzugsweise so bemessen, daß eine 30 %
Polyester enthaltende Verdünnung mit Wasser und gegebenenfalls organischen Lösungsmitteln einen pH-Wert nicht über 8, gemessen
mit Indikatorpapier, insbesondere zwischen 6,8 und 7,5, aufweist. Während niedrigere pH-Werte aus Gründen der Lackstabilität
zu vermeiden sind, bewirken höhere pH-Werte Glanzminderungen .
Geeignete Amine sind z.B. primäre, sekundäre und tertiäre Alkylamine, wie Methylamin, Diäthylamin,.. Triäthylamin, und
Aminoalkohole, wie Äthanolamin, Diäthanolamin, Triäthanolamin,
N-Methyläthanolamin, N,N-Dimethyläthanolamin, 3-Aminopropanol,
und deren Äther, wie 3-Methoxypropylamin, aber auch Morpholin. Als besonders geeignete Vertreter dieser Reihen
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haben sich Triäthylamin, Diäthanolamin und Dimethyläthanolamin
bewährt.
Die neutralisierten Ansätze können mit Wasser nach Bedarf
weiter verdünnt werden.
Üblicherweise werden zur Herstellung der wäßrigen Lacke möglichst konzentrierte, gegebenenfalls wenig Wasser enthaltende
Lösungen mit Pigmenten auf Walzenstühlen oder Kugelmühlen angerieben.
Man erhält so Pasten, aus denen durch Zugabe von Wasser und weiterer Polyesterharzlösung unter Zugabe von
ebenfalls wasserverdünnbaren Aminoplasten die" gewünschten Lacke hergestellt werden können.
Die Lacke werden nach dem "coil-coat"-Verfahren aufgebracht
und können bei Temperaturen über 250 C zu hochglänzenden und.
weißen Überzügen ausgehärtet werden. Natürlich sind .auch andere Applikationsformen, wie Spritzen, Tauchen, Gießen,
Streichen, möglich, wobei selbstverständlich bei entsprechender.
Einbrenndauer auch Härtungstemperaturen zwischen 80 C
und 2500C möglich sind. .
Die in den nachfolgenden Beispielen angegebenen Teile sind, falls nicht anders vermerkt, Gewichtsteile.
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59,5 Teile Propandiol-1,2, 40,2 Teile Trimethylolpropan-1,1,1,
46,7 Teile Adipinsäure und 78,0 Teile Isophthalsäure werden unter Rühren in einer Stickstoffatomosphäre bei 220°C verestert
bis zu einer Säurezahl zwischen 4 und 5 und einer
Viskosität von 100 see (gemessen 60~#ig in Dimethylformamid
nach DIN 55 211).
Dieses Polyesterharz wird mit einer Mischung aus 11,7 Teilen
Maleinsäureanhydrid und 7*8 Teilen Tetrahydrophthalsäureanhydrid
bis zur Säurezahl von etwa 49 und zur Viskosität von
etwa 500 see (gemessen 60-#ig in Dimethylformamid nach
DIN 55 211) bei IJO0C umgesetzt. Der Polyester enthält dann
einkondensiert 17*7 Molprozent der Mischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure und 82,5 Molprozent weitere Dicarbonsäuren,
in diesem Beispiel Adipinsäure und Isophthalsäure.
Das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure innerhalb der Mischung aus Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure
beträgt V = 2,5... . Das Polyesterharz wird 60-#ig in
Äthylenglykolmonobutyläther gelöst, bei Raumtemperatur mit
Dlmethyläthanolamin in solchen Mengen versetzt und mit destilliertem Wasser auf einen Harzgehalt von 55 % verdünnt,
so daß eine weitere Verdünnung dieser Lösung mit Wasser auf einen Harzgehalt von 50 % einen pH-Wert von 6,8 bis 7*0
(gemessen mit MERCK Spezialindikator-Papier, pH-Bereich 6,4 bis 8,0) hat. Die Viskosität dieser 50-^igen Lösung beträgt
etwa 60 see.
Ein Lack aus 100 Teilen der 55-^igen Lösung, 44 Teilen Titandioxid
(Rutil), 8,47 Teilen einer üblichen 60-#igen wäßrigen Lösung eines Melaminharzes, wie sie als Härtungskomponente
für wasserverdünnbare Einbrennlacke durch Kondensieren von Melamin mit Formaldehyd und Veräthern der Methylolgruppe
mittels Methanol erhalten werden, wird mit Wasser auf eine Viskosität von 100 see verdünnt, nach einer Reifezeit von
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24 Stunden mit einem Filmzieher auf ein Eisenblech aufgebracht
und 1 Minute bei 270°C im Umluftofen gehärtet. Man erhält sehr harte und elastische Überzüge mit guter Haftung
und ausgezeichneter Glanzhaltung im Wether-o-meter mit einem Glanzgrad von 80. (Die Glanzbeurteilung erfolgt .nach ASTM
D 525-55 T bei einem Reflexionswinkel von 20° in einem
Gardner-Glanzmesser. Je höher der angegebene Wert, desto besser ist der Glanz.) Die Weißtonmessung ergibt einen Wert
von 89,5. (Die in der Anmeldung angegebenen Werte für den Weißton werden berechnet nach W=Y+5 (Z-X) gemäß der
Veröffentlichung in der Zeitschrift "Die Farbe", Musterschmidt-Verlag, Band 8, 1959, Seite I96. Je höher der angegebene
Wert, desto besser ist der Weißton.)
Zum Unterschied zu den erfindungsgemäßen Produkten zeigen die Vergleichsversuche a bis k Lackrohstoffe, die bei der Einbrenntemperatur
von 2700C nur matte, mäßig glänzende und zum
Teil vergilbte Lackierungen liefern. In den den Lackrohstoffen zugrunde liegenden Polyestern fehlt entweder Maleinsäure und/
oder Tetrahydrophthalsäure.
Bringt man das im Beispiel 1 beschriebene Polyesterharz mit der Säurezahl zwischen 4 und 5 mit den in der folgenden Tabelle
I aufgeführten Säureanhydriden bzw. Säureanhydrid mischungen in solchen Mengenverhältnissen zur Reaktion, daß
vergleichbare Alkydhalbester mit annähernd gleichen Endsäurezahlen entstehen, und stellt man aus diesen Harzen 55-^ige,
neutralisierte Lösungen gemäß Beispiel 1 her, so lassen sich daraus Lacke der Zusammensetzung von Beispiel 1 herstellen,
die im Gegensatz zu Beispiel 1 aber nur matte bis schwachglänzende und zum Teil vergilbte Lackierungen liefern.
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co
co
■r-
Vergleichsversuche
Zur Herstellung verwendete Dicarbonsäuren neben etwa 49 Molprozent
Isophthalsäure und 33
Molprozent Adipinsäure
Isophthalsäure und 33
Molprozent Adipinsäure
Glanzgrad der
bei 1 Minute
und 2700C eingebrannten
Lackierung
bei 1 Minute
und 2700C eingebrannten
Lackierung
Maleinsäure u. Tetrahydrophthalsäure
V = 2,1J...
a Phthalsäure
b Bernsteinsäure
c · Maleinsäure
d Tetrahydrophthalsäure
e Hexahydrophthalsäure
f 3-Methyltetrahydrophthalsäure
g Maleinsäure u. 3-Methylt etrahydrophthalsäure
V = 2JJ...
h | Bernsteinsäure u. Tetra hydrophthalsäure V = 1 |
39 |
i | Bernsteinsäure u. Malein säure V m 1 |
56 |
Hexahydrophthalsäure u. Tetrahydrophthalsäure |
42 | |
k | Phthalsäure u. Tetra hydrophthalsäure V = 2 JT... |
38 |
Weißton der bei 1 Minute und 270 C eingebrannten
Lackierung
89,3
86,8 88,8 77,0 67,7 79,7 83,6
66,0 74,0
65,3
78,8 83,4
Anlage zum Schreiben vom 5.^
©©ändert eingegangen
I Z Δ OO^O
Der folgende Vergleichsversuch 1 zeigt, daß Lacke auf der
Grundlage von Polyestern, die nur Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure als Dicarbonsäure enthalten, ebenfalls keine hochglänzenden Lackierungen ergeben, selbst bei einem molaren Verhältnis
von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure größer als
3,8 Teile Propandiol-1,2, 64,9 Teile Hexandiol 1,6, 53,6 Teile
Trimethylolpropan-1,1,1, 64,9 Teile Maleinsäureanhydrid.und
9,4 Teile Tetrahydrophthalsäureanhydrid werden unter'Rühren
in einer Stickstoffatmosphäre bei 22O0C verestert bis zu einer
Säurezahl von 43,3 und einer Viskosität von 267 see (gemessen 60-%ig in Dimethylformamid). Das molare Verhältnis von
Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure beträgt 15,6. Aus der
55-96igen, neutralisierten Lösung wird gemäss Beispiel T ein
Lack zubereitet. Man erhält Filme mit einem Glanzgrad von 50 und einem Weißton von 77,1.
Die folgenden Versuche zeigen, daß der Glanz von dem molaren Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure abhängig
ist. Es werden nur bei V gleich oder größer als 1 hochglänzende Lackierungen erhalten.
Bringt man das im Beispiel 1 beschriebene Polyesterharz mit der Säurezahl zwischen 4 und 5 mit Gemischen aus Maleinsäureanhydrid
und Tetrahydrophthalsäureanhydrid, die durch das molare Verhältnis V (V = molares Verhältnis von Maleinsäure
zu Tetrahydrophthalsäure) gekennzeichnet sind, in solchen Mengenverhältnissen zur Reaktion, daß vergleichbare Alkydhalbester
mit annähernd gleichen Säurezahlen entstehen,und stellt man aus diesen Harzen 55-^ige, neutralisierte Lösungen
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41 22256A6
gemäß Beispiel 1 her, so lassen sich daraus Lacke der Zusammensetzung
von Beispiel 1 herstellen, von denen aber nur die Lacke mit V gleich oder größer als 1 hochglänzende Überzüge
erbringen.
Beispiel Beispiel Vergleichs-1 2 versuch
V (molares Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydro- r_i
phthalsäure) 2,3... 1 0,43
Glanzgrad der bei 1 Minute und 270 C eingebrannten
Lackierung 80,0 74 54,0
Das Beispiel 3 zeigt, daß man auch durch direkte Kondensation bis zur Säurezahl von etwa 45 brauchbare Bindemittel erhalten
kann. Das Molekulargewicht kann über die Menge an dreiwertigem Alkohol reguliert werden.
136,2 Teile Phthalsäureanhydrid, 64,9 Teile Hexandlol-1,6,
3,8 Teile Propandiol-1,2, 53,6 Teile Trimethylolpropan, 9,4
Teile Tetrahydrophthalsäureanhydrid und 14,2 Teile Maleinsäureanhydrid
werden unter Rühren in einer Stickstoffatmosphäre bei 2200C verestert bis zu einer Säurezahl von 45,5 und einer
Viskosität von 380 see (gemessen 6o-#ig in Dimethylformamid).
Das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure beträgt 1,99. Aus der 55-#igen neutralisierten Lösung
wird gemäß Beispiel 1 ein Lack zubereitet. Man erhält Filme mit einem Glanzgrad von 72 und einem Weißton von 77,2, die
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außerordentlich hart, elastisch und wasserfest sind und gute Glanzhaltung im Wether-o-meter-Test zeigen.
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Claims (1)
- P at ent ans prüc he1. Mit Wasser mischbare Einbrennlacke auf der Basis von Polyestern aus mehrwertigen Alkoholen und mindestens drei verschiedenen Dicarbonsäuren, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Polyester einkondensierten Dicarbonsäuren zu 1,1 bis 55 Molprozent, vorzugsweise 5 bis 25 Molprozent, aus einem Gemisch von Maleinsäure und Tetrahydrophthalsäure und zu .98,9 bis 45 Molprozent, vorzugsweise 95 bis 75 Molprozent, aus mindestens einer weiteren Dicarbonsäure bestehen, wobei das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure gleich oder größer als 1 ist.2. Einbrennlacke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von Maleinsäure zu Tetrahydrophthalsäure 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 25, ist.5. Einbrennlacke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Dicarbonsäuren Phthalsäure und/ oder Isophthalsäure und/oder Adipinsäure sind.Le A 14 405 - 14 -309849/1081
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