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Die
Erfindung bezieht sich auf verbesserte Modifikatoren für Beschichtungs-
und Nichtbeschichtungsanwendungen, wie für Kleber, Dichtungsmittel,
Tinten- und Bodenbelag- oder Verbundzusammensetzungen usw., und
insbesondere auf Modifikatoren für
Beschichtungen auf der Basis von thermoplastischen Harzbindemittelsystemen
oder Bindemittelsystemen aus wärmehärtbarem
Harz und Härtungsmittel,
wie solche auf der Basis von Epoxyharz, Alkydharz, Polyesterharz,
Polyurethanharz oder Acrylharz, zusammen mit einem Härtungs-
oder Vernetzungsmittel.
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Diese
Modifikatoren wurden mehrere Jahre lang aus Phenol und C9/C10-Kohlenwasserstoffen
hergestellt und wurden insbesondere in Beschichtungszusammensetzungen
auf der Basis von Bindemitteln, die Epoxyharze und Härtungsmittel
umfassten, angewendet. Ursprünglich
basierten diese Modifikatoren auf Phenol und Kohlenwasserstoffen
mit 9 und/oder 10 Kohlenstoffatomen.
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Typische
Beispiele dafür
sind NOVARES LA 300, 500, 700, 1000 (erhältlich von Rütgers VFT
AG, Duisburg, Deutschland).
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Die
Hauptnachteile der herkömmlichen
Modifikatoren sind die relativ geringe OH-Funktionalität (0,2-0,5) und die dunkle
Farbe.
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Kohlenwasserstoffharz-Modifikatoren,
die hauptsächlich
für weiße und/oder
hellfarbige Lacksysteme geeignet sind, wurden entwickelt, indem
man als Ausgangsmaterialien reine Monomere, wie α-Methylstyrol, anstelle von
C9/C10-Monomeren
verwendete.
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Typische
Beispiele für
solche Harze sind NECIRES EPX LT/LC (von Nevcin Polymers BV, Uithoorn, Niederlande).
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Im
Vergleich zu den Phenol/C9/C10-Harzen weisen die fraglichen Harze
eine viel bessere Farbe (Gardner 1-2) und Farbstabilität auf, doch
weist das Harz eine hohe Kristallisationsneigung auf.
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Insbesondere
Harze mit einer Hydroxyfunktionalität von > 0,5 weisen eine hohe Kristallisationsneigung
auf.
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Harze
aromatischer/aliphatischer Natur, wie NEVOXY/Necires EPX-L, -L2,
-L5, -LH (Neville Chemical Company, Pittsburgh, USA/Nevcin Polymers
BV, Uithoorn, Niederlande) sind hellfarbig (Gardner 1-2), weisen eine
gute Farbstabilität
und eine geringe Kristallisationsneigung auf.
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Der
Hauptnachteil dieser Harze ist die relativ geringe Hydroxyfunktionalität (0,2-0,5).
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Harze
dieses Typs mit höherer
Hydroxyfunktionalität
sind angesichts des relativ hohen Gehalts an Aliphaten, der erforderlich
ist, um eine gute Lagerstabilität
zu erhalten, nicht sehr attraktiv.
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Infolgedessen
führte
die Verwendung solcher Harze dazu, dass die Beschichtungen eine
zu geringe Härte
hatten.
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Aromatische
Harze, die durch Verwendung von o-Kresol anstelle von Phenol in
Kombination mit α-Methylstyrol
als Rohstoffe erhalten wurden, wie NOVARES LX-200 (Rütgers VFT)
haben die Vorteile einer etwas höheren
OH-Funktionalität
(0,5-0,6).
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Nachteile
dieses Harzes sind die schlechte Farbe und ein unerwünscht unangenehmer
Geruch.
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Aromatische
Harzmodifikatoren, die von Phenol und Styrol abgeleitet sind, wie
NOVARES LS-500 (Rütgers
VFT), besitzen eine hohe Hydroxyfunktionalität (0,9-1,0).
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Nachteile
dieser Harze sind ein schlechter, unangenehmer Geruch und die toxikologischen
Eigenschaften von Styrol.
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Insbesondere
in den Modifikatorzusammensetzungen, die von Phenol, α-Methylstyrol
(AMS) und einem Dimer von Isobutylen abgeleitet sind, könnten alkylierte
Phenolbestandteile in den endgültigen
Zusammensetzungen vorhanden sein, die aus der Reaktion von einem
Mol Phenol, einem Mol AMS und einem Mol Dimer bzw. von einem Mol
Phenol und einem Mol Dimer resultieren würden.
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Die
alkylierten Phenole sind in einigen Ländern reglementiert und in
anderen unerwünscht.
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Es
ist zu erwarten, dass Reglementierungen bezüglich alkylierter Phenole weltweit
zunehmen.
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Der
Fachmann wird sich darüber
im Klaren sein, dass sich während
der letzten Dekade die tatsächliche
Funktion der in Beschichtungs-, Tinten-, Kleber-, Dichtungsmittel-
usw. -zusammensetzungen anzuwendenden Modifikatoren allmählich von
einer Funktion der Kostenreduktion der Endzusammensetzung zusammen
mit einer Verbesserung bestimmter Leistungseigenschaften dahingehend
geändert
hat, dass mit der Verbesserung bestimmter Leistungseigenschaften
die derzeitigen Vorschriften bezüglich
geringem Gehalt an flüchtigen
organischen Verbindungen (VOC) eingehalten werden.
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Aufgrund
des zunehmenden Drucks, der in den meisten industrialisierten Ländern von
Gesundheits- und Umweltbehörden
ausgeht, und des zunehmenden ökonomischen
Drucks hin zu kostengünstigen
Modifikatoren gibt es ein immer noch zunehmendes Bedürfnis nach
weiteren verbesserten Modifikatoren, die die zur Zeit erforderliche
Kombination von Eigenschaften, d.h. helle Farbe, kein Ge ruch oder
nur wenig Geruch, ausreichende Reaktivität bei den Endanwendungen, z.B.
in einer Beschichtungszusammensetzung, geringe Kristallisationsneigung
während
der Lagerung, eine attraktiv niedrige Viskosität, d.h. < 20 000 mPa·s bei 25°C, das Fehlen von (potentiell)
toxischen Reaktionsprodukten in den endgültigen Modifikatorzusammensetzungen
und weniger organisches Lösungsmittel
in der endgültigen
Beschichtungs-, Kleber- oder Dichtungsmittel- usw. -zusammensetzung,
erfüllen
können.
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Daher
besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die verbesserten
Modifikatoren bereitzustellen.
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Diese
gewünschten
Modifikatorzusammensetzungen müssen
eine gute Verträglichkeit/Mischbarkeit mit
allen angewendeten Typen von Harzbindemitteln (Epoxy, Alkyl, Polyester,
Acryl, Polyurethan und Thermoplaste), z.B. in den Beschichtungszusammensetzungen
usw., zeigen, müssen
eine gute Viskositätsreduktion und
hohe Auflösungs-/Verdünnungskraft
zeigen, müssen
die Pigmentbenetzung in der Beschichtungszusammensetzung usw. und
später
eine gute Substratbenetzung, wenn die Beschichtungszusammensetzung
aufgetragen wird, erleichtern.
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Außerdem müssen diese
gewünschten
Modifikatorzusammensetzungen die Härtungsgeschwindigkeit des Bindemittelsystems
der Beschichtungszusammensetzung usw. erhöhen, eine ausreichend hohe
Lagerbeständigkeit
der Beschichtungszusammensetzung usw. ermöglichen, für eine gute Ausgewogenheit
der Flexibilität/Härte des
endgültigen
gehärteten
Films sorgen, dürfen
die Adhäsions- und/oder Korrosionsbeständigkeit
der Beschichtungszusammensetzung usw. nicht verschlechtern und müssen sie
vorzugsweise sogar verbessern und müssen die Fließeigenschaften
der Beschichtungszusammensetzung usw. verbessern.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, hochleistungsfähige Beschichtungs-
und Nichtbeschichtungszusammensetzungen bereitzustellen, die diese
verbesserten Modifikatoren, Bindemittel, Pigmente, Füllstoffe
und gegebenenfalls weitere Hilfsstoffe und gegebenenfalls kleine
Mengen von Lösungsmit teln
(d.h. weniger als 5 Gew.-%, relativ zu den vollständigen Zusammensetzungen)
und besonders bevorzugt überhaupt
kein Lösungsmittel
umfassen.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Formteile
bereitzustellen, auf deren Oberflächen die Beschichtungszusammensetzung
und die Nichtbeschichtungszusammensetzung, wie Kleber-, Dichtungsmittel-,
Tinten-, Bodenbelag- und Verbundzusammensetzungen, in ungehärtetem oder
gehärtetem
Zustand aufgetragen sind.
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Als
Ergebnis ausgedehnter Forschungen und Experimente wurden diese gewünschten
verbesserten Modifikatoren jetzt überraschend gefunden.
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Dementsprechend
bezieht sich die Erfindung auf geruchsreduzierte Modifikatorzusammensetzungen für Beschichtungs-
oder Nichtbeschichtungsanwendungen, die von reinem Einsatzmaterial
abgeleitet sind, das Phenol, α-Methylstyrol
(AMS) und Vinyltoluol (VT) umfasst, und die eine ausreichende Lagerbeständigkeit in
Kombination mit einer attraktiven niedrigen Viskosität zeigen.
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Man
wird sich darüber
im Klaren sein, dass ortho-Vinyltoluol, para-Vinyltoluol und meta-Vinyltoluol oder
Gemische davon als Vinyltoluolbestandteil ohne andere Begleitchemikalien
verwendet werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der geruchsreduzierten Modifikatorzusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung wird im Wesentlichen reines para-Vinyltoluol mitverwendet,
von dem sich gezeigt hat, dass es für eine verbesserte Farbe der
Modifikatoren und Verträglichkeit
in den Endverwendungszusammensetzungen sorgt.
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Vorzugsweise
umfasst die geruchsreduzierte Modifikatorzusammensetzung der vorliegenden
Erfindung Phenol in einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 40 Gew.-%, α-Methylstyrol
in einem Gewichtsanteil von 30 bis 90 Gew.-% und Vinyltoluol in
einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 36 Gew.-%, wobei alle angegebenen
Ge wichtsanteile auf das Gewicht der vollständigen Modifikatorzusammensetzung
bezogen sind und die Summe der drei Anteile stets 100% beträgt.
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Ganz
besonders bevorzugt liegen die Gewichtsanteile von Phenol, α-Methylstyrol
und Vinyltoluol im Bereich von 9 bis 23 Gew.-%, 60 bis 80 Gew.-%
bzw. 1 bis 30 Gew.-%.
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Bevorzugte
Stoffmengenverhältnisse
von Phenol zu Vinyltoluol liegen im Bereich von 1:0,2 bis 1:0,80, und
am meisten bevorzugte Verhältnisse
liegen im Bereich von 1:0,28 bis 1:0,60.
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Bevorzugte
Stoffmengenverhältnisse
von Phenol zu α-Methylstyrol
liegen im Bereich von 1:0,50 bis 1:8,0, und am meisten bevorzugte
Verhältnisse
liegen im Bereich von 1:0,80 bis 1:6,0.
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Man
wird sich darüber
im Klaren sein, dass sich gezeigt hat, dass die verbesserten geruchsreduzierten Modifikatorzusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung durch die Anwesenheit von gerade noch
nachweisbaren Mengen von allgemein anerkannten nichttoxischen und
lagerstabilen Komponenten gekennzeichnet sind.
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Dies
konnte überraschenderweise
erreicht werden, indem man einen Teil des ursprünglich angewendeten α-Methylstyrols
durch einen wohldefinierten, ziemlich reinen chemischen Bestandteil
ersetzte, der frei von anderen, ihn normalerweise begleitenden organischen
Verbindungen ist, die 9 oder 10 Kohlenstoffatome enthalten.
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Die
Modifikatorzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können weiterhin
durch eine dynamische Viskosität
bei 25°C
im Bereich von 100 bis 3000 mPa·s und vorzugsweise 100 bis
2000 mPa·s,
einen Gardner-Farbwert von < 4
und vorzugsweise ≤ 2,
einen Hydroxylwert von 0,1 bis 7,0 Gew.-% und vorzugsweise 1,5 bis
6,5 Gew.-% und eine Funktionalität
im Bereich von 0,05 bis 1,0 und vorzugsweise 0,2 bis 8,0 gekennzeichnet
sein.
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Es
hat sich jetzt überraschenderweise
gezeigt, dass der Ersatz von α-Methylstyrol (AMS)
durch Vinyltoluol (teilweise oder vollständig) geruchsreduzierte Modifikatorzusammensetzungen
ergeben kann, die einen relativ hohen Gehalt an Phenol haben und
eine ausgezeichnete Lagerstabilität zeigen, d.h. nach Lagerung während 6
Monaten oder länger
bei 25°C
keine Kristallisation zeigen, während
anscheinend eine attraktive Viskosität der Modifikatorzusammensetzung
erreicht wird, wenn ein Überschuss
an AMS im Vergleich zu Vinyltoluol verwendet wird (Phenol/VT-Harz
hat eine hohe Viskosität,
und Beispiel E, Tabelle 2).
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Außerdem hat
sich gezeigt, dass diese Modifikatorzusammensetzungen eine erheblich
erhöhte
Löslichkeit
in nichtaromatischen Lösungsmitteln,
z.B. in Isopropylalkohol, ergeben.
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Man
wird sich darüber
im Klaren sein, dass ein weiterer Aspekt der Erfindung hochleistungsfähige Beschichtungs-
und Nichtbeschichtungszusammensetzungen betrifft, die wenigstens
einen der oben angegebenen verbesserten Modifikatoren zusammen mit
einem Bindemittel und gegebenenfalls Pigmenten, Füllstoffen und
anderen Hilfsstoffen sowie, soweit notwendig, kleinen Mengen von
organischen Lösungsmitteln
(d.h. weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der vollständigen Zusammensetzung)
umfassen.
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Das
Bindemittel in der Zusammensetzung kann auf einem Alkydharz, Polyesterharz,
Epoxyharz zusammen mit einem Härtungsmittel,
Polyurethanharz, Acrylharz oder thermoplastischen Harz beruhen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Formteile, auf
deren Oberfläche
die Beschichtungs-, Kleber-, Tinten-, Dichtungsmittel-, Bodenbelag- oder Verbundzusammensetzungen
aufgetragen sind, oder Formteile, die von den Bodenbelag- oder Verbundzusammensetzungen
in ungehärtetem
oder gehärtetem
Zustand abgeleitet sind.
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Die
Modifikatorzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können hergestellt
werden, indem man die oben angegebenen jeweiligen Bestandteile in
beliebiger Reihenfolge in einem inerten organischen Lösungsmittel,
wie Xylol oder Toluol, miteinander mischt und unter Verwendung eines
sauren Katalysators umsetzt.
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Das
besonders bevorzugte Herstellungsverfahren umfasst jedoch das Mischen
und im Wesentlichen vollständige
Umsetzen des Phenol- und Vinyltoluolbestandteils, von denen Letzterer
allmählich
und langsam zu in organischem Lösungsmittel
gelöstem
Phenol gegeben wird, bevor AMS langsam und allmählich zu dem Reaktionsgemisch
gegeben wird, woraufhin eine weitere Reaktion erfolgt.
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Mit
dem bevorzugten Verfahren hergestellte Harze zeigten eine etwas
bessere Lagerstabilität
als die nicht nach dem bevorzugten Verfahren hergestellten.
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Man
wird sich darüber
im Klaren sein, dass das bevorzugte Herstellungsverfahren einen
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet.
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Daher
bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung
der oben angegebenen Modifikatorzusammensetzungen, das Folgendes
umfasst: das Mischen von Phenol mit einem organischen Lösungsmittel
in einem Gewichtsverhältnis
von 30:70 bis 40:60 und einem Katalysator, z.B. einem Lewis-Säure-Katalysator und besonders
bevorzugt BF3-Etherat, in einer Menge von
0,01 bis 0,2 Gew.-% bei einer Temperatur von 40 bis 60°C, dann die
langsame und allmähliche
Zugabe einer vorbestimmten Menge an Vinyltoluol zu der erhaltenen
Lösung über einen
Zeitraum von 0,25 bis 0,75 Stunden unter kräftigem Rühren, gefolgt von einer zusätzlichen
Reaktionszeit von etwa 0,5 Stunden.
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Dann
wird AMS allmählich
und langsam über
einen Zeitraum von 3 bis 5 Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben,
und nach der vollständigen
Zugabe erfolgt eine zusätzliche
Reaktionszeit von 0,25 bis 0,75 Stunden, Neutralisieren und Filtrieren
des Reaktionsgemischs und Entfernen des organischen Lösungsmittels, das
im endgültigen
Reaktionsgemisch in einem Gewichtsanteil von 10 bis 25 Gew.-% vorhanden
ist, relativ zum Gewicht des vollständigen Reaktionsgemischs.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, doch
ohne ihren Umfang auf diese Ausführungsformen
einzuschränken.
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Beispiele 1-5
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Beispiel 1
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(Allgemeines Herstellungsverfahren
für Zusammensetzung
I in Tabelle I)
-
Phenol
(8,8 g) und Xylol (14,8 g) wurden in einen Glasreaktor mit rundem
Boden gegeben, der mit Kühler,
Rührer
und Temperatursteuerung ausgestattet war.
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Das
Gemisch wurde auf 50°C
erhitzt, und nach dem Homogenisieren wurden 0,05 Gew.-% BF3-Katalysator hinzugefügt.
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Nach
dem Homogenisieren wurde ein vorbereitetes Gemisch von VT (3,1 g)
und AMS (88,1 g) allmählich
und langsam in etwa 4 Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
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Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
-
Dann
wurde das Gemisch neutralisiert und filtriert. Nach dem Entfernen
des Lösungsmittels
wurde das Produkt analysiert.
Phenolischer
Hydroxylgehalt | :
1,5 Gew.-% |
Viskosität, Brookfield
25°C | :
125 mPa·s |
Farbe,
Gardner | :
1 |
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Beispiel 2
-
(Bevorzugtes Verfahren
für Zusammensetzung
I in Tabelle I)
-
Phenol
(8,8 g) und Xylol (14,8 g) wurden in einen Glasreaktor mit rundem
Boden gegeben, der mit Kühler,
Rührer
und Temperatursteuerung ausgestattet war.
-
Das
Gemisch wurde auf 50°C
erhitzt, und nach dem Homogenisieren wurden 0,05 Gew.-% BF3-Katalysator hinzugefügt.
-
Nach
dem Homogenisieren wurde VT (3,1 g) allmählich und langsam in etwa 0,5
Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
-
Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
-
Dann
wurde AMS (88,1 g) allmählich
und langsam in etwa 4,0 Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
-
Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
-
Dann
wurde das Gemisch neutralisiert und filtriert. Nach dem Entfernen
des Lösungsmittels
wurde das Produkt analysiert.
Phenolischer
Hydroxylgehalt | :
1,5 Gew.-% |
Viskosität, Brookfield
25°C | :
125 mPa·s |
Farbe,
Gardner | :
1 |
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Beispiel 3
-
(Allgemeines Herstellungsverfahren
für Zusammensetzung
V in Tabelle I)
-
Phenol
(8,8 g) und Xylol (14,8 g) wurden in einen Glasreaktor mit rundem
Boden gegeben, der mit Kühler,
Rührer
und Temperatursteuerung ausgestattet war.
-
Das
Gemisch wurde auf 50°C
erhitzt, und nach dem Homogenisieren wurden 0,08 Gew.-% BF3-Katalysator hinzugefügt.
-
Nach
dem Homogenisieren wurde ein vorbereitetes Gemisch von VT (5,5 g)
und AMS (24,0 g) allmählich
und langsam in etwa 3 Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
-
Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
-
Dann
wurde das Gemisch neutralisiert und filtriert. Nach dem Entfernen
des Lösungsmittels
wurde das Produkt analysiert.
Phenolischer
Hydroxylgehalt | :
4,2 Gew.-% |
Viskosität, Brookfield
25°C | :
500 mPa·s |
Farbe,
Gardner | :
1-2 |
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Beispiel 4
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(Bevorzugtes Verfahren
für Zusammensetzung
V in Tabelle I)
-
Phenol
(8,8 g) und Xylol (14,8 g) wurden in einen Glasreaktor mit rundem
Boden gegeben, der mit Kühler,
Rührer
und Temperatursteuerung ausgestattet war.
-
Das
Gemisch wurde auf 50°C
erhitzt, und nach dem Homogenisieren wurden 0,08 Gew.-% BF3-Katalysator hinzugefügt.
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Nach
dem Homogenisieren wurde VT (5,5 g) allmählich und langsam in etwa 0,75
Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
-
Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
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Dann
wurde AMS (24,1 g) allmählich
und langsam in etwa 2,5 Stunden zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
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Nach
der vollständigen
Zugabe wurde das Gemisch weitere 0,5 Stunden reagieren gelassen.
-
Dann
wurde das Gemisch neutralisiert und filtriert. Nach dem Entfernen
des Lösungsmittels
wurde das Produkt analysiert.
Phenolischer
Hydroxylgehalt | :
4,2 Gew.-% |
Viskosität, Brookfield
25°C | :
500 mPa·s |
Farbe,
Gardner | :
1-2 |
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Beispiel 5
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Modifikatorzusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung (I-VII, Tabelle I, und Vergleichszusammensetzungen
C und D, Tabelle II) wurden in 1-kg-Chargen hergestellt, wie es
in den Beispielen 2 und 4 beschrieben und in Tabelle I und II näher angegeben
ist.
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Die
Zusammensetzung wird in Bezug auf Viskosität, Farbe, Hydroxylwert, Hydroxylgehalt,
Funktionalität
und Lagerstabilität
analysiert.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle I (Beispiele I-VII) und Tabelle II (Vergleichszusammensetzungen
C und D) aufgeführt.
Bei dem Vergleichsmodifikator wurden die Zusammensetzungen A und
B nur aus Phenol und AMS hergestellt.
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Die
spezifischen Daten und die Ergebnisse sind in Tabelle II (Vergleichszusammensetzungen
A und B) aufgeführt.
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