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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine wasseremulgierbare Isocyanat-Zubereitung,
welche einen Emulgator aus 2,4'-MDI
und Polyoxyalkylenmonoalkoholen sowie mindestens ein Polyisocyanat
mit einer mittleren NCO-Funktionalität von 2,5–3,5 auf Basis von HDI und/oder
IPDI umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein zweistufiges
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zubereitung. In einer
bevorzugten Ausführungsform
sind der Emulgator und das Polyisocyanat auf HDI-Basis zumindest
teilweise mittels Allophanatbindungen miteinander verknüpft.
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Bei
der großtechnischen
Synthese von Diisocyanatodiphenylmethan (MDI) entsteht ein Isomerengemisch
aus 4,4' – MDI und
2,4' – MDI, sowie
gegebenfalls 2,2' – MDI. Hieraus
wird üblicherweise
durch Destillation reines 4,4' – MDI sowie
ein Gemisch aus ca. 50 % 4,4' – MDI und
ca. 50 % 2,4' – MDI gewonnen.
Reines 2,4' – MDI ist
erst seit kurzem auch großtechnisch
erhältlich.
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Wasseremulgierbare
Polyisocyanat-Zubereitungen sind prinzipiell bekannt. Sie werden
zur Anwendung in Wasser, beispielsweise wässrigen Polymerdispersionen,
dispergiert und fungieren dort als Vernetzer. Beispiele für typische
Einsatzgebiete sind wasserverdünnbare
Zweikomponenten-Polyurethan-Lacke, wässrige Dispersionsklebstoffe
oder wässrige
Dispersionen für
Textilausrüstung.
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Basis
für derartige
Zubereitungen sind beispielsweise Isocyanurat- oder Biuretgruppen
aufweisende Polyisocyanate, die mit hydrophilen Gruppen, insbesondere
mit Polyoxyethylengruppen, modifiziert werden. Beispielhaft sei
auf EP-A 206 059, EP-A 486 881, EP-A 959 087 oder WO 01/40347 verwiesen.
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Die
Modifizierung mit hydrophilen Gruppen kann mittels eines einstufigen
Verfahrens erreicht werden, bei denen die Polyisocyanate mit hydrophile
Gruppen aufweisenden Verbindungen umgesetzt werden, beispielsweise
mit ethoxylierten Alkoholen.
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EP-A
486 881 offenbart ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von
Polyisocyanat-Zubereitungen. In
einem ersten Schritt wird zunächst
ein Emulgator aus einem Diisocyanat und zwei Äquivalenten eines Polyalkylenetheralkoholes
synthetisiert. In einem zweiten Schritt wird der Emulgator mit einem
Polyisocyanat vermischt und somit eine wasserdispergierbare Zubereitung
erhalten. Ein zweistufiges Verfahren erlaubt eine gezieltere Kombination
verschiedener Komponenten einer Polyisocyanat-Zubereitung. Bei der
Synthese von wasseremulgierbaren Isocyanat-Zubereitungen befindet
sich der Fachmann in einer typischen Scherensituation:
Je mehr
hydrophile Gruppen eine Zubereitung enthält, desto besser ist naturgemäß die Emulgierbarkeit
in Wasser.
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Andererseits
wird das Polyisocyanat mit zunehmendem Anteil hydrophiler Gruppen
immer stärker „verdünnt". Der Gewichtsanteil
von Isocyanatgruppen nimmt ab. Dementsprechend muss zum Erzielen
eines bestimmten, gewünschten
Vernetzungsgrades auch mehr Zubereitung eingesetzt werden als bei
Verwendung einer Zubereitung geringeren Anteils hydrophiler Gruppen.
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Neben
diesem ökonomischen
Nachteil führt
ein zu hoher Anteil von hydrophilen Gruppen auch zu schlechteren
Lackeigenschaften. Zum einen nimmt mit zunehmendem Einbau hydrophiler
Gruppen die Härte des
Lackes in unerwünschter
Art und Weise ab. Zum anderen wird ein hydrophober Lack auch in
unerwünschter
Art und Weise hydrophiler.
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Die
in den Beispielen von WO 01/40347 offenbarten Isocyanat-Zubereitungen
weisen einen Gehalt an Ethylenoxid-Einheiten von ca. 14 bis 19 Gew.-%
auf. EP-A 486 881 offenbart in den Beispielen Isocyanat-Zubereitungen
mit einem Gehalt von ca. 14–15
Gew.-% Ehylenoxid-Einheiten, darunter auch solche mit einem Emulgator
aus 4,4' – MDI und
monofunktionellem Polyethylenoxid sowie aus einem 50 : 50 Gemisch
von 2,4' – MDI und
4,4' – MDI. Die
Schrift offenbart weiterhin eine Zubereitung mit einem Ethylenoxidgehalt
von ca. 8 Gew.-%. Hierzu wird ein Emulgator aus HDI sowie monofunktionellem
Polyethylenoxid eingesetzt. Diese Zubereitung ist jedoch nicht mehr
gut dispergierbar.
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Aufgabe
der Erfindung was es, eine wasseremulgierbare Isocyanat-Zubereitung
bereitzustellen, die bei einem gegenüber dem Stand der Technik verringerten
Anteil von Ethylenoxideinheiten dennoch eine sehr gute Dispergierbarkeit
aufweist.
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Dementsprechend
wurde eine wasseremulgierbare Isocyanat-Zubereitung gefunden, welche
mindestens
- (A) mindestens einen Emulgator der
allgemeinen Formel X-Y-X, erhältlich
Umsetzung eines Diisocyanates mit einem 8 bis 25 Ethylenoxideinheiten
umfassenden Polyoxyalkylenmonoalkohol, sowie
- (B) mindestens ein aliphatisches Polyisocyanat mit einer mittleren
NCO-Funktionalität
von 2,5 bis 3,5,
umfasst, wobei es sich - – bei dem
Diisocyanat um 2,4'-Diisocyanatodiphenylmethan
(2,4'-MDI) handelt,
- – bei
dem mindestens einen Polyisocyanat um ein Polyisocyanat auf Basis
von Hexamethylendiisocyanat (HDI) handelt,
- – der
Anteil dieses Polyisocyanates auf Basis von HDI mindestens 60 mol
% bezüglich
der Summe aller Polyisocyanate in der Zubereitung beträgt, und
- – der
Gewichtsanteil der in den Polyoxyalkyleneinheiten gebundenen Ethylenoxideinheiten
1 bis 12 Gew.-% bzgl. der gesamten Zubereitung beträgt.
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Weiterhin
wurde ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Zubereitung
gefunden sowie deren Verwendung als Vernetzer in wässrigen
Beschichtungsmitteln.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Zubereitung weiterhin Allophanat-Gruppen auf, welche aus den ursprünglich bei
der Synthese des Emulgators gebildeten Urethan-Gruppen sowie dem
Polyisocyanat gebildet werden.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass bei Verwendung von 2,4' – MDI
als Diisocyanat-Baustein zur Synthese des Emulgators trotz verringerter
Menge an Ethylenoxideinheiten deutlich besser emulgierbare Isocyanat-Zubereitungen
erhalten werden. Verwendet man derartige Zubereitungen zum Vernetzen
wässriger Dispersionslacke,
so weisen die erhaltenen, vernetzten Lacke eine größere Härte und
bessere Schwitzwasserbeständigkeit
auf als Zubreitungen, die nicht 2,4'-MDI als Baustein des Emulgators umfassen.
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Die
Vorteile sind auch nicht zuletzt deswegen überraschend, weil unter Verwendung
des Isomers 4,4' – MDI und
selbst einer Mischung aus 50% 4,4' – MDI
und 50% 2,4'-MDI
keine Zubereitungen mit so guten Dispergiereigenschaften erhalten
werden, wie bei Verwendung von 2,4' – MDI
alleine.
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Zu
der Erfindung ist im Einzelnen das Folgende auszuführen.
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Als
Komponente (A) der erfindungsgemäßen, wasseremulgierbaren
Isocyanat-Zubereitung wird zunächst
mindestens ein Emulgator der allgemeinen Formel X-Y-X aus 2,4' – Diisocyanatodiphenylmethan
(2,4' – MDI) sowie
mindestes einem Polyoxyalkylenmonoalkohole synthetisiert. Für die Erfindung
ist es ausreichend, wenn 2,4' – MDI in
technischer Qualität
eingesetzt wird, d.h. ein Produkt, welches noch geringe Mengen anderer
MDI-Isomerer als Verunreinigung enthält. Bevorzugt sollte ein zumindest
99% reines Produkt eingesetzt werden.
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Das
2,4' – MDI wird
mit einem Polyoxyalkylenmonoalkohol umgesetzt. Die Alkylengruppe
kann 2 bis 4 C-Atome aufweisen, wie beispielsweise -CH2-CH2-, CH2-CH(CH3)- oder -(CH2)4-. Bevorzugt handelt es sich um -CH2-CH2- Einheiten.
Die Polyoxyalkylenketten umfassen 8 bis 25, bevorzugt 10 bis 20
und besonders bevorzugt 10–15
Ethylenoxideinheiten. Sie können
darüber
hinaus noch andere Alkylenoxyeinheiten beispielsweise Propylenoxideinheiten
umfassen. Der Anteil der von Ethylenoxideinheiten verschiedenen
Einheiten sollte aber im Regelfalle 20 mol %, bevorzugt 10 mol %
bezüglich
der Sinne aller Alkylenoxyeinheiten nicht überschreiten. Bevorzugt handelt
es sich um nur Ethylenoxideinheiten umfassende Gruppen.
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Die
Polyoxyalkylenmonoalkohole können
in prinzipiell bekannter Art und Weise hergestellt werden, indem
man einen Monoalkohol, insbesondere einen C1-C6-Alkohol wie beispielsweise Methanol, Ethanol,
n-Propanol oder n-Butanol, als Startermolekül mit Ethylenoxid bzw. mit
anderen Alkylenoxiden alkoxyliert. Üblicherweise erfolgt die Herstellung
unter saurer oder basischer Katalyse. Für viele Anwendungen der Polyalkylenetheralkohole
ist eine anschließende
Neutralisierung und Entsalzung der Produkte üblich.
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Das
Zahlenverhältnis
von OH-Gruppen zu NCO-Gruppen bei den Synthese des Emulgators sollte etwa
1:1 betragen, wobei kleinere Abweichungen davon im Regelfalle unproblematisch
sind.
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Die
Umsetzung des Polyalkylenetheralkohols mit dem Diisocyanat ist an
sich bekannt und verläuft üblicherweise
bei Temperaturen von 20 bis 150, vorzugsweise von 40 bis 130°C ab. Die
Reaktionsdauer ist im allgemeinen so bemessen, dass die mit Isocyanatgruppen
reaktionsfähigen
Gruppen des Polyalkylenetheralkohols zu mindestens 90 Gew.-% mit
Isocyanat umgesetzt sind. Die Umsetzung kann durch die Mitverwendung
an sich bekannter, katalytisch wirksamer Substanzen beschleunigt
werden.
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Im
Regelfalle sind die beiden Polyoxyalkylenreste im Emulgator gleichartig.
Da die beiden Isocyanat-Gruppen im 2,4' – MDI
unterschiedlich reaktiv sind, ist es möglich Emulgatoren zu synthetisieren,
welche zwei unterschiedliche Polyoxyalkyleneinheiten aufweisen.
Es entstehen somit unsymmetrische Emulgatoren X-Y-X'. Dies kann dergestalt
erfolgen, dass man 2,4' – MDI zunächst bei
tieferen Temperaturen mit nur einem Äquivalent eines Alkohols umsetzt.
Hierbei reagiert bevorzugt die reaktivere Isocyanatgruppe in 4-Stellung. Anschließend gibt
man ein Äquivalent
eines anderen Alkohols zu und setzt nun auch bei höheren Temperaturen
die Isocyanat-Gruppe in 2-Stellung um.
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Der
Emulgator wird in einem weiteren Verfahrensschritt (B) mit mindestens
einem aliphatischen Polyisocyanat mit einer mittleren NCO-Funktionalität von 2,5
bis 3,5 abgemischt. Selbstverständlich
können
auch mehrere, unterschiedliche Emulgatoren eingesetzt werden.
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Schritt
(B) schließt
sich bevorzugt unmittelbar an Schritt (A) an; es ist aber auch möglich (E)
zunächst zu
isolieren und/oder zu reinigen, und danach in einem neuen Ansatz
mit dem Polyisocyanat umzusetzen.
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Das
mindestens eine aliphatische Polyisocyanat weist im allgemeinen
einen NCO-Gehalt von 5 bis 30, vorzugsweise von 10 bis 25 Gew. %
auf.
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Erfindungsgemäß wird zumindest
ein Polyisocyanat auf Basis von HDI und/oder IPDI eingesetzt. Es können auch
mehrere, unterschiedliche Polyisocyanate auf Basis von HDI und/oder
IPDI eingesetzt werden. Darüber
hinaus können
noch weitere Polyisocyanate auf Basis von anderen aliphatischen
Diisocyanaten eingesetzt werden. Derartige Zusätze anderer Polyisocyanate
dienen zur Feinsteuerung der Eigenschaften.
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Erfindungsgemäß beträgt der Anteil
der Polyisocyanate auf Basis von HDI und/oder IPDI mindestens 60
mol % bezüglich
der Summe aller Polyisocyanate in der Zubereitung. Bevorzugt beträgt der Anteil
mindestens 80 mol %, besonders bevorzugt mindesten 90 mol % und
ganz besonders bevorzugt werden zur Aufführung der Erfindung ausschließlich auf
HDI und/oder IPDI basierende Polyisocyanate eingesetzt. Bevorzugt werden
Polyisocyanate auf Basis von HDI eingesetzt.
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Aliphatische
Polyisocyanate im Sinne der Erfindung sind insbesondere:
- 1. Isocyanuratgruppen aufweisende Polyisocyanate
auf Basis von aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Diisocyanaten,
beispielsweise auf Basis von 1,6-Diisocyanatohexan und/oder 1-Isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-(isocyanatomethyl)cyclohexan
(Isophorondiisocyanat (IPDI). Die Herstellung derartiger Isocyanuratgruppen
aufweisender Polyisocyanate ist beispielsweise in DE-A 2 616 416,
EP-A 3765, EP-A 10 589, EP-A 47 452, US-A 4 288 586 oder US-A 4
324 879 beschrieben. Bei den als Polyisocyanat geeigneten Isocyanato-Isocyanuraten handelt
es sich somit insbesondere um einfache Tris-isocyanatoalkyl- (bzw.
-cycloalkyl-)isocyanurate der Formel bzw. deren Gemische mit ihren
höheren,
mehr als einen Isocyanuratring aufweisenden Homologen, wobei in
dieser Formel X1, X2 und
X3 für
gleiche oder verschiedene Reste stehen und den dem Ausgangsdiisocyanat
zugrundeliegenden Kohlenwasserstoffrest bedeuten. Die Isocyanato-Isocyanurate
weisen im allgemeinen einen NCO-Gehalt von 10 bis 30, vorzugsweise
15 bis 25 Gew.-% und eine mittlere NCO-Funktionalität von 2,6
bis 3,5 auf.
- 2. Biuretgruppen aufweisende Polyisocyanate mit aliphatisch
gebundenen Isocyanatgruppen, oder deren Gemische mit höheren Homologen.
Diese Biuretgruppen aufweisenden Polyisocyanate weisen im allgemeinen
einen NCO-Gehalt von 18 bis 22 Gew.-% und eine mittlere NCO-Funktionalität von 3
bis 3,5 auf.
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Selbstverständlich können noch
Polyisocyanate anderen Aufbaus oder Gemische von Polyisocyanaten
verschiedenen Aufbaues eingesetzt.
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Bevorzugt
werden Isocyanuratgruppen aufweisende Polyisocyanate eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird der
Emulgator in einer solchen Menge eingesetzt, dass die wasseremulgierbare
Polyisocyanatzubereitung 1 bis 12 Gew.-%, bevorzugt 2–10 Gew.-%
und besonders bevorzugt 3–9
Gew.-% an Ethylenoxideinheiten enthält. Der erfindungsgemäß eingesetzte
Emulgator verleiht der wasseremulgierbaren Zubereitung schon beim
bloßen
Vermischen in Verfahrensschritt (b) vorteilhafte Eigenschaften.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Zubereitung weiterhin Allophanat-Gruppen
auf, welche aus den ursprünglich
bei der Synthese des Emulgators gebildeten Urethan-Gruppen sowie dem
Polyisocyanat gebildet werden.
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Hierzu
wird Schritt (B) in Gegenwart eines geeigneten Allophanatisierungskatalysators
ausgeführt.
Die Zugabe des Allophanatisierungskatalysators kann hierbei vor
oder während
des Schrittes (B) erfolgen. Es ist aber auch möglich, den Allophanatisierungskatalysator
bereits vor oder während
des Schrittes (A) zuzugeben. Da die NCO-Gruppen bevorzugt mit vorhandenen OH-Gruppen
reagieren ist die Bildung von Allophanatgruppen in Schritt (A) im
Regelfalle vernachlässigbar.
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Allophanatisierungskatalysatoren
sind dem Fachmann prinzipiell bekannt.
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Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Allophanatisierungskatalysatoren umfassen insbesondere
Zinkverbindungen, wie Zink-(II)-n-octanoat, Zink(II)-2-ethyl-1-hexanoat
oder Zink-(II)-acetylacetonat, Ammoniumsalze wie z.B. N,N,N-Trimethyl-N-(2-hydroxypropyl)-ammonium-2-ethylhexanoat,
Alkalisalze wie z.B. Kalium-octoat, Kaliumacetat oder Kaliumformiat.
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Bevorzugte
Katalysatoren für
das erfindungsgemäße Verfahren
sind Zinkverbindungen und Alkalisalze. Besonders bevorzugt sind
die Kaliumsalze und ganz besonders bevorzugt ist Kaliumacetat.
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Diese
Katalysatoren kommen beim erfindungsgemäßen Verfahren, in einer Menge
von 0,001 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,005 bis 1 Gew.-%, bezogen
auf das Gesamtgewicht der Reaktionspartner zum Einsatz.
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Im
Regelfalle wird die Allophanatisierung bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise
bei 40 bis 140°C, bevorzugt
60 bis 100°C
durchgeführt.
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Der
Verlauf der Umsetzung kann beispielsweise durch titrmetirische Bestimmung
des NCO-Gehaltes verfolgt werden.
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Der
Grad der Allophanatisierung wird vom Fachmann je nach den gewünschten
Eigenschaften der wasseremulgierbaren Zubereitung bestimmt. Es hat
sich bewährt,
dass mindestens 10 mol % der Urethangruppen des in Schritt (A) gebildeten
Umsetzungsproduktes (E) zu Allophanatgruppen umgesetzt werden. Bevorzugt
beträgt
der Umsetzungsgrad 20 bis 100 mol %, besonders bevorzugt 30 bis
100 mol % und ganz besonders bevorzugt 50–100 mol %.
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Das
Vermischen und Umsetzen sollte bevorzugt unter intensivem Rühren erfolgen.
Um zu hohe Viskositäten
zu vermeiden, können
auch noch inerte Lösemittel
anwesend sein.
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Durch
die Allophanatisierung kann die Härte von Lacken, die unter Verwendung
der erfindungsgemäßen Zubereitung
hergestellt werden, gesteigert werden.
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Die
so hergestellte Polyisocyanatzubereitung wird vorzugsweise in Substanz
verwendet. Selbstverständlich
kann man der Zubereitung vor ihrer Verwendung auch geringe Mengen,
d.h. im Regelfalle nicht mehr als 1 bis 10 Gew.-% bezogen auf die
lösungsmittelfreie
Zubereitung, eines organischen Lösungsmittels
wie z.B. Ethylacetat, Butylacetat, Aceton, Methoxypropylacetat,
Propylencarbonat oder Methylethylketon zusetzen, um die Viskosität zu reduzieren.
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Die
erfindungsgemäßen Polyisocyanatzubereitungen
können
zur Herstellung von wässrigen
Emulsionen bzw. Dispersionen mit einem Wassergehalt von im allgemeinen
90 bis 35 Gew.-% verwendet werden. Die Herstellung dieser Dispersionen
bzw. Emulsionen erfolgt durch einfaches Vermischen der Polyisocyanatzubereitung
mit Wasser. Es sind dabei nur geringe Scherkräfte erforderlich, was ein großer Vorteil
für den
Verarbeiter ist. Es können
die dem Fachmann bekannten Mischeinrichtungen wie einfache Rühreinrichtungen
eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Polyisocyanatzubereitung
eignet sich zur Modifizierung von wässrigen Beschichtungsmitteln
für Metall,
Holz, Papier, Pappe, Kunststoff, Textilien und insbesondere Leder
auf Basis von wässrigen
Dispersionen oder Lösungen
eines Feststoffgehaltes von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise von 5
bis 20 Gew.-%. Als Beschichtungsmittel kommen die an sich bekannten
wässrigen
Dispersionen von Homo- und Copolymerisaten
olefinisch ungesättigter
Monomerer oder von Polyurethanen oder auch Lösungen von Naturstoffen, wie
z.B. von Casein, in Betracht. Sie fungieren dort in erster Linie
als Vernetzer.
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Die
erfindungsgemäßen Polyisocyanatzubereitungen
werden den wässrigen
Beschichtungsmitteln im allgemeinen in einer Menge von 1 bis 25,
vorzugsweise von 2,5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt
des Beschichtungsmittels, zugesetzt.
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Sie
werden in bekannter Weise durch z.B. Spritzen auf das Substrat aufgebracht.
Bei der Beschichtung von Leder oder Kunstleder mit derart modifizierten
Dispersionen oder Lösungen
ergeben sich besonders gute Nassreibechtheiten und Knickbeständigkeiten.
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Die
erfindungsgemäße Polyisocyanatzubereitung
eignet sich weiterhin zur Modifizierung von wässrigen Klebstoffen, beispielsweise
auf Basis von wässrigen
Dispersionen eines Feststoffgehalts entsprechend eines Bindemittelgehaltes
von 10 bis 65 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 60 Gew.-%, wie Naturlatex,
wässrigen Dispersionen
von Homo- oder Copolymerisaten
olefinisch ungesättigter
Monomerer und den an sich bekannten wässrigen Polyurethandispersionen.
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Beispiele
von Dispersionen von Homo- oder Copolymerisaten olefinisch ungesättigter
Monomerer umfassen z.B. an sich bekannte Dispersionen von Homo-
oder Copolymerisaten auf Basis von Vinylestern von Carbonsäuren mit
2 bis 18, vorzugsweise 2 bis 4 Kohlenstoffatomen wie insbesondere
Vinylacetat, gegebenenfalls mit bis zu 70 Gew.-% bezogen auf Gesamtmenge
an olefinisch ungesättigten
Monomeren, an anderen olefinisch ungesättigten Monomeren und/oder
von Homo- oder Copolymerisaten von (Meth)Acrylsäureestern von Alkoholen mit
1 bis 18, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen wie insbesondere
(Meth)Acrylsäure-,
-methyl-, -ethyl-, -propyl-, -hydroxyethyl- oder -hydroxypropylestern, gegebenenfalls
zusammen mit bis zu 70 Gew.-% an anderen olefinisch ungesättigten
Monomeren und/oder Butadien-Styrol-Copolymerisaten mit einem Gehalt
an Butadien von ca. 20 bis 60 Gew.-% und/oder von anderen Dien-Polymerisaten
oder -Copolymerisaten wie Polybutadien oder Mischpolymerisaten von
Butadien mit anderen olefinisch ungesättigten Monomeren wie z.B.
Styrol, Acrylnitril und/oder Methacrylnitril und/oder wässrige Dispersionen
von Polymerisaten bzw. Copolymerisaten des 2-Chlor-butadien-1,3,
gegebenenfalls mit anderen olefinisch ungesättigten Monomeren der oben
beispielhaft genannten Art, z.B. solchen eines Chlorgehalts von
ca. 30 bis 40 Gew. %, insbesondere eines Chlorgehalts von ca. 36
Gew.-%.
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Bevorzugt
werden wässrige
Dispersionen von Copolymerisaten aus 90 bis 99,5 Gew.-% Acrylaten oder
Methacrylaten von 1 bis 4 C-Atomen enthaltenden Alkanolen und 0,5
bis 10 Gew.%, jeweils bezogen auf das Copolymerisat, von Hydroxyalkylacrylaten
und -methacrylaten mit 2 bis 20 C-Atomen im Hydroxyalkylrest, wie
Hydroxyethyl-, Hydroxypropyl- oder Hydroxybutylacrylat oder -methacrylat.
Solche Dispersionen sind an sich bekannt und in üblicher Weise durch Emulsionspolymerisation herstellbar
(s. Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4. Auflage, Bd.
E 20, S.217 ff.).
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Geeignete
wässrige
Polyurethandispersionen sind solche der an sich bekannten Art, wie
sie z.B. in US-A 3 479 310, GB-A 1 076 688, US-A 4 108 814, US-A
4 108 814, US-A 4 092 286, DE-A 2 651 505, US-A 4 190 566, DE-A
2 732 131 oder DE-A 2 811 148 beschrieben sind.
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Die
eingesetzten wässrigen
Klebstoffe können
die in der Klebstofftechnologie üblichen
Hilfs- und Zusatzmittel enthalten. Hierzu gehören beispielsweise Füllstoffe,
wie Quarzmehl, Quarzsand, hochdisperse Kieselsäure, Schwerspat, Calciumcarbonat,
Kreide, Dolomit oder Talkum, die oft zusammen mit geeigneten Netzmitteln
wie z.B. Polyphosphaten wie Natriumhexamethaphosphat, Naphthalinsulfonsäure, Ammonium-
oder Natriumpolyacrylsäuresalzen
eingesetzt werden, wobei die Netzmittel im allgemeinen in Mengen
von 0,2 bis 0,6 Gew.-%, bezogen auf Füllstoff, zugesetzt werden.
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Weitere
geeignete Hilfsmittel sind z.B. in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-%,
bezogen auf Klebstoff, einzusetzende organische Verdickungsmittel
wie z.B. Zellulose-Derivate, Alginate, Stärke oder Stärkederivate oder Polyacrylsäure oder
in Mengen von 0,05 bis 5 Gew. %, bezogen auf Klebstoff, einzusetzende
anorganische Verdickungsmittel wie z.B. Bentonite:
Auch Fungizide
zur Konservierung können
den Klebstoffen zugesetzt werden. Diese kommen im allgemeinen in
Mengen von 0,02 bis 1 Gew.-%, bezogen auf Klebstoff, zum Einsatz.
Geeignete Fungizide sind beispielsweise Phenol- und Kresol-Derivate
oder Zinn-organische Verbindungen.
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Klebrigmachende
Harze wie z.B. Naturharz oder modifizierte Harze wie Kolophoniumester
oder synthetische Harze wie Phthalatharze können ebenfalls im Klebstoff
in bekannten Mengen vorliegen.
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Auch
Lösungsmittel
wie beispielsweise Toluol, Xylol, Butylacetat, Methylethylketon,
Ethylacetat, Dioxan oder deren Gemische oder Weichmacher wie beispielsweise
solche auf Adipat-, Phthalat- oder Phosphat-Basis können den
wässrigen
Klebstoffdispersionen zugesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Polyisocyanat-Zubereitungen
werden den wässrigen
Klebstoffen im allgemeinen in einer Menge von 1 bis 20, vorzugsweise
2 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel der wässrigen Klebstoffdispersion,
zugesetzt.
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Dazu
kann man die erfindungsgemäße nichtwässrige Polyisocyanat-Zubereitung
in die Klebstoffdispersion in bekannter Weise einrühren. In
manchen Fällen
werden gute Er gebnisse erzielt, wenn man zunächst eine wässrige Dispersion herstellt
und diese mit der Klebstoffdispersion vermischt.
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Die
so modifizierten wässrigen
Klebstoffe eignen sich zum Verkleben beliebiger Werkstoffe gleicher oder
verschiedener Art, z.B. zum Verkleben von Holz, Papier, Kunststoffen,
Textilien, Leder und anorganischen Materialien, wie Keramik, Steingut
oder Asbestzement.
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Die
folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
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Für die Versuche
wurde die folgenden Materialien eingesetzt:
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Polyether A:
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Auf
Methanol gestartetes und unter Kaliumhydroxidkatalyse hergestelltes,
monofunktionelles Polyethylenoxid mit einer OH Zahl von 112, gemessen
nach DIN 53 240, entsprechend einem Molekulargewicht von 500 g/mol.
Die noch anwesenden basischen Katalysatorreste wurden anschließend mit
Essigsäure
neutralisiert und das Produkt entsalzt. Hierbei wird auch gebildetes
Kaliumacetat entfernt.
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Polyether B:
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Auf
Methanol gestartetes und unter Kaliumhydroxidkatalyse hergestelltes,
monofunktionelles Polyethylenoxid mit einer OH Zahl von 112, gemessen
nach DIN 53 240, entsprechend einem Molekulargewicht von 500 g/mol.
Die noch anwesenden basischen Katalysatorreste wurden anschließend mit
Essigsäure
neutralisiert. Die Basizität
wird durch Titration mit HCl zu 10,6 mmol/kg bestimmt.
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Auf
75 g des Polyethers wurden dann ca. 0,12 g wasserfreie p-Toluolsulfonsäure zugegeben
und damit die Basizität
auf 2 mmol/kg (HCl Titration) eingestellt. Gebildetes Kaliumacetat
wird als Allophanatisierungskatalysator im Produkt belassen.
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Polyisocyanat A:
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HDI-Isocyanurat
mit einem NCO-Gehalt von 22,2 % und einer Viskosität bei 23°C von 2,8
Pa·s
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TDI
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Mischung
aus 80 Gew.-% 2,4- und 20 Gew.-% 2,6-TDI (Lupranat® T80,
BASF)
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Eingesetzte Messmethoden:
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Hazen-Farbzahl:
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Mittels
der Hazen-Farbzahl wird der Gelbstich transparenter technischer
Flüssigkeiten
(z. B. aufgrund von Verunreinigungen oder von Abbauprodukten) bestimmt.
Als Standard wir eine saure Lösung
von Kaliumhexachloroplatinat Die Bestimmung erfolgte nach DIN ISO
6271.
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Pendeldämpfungsprüfung
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Die
Pendeldämpfungsprüfung wurde
in Anlehnung an EN ISO 1522 (Ausgabe Sept. 2000) mit einem König-Pendel
bestimmt. Bei der Pendeldämpfungsprüfung wird
ein Pendel auf die Oberfläche
der Beschichtung aufgesetzt und in Schwingungen versetzt. Die Messwerte
sind in Pendelschlägen
angegeben. Angegeben ist die Zahl der Pendelschläge von der ursprünglichen
Auslenkung von 6° bis
zu einer Auslenkung von 3°. Je
höher die
Anzahl der Pendelschläge,
desto härter
der Lackfilm.
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Schwitzwassertest
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Die
Wasserfestigkeit wurde in einem Schwitzwassertest nach DIN 50017
bei 40 °C
durchgeführt
und der Blasengrad nach DIN 53209 und der Rostgrad nach DIN 53210
bestimmt. Die Noten wurden auf einer Skala von 0 (= gut) bis 5 (=
schlecht) ganzzahlig vergeben.
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Beispiel 1
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Emulgator auf Basis von
2,4'-MDI, keine
Allophanatisierung
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Synthese
des Vorproduktes: 400 g Polyether A wurden bei Raumtemperatur mit
100 g 2,4'-MDI versetzt
und die Mischung für
4 bis 5 Stunden bei 75 bis 80 °C
unter Stickstoff gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Anhand einer Probe zeigte
sich, dass im IR keine NCO Bande mehr vorhanden ist.
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Es
wurden dann 55 g des Vorproduktes zu 500 g Polyisocyanat A zugegeben
und für
10 Stunden auf 75 °C
erhitzt.
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Der
gemessene NCO-Wert des Produktes betrug 19,7 %, die Viskosität wurde
zu 3.510 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl lag bei 80. Der Gehalt an Ethylenoxideinheiten
betrug 7,9 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe der Zubereitung ergab eine weißliche Emulsion in Wasser.
Nach 24 Stunden war die Emulsion abgesetzt.
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Beispiel 2
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Emulgator auf Basis von
2,4'-MDI, Allophanatisierung
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Synthese
des Vorproduktes: 400 g Polyether B (enthält Kaliumacetat) wurden bei
Raumtemperatur mit 100 g 2,4'-MDI
versetzt und die Mischung für
1 bis 2 Stunden bei 75 bis 80 °C
unter Stickstoff gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Anhand einer Probe zeigte
sich, dass im IR keine NCO Bande mehr vorhanden ist.
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Es
wurden dann 55 g des Vorproduktes zu 500 g Polyisocyanat A gegeben
und für
6 Stunden bei 75 °C
miteinander zur Reaktion gebracht. Hierbei bildeten sich Allophanatgruppen
aus.
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Der
gemessene NCO-Wert des Produktes betrug 18,3 %, die Viskosität wurde
zu 5.510 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl lag bei 30 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxideinheiten betrug 7,9 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
Etwa 90 bis 100 mol % der im Vorprodukt enthaltenen Urethangruppen
waren zu Allophanatgruppen umgesetzt.
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Eine
kleine Probe des Umsetzungsproduktes ergab eine bläulich, feinteilige
Emulsion in Wasser. Die Emulsion war noch nach 24 h intakt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Emulgator auf Basis von
TDI, ohne Allophanatisierung
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Synthese
des Vorproduktes: 80 g Polyether B wurden bei Raumtemperatur mit
13,9 g TDI versetzt und analog Beispiel 1 miteinander umgesetzt
bis kein freies NCO mehr nachgewiesen werden kann.
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Es
wurden dann 51,8 g dieses Vorproduktes 2 zu 500 g Polyisocyanat
A gegeben und analog Beispiel 1 miteinander umgesetzt. Der Gehalt
des Produktes an Ethylenoxideinheiten betrug 8 Gew. % bzgl. der
Zusammensetzung.
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Der
gemessene NCO-Wert des Produktes betrug 19,8 %, die Viskosität wurde
zu 3760 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen-Farbzahl lag bei 85 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxideinheiten betrug 7,9 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe des Umsetzungsproduktes ergab eine weißliche,
grobteilige Emulsion in Wasser, die sich sehr schnell wieder absetzte.
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Vergleichsbeispiel 2
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Emulgator auf Basis von
TDI, mit Allophanatisierung
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Vorprodukt:
80 g Polyether B wurden bei Raumtemperatur mit 13,9 g TDI versetzt
und analog Beispiel 1 miteinander umgesetzt bis kein freies NCO
mehr nachgewiesen werden kann.
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Es
wurden dann 51,8 g dieses Vorproduktes zu 500 g Polyisocyanat A
gegeben und analog Beispiel 1 miteinander umgesetzt. Der gemessene
NCO Wert des Produktes betrug 18,7 %, die Viskosität wurde
zu 4830 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl lag bei 100 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxidgruppen betrug 8 Gew.% bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe der Zubereitung ergab eine weißliche, grobteilige Emulsion
in Wasser. Nach 24 Stunden war die Emulsion abgesetzt.
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Vergleichsbeispiel 3
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Emulgator auf Basis von
TDI, mit Allophanatisierung, höherer
Anteil an Ethylenoxideinheiten in Zubereitung
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Es
wurden 80 g (ca. 14 Gew. %) des in Vergleichsbeispiel 2 synthetisierten
Vorproduktes zu 500 g Polyisocyanat A zugegeben und analog Beispiel
1 miteinander umgesetzt. Der gemessene NCO Wert des Produktes betrug
17,7 %, die Viskosität
wird zu 3900 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl liegt bei 95 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxidgruppen betrug 11,7 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe der Zubereitung ergab eine weißliche, grobteilige Emulsion
in Wasser. Nach 24 Stunden war die Emulsion abgesetzt.
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Vergleichsbeispiel 4
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Emulgator auf Basis von
4,4'-MDI, mit Allophanatisierung
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Synthese
des Vorproduktes: 80 g Polyether B wurden bei Raumtemperatur mit
19 g 4,4'-MDI versetzt und
die Mischung für
1–2 Stunden
bei 75 bis 80 °C
unter Stickstoff gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Anhand einer Probe zeigte
sich, dass im IR keine NCO Bande mehr vorhanden ist.
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Es
wurden dann 80 g dieses Vorproduktes zu 500 g Polyisocyanat A zugegeben
und für
8 Stunden bei 75 °C
miteinander zur Reaktion gebracht.
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Der
gemessene NCO-Wert des Produktes beträgt 17,8 %, die Viskosität wird zu
4.310 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl liegt bei 40 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxidgruppen betrug 11 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe des Umsetzungsproduktes ergab eine weißliche,
grobteilige Emulsion in Wasser.
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Vergleichsbeispiel 5
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Emulgator auf Basis von
4,4'-MDI, mit Allophanatisierung,
weniger Ethylenoxideinheiten
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55
g des gemäß Vergleichsbeispiel
4 synthetisierten Vorproduktes wurden zu 500 g Polyisocyanat A zugegeben
und für
8 Stunden bei 75 °C
miteinander zur Reaktion gebracht.
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Der
Gehalt an Ethylenoxidgruppen betrug nur 7,9 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
Eine Probe des Umsetzungsproduktes ließ sich nicht in Wasser dispergieren.
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Vergleichsbeispiel 6
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Emulgator auf Basis eine
Gemisches von 50 Gew. % 2,4'-MDI
und 50 Gew.% 4,4'-MDI,
mit Allophanatisierung
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Synthese
des Vorproduktes: 80 g Polyether B wurden bei Raumtemperatur mit
19 g der MDI Mischung versetzt und die Mischung für 2 Stunden
bei 75 bis 80 °C
unter Stickstoff gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Anhand einer Probe zeigte
sich, dass im IR keine NCO Bande mehr vorhanden ist.
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Es
wurden dann 80 g dieses Vorproduktes 1 zu 500 g Polyisocyanat A
zugegeben und für
6 Stunden bei 75 °C
miteinander zur Reaktion gebracht.
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Der
gemessene NCO-Wert des Produktes beträgt 17,5 %, die Viskosität wird zu
4.060 mPa·s
(bei 23 °C)
bestimmt und die Hazen Farbzahl liegt bei 50 Hazen. Der Gehalt an
Ethylenoxidgruppen betrug 11 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
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Eine
kleine Probe des Umsetzungsproduktes ergibt eine weißliche,
grobteilige Emulsion in Wasser.
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Vergleichsbeispiel 7
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Emulgator auf Basis eine
Gemisches von 50 Gew. % 2,4'-MDI
und 50 Gew.% 4,4'-MDI,
mit Allophanatisierung, weniger Ethylenoxideinheiten
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55
g des gemäß Vergleichsbeispiel
6 synthetisierten Vorproduktes wurden zu 500 g Polyisocyanat A zugegeben
und für
6 Stunden bei 75 °C
miteinander zur Reaktion gebracht.
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Der
Gehalt an Ethylenoxidgruppen betrug nur 7,9 Gew. % bzgl. der Zusammensetzung.
Eine Probe des Umsetzungsproduktes ließ sich nicht in Wasser dispergieren.
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Verwendung als Vernetzer
für wässrige Lacke:
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Für den wässrigen
Lack wurde eine Bindemitteldispersion aus den folgenden Komponenten
verwendet.
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Die
Komponenten der Bindemitteldispersion wurden intensiv miteinander
vermischt.
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Zur
Herstellung der Lacke wurden jeweils gleiche Mengen der Bindemitteldispersion
(bezogen auf deren Feststoffgehalt) und der in den Beispielen und
Vergleichsbeispielen synthetisierten Polyisocyanante intensiv miteinander
gemischt, um eine möglichst
homogene Emulsion der Bindemittel und des Vernetzers zu erreichen.
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Die
fertige Emulsion wurde mit einem 200 μm Rakel auf ein entfettetes
Stahlblech aufgetragen. Es wurde 20 Minuten bei Raumtemperatur abgelüftet, bevor
das lackierte Blech in einem Gradientenofen 30 Minuten eingebrannt
wurde (Temperaturen gemäß Tabelle
1). Die fertigen Bleche wurden vor der Prüfung 24 Stunden in einem Normklima
gelagert (50% Luftfeuchtigkeit, 23°C).
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Die
Qualität
der Emulsionen des Vernetzers, so wie in den Beispielen und Vergleichsbeispielen
beschrieben, sowie der erhaltenen Lackfilme wurde visuell beurteilt
und ist in Tabelle 1 zusammengestellt.
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Die
Härte einiger
ausgewählter
Lackfilme mittels Pendeldämpfungsprüfung bestimmt,
wie oben beschrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst
Die Ergebnisse der Schwitzwassertests sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
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Tabelle
1: Beurteilung der Polyisocyanat-Dispersionen sowie der Lacke
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Tabelle
2: Ergebnis der Pendeldämpfungsexperimente
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Tabelle
3: Ergebnisse der Schwitzwassertests/Blasengrad DIN 53 209 (Beim
Rostgrad nach DIN 53 210 wurden beide Lacke mit 0 (= gut) bewertet).
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Die
Beispiele und Vergleichsbeispiele zeigen, dass sich nur mittels
der erfindungsgemäßen Emulgatoren
auf Basis von 2,4'-MDI
in jeder Hinsicht zufriedenstellende Ergebnisse erhalten lassen.
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Bei
Verwendung von 2,4'-MDI
werden bei Allophanatisierung schon mit 8 Gew.% Ethylenoxideinheiten stabile
Dispersionen erhalten, die klare Lackfilme mit großer Härte liefern.
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Verwendet
man anstelle von 2,4'-MDI
TDI, so sind bei 8 Gew. % Ethylenoxideinheiten die Polyisocanatzubereitungen
zwar in Wasser dispergierbar, aber damit erhaltene Lackfilme zeigen
bereits Trübungen und
Stippen, sowie eine deutlich geringere Lackhärte auf. Durch eine deutliche
Steigerung des Gehaltes an Ethylenoxideinheiten auf 11,7 Gew.-%
lässt sich
zwar ein klarer Film erhalten, der aber immer noch eine geringere
Lackhärte
aufweist.
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Reines
2,4'-MDI weist weiterhin
gegenüber
4,4'-MDI und dem
Isomerengemisch deutliche Vorteile auf. Sowohl bei Verwendung von
4,4'-MDI wie dem
Isomerengemisch sind damit erhaltenen Polyisocyanatzubereitungen
mit bei einem Gehalt an Ethylenoxideinheiten von nur 7,9 % nicht
dispergierbar. Erhöht
man die Menge auf 11 Gew. %, dann sind die Zubereitungen zwar dispergierbar,
jedoch werden immer noch keine klaren Lackfilme erhalten.
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Auch
bei Verwendung einer Polyisocyanat-Zubereitung auf Basis von 2,4'-MDI ohne Allophanatisierung
lässt sich
noch eine homogene Lackschicht erhalten. Bei Verwendung von TDI
und den gleichen, geringen Mengen als Polyethylenoxideinheiten lässt sich
keine homogene Lackschicht mehr erhalten. Die Läckhärte ist geringer als beim Vorliegen
von Allophanatisierung.