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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kolloidal stabile und
sedimentationsstabile Beschichtungszusammensetzung, enthaltend Ionenaustauscherharze,
und ein Verfahren zur Verwendung einer kolloidal stabilen und sedimentationsstabilen
Beschichtungszusammensetzung, enthaltend Ionenaustauscherharz.
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Beschichtungszusammensetzungen
werden routinemäßig auf
die Oberflächen
von Substraten aufgetragen. Substrate enthalten häufig wasserlösliche oder
extrahierbare Färbemittel.
Wenn eine wasserbasierende Beschichtung auf das Substrat aufgetragen
wird, waschen sich diese Färbemittel
oftmals aus dem Substrat in die Beschichtung aus, was eine Verfärbung der
Beschichtung hervorruft. Beispielsweise waschen sich Tanningerbstoffe,
enthalten in Hölzern,
wie Rothölzer,
Zeder, Ulme und Mahagoni, oftmals aus dem Substrat in die Beschichtung
aus, was eine Tanningerbstoffärbung
hervorruft, die als Verfärbung
auf der Oberfläche
der Beschichtung auftritt; Salze, die in zementartigen Substraten
enthalten sind, verursachen oftmals Effloreszenz, was eine Verfärbung ist,
die durch die Migration des Salzes in die Anstrichbeschichtung verursacht
wird, wo sie als weiße
Ablagerungen auftritt; wenn sie auf Asphaltsubstrate aufgetragen
wird, können
die Lösungsmittel,
die in einigen Beschichtungen enthalten sind, das Bluten des Asphalts
durch die Beschichtung verursachen, wodurch eine Asphaltverfärbung hervorgerufen
wird. Eine Verfärbung
der Beschichtung kann sogar auftreten, wenn die Beschichtung auf
zuvor beschichtete Substrate aufgetragen wird, da das austretende
Mittel durch die zuvor aufgetragene Beschichtung fließen kann
und anschließend
in die aufgetragene Beschichtung eindringt. Eine Verfärbung des
Substrates und von Beschichtungen, die zuvor auf das Substrat aufgetragen wurden,
kann ebenso durch Quellen außerhalb
des Substrats verursacht werden. Beispielsweise verursacht Zigarettenrauch
eine Nikotinverfärbung,
welche die Veränderung
der Farbe eines Substrats oder einer Substratbe schichtung mit heller
Farbe ist; und die Einwirkung von Wasser kann eine Verfärbung des
Substrats oder der Substratbeschichtung verursachen, die Wasserfleckenbildung
genannt wird. Diese Farbstoffe können
sich in die anschließend
aufgetragenen wasserbasierenden Beschichtungen auswaschen. Jeder
der zuvor genannten Verfärbungsarten
ist in Beschichtungen äußerst unerwünscht. Es
sind Versuche durchgeführt
worden, dieses Problem durch die Zugabe von Ionenaustauscherharzen
zu der Beschichtungsformulierung zu lösen. Jedoch kann sich das Ionenaustauscherharz
in der Formulierung zu einem kompakten Sediment absetzen, das schwierig
wieder zu dispergieren ist. Außerdem
kann die Gegenwart des Ionenaustauscherharzes kolloide Instabilität verursachen,
was als Bildung von Grit (ein suspendiertes gummiartiges Material)
angesehen wird, was die Oberfläche
der getrockneten Beschichtung unerwünscht uneben macht, oder in
Extremfällen
eine Gelierung der Formulierung verursachen. Deshalb besteht ein
fortlaufender Bedarf an Beschichtungszusammensetzungen, die das
Färben,
wie Nikotinverfärbung,
Wasserfleckenbildung, Effloreszenz, Asphaltfärbung oder Tanningerbstoffärbung, verhindert
oder abschwächt,
während
sie bei der Zugabe von Ionenaustauscherharzen sedimentationsstabil
und kolloidal stabil bleiben.
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Darauf
ist beispielsweise US-Pat. Nr. 3,494,878 gerichtet, das eine wässerige
Beschichtungszusammensetzung offenbart, die ein Gemisch aus einem
wasserunlöslichen
Additionspolymer und einem Anionenaustauscherharz umfaßt (mit
einem Durchmesser von etwa 0,5 bis etwa 25 μm). Aufgrund des Ionenaustauscherharzes,
das durch Suspensionspolymerisation hergestellt wird, ist die Beschichtungszusammensetzung resistent
gegen Verfärbung,
wenn sie über
Substraten aufgetragen wird, die gewöhnlich die Beschichtungszusammensetzung
färben
würden.
Die wässerige
Additionspolymerdispersion wird unter Verwendung von einem oder
mehreren Emulgatoren stabilisiert. Wenn wasserlösliche Cellulosederivate zu
der Beschichtungszusammensetzung zugegeben werden, wird diese Zugabe
während
der Formulierung der Beschichtungszusammensetzung für Verdickungszwecke
durchgeführt.
Jedoch ist die Zusammensetzung des '878-Patents weder sedimentationsstabil
noch kolloidal stabil, und selbst wenn die Zusammensetzung mit einem
Cellulosederivat verdickt wird, kann sie sedimentationsstabil werden,
aber sie ist nicht kolloidal stabil.
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Einige
waren in der Lage, die Erzeugung einer Beschichtungszusammensetzung
zu erreichen, die sedimentationsstabil ist, und gegen Verfärbung resistent
ist. Beispielsweise offenbart US-Patent Nr. 3,847,857 eine sedimentationsstabile
wässerige
Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Gemisch aus einem wasserunlöslichen
Additionspolymer und einem stabil dispergierten, wasserunlöslichen
Vinylcopolymer mit einer Größe von 0,05
bis 0,3 μm,
die durch Emulsionspolymerisation hergestellt wird. Jedoch ist die
Beschichtungszusammensetzung nicht kolloidal stabil.
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Andere
waren in der Lage, die Erzeugung einer Beschichtungszusammensetzung
zu erreichen, die kolloidal stabil und gegen Verfärbung resistent
war. Beispielsweise offenbart US-Patent Nr. 5,922,777 eine Grit-freie
Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Emulsionspolymer und
ein Ionenaustauscherharz (mit einer Größe von 0,1 bis 50 μm). Vor der
Zugabe zu dem Emulsionspolymer wird das Ionenaustauscherharz mit
einem wasserlöslichen,
anionischen Polymer vorbehandelt, das dazu dient, die Zusammensetzung
zu stabilisieren. Jedoch ist die Zusammensetzung nicht sedimentationsstabil,
speziell mit Ionenaustauschermaterial mit größerer Teilchengröße. Außerdem wird
zusätzlich
ein unerwünschtes
wasserlösliches
Polymer in die Beschichtung eingeführt, das die Wasserbeständigkeit
der Beschichtung und die Färbeblockierkapazität des Ionenaustauschermaterials
beeinträchtigen
kann.
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Die
Anmelder haben entdeckt, daß man
durch Mischen von Anionenaustauscherteilchen mit einer Größe von 0,5
bis 50 μm
mit einem wasserunlöslichen
Additionscopolymer eine färberesistente
wasserbasierende Beschichtungszusammensetzung herstellen kann, die
sowohl sedimentationsstabil als auch kolloidal stabil ist.
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In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wässerige
Dispersion bereitgestellt, umfassend eine Mischung bzw. ein Blend
von:
- (1) einem Anionenaustauscherharz mit einer
Teilchengröße von 0,5
bis 50 μm,
wobei das Anionenaustauscherharz durch ein Verfahren, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Suspensionspolymerisation, Phenol-Formaldehyd-Kondensation
und Kondensationspolymerisation von mindestens einem Polyamin und
Epichlorhydrin, hergestellt ist, mit
- (2) einem wasserunlöslichen
Additionscopolymer, wobei das Copolymer durch Emulsionspolymerisation hergestellt
ist; wobei die Emulsionspolymerisation in Gegenwart eines nicht-ionischen
Schutzkolloids stattfindet; wobei das Copolymer eine Teilchengröße von weniger
als einem Mikrometer aufweist; wobei die wässerige Dispersion eine Brookfield-Viskosität bei 60
U/min von weniger als 2000 cPs aufweist, wobei die wässerige
Dispersion kolloidal stabil und sedimentationsstabil ist.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung bereitgestellt,
umfassend das Vermischen der oben beschriebenen wässerigen
Dispersion in Kombination mit einem Bindemittel.
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In
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Inhibieren des Verfärbens eines
beschichteten Substrats bereitgestellt, umfassend die Schritte:
- (a) des Aufbringens auf das Substrat einer
wässerigen
Dispersion, umfassend ein Blend aus:
- (1) einem Anionenaustauscherharz mit einer Teilchengröße von 0,5
bis 50 μm,
wobei das Anionenaustauscherharz durch ein Verfahren, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Suspensionspolymerisation, Phenol-Formaldehyd-Kondensation
und Kondensationspolymerisation von mindestens einem Polyamin und
Epichlorhydrin, hergestellt ist, mit
- (2) einem wasserunlöslichen
Additionscopolymer, wobei das Copolymer durch Emulsionspolymerisation hergestellt
ist, wobei die Emulsionspolymerisation in Gegenwart eines nicht-ionischen
Schutzkolloids stattfindet, wobei das Copolymer eine Teilchengröße von weniger
als einem Mikrometer aufweist, wobei die wässerige Dispersion eine Brookfield-Viskosität bei 60
U/min von weniger als 2000 cPs aufweist, wobei die wässerige
Dispersion kolloidal stabil und sedimentationsstabil ist; und
- (b) des Trocknens oder des Erlaubens zu trocknen der wässerigen
Dispersion.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
ist als eine Färbeblockier-Beschichtungszusammensetzung
besonders nützlich.
Unter „Färbeblockieren" ist hierin das Verhindern
der Verfärbung
der Beschichtungszusammensetzung durch Minimieren oder Beseitigen
der Tendenz von Farbstoffen zu verstehen, aus einem Substrat oder
einer Quelle außerhalb
des Substrats durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung und jegliche
anschließend
aufgetragene Beschichtungszusammensetzung zu migrieren.
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Die
Zusammensetzung und die Verfahren dieser Erfindung beziehen sich
auf eine wässerige
Dispersion, die eine Mischung aus einem Anionenaustauscherharz,
das eine Teilchengröße von 0,5
bis 50 μm
aufweist und entweder durch Suspensionspolymerisation, Phenol-Formaldehyd-Kondensation
oder eine Kondensationsreaktion zwischen mindestens einem Polyamin
und Epichlorhydrin hergestellt worden ist, mit einem wasserunlöslichen
Additionscopolymer mit einer Teilchengröße von weniger als einem Mikrometer
umfaßt,
das in Gegenwart eines nicht-ionischen Schutzkolloids durch ein
Emulsionspolymerisationsvertahren hergestellt worden ist. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung
ist kolloidal stabil und sedimentationsstabil und weist eine Brookfield-Viskosität (gemessen
mittels Brookfield-Viskosimeter Model LVT unter Verwendung von Spindel
Nr. 3 bei 60 Umdrehungen pro Minute) von weniger als 2000 cPs auf.
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Unter „kolloidal
stabil" ist hierin
eine Zusammensetzung mit einem Gritniveau zu verstehen, wenn sie auf
eine Gießfolie
aufgetragen wird, von mindestens 8, basierend auf dem Bewertungssystem,
wobei 1 sehr schwerer Grit bedeutet, 2 schwerer/sehr schwerer Grit
bedeutet, 3 schwerer Grit bedeutet, 4 mäßiger/schwerer Grit bedeutet,
5 mäßiger Grit
bedeutet, 6 leichter/mäßiger Grit
bedeutet, 7 leichter Grit bedeutet, 8 Spuren/leichter Grit bedeutet,
9 eine Spur von Grit bedeutet und 10 kein Grit bedeutet. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung
enthält
Kolloide, die gegen die Agglomeration oder Flockulation resistent
sind. Unter „Kolloid" sind hierin Materialien
zu verstehen, die in einem fein verteilten Zustand und mit einer
Größe von 2 × 10–8 cm bis
50 × 10–5 cm
existieren.
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Unter „sedimentationsstabil" ist hierin eine
Zusammensetzung ohne sichtbare Ablagerung in Form einer dicken oder
harten gepackten Schicht am Boden des Behälters innerhalb 180 Tagen zu
verstehen. Die Sedimentteilchen in der wässerigen Dispersion sind gegen
Agglomeration oder Flockulation resistent. Unter „Sedimentteilchen" sind hierin Teilchen
aus jedem Material zu verstehen, die sich absetzen oder aus dem
Hauptteil der Flüssigkeit
zentrifugiert werden können.
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Ohne
an den Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, daß die Sedimentationsstabilität und kolloide
Stabilität
der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
durch eine schwache Wechselwirkung zwischen dem wasserunlöslichen
Additionscopolymer und den Anionenaustauscherteilchen erzeugt werden.
Es wird angenommen, daß diese
Wechselwirkung ein strukturiertes Netzwerk aufbaut, das die Ablagerung
durch Aufbauen einer schwachen gelartigen Viskosität verhindert.
Diese gelartige Struktur kann durch Scherung leicht gebrochen werden,
um die wünschenswert
niedrige Viskosität
bei der Scherrate des Pumpens zu erhalten, um die leichten Transfereigenschaften
zu erhalten. Die gelartige Struktur wird durch Herstellen einer
Latexdispersion hergestellt, die mit mindesten einem nicht-ionischen
Schutzkolloid nicht-ionisch stabilisiert wird. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung
erfordert keine Verwendung eines Dispersionsmittels, um entweder
kolloide Stabilität
oder Sedimentationsstabilität
zu erreichen, und ist daher bevorzugt im wesentlichen frei von Dispersionsmitteln.
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Unter „Schutzkolloid" ist hierin ein Material
zu verstehen, das ein wirksames Mittel zum Schutz der eingetragenen
kolloiden Teilchen in wässerigen
Medien gegen Flokkulation ist. Beispiele von geeigneten nicht-ionischen
Schutzkolloiden umfassen wasserlösliche
Celluloseether wie Hydroxyethylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose,
Methylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose und Hydroxypropylcellulose;
teilweise und vollständig
hydrolysierten Polyvinylalkohol; Polyvinylpyrrolidon und dergleichen,
und Kombinationen davon.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist die Verwendung des Schutzkolloids in Kombination
mit einem oberflächenaktiven
Mittel. Das oberflächenaktive
Mittel kann ein nicht-ionisches oberflächenaktives Mittel in Kombination
mit einem anioni schen oberflächenaktiven
Mittel sein. Bevorzugt wird das anionische oberflächenaktive
Mittel in Mengen unter 1 Gew.-%, basierend auf dem Polymerfeststoffgehalt,
verwendet. Wo ein oberflächenaktives
Mittel in Kombination mit dem Schutzkolloid verwendet wird, ist
das oberflächenaktive
Mittel bevorzugt ein nicht-ionisches oberflächenaktives Mittel. Geeignete
oberflächenaktive
Mittel umfassen nicht-ionische oberflächenaktive Mittel, wie beispielsweise
ethoxylierte Alkylphenole, Alkohole, Fettsäuren, Fettester und Öle, ethoxylierte
Sorbitanderivate, Polysaccharidbasierende oberflächenaktive Mittel, Saccharose
und Glukoseester und Derivate, Blockpolymere von Ethylenoxid und
Propylenoxid; und anionische oberflächenaktive Mittel, wie beispielsweise
Alkylarylsulfonate, Olefinsulfonate, Phosphatester, Sulfate und
Sulfonate von Fettsäuren,
und Sulfosuccinate und Derivate davon. Die Menge an verwendetem
Schutzkolloid oder oberflächenaktiven
Mittel kann 0,2 bis 8 Gew.-% betragen, basierend auf dem Gewicht
des gesamten Monomers.
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Das
wasserunlösliche
Copolymer der Erfindung enthält
keine Oberflächenladung
(neutral) bis nicht mehr als leicht negative Oberflächenladung.
Wenn die Oberflächenladung
zu hoch ist, wird die Zusammensetzung der Erfindung ausflocken,
anstelle eine schwache Struktur zu bilden, die die Ablagerung verhindert.
Ein ausgeflocktes System ist durch ein hohes Niveau an Grit (was
kolloide Instabilität
zeigt) und in einigen Fällen vollständige Verfestigung
charakterisiert. Unter „nicht
mehr als leicht negativ" ist
hierin ein Ladungsniveau zu verstehen, das niedrig genug ist, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung
keine Gritbildung erfährt.
Der Schwellenwert der negativen Oberflächenladung, wo sich Grit beginnt
zu bilden, hängt
von dem Feststoffgehalt in dem Gemisch, der Ionenstärke der
Wasserphase, dem pH des Systems, wo anionische Funktionalität schwacher
Säuren
einbezogen ist, und den Teilchengrößen der Latexdispersion und
Anionenaustauscherteilchen zusätzlich
zu dem Niveau der anionischen Funktionalität auf der Latexteilchenoberfläche ab.
Der Schwellenwert der anionischen Funktionalität in der Latexdispersion für ein spezielles
System kann bestimmt werden, indem das Niveau der anionischen Funktionalität von Polymeren
in der Latexdispersion von 0 bis 0,2 Milliäquivalenten pro Gramm trockenem
Latexpolymer in einer Reihe von Schritten verändert wird. Die gewünschte Dispersion
von Anionenaustauscherteilchen wird zu den Testlatexdispersionen
unter guter Mischung zugegeben, so daß das Verhältnis von Anionen austauscherharzen
zur Latexdispersion bei dem gewünschten
Verwendungsniveau, dem pH, dem Feststoffgehalt und der Ionenstärke vorliegt.
Für die
allgemeine Bewertung ist ein Niveau an Anionenaustauscherteilchen
zu Latexdispersion auf einer Feststoffgehaltsbasis von 20 bis 100 zur
leichten Beobachtung der kolloiden Stabilität in Form von Gritbildung in
Gießfilmen
nützlich,
bei denen die Anionenaustauscherteilchendispersion rund 30 % Feststoffgehalt
und die Latexpolymerdispersion rund 50 % Feststoffgehalt aufweist.
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Die
Quelle der niedrigen negativen Oberflächenladung könnte beispielsweise
anionische Fragmente aus Polymerisationsinitiatoren (beispielsweise
Natriumpersulfat) oder geringe Niveaus an Carboxyl-, Sulfonat- oder
Phosphatfunktionalität
aus funktionellen Monomeren, die zu der Polymerzusammensetzung polymerisiert wurden.
Eine andere Quelle an Ladung könnte
die Hydrolyse von Estergruppen in dem Polymer sein, um Carboxylgruppen
herzustellen, beispielsweise Hydrolyse von Ethylacrylat in der Zusammensetzung
unter Bildung der Acrylsäurefunktionalität. Negative
Oberflächenladung
könnte
ebenso durch adsorbierte anionische Materialien, wie anionische
oberflächenaktive
Mittel bereitgestellt werden.
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Das
wasserunlösliche
Additionscopolymer der Erfindung weist eine Teilchengröße von weniger
als einem Mikrometer auf. Bei der Viskosität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
werden sich die Copolymerteilchen mit einer größeren Teilchengröße gewöhnlich absetzen,
was die Sedimentationsinstabilität
verursacht. Das Additionscopolymer wird durch Emulsionspolymerisation
hergestellt, um jeden der dispergierten Polymertypen herzustellen,
die nun konventionell verwendet werden.
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Diese
wasserunlöslichen
Additionscopolymere umfassen beispielsweise Homopolymere oder Copolymere
von ethylenisch ungesättigten
Monomeren, wie (Meth)acrylsäureestermonomeren,
einschließlich
Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat,
Decylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat,
Hydroxyethylmethacrylat und Hydroxypropylacrylat; Acrylamid oder
substituierte Acrylamide; Styrol oder substituierte Styrole; aliphatische
Diene, wie Butadien, Isopren und Chloropren; Vinylacetat oder andere
Vinylester; Vinylmonomere, wie Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinyltoluol,
N-Vinylpyrolidon; Acrylnitril oder Metha crylnitril; und ethylenisch
ungesättigten
Monomeren, wie Ethylen, Isobutylen und Nitrilen oder Amiden von
(Meth)acrylsäure,
und Kombinationen davon. Bevorzugt ist das wasserunlösliche Additionscopolymer
ein Vinylesterpolymer, ein (Meth)acrylestercopolymer oder ein Vinyl-Kohlenwasserstoff-Copolymer.
Bevorzugt umfaßt
das Monomergemisch, das verwendet wird, um das wasserunlösliche Additionscopolymer
herzustellen, mindestens ein Säuremonomer
in solchen Mengen, daß das
Copolymer eine anionische Säurefunktionalität von nicht
mehr als 0,07 Milliäquivalenten
von Carbonsäure-funktionellen
Gruppen pro Gramm trockenes Copolymer und nicht mehr als 0,018 Milliäquivalente
von funktionellen Gruppen einer starken Säure pro Gramm trockenem Copolymer
aufweist. Unter „starker
Säure" sind hierin Säuren mit
Sulfat-, Sulfonat- oder Phosphatfunktionalität, wie beispielsweise Natriumvinylsulfat
zu verstehen.
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Wärme- oder
Redoxinitiationsverfahren können
verwendet werden, um das wasserunlösliche Additionscopolymer zu
bilden Konventionelle Radikalinitiatoren können verwendet werden, wie
beispielsweise Wasserstoffperoxid, Natriumperoxid, Kaliumperoxid,
t-Butylhydroperoxid, Cumenhydroperoxid, Ammonium- und/oder Alkalimetallpersulfate,
Natriumperborat, Perphosphorsäure
und Salze davon, Kaliumpermanganat und Ammonium- oder Alkalimetallsalze
von Peroxydischwefelsäure,
typischerweise bei einem Niveau von 0,2 bis 3 Gew.-%, basierend
auf dem Gewicht des gesamten Monomers. Redoxsysteme unter Verwendung
derselben Initiatoren, die mit einem geeigneten Reduktionsmittel
verknüpft
werden, wie beispielsweise Natriumsulfoxylatformaldehyd, Ascorbinsäure, Isoascorbinsäure, Alkalimetall-
und Ammoniumsalze von Schwefel-enthaltenden Säuren, wie Natriumsulfit, Bisulfit,
Thiosulfat, Hydrosulfit, Sulfid, Hydrosulfid oder Dithionit, Formadinsulfinsäure, Hydroxymethansulfonsäure, Acetonbisulfit,Amine,
wie Ethanolamin, Glykolsäure,
Glyoxylsäurehydrat,
Milchsäure,
Glycerinsäure, Äpfelsäure, Weinsäure und
Salze der vorhergehenden Säuren,
können
verwendet werden. Metallsalze von Eisen, Kupfer, Mangan, Silber,
Platin, Vanadium, Nickel, Chrom, Palladium oder Kobalt können zum
katalysieren der Redoxreaktion verwendet werden.
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Bestimmte
Kettenübertragungsmittel,
wie beispielsweise Halogenverbindungen, wie Tetrabrommethan; Allylverbindungen;
oder Mercaptane wie Alkylthioglycolate, Al kylmercaptoalkanoate und
lineare oder verzweigte C4-C22-Alkylmercaptane
können
verwendet werden, um das Molekulargewicht des wasserunlöslichen Additionspolymers
zu verringern und/oder eine andere Molekulargewichtsverteilung bereitzustellen,
die sonst mit jeglichen freien Radikal-erzeugenden Initiatoren erhalten
werden würde.
Kettenübertragungsmittel kann/können in
einer oder mehreren Zugaben oder kontinuierlich, linear oder nicht, über den
größten Teil
des Reaktionszeitraums oder über
den gesamten Reaktionszeitraum oder während eines beschränkten Bereiches oder
beschränkter
Bereiche des Reaktionszeitraums, wie beispielsweise bei der Kesselbeschickung
und in der Stufe der Reduktion der restlichen Monomere, zugegeben
werden. Bevorzugt ist die Verwendung von 0,05 bis 2 Gew.-% Kettenübertragungsmittel,
basierend auf dem Gesamtgewicht des Monomers, das verwendet wird, um
das wässerige
Emulsionscopolymer zu bilden; stärker
bevorzugt ist die Verwendung von 0,1 bis 1 Gew.-% Kettenübertragungsmittel,
basierend auf dem Gesamtgewicht des Monomers, das verwendet wird,
um das wässerige
Emulsionscopolymer zu bilden.
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In
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das wasserunlösliche Additionscopolymer durch
ein Mehrstufenverfahren hergestellt, bei dem mindestens zwei Stufen,
die sich in der Zusammensetzung unterscheiden, in aufeinanderfolgender
Weise polymerisiert werden. Ein solches Verfahren führt normalerweise
zur Bildung von mindestens zwei gegenseitig inkompatiblen Polymerzusammensetzungen,
wodurch es zur Bildung von mindestens zwei Phasen in den Polymerteilchen
dieser Verfahrensweise führt.
Diese Teilchen bestehen aus zwei oder mehreren Phasen mit verschiedenen
Geometrien, wie beispielsweise Kern/Mantel oder Kern/Hülle-Teilchen, Kern/Mantel-Teilchen
mit Mantelphasen, die den Kern unvollständig einkapseln, Kern/Mantel-Teilchen
mit einer Vielzahl von Kernen, und Durchdringungsnetzwerkteilchen.
In all diesen Fällen wird
der größte Teil
der Oberfläche
des Teilchens durch mindestens eine äußere Phase eingenommen, und das
Innere des Teilchens wird durch mindestens eine innere Phase eingenommen.
Jede der Stufen des mehrstufigen Polymers kann dieselben Monomere,
oberflächenaktiven
Mittel, Kettenübertragungsmittel
usw., wie hierin offenbart, für
das unlösliche
Additionspolymer enthalten. Die Polymerisationstechniken, die verwendet werden,
um Mehrstufenemulsionspolymere herzustellen, sind in der Technik
allgemein bekannt, wie bei spielsweise aus US-Patente Nr. 4,325,856;
4,654,397 und 4,814,373. Es wird ebenso erwogen, daß das wasserunlösliche Additionscopolymer
ein oder mehrere Polymerarten enthält.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
kann ein Vernetzungsmittel, wie beispielsweise ein Polyaziridin,
Polyisocyanat, Polycarbodümid,
Polyepoxid, Polyaminoplast, Polyalkoxysilan, Polyoxazolidin, Polyamin
und eine mehrwertige Metallverbindung enthalten; vorausgesetzt,
daß das
Vernetzungsmittel die Filmbildung nicht inhibiert. Typischerweise
werden 0,05 Gew.-% bis 15 Gew.-% des Vernetzungsmittels verwendet, basierend
auf dem Gewicht des Polymerfeststoffgehaltes.
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Anionenaustauscherharze
werden in der vorliegenden Erfindung verwendet, um die Färbeblockierleistung
der Beschichtungszusammensetzungen, in denen sie verwendet werden,
zu verbessern. Anionenaustauscherharze, das heißt Ionenaustauscherharzteilchen
mit einer positiv geladenen Oberfläche und positiv geladenen Stellen
durch die Teilchen hindurch, die die negativ geladenen Ionen halten
und austauschen, können beispielsweise
Copolymere von Styrol oder Divinylbenzol sein, die chlormethyliert
und dann umgesetzt werden, um quartäre Ammoniumgruppen darin mittels
tertiärer
Amine zu bilden, oder um einfache Amingruppen mittels primären oder
sekundären
Aminen zu bilden. Die Ionenaustauscherharze können Harze vom Geltyp oder
makroretikulären
Typ sein. Die Anionenaustauscherharze der Erfindung werden entweder
durch Suspensionspolymerisation, Phenol-Formaldehyd-Kondensation oder
eine Kondensationsreaktion zwischen mindestens einem Polyamin oder
Epichlorhydrin hergestellt. Die Suspensionsverfahren, die verwendet
werden können,
um das Anionenaustauscherharz herzustellen, sind in der Technik
allgemein bekannt, siehe beispielsweise US-Pat. Nr. 4,283,499. Typischerweise
erzeugt die Suspensionspolymerisation vernetzte Polystyrolionenaustauscherharze
mit einer Teilchengröße von ungefähr 100 μm bis 500 μm. Die Anionenaustauscherharze, die
durch das Suspensionspolymerisationsverfahren hergestellt werden,
können
durch eine Mahlvorrichtung zerkleinert werden, die zur Herstellung
von Teilchen in dem Größenbereich
der Erfindung geeignet ist, der bevorzugt 0,5 bis 50 μm, stärker bevorzugt
0,5 μm bis
35 μm, und
am stärksten
bevorzugt 0,5 μm
bis 25 μm
beträgt.
Die Teilchengröße kann
auf einem CoulterTM LS, Lichtstreuungs- Teilchengrößeanalysator
gemessen werden. Geeignete Mühlen
sind Mahlscheibenmühlen,
Strahlmühlen,
Kolloidmühlen,
Schwingmühlen
(Vibrations-Energie-Mühlen),
Pinmühlen,
Kugelmühlen,
Walzenmühlen
und Autogen- und Halbautogenmühlen. Ebenso
könnte
eine Kombination aus Mühlen
verwendet werden, um möglicherweise
die Geschwindigkeit zu erhöhen,
wobei die erste Mühle
die Teilchengröße auf beispielsweise
weniger als 100 μm
verringert und die zweite Mühle
die Teilchengröße weiter
zu dem gewünschten
Bereich verringert. Ein Beispiel würde die anfängliche Verwendung einer Hammermühle sein,
gefolgt von einer Halbautogenmühle
wie eine Dyno-MillTM von CB Mills Inc. (Buffalo
Grove, III.). Wo das Zerkleinern notwendig ist, kann das Anionenaustauscherharz
in Gegenwart des Latex zerkleinert oder erst zerkleinert und dann
mit dem Latex gemischt werden.
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Alternativ
kann das Anionenaustauscherharz durch Phenol-Formaldehyd-Kondensation oder
durch eine Kondensationsreaktion zwischen mindestens einem Polyamin
und Epichlorhydrin hergestellt werden. Unter „Phenol-Formaldehyd-Kondensation" ist hierin eine
Reaktion zwischen Phenol, Formaldehyd und mindestens einem Polyamin,
wie beispielsweise Triethylentetramin zu verstehen, die ein Phenol-Formaldehyd-Harz erzeugt.
Die Kondensationsreaktion zwischen mindestens einem Polyamin und
Epichlorhydrin erzeugt ein Polyalkylaminharz. Beide der obengenannten
Reaktionstypen sind in der Technik allgemein bekannt, siehe beispielsweise
Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Hg. Herman F. Mark,
Bd. 8, S. 341–393,
John Wiley and Sons NY, (1987).
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Die
Menge an Anionenaustauscherharz, das in dieser Erfindung verwendet
wird, beträgt
2,5 bis 40 %, basierend auf dem Volumen des Feststoffgehaltes des
Anstriches oder der Beschichtung. Stärker bevorzugt beträgt sie 3,5
bis 30 % Anionenaustauscherharz, basierend auf dem Volumen des Feststoffgehaltes
des Anstriches. Am stärksten
bevorzugt beträgt
sie 5 bis 25 % Anionenaustauscherharz, basierend auf dem Volumen des
Feststoffgehaltes des Anstriches. Bevorzugt enthält die wässerige Zusammensetzung der
Erfindung 30 bis 65 %, stärker
bevorzugt 40 bis 65 % Feststoffdispersion in Wasser. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Anionenaustauscherharzes
zu dem wasserunlöslichen
Additionscopolymer 2:100 bis 1:1, stärker bevorzugt 5:100 bis 1:1.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
kann direkt als eine Färbeblockierbeschichtung
oder Primer verwendet oder mit konventionellen Beschichtungsmaterialien
formuliert werden: Koaleszensmittel, Glykole, Füllstoffe, Pigmente, Benetzungsmittel,
Antischaummittel, Biozide, Verdickungsmittel usw, wenn gewünscht. Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
in Kombination mit einem Bindemittel. Wenn die Zusammensetzung in
dieser Weise als ein Anionenaustauscherharzkonzentrat verwendet
wird, behalten die vereinigte Zusammensetzung und das Bindemittel überraschenderweise
die Kolloid- und Sedimentationsstabilität. Geeignete Bindemittel umfassen
Polymere, wie beispielsweise Polyurethan, ein Polyester, ein Acrylcopolymer,
ein Styrol/Acryl-Copolymer, ein Epoxypolymer oder andere Polymere.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zum Inhibieren der Verfärbung eines
beschichten Substrats durch Auftragen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
auf das Substrat. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann durch
konventionelle Auftragungsverfahren aufgetragen werden, wie beispielsweise
Bürst-
und Sprühverfahren,
wie beispielsweise Walzenstreichverfahren, Streichmesserauftragung,
Druckverfahren, Druckluftspritzen, luftunterstützes Spritzen, Airless-Spritzen,
Hochvolumen-Hochdruckspritzen und luftunterstütztes Airless-Spritzen. Typische
Substrate, auf die die erfindungsgemäße Zusammensetzung aufgetragen
werden kann, umfassen Kunststoff, Holz, Metall, Plastik, Wandpappe,
grundierte Oberflächen,
zuvor gestrichene Oberflächen
und zementartige Substrate.
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Auf
dem Substrat können
Markierungen angebracht worden sein, die durch wässerige oder nicht-wässerige
Zusammensetzungen wie denen von Markierungsstiften abgeschieden
wurden, oder das Substrat kann Farbstoffsubstanzen enthalten, wie
Tanningerbstoffe, wobei derartige Farbstoffe in größerem oder
geringerem Maße
auf der Oberfläche
einer trockenen, später
abgeschiedenen Beschichtung auftreten können. Ohne an den Mechanismus
gebunden zu sein, wird angenommen, daß Farbstoffe aus dem Substrat
oder von Quellen außerhalb
des Substrats (beispielsweise Zigarettenrauch) in nassen Beschichtungszusammensetzungen,
die auf das Substrat aufgetragen werden, gelöst oder dispergiert werden
und ausreichend mi grieren, um so auf der Oberfläche der trockenen Beschichtung
oder von trockenen, später
aufgetragenen Beschichtungen auftreten, wodurch eines der Ziele
des Auftragens der Beschichtung, nämlich unansehnliche Verfärbungen
zu verdecken, vernichtet wird. Es wird angenommen, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung,
wenn trocken, die Farbstoffe blockieren und/oder einschließen, so
daß sie
nicht auf der sichtbaren Oberfläche
von trockenen Beschichtungen erscheinen können. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung
wird typischerweise getrocknet oder erlaubt zu trocknen bei einer
Temperatur von 10 °C
bis 95 °C.
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Die
folgenden Beispiele werden dargestellt, um die Eigenschaften der
Erfindung zu veranschaulichen.
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Beispiel C1 – Anionenaustauscherharzdispersion
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Zu
120 g eines Quartärammonium-funktionellen
Styrol/Divinylbenzolharz auf Feststoffbasis, hergestellt durch die
Verfahren von
US 2,591,573 (Amberjet
TM 4400 in Chloridgegenionenform), wurde
Wasser zugegeben, wodurch der Feststoffgehalt auf 30 % gebracht
wurde. Dieses Gemisch wurde auf einer Vibrationsenergiemühle für 6 Stunden
unter Verwendung von 1/2 Inch Zirkoniumdioxidmedien zerkleinert,
wodurch ein mittleres Teilchen von 10 μm erhalten wurde, wie durch
Coulter LS Teilchengrößenanalysator
gemessen. Beim Stehenlassen über
Nacht setzte sich das Material ab, wodurch ein kompaktes Sediment
erhalten wurde.
-
Beispiel C2
-
RovaceTM 661 (55 % Feststoffgehalt an Latex von
Vinylacetat und Butylacrylat, stabilisiert mit nicht-ionischem oberflächenaktivem
Mittel und Hydroxyethylcellulose, Teilchengröße beträgt 0,3 μm). Das Polymer wies ein geringes
Niveau an anionischer Ladung aufgrund der Äquivalenz von 0,5 % Acrylsäure in der
Zusammensetzung, basierend auf dem Feststoffgehalt, auf. Das Niveau
an hydrolysierter Carbonsäure
wurde durch Leitfähigkeitstitration
von RovaceTM 661 nach der Deionisierung
mit einem Mischbett-Ionenaustauscherharz, AmberliteTM IRN
150, bestimmt.
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Beispiel C3
-
RhoplexTM AC-1034. Ein Styrolacrylemulsionspolymer,
enthaltend etwa 3 % Säure
(berechnet als Methacryl), polymerisiert mit nicht-ionischem und
anionischem oberflächenaktiven
Mittel, wodurch eine 47%ige Feststoffdispersion erhalten wurde.
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Beispiele 4A–4E. C4F-C4L,
4M
-
In
den Beispielen 4A bis 4E wurde die Anionenaustauscherdispersion
von Beispiel C1 mit dem RovaceTM 661 Emulsionspolymer
von Beispiel C2 gemischt. In den Beispielen C4F bis C4L und Beispiel
4M wurde die Anionaustauscherdispersion von Beispiel C1 mit verschiedenen
Emulsionspolymeren gemischt.
-
Beispiele CSA. 5B–5F:
-
Die
Mischungen 4B bis 4E wurden als ein Ionenaustauscherharzkonzentrat
unter Zugabe von 2,5 bis 5 % Ionenaustauscherharz zu einem Latexpolymer
(Beispiel C3, RhoplexTM AC1034) verwendet,
das als primäres
Bindemittel in der Beschichtung diente. Die Kontrolle ist Beispiel
C5A, wo die 30%ige Dispersion von Ionenaustauscherharz (Beispiel
C1) direkt mit RhopIexTM AC1034 gemischt
wurde. Das Mischen wurde unter Verwendung eines Überkopfrührers mit guter Bewegung durchgeführt.
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-
-
ANMERKUNG:
-
Beispielnummern, beginnend
mit „C", sind Vergleichsbeispiele
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-
- AA
- = Acrylsäure
- AS
- = anionisches oberflächenaktives
Mittel
- MAA
- = Methacrylsäure
- MAH
- = Maleinsäureanhydrid
- NPC
- = nicht-ionisches
Schutzkolloid
- NS
- = nicht-ionisches
oberflächenaktives
Mittel
- SVS
- = Natriumvinylsulfonat
-
w
- = Milliäquivalente/g
an Säuremonomer,
berechnet als Acryl
-
s
- = Milliäquivalente/g
an starkem Säuremonomer,
berechnet als Sulfonatfunktionsmonomer
- RovaceTM
- 661 (Latex von Vinylacetat
und Butylacrylat, enthaltend ein Äquivalent von 0,5 % Acrylsäure) wird
von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- RhoplexTM
- AC-2235 (Acrylatemulsionspolymer,
enthaltend etwa 1 % Methacrylsäure)
wird von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- RhoplexTM
- PR-26 (quartäres Ammonium-funktionelles
kationisches Emulsionspolymer, Gesamtfeststoffgehalt = 30 %, Teilchengröße = 0,1 μm) wird von
Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania, hergestellt.
- RhoplexTM
- SG10M (Acrylatemulsionspolymer,
enthaltend etwa 1 % Methacrylsäure)
wird von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- RhoplexTM
- AC1034 (Styrolacrylemulsionspolymer,
enthaltend etwa 3 % Methacrylsäure)
wird von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- RovaceTM
- 9100 (anionisches
Vinylacetatacrylatemulsionpolymer) wird von Rhom and Haas Company
mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania, hergestellt.
- RhoplexTM
- AC417M (leicht carboxyliertes
Acrylatemulsionpolymer) wird von Rhom and Haas Company mit Sitz
in Philadelphia, Pennsylvania, hergestellt.
- PolycoTM
- 3368 (leicht carboxyliertes
Vinylacetatacrylatemulsionspolymer) wird von Rhom and Haas Company
mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania, hergestellt.
- AirflexTM
- 465 (Ethylen/Vinylacetat-Emulsionspolymer)
wird von Air Products mit Sitz in Allentown, Pennsylvania hergestellt.
-
Tabelle
2 Beispiel C6: Halbglänzender
Anstrich
-
ANMERKUNG:
-
-
- *
- Vorgemischt vor Zugabe
- TamolTM
- 731 (25 %) wird von
Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania, hergestellt.
- RhoplexTM
- AC-507 Polymerdispersion
(46,5 %) wird von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- AcrysolTM
- G-110 (22 %) wird
von Rhom and Haas Company mit Sitz in Philadelphia, Pennsylvania,
hergestellt.
- NopcoTM
- NXZ Antischaummittel
wird von Henkel mit Sitz in Düsseldorf,
Deutschland hergestellt.
- Ti-PureTM
- R-900 wird von Du
Pont mit Sitz in Wilmington, Delaware hergestellt.
-
Testverfahren
für Sedimentationsstabilität und Viskositätsmessung
-
Die
Materialien wurden unter gutem Rühren
unter Verwendung eines Überkopfrührers gemischt.
Die Spindel 3 wurde verwendet, und die Viskosität wurde bei 6 und 60 U/min
unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters (LVT) gemessen.
Die Sedimentationsstabilität
wurde unter Verwendung eines Spatels zur Untersuchung des Sediments
auf dem Boden der Proben, die in 2-oz-Gefäßen gelagert werden, nach 7
Tagen und 180 Tagen gemessen. Das Sediment kann in dieser Weise
als eine dicke oder kompakte Schicht am Boden des Behälters leicht
gesehen werden. Die Daten werden in Tabelle 3 gezeigt. Man beachte,
daß, selbst wenn
sich der Gesamtfeststoffgehalt der Mischung verringerte, während sich
das Niveau an Ionenaustauscherharz erhöhte, weil wir eine Ionenaustauscherdispersion
mit 30 % Feststoffgehalt mit einem Latex mit 55 % Feststoffgehalt
mischten, sich die Viskosität
bis zu 50 % Ionenaustauscherharz erhöhte und dann zurück auf etwa
dieselbe wie die der 0 %-Kontrolle bei hoher Verdünnung mit
dem 100 %-Niveau (Beispiel 4E) verringerte.
-
Das
,6/60-Verhältnis' ist das Verhältnis der
Viskosität
bei 6 U/min geteilt durch die Viskosität bei 60 U/min. Dieses Verhältnis ist
ein Maß des
Strukturviskositätsverhaltens
oder die relative Struktur der Mischung. Je höher das 6/60-Verhältnis, desto
mehr Struktur enthält
das Beispiel. Das 6/60-Verhältnis
in jeder Mischung war höher
als das der Grundemulsion, Beispiel C2, was außerdem eine Wechselwirkung
zwischen den zwei Typen an Teilchen, die das Absetzen verhindert,
angibt.
-
Testverfahren
für die
kolloide Stabilität
-
Glanztest als ein Zeichen
der kolloiden Stabilität.
-
Die
Testbeschichtung wurde auf Lenta-SC-Tafeln mit einem 2-mil-Bird-Applikator
aufgetragen und trocknete für
3 Tage. Der Glanz wurde bei 60° unter
Verwendung eines Gardner-Glanzmessers gemessen.
-
Griffest als Zeichen der
kolloiden Stabilität.
-
Die
Testbeschichtung wurde auf Lenta-5C-Tafeln mit einem 2-mil-Bird-Applikator
aufgetragen und trocknete für
3 Tage. Das
Bewertungssystem für
das Gritniveau war folgendermaßen:
10
= keiner | 5
= mäßig |
9 =
Spur | 4
= mäßig/schwer |
8 =
Spur/leicht | 3
= schwer |
7 =
leicht | 2
= schwer/sehr schwer |
6 =
leichtmäßig | 1
= sehr schwer |
-
Eine
Bewertung größer 8 wird
als praktisch akzeptabel für
das optische Aussehen betrachtet.
-
Zusätzlich zur
höheren
Gritbewertung zeigt der höhere
Glanz der Beispiele 5B bis 5E im Vergleich zu 5A die verbesserte
kolloide Stabilität,
die unter Verwendung des stabilisierten Konzentratansatzes erhalten wird.
Alle Proben, die das Ionenaustauscherharz enthalten, zeigen sehr
gute Färbeblockiereigenschaften.
-
Testverfahren
für Zedertärbeblockierung
-
Die
Testbeschichtung (Primer) wurde auf schwere, dunkle Zederzuschnittplatten
bei einer Abdeckrate von 400 ft
2/gal gestrichen
und trocknete für
2 Stunden. Die Testbeschichtung wurde dann mit halbglänzenden Anstrich
(Beispiel C6) bei derselben Abdeckrate darauf beschichtet und in
eine Box mit 100 % relativer Feuchte für 18 h gegeben. Die gestrichenen
Platten wurden dann aus der Feuchtebox genommen, und die Deckschicht konnte
bei Umgebungsbedingungen trocknen. Die Färbeblockierfähigkeit
der Testbeschichtung wurde nach weiteren 24 Stunden auf einer Skala
von 1 bis 10 bewertet, wobei 10 kein Anzeichen von Verfärbung darstellt. Das
Bewertungssystem für
das Verfärbungsniveau
war folgendermaßen:
10
= keine | 5
= mäßig |
9 =
Spur | 4
= mäßig/schwer |
8 =
Spur/leicht | 3
= schwer |
7 =
leicht | 2
= schwer/sehr schwer |
6 =
leichtmäßig | 1
= sehr schwer |
-
Eine
Bewertung größer 8 wird
als praktisch akzeptable für
das optische Aussehen betrachtet. Tabelle
3. Färbeblockierung,
Sedimentationsstabilität
und kolloide Stabilität
Testergebnisse
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ANMERKUNG:
-
- Beispielnummern, beginnend mit "C",
sind Vergleichsbeispiele.