DE3428204A1 - Verfahren zur herstellung von waessrigen emulsionen von lufttrocknenden lackbindemitteln - Google Patents

Verfahren zur herstellung von waessrigen emulsionen von lufttrocknenden lackbindemitteln

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DE3428204A1 DE19843428204 DE3428204A DE3428204A1 DE 3428204 A1 DE3428204 A1 DE 3428204A1 DE 19843428204 DE19843428204 DE 19843428204 DE 3428204 A DE3428204 A DE 3428204A DE 3428204 A1 DE3428204 A1 DE 3428204A1
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Description

DE
VIANOVA KUNSTHARZ AG
Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Emulsionen von lufttrocknenden La ckbindemitteln
-χ- ■
Verfahren zur Herstellung wäßriger Emulsionen von lufttrocknenden Lackbindemitteln.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wäß-5" riger Emulsionen von lufttrocknenden Lackbindemitteln auf der Basis von modifizierten Alkydharzen.
In der AT-PS 369.412 werden lösungsmittelarme wasserverdünnbare Bindemittel für lufttrocknende überzugsmittel be-
IQ schrieben, welche durch partielle Kondensation von zwei fettsäuremodifizierten Alkydharzvorkondensaten erhalten werden, von denen das eine eine Säurezahl zwischen 30 und 200 mg KOH/g, das andere eine solche von weniger als 5 mg KOH/g aufweist und das Verhältnis zwischen den Grenzviskositätszahlen der beiden Komponenten zwischen 1,4 und 2,7 liegen muß. Produkte dieser Art benötigen zur Aufrechterhaltrung der Emulsionsstabilität, welche auf einer Amin- oder Ammoniumsalzbildung an den Carboxylgruppen der Harzkombination beruht, relativ hohe Anteile dieser Neutralisationsmittel. Für den praktischen Einsatz von lufttrocknenden, wasserverdünnbaren Lackbindemitteln ist es sowohl aus ökologischen als auch wirtschaftlichen Gründen von wesentlicher Bedeutung, sowohl den Anteil an organischen Lösungsmitteln, als auch den Anteil an flüchtigen Basen möglichst niedrig- zu halten.
Da die Produkte der-'AT-PS 36 9.412 bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit, ihrer Stabilität und ihrer Filmeigenschaften. außerordentlich gute Eigenschaften aufweisen, war es die Aufgabe dieser Erfindung, unter Beibehaltung der Eigenschaften, ein basenarmes Bindemittelsystem auf dieser Basis zu entwickeln.
Eine seit langem praktizierte Methode zur Erzielung einer Wasserverdünnbarkeit bei Alkydharzen oder Polyestern liegt
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im Einbau von Polyglykolen, insbesondere von Polyäthylenglykolen (PEG) verschiedener Kettenlänge.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß durch Verminderung der Säurezahl und entsprechenden Ausgleich des hydrophilen Charakters durch Einbau von PEG ohne wesentliche Änderung der übrigen Kriterien das obengenannte Ziel nicht erreicht werden kann. Als wesentliches Kriterium hat sich dabei das .Ausmaß .der· partiellen Kondensation erwiesen, wobei ein zu niedriger Kondensationsgrad schlechte Stabilität der Emulsionen bewirkt, während eine zu weitgehende Verknüpfung
zu Produkten mit ungenügender Pigmentbenetzung und damit zu instabilen und schlecht glänzenden Lacken führt.
Die vorliegende Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Emulsionen von lufttrocknende Lackbindemitteln auf 'der Basis von partiell kondensierten ölmodifizierten Alkydharzen, welches dadurch gekennzeichne ist, daß man
(A) 25 bis 50 Gew.-%·eines fettsäuremodifizierten Alkyd-
harzesmit einem ölgehalt von 30 bis 60 Gew. %, einem Polyäthylenglykol (PEG)-Gehalt von 6 bis 16 Gew.-%, einer Säurezahl von 30 bis 60 mg KOH/g, welche im wesentlichen auf den Carboxlygruppen von 10 bis 20 Gew.-% Triruel-
lithsäureanhydrid beruht, einer Hydroxylzahl von 20 bis 100 mg KOH/g und einer Grenzviskositätszahl [^.^von 6 bis 8 ml/g (Dimethylformamid DMF/200C) mit
(B) 75 bis 50 Gew.-% eines praktisch säurefreien fettsäure modifizierten Alkydharzes mit einem ÖJLgehali von.15 bis 60 Gew.-%, einer Säure zahl unter 3 mg KOH/g, einer Hydroxylzahl von 30 bis
• 150 mg KOH/g und-einer Grenzviskositätszahl L3I von 7 bis 10 ml/g (DMF/20°C)
L 2330
durch Veresterung oder gemeinsame Reaktion mit einem Diisocyanat soweit umsetzt, daß dabei die Grenzviskositätszahl C-^r11111 1 bis 4, vorzugsweise 1 bis 2,5 Einheiten ansteigt, • anschließend gegebenenfalls1 vorhandenes nicht wasserverträgliches organisches Lösungsmittel durch Vakuumdestillation entfernt und das Bindemittel nach vollständiger oder teilweiser Neutralisation der einer Säurezahl von maximal 20 mg KOH/g entsprechenden Säuregruppen mit organischen und/ oder anorganischen Basen und Zusatz von maximal 20 Gew.-% (bezogen auf Festharz) von organischen Hilf slösungsmitteln in Wasser emulgiert.
Die Alkydharze der Komponente (A) weisen anspruchsgemäß einen ölgehalt von 30 bis 60 Gew.-% auf, wobei trocknende öle oder Fettsäuren mit einer Jodzahl von mindestens 120 eingesetzt werden. Dazu zählen Sojaöl, Leinöl, dehydratisiertes Rizinusöl, Holzöl und die in solchen Ölen enthaltenen Fettsäuren, sowie Tallölfettsäuren u. ä.
Das PEG, welches in einem Anteil von 6 bis 16 Gew.-% am Aufbau dieser Komponente, beteiligt ist, weist ein Molekulargewicht zwischen 1000 und 3000 auf. Bevorzugt wird ein PEG mit einem Molekulargewicht von 1500 (PEG 1500) eingesetzt.
Als Polyole und Polycarbonsäuren werden die Rohstoffe eingesetzt, wie sie für die Herstellung von Alkydharzen dem Fachmann bekannt sind. Von den Polyolen sind das Trimethylolpropan b2w. das Trimethyloläthan bevorzugt. Der"PoIycarbonsäureanteil besteht zu einem Anteil, welcher 10 bis 20 Gew.—% der Alkydharzkomponente darstellt, aus Trimellithsäureanhydrid. Als..weitere Kriterien weisen die Alkydharze der Komponente (A) eine Hydroxylzahl zwischen 20 und 100 mg KOH/g und eine Grenzviskositätszahl L^i zwischen 6 und 8 ml/g (DMF/20°C) auf.
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Die Alkydharze der Komponente (B) sind branchenüblich aufgebaute Alkydharze mit einem ölgehalt von 15 bis 60 Gew.-%, einer Säurezahl von weniger als 3 mg KOH/g, einer Hydroxylzahl von 30 bis 150 mg KOH/g und einer GrenzviskositätszabJ
5' L^l von 7 bis 10 ml/g (DMF/20°C) . Als günstig haben sich auch Urethanalkyde erwiesen, wobei für die Modifikation arc matische Diisocyanate bevorzugt werden. ..
Die Herstellung der Komponenten (A) und (B) erfolgt nach d« bekannten Alkydharztechnologien, beispielsweise dem Monoglycerid- oder dem Fettsäureverfahfen.
Die partielle Verknüpfung der beiden Komponenten kann durcl Veresterung bei 150 bis 2100C erfolgen, wobei die Reaktion bis zu einem Anstieg der Grenzviskositätszahl von 1 bis 4, vorzugsweise 1 bis 2,5 Einheiten gegenüber dem Ausgangswert der Mischung getrieben wird. Die Säurezahl sinkt dabe um ca. 0,5 bis 2,5 Einheiten ab.
Eine andere Art der Verknüpfung besteht in der Reaktion de Komponenten mit Diisocyanaten. Bei Anwendung dieser Method werden dabei 1,5 bis 6 Millimol eines aromatischen, cyclo— •aliphatischen oder aliphatischen Diisocyanats.pro 100 g Festharz eingesetzt. Die Reaktion erfolgt in Gegenwart von inerten Lösungsmitteln bei 80 bis 1200C.
Nach Entfernung der.nicht wasserverträglichen Lösungsmitte durch Vakuumdestillation und Zusatz von maximal 20 Gew.-% organischer Hilfslösungsmittel, wie Glykoläthern, werden di Säuregruppen des Harzes vollständig oder teilweise mit organischen oder anorganischen Basen neutralisiert. Bevorzugt kommen dabei Amine wie Triäthylamin oder Dimethyläthc nolamin zum Einsatz.
Die Harzkomponente der Emulsion weist einen PEG-Gehalt
mm
α · 2330
zwischen 3 und 6 Gew.-% und eine Säurezahl von 10 bis 20 mg KOH/g auf. Die Grenzviskositätszahl liegt zwischen 8 und 12 ml/g (DMF/20°C) . Der Amingehalt liegt bei den erfindungs : gemäß hergestellten Emulsionen unter 1,5 %, vorzugsweise unter 1., 2 %.
Die Emulsionen zeigen eine ausgezeichnete Stabilität und können pigmentiert oder unpigmentiert als luft- oder forciert trocknende Lacke formuliert werden. Aufgrund ihrer guten Verträglichkeitseigenschaften eignen sich die erfindungsgemäß hergestellten Emulsionen auch besonders zur Kombination mit Acrylatdispersionen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Alle Angaben in Teilen oder Prozenten beziehen sich, soferne nicht: anderes angegeben ist, auf Gewichtseinheiten. Alle Grenzviskositäts zahlen £, β 3 wurden in Dimethylformamid (DMF) bei 200C bestimmt.
Herstellung der Komponente (A)
(A 1) In einer Kunstharzapparatur werden 250 TIe einer konjugierten Linolsäure (techn.), 140 TIe Trimethylolpropan. 60 Tie PEG 1500, 80 Tie TrimellithsäureanhydridTund 62 Tie Phthalsäureanhydrid bei 1800C
. . unter azeotroper Abtrennung des Reaktionswassers mit Xylol bis zu, einer Säurezahl von 45 mg KOH/g und einer Grenzviskositätszahl von 7,*0 ml/g verestert. . Das Harz hat einen Festkörpergehalt von 89,5 %, eine öllänge von 46,8 %, einen PEG-Anteil von 10,7 %, eine Hydroxylzahl von 60 mg KOH/g und einen TMA-Anteil von..14,2 %.
(A 2) Unter gleichen Bedingungen wurden 330 TIe Tallölfettsäure, 140 TIe Trimethylolpropan, 65 Tie PEG 1500, ·
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84 Tie Trimellithsäureanhydrid und 52 Tie Tetrahydrophthalsäureanhydrid bis zu einer Säurezahl von 35 mg KOH/g und einer Grenzviskositätszahl von 7,3 ml/g unter Verwendung von Toluol.als Schleppmittel
5' " verestert. Das Harz hat einen Festkörpergehalt von 93,1 %r eine öllänge von 54,5 %, einen PEG-Anteil von 10,2 %, eine Hydroxylzahl von 40 mg KOH/g und r einen TMA-Anteil von 13,2 %.
(A 3) 80 TIe p-tert.Buty!benzoesäure werden zusammen mit 80 Tlen Trimethylolpropan, 60 Tlen Pentaerythrit un 0,5 Tlen Zinkoctoat (8 % Metallgehalt) auf 2000C ge .heizt und 3 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Anschlie&end werden 250 TIe Talölfettsäure und 65 Tie PEG 1500 und dann 84 Tie TMA und 60 TIe Tetrahydrophthalsäureanhydrid zugegeben. Die Veresterung wird bei 1800C unter azeotroper Entfernung des Real* tionswassers mit Xylol bis zu einer Säurezahl von 44 mg KOH/g und einer Grenzviskositätszahl von 6,9 ml/g geführt. Das Harz hat einen Festkörpergehalt λ 90 %, eine öllänge von 41 %, einen PEG-Anteil von 9,4 %, eine Hydroxylzahl von 61 mg KOH/g und einen TMA-Anteil von -13,1 %.
Herstellung der Komponente (B)
(B 1) 110 TIe Pentaerythrit, 140 TIe p-tert.Buty!benzoesäure, 40 TIe Leinölfettsäure, 45 TIe dehydratisie: te Rizinusölfettsäure (DCO-Fettsäure), 65 TIe Phta] säureanhydrid und 45 Tie Tetrahydrophthalsäureanhydrid werden bei 2400C unter azeotroper Entfernun· des Reaktionswassers mit Xylol bis zu einer Säurezahl von 2.mg KOH/g und einer Grenzviskositätszahl von 8,2 ml/g verestert. Das Harz hat einen Festkör pergehalt von 96 %, eine öllänge von 21,6 % und ei Hydroxylzahl von 94 mg KOH/g.
C- '■"
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(B 2) 120 Tie p-tert.Buty!benzoesäure, 110 Tie Leinöl und 93 Tie Pentaerythrit werden auf 250°C erhitzt und 90 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Nach Kühlen auf'1'800C werden 62 TIe Phthalsäureanhydrid und 45 Tie Tetrahydrophthalsäureanhydrid zugegeben . und der Ansatz bei 24 00C unter Verwendung von Xylol als Schleppmittel bis zu einer Säurezahl von maximal 3 und einer Grenzviskositätszahl von 9,0 ml/g verestert. Das Harz hat einen Festkörpergehalt von 95,6 %, eine öllänge von 27,2 % und eine HydroxyI-zahl von 89 mg KOH/g.
(B 3) 377 TIe TallÖlfettsäure, 106 TIe Glycerin, 47 Tie Pentaerythrit und 100 TIe Phthalsäureanhydrid werden bei 2000C unter Verwendung von Toluol als Schleppmittel bis zu einer Säurezahl von weniger als 2 mg KOH/g verestert und mit Toluol auf 80 % verdünnt. . 100 TIe dieses 80%igen Vorprodukts werden mit weiteren 40 Tlen Toluol und 0,7 Tlen Methanol auf 5 00C erwärmt und mit 19 Tlen Toluylendiisocyanat versetzt.
Die Temperatur wird auf 9O0C erhöht und 6 0 Minuten , auf diesem Wert gehalten, bevor 0,2 TIe Dibutylzinndilaurat in 6 Tlen Toluol zugegeben werden. Die Temperatur wird auf 1000C gesteigert und gehalten, bis die Grenzviskositätszahl konstant bleibt. Das Harz weist einen Pestkörpergehalt von 60 %, eine öllänge von'53,5 %, eine Hydroxylzahl von 50 mg KOH/g und eine Grenzviskositätszahl von 8,6 ml/g auf.
Beispiel 1: 39,1 Tie (A 1) =35 Tie Festharz, werden mit 67,7 Tlen (B 1) =65 TIe Festharz/auf 1800C erhitzt-. Die homogene Mischung-· der Komponenten weist eine Säure zahl von 17,1 mg KOH/g und eiii C1^l von 7,8 ml/g auf. Bei 1800C wird ' unter Vakuum das Lösungsmittel aus dem Reaktionsgemisch entfernt und die Temperatur gehalten, bis eine Säure zahl von 15,6 mg KOH/g und ein L^ von 9,7 ml/g erreicht ist. 1 j
tii
4 2330
Das Produkt wird mit Äthylenglykolmonobutylather (BUGL) au: 85 % Festkörpergehalt verdünnt, mit 2,3 Tlen Triäthylamin (TEA) und 0,4 Tlen Dimethyläthanolamin (DMEA) versetzt und • durch längsame Zugabe von deionisiertem Wasser bei 600C 5' auf einen Festkörpergehalt von 40 % verdünnt. Es entsteht, eine strukturviskose, milchig-opake, in dünner Schicht durchsichtige Emulsion mit einem pH-Wert von 8,6. Die Emulsion weist einen Lösungsmittelgehalt von 7 % und einen Ami] gehalt von 1/08 % auf.
Die Emulsion wird in einem Pigment-Bindemittelverhältnis ν 1 : 1 mit TiO2 (Rutil) pigmentiert, mit 3 % eines wasserverdünnbaren Sikkativgemisches (1,2 % Co; 7,2 % Ba; 3,2 % Zn), 1 % eines Antihautmittels und 0,5 % eines Verlaufmittels versetzt und mit deionisiertem Wasser auf Applikation: viskosität verdünnt.
Lackeigenschaften;
Lagerfähigkeit bei 400C : über 4 Wochen Trocknung (100 μΐη Naßfilm), klebfrei : 30 Minuten
durchgetrocknet: 5 Stunden
Pendelhärte (KÖNIG) nach 24 Stunden: 53 Sekunden Glanz (Gonioreflektometer GR-COMP) : 71 %
Beispiel 2: In gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, werden 38,9 Tie (A 3) = 35 TIe'Festharz und 68 TIe (B 2) = 65 Tie Festharz verarbeitet. Die Kontrolle der Aus gangswerte der homogenen Mischung (bei 1200C) ergibt eine Säurezahl von 17,5 mg Y£iü.(q und ein L 1^J von 8,2 ml/g. Die Endwerte sind eine Säurezahl von 15,8 mg KOH/g und einU^J von 10,2 ml/g. Die fertige Emulsion weist einen pH-Wert vo 8,5, einen Lösungsmittelgehalt von 7 % und einen Amingehal von 1,08 % auf. Folgende Lackeigenschaften wurden erreicht
Lagerfähigkeit bei 400C: über 4 Wochen
Trocknung (100 μπι Naßfilm) : klebfrei i 50 Minuten
durchgetrocknet : 5,5 Stunden
Pendelhärte (KÖNIG) nach 24 Stunden : 31 Sekunden • Glanz (Gonioreflektometer GR-COMP) : 68 % 5
Beispiel 3: 42,9 Tie (A 2) = 40 Tie Festharz und 100 TIe (B 3). = 60 TIe Festharz werden auf 5O0C erwärmt. Das C-^J der homogenen Mischung beträgt 8,1 ml/g. Die Mischung wird mit 0,5 Tlen Toluylendiisocyanat (= 2,9 Millimol/100 g Festharz), in 11,1 Tlen Toluol versetzt und bei 1000C bis zum Konstantwerden des Erzgehalten. Das Harz weist bei einem Festkörpergehalt von. 65 % eine Säurezahl von 14 mg KOH/g und eintj£3von 9,6 ml/g auf. Dann wird unter Vakuum das Lösungsmittel bis zu einem Festkörpergehalt von ca. 80 % abgezogen. Nach Zugabe von 17,5 Tlen BUGL wird das Einengen bis zu einem Festkörpergehalt von 85 % fortgesetzt. Bei 600C wird der Ansatz mit 1,7 Tlen TEA und 0,75 Tlen DMEA und anschließend langsam unter gutem Rühren mit Wasser bis zu einem Festkörpergehalt von 40 % versetzt. Die strukturviskose, milchig-opake Emulsion weist einen pH-Wert von 8,8, einen Amingehalt von 0,98%und einen Lösungsmittelgehalt von 7 % auf.
Die Emulsion wird in einem Pigment-Bindemittelverhältnis von 2 : 1 mit einem Gemisch auf 50 Tlen Eisenoxidrot, 50 Tlen Bleisilikochromat, 70 Tlen Bariumsulfat und 30 Tlen Talkum pigmentiert und analog Beispiel 1 mit den dort angegebenen Lackzusätzen vermischt. Die Verdünnung auf Applikationsviskosität (ca 4 mPa.s) erfolgt nach Einstellen des pH-Wertes (TEA) auf ca. 9.
Lackkonstanten:
Lagerfähigkeit bei 400C : über 4 Wochen Trocknung (100 μπι Naßf ilm): klebfrei: 40 Minuten durchgetrocknet :. 4 Stunden
" '3428204 : _ '-SI* 2330 ·" nach 1 Woche 3 mm. \ Unterros tung
1 10 Salzsprühtest (ASTM B 117/64) Lufttrocknung: nach 120 Stunden geringe
15 am Kreuzschnitt; Ablösung 1 -
20
5 25
30
35
fcüi? i

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Emulsionen von
lufttrocknenden Lackbindemitteln auf der Basis von par 5> tiell kondensierten ölmodifizierten Alkydharzen, dadux gekennzeichnet, daß man
.(A) 25 bis 50 Gew.-% eines fettsäuremodifizierten Alkv .harzes mit einem ölgehalt von 30 bis 60 Gew.-%, ei Polyäthylengiykol (PEG)-Gehalt von 6 bis 16 Gew.-S einer Säurezahl von 30 bis 60 mg KOH/g, welche im wesentlichen auf den Carboxylgruppen von 10 bis 2C Gew.-% Trimell^hsäureanhydrid beruht, einer Hydrc xylzahl von 20 bis 100 mg KOH/g und einer Grenzvis kositätszahlL^lvon 6 bis 8 ml/g (Dimethylformamic (DMF/20°C) mit
(B) 75 bis 50 Gew.-% eines praktisch säurefreien fettsäuremodifizierten Alkydharzes mit einem ölgehalt 15 bis 60 Gew.-%, einer Säurezahl unter 3 mg KOH/c einer Hydroxylzahl von 30 bis 150 mg KOH/g und eil GrenzviskositätszahlÜ$von 7 bis 10 ml/g (DMF/20' durch Veresterung oder gemeinsame Reaktion mit einem Diisocyanat soweit umsetzt, daß dabei die Grenzviskos: tätszahl f^;um 1 bis 4' vorzugsweise 1 bis 2,5 Einhei· ansteigt, anschließend gegebenenfalls vorhandenes nie! wasserverträgliches organisches Lösungsmittel durch Vakuumdestillation entfernt und das Bindemittel nach · ständiger oder teilweiser Neutralisation der einer Sä zahl von maximal 20 mg KOH/g entsprechenden Säuregrup mit organischen und/oder anorganischen Basen und Zusa von maximal 20 Gew.-% (bezogen auf Festharz) von orga nischem Hilfslösungsmittel in Wasser emulgiert. -
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da man als Komponente (B) ein urethanmodifiziertes Alkyd harz einsetzt.
feAD GRiOiIMAL
:· . 2230
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Veresterung zwischen den Komponenten (A) und (B) bis zu einer Säurezahlabnahme von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,0 bis 2,0 führt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Verknüpfung der Komponenten (A) und (B) durch Reaktion mit 1,5 bis 6 Millimol Diisocyanat auf 100 TIe Festharz bei 80 bis 1200C in einem inerten Lösungsmittel erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel 3 bis 6 Gew.~% PEG, eine Säurezahl zwischen 10 und 20 mg KOH/g und eine Grenζ-viskositätszahl von 8-12 ml/g (DMF/20°C) aufweist.
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