DE69332667T2

DE69332667T2 - Wässrige beschichtungszusammensetzungen mit verbesserter pigmentorientierung

Info

Publication number: DE69332667T2
Application number: DE69332667T
Authority: DE
Inventors: Edgar Hartman; James Edward Poole; Dennis Taljan
Original assignee: PPG Industries Ohio Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: EP0656922B1; ZA936173B; JPH07506621A; KR950703031A; JP2661798B2; AU5004993A; MX9305244A; US5356973A; AU670969B2; CA2141823A1; CA2141823C; EP0656922A1; US5510148A; ATE231905T1; ES2191667T3; KR100240908B1; DE69332667D1; WO1994005733A1; TW314544B; CN1039718C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf wässrige Beschichtungszusammensetzungen und auf Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen, beschichteten Gegenständen, welche diese Zusammensetzungen verwenden, und auf die resultierenden beschichteten Gegenstände.
Beim Beschichten von Substraten, wie z. B. Automobilen, wo eine Beschichtung erwünscht ist, die ein schimmerndes Aussehen ergab, ist es anerkannt gewesen, das Substrat mit mehreren Überzugsschichten zu versehen, um die erwünschte Wirkung zu erzielen. Daher wird typischerweise zuerst ein pigmentierte Beschichtungszusammensetzung auf das Substrat aufgebracht, gefolgt von einer transparenten Deckschicht. Mit transparent ist eine klare Beschichtung gemeint, das ist eine Beschichtung, die keine Pigmentierung enthält oder nur transparente Pigmente enthält. Ein solches Beschichtungssystem wird allgemein als "klar über Farbe" oder "Farbe plus klar" bezeichnet.
Automobilbeschichtungen, die Metallpigmente, wie Aluminiumplättchen enthalten, werden allgemein verwendet, um das glänzende, schimmernde Aussehen zu erhalten, das charakteristisch gewünscht ist. Um das bevorzugte Aussehen von solchen metallischen Beschichtungszusammensetzungen zu erreichen, ist es sehr wichtig, dass sich das metallische Pigment so orientiert, dass es parallel zu der beschichteten Oberfläche ist. Die Ausrichtung des Pigments in dieser Weise ergibt das am meisten erwünschte Aussehen, insbesondere hinsichtlich des "Umschwenkens" der Beschichtung. Mit "Umschwenken" ist die visuelle Änderung des Glanzes oder der Helligkeit des metallischen Aluminiumplättchens bei einer Änderung des Betrachtungswinkels gemeint, d. h. eine Änderung von 90º zu 180º. Je größer die visuelle Änderung des Aussehens im Licht zum Aussehen im Dunkeln ist, desto besser ist das Umschwenken. Das Umschwenken akzentuiert die Linien und Krümmungen eines Automobils; daher ist es sehr wichtig beim Erreichen des Gesuchten nach dem Aussehen der Beschichtung. Es ist auch sehr wichtig, dass das metallische Pigment gleichmäßig über die Oberfläche des Substrats orientiert ist, da sich sonst fleckige Stellen von heller und dunkler Farbe zeigen. Dieser Zustand ist allgemein als Sprenkelung bekannt.
Während der letzten paar Jahre ging der Trend in der Automobilindustrie dahin, die atmosphärische Verunreinigung zu verringern, die durch die flüchtigen Lösungsmittel hervorgerufen wurde, welche während des Lackierungsverfahrens abgegeben werden. Ein Versuch zur Emissionskontrolle ist die Verwendung von wässrigen Beschichtungszusammensetzungen als pigmentierte Farbschicht in dem "Farb plus klar"-System gewesen.
Wässrige Beschichtungszusammensetzungen sind jedoch nicht ohne begleitende Nachteile. Solche Beschichtungen haben z. B. oft ein enges Anwendungsfenster, in welchem vorzügliche Filmeigenschaften erhalten werden. Das heißt, es ist schwierig, glatte Filme zu erhalten, die über einen weiten Bereich von relativen Feuchtigkeiten frei sind von durch Lösungsmittel bedingtem Abplatzen. Zusätzlich wird bei hohen Feuchtigkeiten häufig eine Sprenkelung des Films beobachtet.
EP 0 269 982 lehrt die Verwendung von bestimmten hydrolytisch stabilen Estern als Koaleszenzmittel, die ein Gleichgewicht der Blockbeständigkeit und der Filmbildung bei niedriger Temperatur ergeben. Dieses Dokument beschreibt insbesondere wässrige Beschichtungszusammensetzungen, die wasserunlösliches Additionspolymer mit einer Tg größer als 0ºC enthalten, die als Koaleszenzmittel wenigstens einen Ester der Formel (A) R1-C(O)-OR2, (B) R3-O-C-(O)-R3-C(O)-O-R4 und (C) R2-C(O)-O-R3-O-C(O)-R4 enthalten, worin R1 Alkyl oder Aryl ist, R2 und R4 gleich oder verschiedenes Alkyl, das kein Methyl ist, sind und R3 Alkylen, Vinylen oder in der Formel (B) eine Einfachbindung ist, wobei der Ester eine annehmbare hydrolytische Stabilität und einen normalen Siedepunkt von 160ºC bis 290ºC hat. Obwohl die Zusammensetzungen dieses Dokuments vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf die Temperaturschwankung zeigen, wird das Problem der Kontinuität von Eigenschaften im Hinblick auf die Feuchtigkeitsschwankung nicht angesprochen.
Es ist daher erwünscht, wässrige Beschichtungszusammensetzungen zu haben, die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Sprenkelung und Abplatzen haben, gutes Umschwenken haben und auch eine verringerte Empfindlichkeit auf Schwankungen der relativen Feuchtigkeit haben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Beschichtungszusammensetzung bereit gestellt, die ein polymeres, filmbildendes Harz, dispergiert in wässrigem Medium, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Beschichtungszusammensetzung 1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Harzfeststoffe der Zusammensetzung, eines oligomeren Esters der Struktur enthält:
worin X der Rest eines Polyols nach der Reaktion mit einer Säure oder einem Anhydrid ist, R ein organischer Teil eines cycloaliphatischen Anhydrids ist, und A einen Mittelwert von 2 oder größer hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein Verfahren zur Bildung einer mehrschichtigen Beschichtung auf einem Träger bereit gestellt, umfassend:
(I) das Aufbringen auf die Oberfläche des Trägers als Grundschicht eine pigmentierte, wässrige Beschichtungszusammensetzung, enthaltend ein polymeres, filmbildendes Harz, dispergiert in wässrigem Medium, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Beschichtungszusammensetzung 1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Harzfeststoffe der Zusammensetzung, eines oligomeren Esters der Struktur enthält:
worin X der Rest eines Polyols nach der Reaktion mit einer Säure oder einem Anhydrid ist, R ein organisches Teil eines cycloaliphatischen Anhydrids ist, und A einen Mittelwert von 2 oder größer hat;
(II) das wenigstens teilweise Trocknenlassen oder Aushärtenlassen der im Schritt (I) aufgebrachten Zusammensetzung zur Bildung einer Grundschicht auf der Trägeroberfläche;
(III) das Aufbringen einer Klarfilm bildenden Zusammensetzung über der Grundschicht von Schritt (II);
(IV) das wenigstens teilweise Trocknenlassen oder Aushärtenlassen der Klarzusammensetzung von Schritt (III) zur Bildung einer transparenten Deckschicht über der Grundschicht.
Ebenfalls bereit gestellt werden beschichtete Gegenstände, die gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die wässrigen Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten als wesentliche Komponente ein polymeres, filmbildendes Harz, dispergiert in wässrigem Medium, und einen oligomeren Ester.
Der oligomere Ester, der durch die folgende Strukturformel wiedergegeben werden kann
kann durch Reaktion eines Polyols mit einem cycloaliphatischen Säureanhydrid erhalten werden. Wenn ein Säureanhydrid verwendet wird, wird das Säureanhydrid unter Bedingungen umgesetzt, die zur Ringöffnung des Anhydrids, welches den Halbester bildet, ausreichend sind, wobei im Wesentlichen keine Polyveresterung erfolgt. "Im Wesentlichen keine Polyveresterung erfolgend" bedeutet, dass die Carboxylgruppen, die aus der Anhydridringöffnung hervorgehen, keine Kondensationspolymerisation eingehen. Dies bedeutet, dass weniger als 10 Gew.-% gewöhnlich weniger als 5 Gew.-%, Kondensationspolymer gebildet wird.
In der vorstehenden Formel ist X der Rest eines Polyols nach der Reaktion mit einer Säure oder einem Anhydrid, R ist ein organischer Teil, der mit dem cycloaliphatischen Anhydrid assoziiert ist, und A hat einen Mittelwert von 2 oder größer. Gewöhnlich ist A eine ganze Zahl von 2 oder größer.
Es wird angenommen, dass das Molekulargewicht des oligomeren Esters nicht kritisch ist. Die bevorzugten Ester, die in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten werden, haben jedoch gewöhnlich ein niedriges Molekulargewicht. Die oligomeren Ester haben gewöhnlich ein zahlenmittleres Molekulargewicht von weniger als 5000, vorzugsweise von 350 bis 1000.
Das zahlenmittlere Molekulargewicht wird durch Gelpermeationschromatographie unter Verwendung eines Polystyrolstandards bestimmt.
Zur Messung des zahlenmittleren Molekulargewichts unter Verwendung von Polystyrol als Standard wurde ein Gelpermeationschromatograph Modell 201 von Waters Associates gel verwendet. Es wurden sechs Mikro-Styragel-Säulen verwendet. Jede Säule war 20 cm lang und hatte einen Innendurchmesser von 7,8 mm. Als Detektor wurde ein Differentialrefraktometer verwendet, und die Säulen wurden entsprechend ihrer Porengröße in der Reihenfolge von 10³, 10&sup4;, 10&sup5;, 10&sup6;, 500, 100 Angström angeordnet, wobei die Säule mit 10³ Angström die erste war. Tetrahydrofuran wurde als Lösungsmittel mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,0 ml/min verwendet. Die Qualität der Säulen wurde durch ihre "theoretische Plattenzahl", bestimmt aus Orthodichlorbenzol, geprüft. Für den Zweck dieser Anmeldungen werden solche Säulen mit theoretischen Plattenzahlen von 3000/30 cm verwendet.
Zur Bestimmung des Molekulargewichts durch Gelpermeationschromatographie (GPC) wird das Instrument zuerst unter Verwendung eines Polystyrolstandards kalibriert. Die verwendeten Polystyrolstandards wurden von Pressure Chemicals Company, Pittsburgh, PA erworben. Die Polystyrolstandards haben Dispersitäten (Dispersität = gewichtsmittleres Molekulargewicht/zahlenmittleres Molekulargewicht) im Bereich von 1,05 bis 1,10. Die viskositätsmittleren Molekulargewichte der verwendeten Polystyrolstandards betrugen 850000, 233000, 474000, 17400 und 3600. Zum Erhalt einer Kalibrierungskurve wurde ein Satz von 0,1%igen (10 mg Polystyrol/1,0 ml Tetrahydrofuran) Polystyrollösungen in Tetrahydrofuran hergestellt, und ein GPC-Chromatogramm wurde erhalten. Das Elutionsvolumen von jeder Spitze entsprechend einem vorgegeben Molekulargewicht des Polystyrolstandards wurde gemessen, und die Daten wurden auf einem halblogarithmischen Papier (Logarithmusskala auf der Ordinate und lineare Skala auf der Abszisse) aufgetragen. Ein linearer Auftrag der kleinsten Quadrate zu log&sub1;&sub0; (Molekulargewicht) gegen das Elutionsvolumen in Milliliter wird als Kalibrierungskurve verwendet. Das niedrigste Molekulargewicht des verwendeten Polystyrolstandards betrug 3600, und die darüber hinaus gehende Kalibrierungskurve wurde herunter bis auf 100 extrapoliert. Die oberen und unteren Ausschlussgrenzen dieses Satzes von Säulen sind 5000000 bzw. 100, ausgedrückt als Molekulargewicht des Polystyrols. Die Probe, deren Molekulargewichte zu bestimmen ist, wurde als eine 1,0%ige Lösung in Tetrahydrofuran hergestellt. Nach einer Filtration durch ein Filter von 0,5 Mikron, erhältlich von Millipore Corporation, wurde eine Probe der Größe 0,5 ml in die Säulen injiziert, und ein GPC-Chromatogramm wurde unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie die Kalibrierung erhalten. Aus der resultierenden Kalibrierungskurve des Molekulargewichts gegenüber der Retentionszeit wird die Kurve bei den entsprechenden Retentionszeiten mittels eines Computers aufgezeichnet. Aus diesen Höhe-Molekulargewicht- (M)-Kombinationen werden die folgenden Mittelwerte berechnet. Zahlenmittleres Molekulargewicht = ΣH/ΣH/M. Dies ist die angegebene Zahl.
Die oligomeren Ester der beanspruchten Erfindung haben einen Säurewert, der im Allgemeinen im Bereich von 100 bis 500, vorzugsweise 150 bis 300, liegt.
Die oligomeren Ester sind in den beanspruchten Beschichtungszusammensetzungen in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 1% bis 25%, vorhanden, wobei die Prozentangaben auf die Harzfeststoffe der Zusammensetzung bezogen sind.
Der oligomere Ester kann hergestellt werden, wenn ein Säureanhydrid und Polyol miteinander in Kontakt gebracht werden, gewöhnlich durch Mischen der Bestandteile zusammen in einem Reaktionsgefäß. Vorzugsweise wird die Reaktion in Gegenwart einer inerten Atmosphäre, wie Stickstoff, und optional in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt, um die festen Bestandteile aufzulösen und/oder um die Viskosität der Reaktionsmischung zu erniedrigen. Beispiele von geeigneten Lösungsmitteln sind sowohl hochsiedende Materialien und umfassen z. B. Ketone, wie Methylamylketon, Diisobutylketon, Methylisobutylketon, als auch andere organische Lösungsmittel, wie Dimethylformamid und N-Methylpyrrolidon.
Für die Ringöffnungsreaktion und die Halbesterbildung kann ein 1,2-Dicarbonsäureanhydrid verwendet werden. Die Reaktionstemperatur ist vorzugsweise niedrig, d. h. nicht höher als 135ºC, vorzugsweise niedriger als 120ºC und liegt gewöhnlich in dem Bereich von 70ºC-130ºC, vorzugsweise 90ºC-120ºC.
Die Reaktionszeit kann in weitem Umfang variieren und hängt in erster Linie von der Reaktionstemperatur ab. Die Reaktionszeit kann so kurz wie 10 Minuten bis so lang wie 24 Stunden sein.
Hydroxyl enthaltende Lösungsmittel, wie Butylalkohol, und Glycolether, wie Ethylenglycolmonobutylether, Diethylenglycolmonobutylether und Propylenglycolmonopropylether, können nach der Reaktion zugesetzt werden. Optional können die oligomeren Ester durch Zugabe von Amin, wie Dimethylethanolamin und Triethylamin, neutralisiert werden.
Das Äquivalentverhältnis von Anhydrid zu Hydroxygruppen des Polyols beträgt vorzugsweise wenigstens 0,8 : 1 (das Anhydrid wird als monofunktionell angesehen), um eine maximale Umwandlung zum erwünschten Halbester zu erhalten, obwohl Verhältnisse von weniger als 0,8 : 1 verwendet werden können.
Unter den cycloaliphatischen Anhydriden, die zur Bildung der erwünschten Polyester verwendet werden können, sind solche, die ausschließlich der Kohlenstoffatome und des Anhydridteils 2 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten. Substituierte cycloaliphatische Anhydride sind ebenfalls in der Definition von "cycloaliphatisch" enthalten, vorausgesetzt, dass die Substituenten die Reaktivität des Anhydrids oder die Eigenschaften des resultierenden Polyesters nicht nachteilig beeinflussen. Beispiele von geeigneten Substituenten sind Chlor, Alkyl oder Alkoxy. Beispiele von Anhydriden sind Glutarsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid, Methylbernsteinsäureanhydrid, Dodecenylbernsteinsäureanhydrid, Octadecenylbernsteinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Alkylhexahydrophthalsäureanhydride, wie Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Het- Säureanhydrid, Itaconsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid. Es wird darauf hingewiesen, dass Mischungen von Anhydriden verwendet werden können. Bevorzugt werden Methylhexahydrophthalsäureanhydrid oder eine Mischung von Methylhexahydrophthalsäureanhydrid und Hexahydrophthalsäureanhydrid verwendet.
Unter den Polyolen, die verwendet werden können, sind solche, die 2 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten. Bevorzugt sind Diole, Triole und Mischungen davon. Beispiele umfassen Polyole, die 2 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten. Beispiele umfassen aliphatische Polylole, wie Ethylenglycol, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, Glycerin, 1,2,3-Butantriol, 1,6-Hexandiol, Neopentylglycol, Diethylenglycol, Dipropylenglycol, 1,4-Cyclohexandimethanol, Trimethylolpropan, 2,2,4-Trimethylpentan-1,3-diol, Pentaerythrit, ein Tetrol, 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy- 2,2-dimethylpropionat. Aromatische Polyole, wie Bisphenol A und Bis(hydroxymethyl)xylol können ebenfalls verwendet werden. Bevorzugt werden 1,4-Cyclohexandimethanol und 1-(3-Hydroxy-2, 2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2-dimethylpropionat verwendet.
Alternativ kann ein geeigneter oligomerer Ester durch die Umsetzung einer Dicarbonsäure mit einem Polyol unter Verwendung von Veresterung durch Kondensation und Entfernung von Wasser erhalten werden, welches durch Destillation entfernt wird. Die Reaktionstemperatur liegt vorzugsweise in dem Bereich von 120ºC bis 230ºC. Unter den Dicarbonsäuren, die verwendet werden können, sind aliphatische, cycloaliphatische und aromatische Disäuren. Beispiele einer Dicarbonsäure, die verwendet werden kann, umfassen Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Cyclohexandicarbonsäure und Dodecandicarbonsäure.
Bevorzugte oligomere Ester gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Reaktionsprodukte von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2-dimethylpropionat mit Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, von 1,4-Cyclohexandimethanol mit einer Mischung von Methylhexahydrophthalsäureanhydrid und Hexahydrophthalsäureanhydrid und von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2, 2-dimethylpropionat mit Adipinsäure.
Das polymere filmbildende Harz, welches in dem wässrigen Medium dispergiert ist, ist vorzugsweise eine wässrige Dispersion von polymeren Mikropartikeln. Vorzugsweise sind die Mikropartikel vernetzt. Ein weiter Bereich von vernetzten polymeren Mikropartikeldispersionen sind zur Verwendung hierin geeignet, einschließlich derjenigen, die in der US-Patentschrift Nr. 4,403,003 und in den darin zitierten Veröffentlichungen beschrieben sind. In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Mikropartikel mehr als 30 Gew.-%, bezogen auf die Mikropartikel, eines im Wesentlichen hydrophoben Kondensationspolymers mit einem Molekulargewicht von größer als 300. Das im Wesentlichen hydrophobe Polymer ist im Wesentlichen frei von sich wiederholenden Acryl- oder Vinyleinheiten in dem Grundgerüst. Vorzugsweise enthalten die Mikropartikel mehr als 40 Gew.-% des im Wesentlichen hydrophoben Polymers, weiter vorzugsweise mehr als 50%. "Im Wesentlichen hydrophob" bedeutet, dass beim Vermischen einer Polymerprobe mit einer organischen Komponente und Wasser ein Hauptteil des Polymers sich in der organischen Phase befindet und eine getrennte wässrige Phase beobachtet wird. Beispiele von geeigneten Kondensationspolymeren umfassen Polyester, Polyurethane, Polyether und Alkyde, die nachstehend im Einzelnen erläutert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das im Wesentlichen hydrophobe Polymer mit einem Molekulargewicht von größer als 300 angepasst ist, um chemisch in der ausgehärteten Beschichtungszusammensetzung gebunden zu sein. Das heißt, das Polymer ist reaktiv in dem Sinn, dass es funktionelle Gruppen, wie Hydroxylgruppen, enthält, die zur Coreaktion z. B. mit einem Vernetzungsmittel, wie einem Melamin-Formaldeyhd-Harz, das in der Beschichtungszusammensetzung vorhanden sein kann, oder alternativ mit anderen filmbildenden Harzen, die ebenfalls verwendet werden können, befähigt sind. Vorzugsweise hat das Polymer ein Molekulargewicht von größer als 500, weiter vorzugsweise größer als 800. Typischerweise liegt das Molekulargewicht im Bereich von 300 bis 10000, üblicher von 300 bis 2000. "Im Wesentlichen frei von sich wiederholenden Acryl- oder Vinyleinheiten" bedeutet, dass das Polymer nicht aus typischen radikalpolymerisierbaren Monomeren, wie Acrylaten, Styrol und Ähnlichem, hergestellt wird.
Wie vorstehend erwähnt, sind die Polyester-, Polyurethan-, Alkyd- und Polyetherharze Beispiele von geeigneten, im Wesentlichen hydrophoben Polymeren. Die Polyesterharze enthalten im Wesentlichen keine Öl- oder Fettsäuremodifikation. Das heißt, während Alkydharze im weitesten Sinne Harze vom Polyestertyp sind, sind sie ölmodifiziert und werden daher nicht allgemein als Polyesterharze bezeichnet. Die Polyester sind von zwei Arten. Ein Typ sind ungesättigte Polyester, die von ungesättigten, polyfunktionellen Säuren und mehrwertigen Alkoholen abgeleitet sind. Maleinsäure und Fumarsäure sind die gewöhnlichen ungesättigten Säurekomponenten, obwohl Methacrylsäure-ungesättigte Alkohole, wie Trimethylolpropanmono- oder -diallylester, ebenfalls verwendet werden können. Gewöhnlich verwendete mehrwertige Alkohole sind 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Neopentylglycol, Ethylenglycol, Propylenglycol, Diethylenglycol, Dipropylenglycol, Butylenglycol, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit und Sorbit. Häufig ist eine ungesättigte Säure an der Reaktion beteiligt, um erwünschte Eigenschaften zu ergeben. Beispiele von gesättigten Säuren umfassen Phthalsäure, Isophthalsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure und die Anhydride davon. Die gesättigten Polyester sind abgeleitet von gesättigten oder aromatischen, polyfunktionellen Säuren, vorzugsweise Dicarbonsäuren, und Mischungen von mehrwertigen Alkoholen mit einer mittleren Hydroxylfunktionalität von wenigstens 2. Andere Komponenten von Polyestern können Hydroxysäuren und Lactone umfassen, wie Rizinusölsäuren, 12-Hydroxystearinsäure, Caprolacton, Butyrolacton und Dimethylolpropionsäure.
Die Alkyde sind Polyester von Polyhydroxylalkoholen und Polycarbonsäuren, die chemisch mit verschiedenen trocknenden, halbtrocknenden und nicht trocknenden Ölen in verschiedenen Verhältnissen kombiniert sind. So sind z. B. die Alkydharze hergestellt aus sowohl Polycarbonsäuren, wie Phthalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Isophthalsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, als auch aus Anhydriden solcher Säuren, falls sie existieren. Die mehrwertigen Alkohole, die mit der Polycarbonsäure umgesetzt werden können, umfassen 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Neopentylglycol, Ethylenglycol, Diethylenglycol und 2, 3-Butylenglycol, Glycerin, Trimethylolpropan, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit und Mannit.
Die Alkydharze werden hergestellt durch Umsetzen der Polycarbonsäure und der mehrwertigen Alkohole zusammen mit einem trocknenden, halbtrocknenden oder nicht trocknenden Öl in Verhältnissen in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften.
Die Öle werden in das Harzmolekül durch Veresterung während der Herstellung gekuppelt und werden zu einem integralen Teil des Polymers. Das Öl ist vollständig gesättigt oder hauptsächlich ungesättigt. Beim Vergießen zu Filmen neigen die vollständig gesättigten Öle zur Vernetzung und trocknen rasch unter Oxidation, wodurch zähere und gegen Lösungsmittel beständigere Filme erhalten werden. Geeignete Öle umfassen Kokosnussöl, Fischöl, Leinsamenöl, Tungöl, Rizinusöl, Baumwollsamenöl, Safloröl, Sojabohnenöl und Tallöl. Zum Erhalt von Alkylharzen mit verschiedenen Eigenschaften werden verschiedene Anteile der Polycarbonsäure, des mehrwertigen Alkohols und des Öls verwendet, was im Stand der Technik bekannt ist.
Beispiele von Polyetherpolyolen sind Polyalkylenetherpolyole, welche diejenigen der folgenden Strukturformeln umfassen:
worin der Substituent R Wasserstoff oder niederes Alkyl ist, das 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthält und gemischte Substituenten einschließt, und n ist typischerweise 2 bis 6, und m ist 10 bis 100 oder noch höher. Eingeschlossen sind Poly(oxytetraethylen)glycole, Poly(oxy-1,2-propylen)glycole und Poly(oxy-1,2-butylen)glycole.
Ebenfalls verwendbar sind Polyetherpolyole, die durch Oxyalkylierung von verschiedenen Polyolen, z. B. Glycole, wie Trimethylolpropan, Pentaerythrit und Ähnliches, gebildet sind. Polyole von höherer Funktionalität, die wie angegeben verwendet werden können, können z. B. durch Oxyalkylierung von Verbindungen, wie Sorbit oder Sucrose, hergestellt werden. Ein gewöhnlich verwendetes Oxyalkylierungsverfahren ist die Reaktion eines Polyols mit einem Alkylenoxid, z. B. Ethylen- oder Propylenoxid, in Gegenwart eines sauren oder basischen Katalysators.
Bei Polyetherpolyolen ist es bevorzugt, dass das Gewichtsverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff hoch ist, um bessere hydrophobe Eigenschaften zu erhalten. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff größer ist als 3/1 und weiter vorzugsweise größer ist als 4/1.
Die Polyurethanharze können durch Umsetzen eines Polyols mit einem Polyisocyanat hergestellt werden. Die Reaktion kann mit einer geringeren Menge von organischem Polyisocyanat (OH/NCO-Äquivalentverhältnis größer als 1 : 1) durchgeführt werden, so dass endständige Hydroxylgruppen vorhanden sind, oder alternativ kann das OH/NCO- Äquivalentverhältnis kleiner sein als 1 : 1, wodurch endständige Isocyanatgruppen erhalten werden. Vorzugsweise haben die Polyurethanharze endständige Hydroxylgruppen.
Das organische Polyisocyanat kann ein aliphatisches Polyisocyanat, einschließlich ein cycloaliphatisches Polyisocyanat, oder ein aromatisches Polyisocyanat sein. Verwendbare aliphatische Polyisocyanate umfassen aliphatische Diisocyanate, wie Ethylendiisocyanat, 1,2-Diisocyanatopropan, 1,3-Diisocyanatopropan, 1,6-Diisocyanatohexan, 1,4-Butylendiisocyanat, Lysindiisocyanat, 1,4-Methylenbis(cyclohexylisocyanat) und Isophorondiisocyanat. Verwendbare aromatische Diisocyanate und aliphatische Diisocyanate umfassen verschiedene Isomere von Toluoldiisocyanat, m-Xyloldiisocyanat und p-Xyloldiisocyanat, ebenfalls können 4-Chlor-1,3-phenylendiisocyanat, 1,5-Tetrahydronaphthalindiisocyanat, 4,4'-Dibenzyldiisocyanat und 1,2,4-Benzoltriisocyanat verwendet werden. Darüber hinaus können die verschiedenen Isomere oder α,α,α',α'-Tetramethylxyloldiisocyanat verwendet werden. Ebenfalls verwendbar als Polyisocyanat sind Isocyanurate, wie DESMODUR 3300 von Miles, Inc. und Biuretverbindungen von Isocyanaten wie DESMODUR N100 von Miles, Inc.
Das Polyol kann polymer sein, wie die Polyesterpolyole, Polyetherpolyole, Polyurethanolyole usw., oder es kann ein einfaches Diol oder Triol sein, wie Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, Glycerin, Trimethylolpropan oder Hexantriol. Mischungen können ebenfalls verwendet werden.
Der Rest des Mikropartikels enthält ein Polymer eines Vinylmonomers oder eine Mischung von Vinylmonomeren. Diese Monomere sind hierin als polymerisierbare Arten bezeichnet. Beispiele von geeigneten Materialien umfassen Acrylmonomere einschließlich Alkylester von Acryl- und Methacrylsäure, wie Methylacrylat, Methylmethacrylat, Butylacrylat, Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, 2-Ethylhexylmethyacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Styrol, Acrylamid, Acrylnitril, Alkylester von Malein- und Fumarsäure, Vinyl- und Vinylidenhalogenide, Acrylsäure, Ethylenglycoldimethacrylat, Isobornylmethacrylat, Vinylacetat, Vinylether, Allylether, Laurylmethacrylat und N-Butoxymethylacrylamid. Vorzugsweise wird das Vinlymonomer, das zur Herstellung des Polymers verwendet wird, welches den Rest des Mikropartikels bildet, aus Acrylmonomeren ausgewählt. Das Polymer mit einem Molekulargewicht von größer als 300 ist ebenfalls im Wesentlichen in einem wässrigen Medium unlöslich und ist ebenfalls befähigt, in der Monomermischung aufgelöst zu werden, die zur Herstellung des Polymers verwendet wird, welches den Rest des Mikropartikels bildet.
Die Dispersion von polymeren Mikropartikeln in einem wässrigen Medium wird vorzugsweise durch eine Technik mit hoher Beanspruchung hergestellt, was nachstehend vollständiger beschrieben ist. Zuerst wird das Vinylmonomer oder die Mischung von Vinylmonomeren, die zur Herstellung des Polymers verwendet werden, welches den Rest des Mikropartikels bildet, gründlich mit dem wässrigen Medium und dem im Wesentlichen hydrophoben Polymer mit einem Molekulargewicht von größer als 300 vermischt. Für die vorliegende Patentanmeldung wird das Vinylmonomer oder die Mischung von Vinylmonomeren zusammen mit dem im Wesentlichen hydrophoben Polymer als die organische Komponente bezeichnet. Die organischen Komponenten umfassen allgemein ebenfalls andere organische Arten und sind vorzugsweise im Wesentlichen frei von organischem Lösungsmittel. Das heißt, es sind nicht mehr als 20% organisches Lösungsmittel vorhanden. Die Mischung wird dann einer Beanspruchungsbehandlung unterworfen, um sie in Mikropartikel zu verteilen, die eine gleichmäßige feine Partikelgröße haben. Die Mischung wird einer Beanspruchungsbehandlung unterworfen, die ausreichend ist, um eine Dispersion der Art zu bilden, dass nach der Polymerisation weniger als 20% der Polymermikropartikel einen mittleren Durchmesser von größer als 5 Mikron haben.
Das wässrige Medium stellt die kontinuierliche Phase der Dispersion dar, in welcher die Mikropartikel suspendiert sind. Das wässrige Medium ist gewöhnlich ausschließlich Wasser. Für einige Polymersysteme kann es jedoch erwünscht sein, ebenfalls eine geringe Menge von inertem organischem Lösungsmittel beizufügen, welches die Erniedrigung der Viskosität des zu dispergierenden Polymers unterstützen kann. Wenn z. B. die organische Phase eine Brookfield-Viskosität von größer als 1000 Centipoise bei 25ºC oder eine W Gardner Holdt-Viskosität hat, kann die Verwendung von etwas Lösungsmittel bevorzugt sein. Für einige Anwendungen der wässrigen Mikropartikeldispersion, z. B. in ihrer jetzigen Verwendung als Harzbindemittel für Beschichtungszusammensetzungen, kann es erwünscht sein, ein Coaleszenz-Lösungsmittel für die Beschichtungszusammensetzung zu haben. Man kann dieses Coaleszenz-Lösungsmittel während der Synthese des Latex als Teil der organischen Komponente bequem zusetzen. Beispiele von geeigneten, wasserunlöslichen Lösungsmitteln, die in die organische Komponente eingearbeitet werden können, sind Benzylalkohol, Xylol, Methylisobutylketon, Lösungsbenzin, Butanol, Butylacetat, Tributylphosphat und Dibutylphthalat.
Wie vorstehend genannt, wird die Mischung der geeigneten Beanspruchung unter Verwendung eines MICROFLUIDIZER®-Emulgiergeräts unterworfen, das von Microfluidics Corporation in Newton, Massachusetts erhältlich ist. Das MICROFLUIDIZER® Hochdruck-Aufprallemulgiergerät ist in der US-Patentschrift 4,533,254 patentiert. Die Vorrichtung besteht aus einer Hochdruckpumpe (bis zu 20000 psi) und einer Wechselwirkungskammer, wo die Emulgierung abläuft. Die Pumpe zwingt die Mischung der Reaktanten in wässrigem Medium in die Kammer, wo sie in wenigstens zwei Ströme aufgespalten wird, die bei sehr hoher Geschwindigkeit durch wenigstens zwei Schlitze hindurchgehen und zusammenprallen, was zu einer Verteilung der Mischung in kleine Partikel führt. Gewöhnlich ging die Reaktionsmischung einmal bei einem Druck zwischen 5000 und 15000 psi durch das Emulgiergerät. Mehrfachdurchgänge können zu kleinerer mittlerer Teilchengröße und zu einem engeren Bereich der Größenverteilung der Partikel führen. Wenn das vorstehend genannte MICROFLUIDIZER®-Emulgiergerät verwendet wird, wird Beanspruchung durch Flüssig-Flüssig-Aufprall angewandt, wie beschrieben worden ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass, falls erwünscht, andere Arten der Anwendung von Beanspruchung auf die Mischung vor der Emulgierung angewandt werden können, solange genügend Beanspruchung aufgebracht wird, um die erforderliche Größenverteilung der Teilchen zu erreichen, d. h. derart, dass nach der Polymerisation weniger als 20 Gew.-% der Polymermikropartikel einen mittleren Durchmesser von größer als 5 Mikron haben. Eine alternative Art des Aufbringens von Beanspruchung würde z. B. die Verwendung von Ultraschallenergie sein.
Beanspruchung wird beschrieben als Kraft pro Flächeneinheit. Obwohl der genaue Mechanismus, durch welchen das MICROFLUIDIZER®-Emulgiergerät die Mischung vor der Emulgierung beansprucht, um sie fein zu verteilen, nicht genau verstanden wird, wird angenommen, dass Beanspruchung auf mehr als eine Weise ausgeübt wird. Es wird angenommen, dass eine Art, in welcher Beanspruchung ausgeübt ist, eine Scherbeanspruchung ist. Scherbeanspruchung bedeutet, dass die Kraft derart ist, dass eine Schicht oder Ebene sich parallel zu einer benachbarten, parallelen Ebene bewegt. Beanspruchung kann auch von allen Seiten ausgeübt werden, wie eine Volumen-Druckbeanspruchung. In diesem Fall könnte die Beanspruchung ohne jede Scherkraft ausgeübt werden. Eine weitere Art der Erzeugung von intensiver Beanspruchung ist durch Kavitation. Kavitation tritt auf, wenn der Druck innerhalb einer Flüssigkeit soweit verringert wird, dass Verdampfung eintritt. Die Bildung und das Zusammenfallen der Dampfblasen tritt heftig während eines kurzen Zeitraums ein und erzeugt intensive Beanspruchung. Obwohl eine Bindung an eine Theorie nicht beabsichtigt ist, wird angenommen, dass sowohl Scherung als auch Kavitation zur Erzeugung der Beanspruchung beitragen, welche die Mischung vor der Emulgierung in Partikel überführt.
Nachdem die Mischung in Mikropartikel verteilt worden ist, werden die polymerisierbaren Arten innerhalb jedes Partikels unter Bedingungen polymerisiert, die ausreichend sind, um Polymermikropartikel zu erzeugen, die stabil in dem wässrigen Medium dispergiert sind. Es wird darauf hingewiesen, dass eine der erforderlichen Bedingungen, die ausreichend sind, stabil dispergierte Mikropartikel zu erzielen, die Anwesenheit eines oberflächenaktiven Mittels, welches auch als Dispergiermittel bezeichnet wird, in der Reaktionsmischung ist. Das oberflächenaktive Mittel ist vorzugsweise vorhanden, wenn die vorstehend genannte organische Komponente in das wässrige Medium vor der teilchenförmigen Verteilung eingemischt wird. Alternativ kann das oberflächenaktive Mittel in das Medium bei einem Punkt unmittelbar nach der feinen Verteilung in dem MICRO- FLUIDIZER®-Emulgiergerät eingebracht werden. Das oberflächenaktive Mittel kann jedoch ein wichtiger Teil des Teilchenbildungsverfahrens sein und ist häufig notwendig, um die erforderliche Stabilität der Dispersion zu erreichen. Das oberflächenaktive Mittel kann ein Material sein, dessen Rolle es ist, zu verhindern, dass die emulgierten Partikel zu größeren Partikeln agglomerieren.
Die gleichen oberflächenaktiven Mittel oder Dispergiermittel, die während der herkömmlichen Emulsionspolymerisation verwendet werden können, sind ebenfalls für diese Technik mit hoher Beanspruchung geeignet. Beispiele von geeigneten oberflächenaktiven Mitteln umfassen das Dimethylethanolaminsalz von Dodecylbenzolsulfonsäure, Natriumdioctylsulfosuccinat, ethoxyliertes Nonylphenol und Natriumdodecylbenzolsulfonat. Andere dem Fachmann bekannte Materialien sind hierin ebenfalls geeignet. Im Allgemeinen werden sowohl ionische als auch nicht ionische oberflächenaktive Mittel zusammen verwendet, und die Menge von oberflächenaktivem Mittel liegt im Bereich von 1% bis 10%, vorzugsweise von 2% bis 4%, wobei sich die Prozentangaben auf die gesamten Feststoffe beziehen. Ein besonders bevorzugtes oberflächenaktives Mittel zur Herstellung von härtbaren Aminoplastdispersionen ist das Dimethylethanolaminsalz von Dodecylbenzolsulfonsäure.
Um die Radikalpolymerisation der polymerisierbaren Arten durchzuführen, ist auch ein Radikalinitiator erforderlich. Es können sowohl wasserlösliche als auch öllösliche Initiatoren verwendet werden. Da die Zugabe von bestimmten Initiatoren, wie Redoxinitiatoren, zu einer starken exothermen Reaktion führen kann, ist es im Allgemeinen wünschenswert, den Initiator zu den anderen Bestandteilen zuzusetzen, unmittelbar bevor die Reaktion durchgeführt wird. Beispiele von wasserlöslichen Initiatoren umfassen Ammoniumperoxydisulfat, Kaliumperoxydisulfat und Wasserstoffperoxid. Beispiele von öllöslichen Initiatoren umfassen t-Butylperbenzoat und 2,2'-Azobis(isobutyronitril). Vorzugsweise werden hierin Redoxinitiatoren, wie Ammoniumperoxydisulfat/Natriummetabisulfit oder t-Butylhydroperoxid/Isoascorbinsäure verwendet.
Es wird darauf hingewiesen, dass es in einigen Fällen für einige der Reaktanten erwünscht sein kann, nach der feinen Verteilung der restlichen Reaktanten und des wässrigen Mediums zugesetzt zu werden, z. B. wasserlösliche Acrylmonomere, wie Hydroxypropylmethacrylat.
Die fein verteilte Mischung wird dann Bedingungen unterworfen, die ausreichend sind, um eine Polymerisation der polymerisierbaren Arten in den Mikropartikeln zu induzieren. Die jeweiligen Bedingungen variieren in Abhängigkeit von den tatsächlich zu polymerisierenden Materialien. Die Länge der Zeit, die erforderlich ist, um eine Polymerisation zu vervollständigen, variiert typischerweise von 10 Minuten bis 6 Stunden.
Der Fortschritt der Polymerisationsreaktion kann durch Techniken verfolgt werden, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Polymerchemie herkömmlicherweise bekannt sind. So sind z. B. Wärmebildung, Monomerkonzentration und Prozentsatz von Gesamtfeststoffen sämtlich Verfahren zum Überwachen des Fortschritts der Polymerisation.
Die wässrigen Mikropartikeldispersionen können durch ein absatzweises Verfahren oder ein kontinuierliches Verfahren hergestellt werden. In einem absatzweisen Verfahren wird die nicht umgesetzte Mikrodispersion während einer Zeit von 1 bis 4 Stunden in einen erhitzten, anfänglich mit Wasser beaufschlagten Reaktor eingeführt. Der Initiator kann gleichzeitig eingeführt werden, er kann Teil der Mikrodispersion sein, oder er kann vor der Einführung der Mikrodispersion in den Reaktor eingebracht werden. Die optimale Temperatur hängt von dem speziellen verwendeten Initiator ab. Die Länge der Zeit liegt typischerweise im Bereich von 2 Stunden bis 6 Stunden.
In einem alternativen absatzweisen Verfahren wird ein Reaktorbehälter mit der Gesamtmenge der zu polymerisierenden Mikrodispersion beaufschlagt. Die Polymerisation beginnt, wenn ein geeigneter Initiator, wie ein Redoxinitiator, zugesetzt wird. Eine geeignete Anfangstemperatur wird derart ausgewählt, dass die Polymerisationswärme die Temperatur des Ansatzes nicht über den Siedepunkt der Bestandteile erhöht. Für die Produktion in großem Maßstab ist es daher bevorzugt, dass die Mikrodispersion eine ausreichende Wärmekapazität hat, um die Gesamtmenge der sich bildenden Wärme zu absorbieren.
In einem kontinuierlichen Verfahren wird die Präemulsion oder die Mischung von Rohmaterialien durch den Homogenisator geführt, um eine Mikrodispersion herzustellen, die sofort durch ein erhitztes Rohr, z. B. nicht rostender Stahl, oder einen Wärmeaustauscher, in welchem die Polymerisation abläuft, geführt wird. Der Initiator wird zu der Mikrodispersion zugesetzt, unmittelbar bevor sie in das Rohr eintritt.
Es ist bevorzugt, Initiatoren vom Redoxtyp in dem kontinuierlichen Verfahren zu verwenden, da andere Initiatoren Gase, wie Stickstoff oder Kohlendioxid, erzeugen können, welche verursachen können, dass der Latex aus dem Reaktionsrohr vorzeitig herausspritzt. Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von 25ºC bis 80ºC, vorzugsweise 35ºC bis 45ºC, liegen. Die Verweilzeit liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 Minuten bis 30 Minuten.
Es ist nicht erforderlich, dass das Rohr, in welchem die Reaktion abläuft, die Mikrodispersion erwärmt, sondern dass es die sich bildende Wärme ableitet. Nachdem der Initiator zugesetzt worden ist, beginnt die Reaktion gleichzeitig nach einer kurzen Induktionszeit, und die exotherme Reaktion, die sich aus der Polymerisation ergibt, erhöht rasch die Temperatur.
Falls nach dem vollständigen Verbrauch des Initiators noch freies Monomer zurückbleibt, kann eine zusätzliche Initiatormenge zugesetzt werden, um das zurückbleibende Monomer abzufangen.
Nachdem die Polymerisation vollständig ist, ist das resultierende Produkt eine stabile Dispersion von Polymermikropartikeln in einem wässrigen Medium, worin sowohl das aus den polymerisierbaren Komponenten gebildete Polymer und das im Wesentlichen hydrophobe Polymer mit einem Molekulargewicht von größer als 300 in jedem Mikropartikel enthalten sind. Das wässrige Medium ist daher im Wesentlichen frei von dem wasserlöslichen Polymer. Die resultierenden Polymermikropartikel sind natürlich in dem wässrigen Medium unlöslich. Mit dem Ausdruck, dass das wässrige Medium im Wesentlichen frei ist von in Wasser löslichem Polymer, ist beabsichtigt, dass der Ausdruck "im Wesentlichen frei" bedeutet, dass das wässrige Medium nicht mehr als 30% aufgelöstes Polymer, vorzugsweise nicht mehr als 15% enthält.
"Stabil dispergiert" bedeutet, dass die Polymermikropartikel sich beim Stehen nicht absetzen und beim Stehen nicht koagulieren oder ausflocken. Typischerweise setzen sich die Mikropartikeldispersionen nicht ab, wenn sie auf 50% Gesamtfeststoffe verdünnt sind, selbst wenn sie einen Monat bei Raumtemperatur gealtert werden.
Wie vorstehend genannt, ist ein sehr wichtiger Aspekt der Polymerdispersionen der Mikropartikel, dass die Partikelgröße gleichmäßig klein ist, d. h. nach der Polymerisation haben weniger als 20% der Polymermikropartikel einen mittleren Durchmesser, der größer als 5 Mikron, bevorzugter größer als 1 Mikron, ist. Im Allgemeinen haben die Mikropartikel einen mittleren Durchmesser von 0,01 Mikron bis 10 Mikron.
Bevorzugt liegt der mittlere Durchmesser der Partikel nach der Polymerisation im Bereich von 0,05 Mikron bis 0,5 Mikron. Die Partikelgröße kann mit einem Partikelgrößen- Analysator, wie dem Coulter N4-Instrument, das im Handel von Coulter erhältlich ist, gemessen werden. Das Instrument wird mit ausführlichen Instruktionen zur Durchführung der Partikelgrößenmessung geliefert. Kurz gesagt, wird jedoch eine Probe der wässrigen Dispersion mit Wasser verdünnt, bis die Probenkonzentration in spezifizierte Bereiche fällt, die für das Instrument erforderlich sind. Die Messzeit beträgt 10 Minuten.
Die Mikropartikeldispersionen sind Materialien mit hohem Feststoffgehalt von niedriger Viskosität. Dispersionen können direkt mit einem Gesamtfeststoffgehalt von 45% bis 60% hergestellt werden. Sie können ebenfalls bei einem niedrigeren Feststoffgehalt von 30 bis 40% Gesamtfeststoffen hergestellt und auf einen höheren Feststoffwert von 55 bis 65% durch Abstreifen konzentriert werden. Das Molekulargewicht des Polymers und die Viskosität der wässrigen Dispersionen sind unabhängig voneinander. Das gewichtsmittlere Molekulargewicht kann im Bereich von einigen Hundert bis größer als 100000 liegen. Die Brookfield-Viskosität kann ebenfalls in weitem Umfang von 0,01 Poise bis 100 Poise in Abhängigkeit von den Feststoffen und der Zusammensetzung, vorzugsweise von 0,2 bis 5 Poise, variieren, wenn sie bei 25ºC unter Verwendung einer geeigneten Spindel bei 50 Upm gemessen wird.
Die Mikropartikeldispersion kann entweder vernetzt oder unvernetzt sein. Wenn sie unvernetzt ist, kann das Polymer in dem Mikropartikel entweder linear oder verzweigt sein.
Zusätzlich kann das polymere, filmbildende Harz der beanspruchten wässrigen Zusammensetzung ein wasserlösliches Polymer oder Copolymer sein, was dem Fachmann bekannt ist.
Der oligomere Ester kann in die beanspruchten Beschichtungszusammensetzungen durch Zugabe mit anderen Bestandteilen der Beschichtungszusammensetzungen (d. h. filmbildendes Harz, Vernetzungsmittel, Pigmente usw.) eingearbeitet werden. Die Zugabe erfolgt mit der Beschichtungszusammensetzung unter Rühren. Der pH wird dann auf den normalen Betriebsbereich von 8,0 bis 9,0 durch Zugabe eines Amins, wie Dimethylethanolamin oder Triethylamin, eingestellt.
Abwechselnd mit den bevorzugten polymeren Mikropartikeln, die vorstehend im Einzelnen beschrieben wurden, kann der oligomere Ester, obwohl nicht bevorzugt, während der Herstellung der polymeren Mikropartikel eingearbeitet werden. Speziell kann der oligomere Ester kalt mit den polymeren Mikropartikeln vermischt und dann zu dem MICROFLUIDIZER® zurückgeführt werden. Zusätzlich kann der oligomere Ester mit dem vorstehend im Einzelnen beschriebenen Vinylmonomer als erster Schritt in der Herstellung von polymeren Mikropartikeln vermischt werden, was vorstehend im Einzelnen beschrieben ist.
Die Beschichtungszusammensetzungen der beanspruchten Erfindung umfassen in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich ein Vernetzungsmittel, welches angepasst ist, um die polymeren Mikropartikel auszuhärten, wie ein Aminoplast-Vernetzer.
Aminoplastharze basieren auf den Additionsprodukten von Formaldehyd mit einer Amino- oder Amidogruppe tragenden Substanz. Kondensationsprodukte, die aus der Reaktion von Alkoholen und Formaldehyd mit Melamin, Harnstoff oder Benzoguanamin erhalten werden, sind am üblichsten und hierin bevorzugt. Kondensationsprodukte von anderen Aminen und Amiden können jedoch ebenfalls verwendet werden, z. B. Aldehydkondensate von Triazinen, Diazinen, Triazolen, Guanadinen, Guanaminen und alkyl- und arylsubstituierten Melaminen. Einige Beispiele von solchen Verbindungen sind N,N'-Dimethylharnstoff, Benzoharnstoff, Dicyandiamid, Formaguanamin, Acetoguanamin. Glycoluril, Annelin, 2-Chlor-4,6-diamino-1,3,5-triazin und Ähnliche.
Obwohl der verwendete Aldehyd am häufigsten Formaldehyd ist, können andere ähnliche Kondensationsprodukte aus anderen Aldehyden, wie Acetaldehyd, Crotonaldehyd, Acrolein, Benzaldehyd, Furfuryl, Glyoxal und Ähnliche, hergestellt werden.
Die Aminoplastharze enthalten Methylol- oder ähnliche Alkylolgruppen, und in den meisten Fällen ist wenigstens ein Teil dieser Alkylolgruppen durch eine Reaktion mit einem Alkohol verethert, um in organischen Lösungsmitteln lösliche Harze bereit zu stellen. Jeder einwertige Alkohol kann für diesen Zweck verwendet werden, einschließlich solche Alkohole, die Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol und andere, als auch Benzylalkohol und andere aromatische Alkohole, cyclische Alkohole, wie Cyclohexanol, Monoether von Glycolen, wie Cellosolven und Carbitole, und halogensubstituierte oder anders substituierte Alkohole, wie 3-Chlorpropanol oder Butoxyethanol. Die bevorzugten Aminoplastharze sind im Wesentlichen mit Methanol oder Butanol alkyliert.
Die beanspruchten Beschichtungszusammensetzungen können zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Komponenten eine Vielzahl von anderen optionalen Materialien enthalten. Wie vorstehend erwähnt wurde, können, falls erwünscht, andere Harzmaterialien in Verbindung mit der Dispersion von polymeren Mikropartikeln verwendet werden, solange die resultierende Beschichtungszusammensetzung nicht nachteilig im Hinblick auf die physikalische Leistung und die Eigenschaften beeinflusst wird. Zusätzlich können Materialien, wie Fließregelungsmittel, Ultraviolett-Lichtstabilisatoren, Katalysatoren, Füllstoffe und Ähnliche, vorhanden sein.
Wie vorstehend erwähnt, sind die wässrigen Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung insbesondere als Grundschichtzusammensetzungen für Farbplus-klar-Anwendungen bei Automobilen geeignet. Für diese Anwendung ist das Pigment eines der Hauptbestandteile. Die Pigmente, die verwendet werden können, sind von verschiedenen Typen, abhängig davon, ob ein metallisches Pigment erwünscht ist. Wenn eine metallische Beschichtung erwünscht ist, werden vorzugsweise Aluminiumplättchen verwendet. Eine Vielzahl von Arten von Aluminiumplättchen sind erhältlich, wie Silberline Sparkle Silver 5000 AR, Toyo 8260 und Obron OBT 8167 STAPA M. Es können auch chrombehandelte Aluminiumplättchen, wie Hydrolux 400 und Ekkert 47700, verwendet werden. Andere metallische Pigmente umfassen Bronzeplättchen, beschichteten Glimmer, Nickelplättchen, Zinnplättchen, Silberplättchen, Kupferplättchen oder eine Kombination von diesen. Andere Beispiele von geeigneten Pigmenten umfassen sowohl Glimmer, Eisenoxide, Bleioxide, Ruß, Titandioxid, Talkum als auch eine Vielzahl von Farbpigmenten. Das spezifische Verhältnis von Pigment zu Bindemittel kann in weitem Umfang variieren, solange es das erforderliche Deckvermögen bei der erwünschten Filmdicke und den angewendeten Feststoffen ergibt.
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind als wässrige Grundbeschichtungszusammensetzungen für Automobile sehr vorteilhaft, insbesondere in Grundbeschichtungen, die metallische Pigmente enthalten. Die Beschichtungszusammensetzungen sind insbesondere beständig gegen Sprenkelung. ("Sprenkelung" bedeutet die unregelmäßige Anordnung von metallischen Pigmenten in dem abgeschiedenen Film, was Flecken von heller und dunkler Farbe hervorruft). Die Zusammensetzungen haben einen guten Verlauf und gute Fließcharakteristiken und weisen einen Oberflächenzustand von ausgezeichneter Qualität bei Automobilen auf, was durch das ausgezeichnete Umschwenken der Beschichtung gezeigt wird. Die Zusammensetzungen haben auch einen niedrigen Gehalt an flüchtigen, organischen Bestandteilen. Gewöhnlich ist der Gehalt an flüchtigen, organischen Bestandteilen kleiner als 3,5 Pfund pro Gallone. Zusätzlich sind die beanspruchten Beschichtungszusammensetzungen, die als Grundschichten verwendet werden, sehr vielseitig und können mit einer Vielzahl von Klarbeschichtungszusammensetzungen als Deckschichten, einschließlich Klarschichten auf Lösungsmittelbasis, wässrigen Klarschichten und Pulverklarschichten, verwendet werden.
Die beanspruchten Beschichtungszusammensetzungen können durch herkömmliche Maßnahmen aufgebracht werden, einschließlich Bürsten, Tauchen, Fließbeschichten, Sprühen und Ähnliches, sie werden jedoch am häufigsten durch Sprühen aufgebracht. Herkömmlicherweise bekannte Sprühtechniken und Ausrüstungen für das Luftsprühen und elektrostatisches Sprühen und entweder manuelle oder automatische Verfahren können verwendet werden.
Während des Aufbringens der Grundschichtzusammensetzung auf das Substrat wird ein Film der Grundschicht auf dem Substrat gebildet. Typischerweise beträgt die Dicke der Grundschicht 0,01 bis 5 mil, vorzugsweise 0,1 bis 2 mil. Nach dem Aufbringen der Grundschichtzusammensetzung auf das Substrat wird ein Film auf der Oberfläche des Substrats gebildet. Dies wird erreicht durch Austreiben von Lösungsmittel, d. h. organisches Lösungsmittel und Wasser, aus dem Grundschichtfilm durch Erwärmen oder einfach durch ein Trocknen an der Luft. Vorzugsweise wird der Erwärmungsschritt während einer Zeit durchgeführt, um sicher zu stellen, dass die Deckschichtzusammensetzung auf die Grundschichtzusammensetzung aufgebracht werden kann, ohne dass die erstere die Grundschichtzusammensetzung auflöst, d. h. "Einschlagen". Geeignete Trocknungsbedingungen hängen von der besonderen Grundschichtzusammensetzung, von der Umgebungsfeuchtigkeit bei bestimmten wässrigen Zusammensetzungen ab, aber im Allgemeinen ist eine Trocknungszeit von etwa 1 bis 5 Minuten bei einer Temperatur von 100ºF bis 250ºF (39ºC bis 121ºC) passend, um sicher zu stellen, dass ein Vermischen der zwei Schichten minimiert wird. Gleichzeitig wird der Grundschichtfilm durch die Deckschichtzusammensetzung in passender Weise befeuchtet, so dass eine befriedigende Zwischenschichthaftung erhalten wird. Es können auch mehr als eine Grundschicht und mehrere Deckschichten aufgebracht werden, um das optimale Aussehen zu entwickeln. Gewöhnlich wird zwischen Schichten die vorher aufgebrachte Grundschicht oder Deckschicht einer raschen Verdampfung unterworfen, d. h., Umgebungsbedingungen für 1 bis 20 Minuten ausgesetzt. Die klare Deckschichtzusammensetzung kann auf das mit der Grundschicht beschichtete Substrat mittels jeder der herkömmlichen Beschichtungstechniken, die vorstehend im Zusammenhang mit der Grundschicht beschrieben wurden, aufgebracht werden, es ist aber bevorzugt, dass Sprühverfahren verwendet werden, da dies den besten Glanz ergibt.
Nach dem Aufbringen der Deckschichtzusammensetzung auf die Grundschicht wird das beschichtete Substrat erwärmt, um die aufgebrachten Schichten auszuhärten. In dem Aushärtungsvorgang wird das filmbildende Material der Deckschicht und/oder der Grundschicht mit Hilfe irgendeines vorhandenen Vernetzungsmittels vernetzt. Der Erwärmungs- oder Aushärtungsvorgang wird gewöhnlich bei einer Temperatur im Bereich von 160ºF bis 350ºF (71ºC bis 177ºC) durchgeführt, aber, falls erforderlich, können höhere oder niedrigere Temperaturen verwendet werden in Abhängigkeit davon, ob es ausreichend ist, notwendige Vernetzungsmechanismen zu aktivieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass für die Zwecke der vorliegenden Erfindung der Ausdruck "Aushärten" ebenfalls das Trocknen ohne von außen zugesetztes Vernetzungsmittel umfasst.
Die Dicke der Deckschicht beträgt gewöhnlich 0,5 bis 5 mil, vorzugsweise 1, 2 bis 3 mil.
Die Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben. Falls nicht anders angegeben, beziehen sich sämtliche Teile auf das Gewicht.

Beispiel I

Ein Polyurethanacrylat wurde aus den folgenden Bestandteilen hergestellt:
Menge (g) Material
1000 Poly(neopentylglycoladipat) mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 1000, im Handel erhältlich als FORMREZ 55-112 (Witco)
116 Hydroxyethylacrylat (HEA)
1,4 Dibutylzinndilaurat
1,4 butyliertes Hydroxytoluol
244 Tetramethylxyloldiisocyanat (TMXDI)
340 Butylacrylat (BA)
Die ersten vier Bestandteile wurden in einem Kolben gerührt, und dann wurde TMXDI während einer Stunde bei einer Temperatur von 70ºC bis 76ºC zugesetzt. 90 g des Butylacrylats wurden verwendet, um den Zugabetrichter, welcher TMXDI enthielt, zu spülen, und die Temperatur der Mischung wurde dann bei 70ºC für weitere 2 Stunden gehalten, bis das gesamte Isocyanat reagiert hatte. Der Rest des Butylacrylats wurde zugesetzt, wodurch eine 80%ige Lösung mit einer Gardner-Holdt-Viskosität von X, einem Säurewert von 0,8 und einem Hydroxylwert von 29 erhalten wurde.
Eine Voremulsion wurde durch Zusammenrühren der folgenden Bestandteile hergestellt:
Menge (g) Material
750,0 vorstehendes Polyurethanpräpolymer
110,0 Methylmethacrylat (MMA)
90,0 Butylacrylat (BA)
30,0 Ethylenglycoldimethacrylat (EGDMA)
20,0 Acrylsäure (AA)
33,3 ALIPAL Co-436 (60%ige Lösung von Ammoniumnonylphenoltetraethylenoxysulfat, erhältlich von GAF Corporation)
29,9 PGNP-15 (Polyglycidylnonylphenol, erhältlich von Dixie Chemical Co.)
13,3 Aerosol OT-75 (75%ige Lösung von Natriumdioctylsulfosuccinat, erhältlich von American Cyanamid)
5,9 70%ige Lösung von Dodecylbenzolsulfonsäure
1,4 N,N-Dimethylethanolamin (DMEA)
2,0 1%ige wässrige Lösung von Eisen(II)-ammoniumsulfat (FAS) 0,12 Foamkill 649
700,0 Wasser
Die Präemulsion wurde zweimal durch einen M110 MICROFLUIDIZER® bei 8000 psi geführt, wodurch eine bläulich-weiße Emulsion erhalten wurde. Die Emulsion wurde in einen Vierhals-Rundkolben überführt, der mit einem Thermometer, einem mechanischen Rührer, einem Kühler und einer Stickstoffleitung ausgerüstet war. Die Polymerisation wurde initiiert, indem zuerst eine Mischung von 1,5 g Isoascorbinsäure, aufgelöst in 350 ml Wasser, gefolgt von einer Lösung von 1,5 g 35%igem Wasserstoffperoxid in 250 g Wasser, während 15 Minuten zugesetzt wurden. Die Temperatur der Emulsion stieg von 24ºC auf 59ºC. Der pH des Latex wurde auf 3,6 bis 8,2 durch Zugabe von 41,0 g einer 33%igen Lösung von wässrigem DMEA eingestellt. Schließlich wurden 1,9 g Proxel GXL (Biozid, erhältlich von ICI), aufgelöst in 13 g Wasser, zugesetzt. Die Gesamtfeststoffe des Latex betrugen 42,9%, und die Brookfield-Viskosität (50 Upm, #1 Spindel) betrug 31 cps.

Beispiel A

Ein Polysäurehalbester von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2- dimethylpropionat (Ester Diol 204) und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (ED 204/MHHPA) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewichtsteile (g)
Ester Diol 204 2550,0
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 4116,0
Methylisobutylketon 1466,5
Ethanol 666,6
Das Ester Diol 204 und 1466,5 g des Methylisobutylketons wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 11500 erhitzt. Das Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde während 90 Minuten zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde dann 4 Stunden bei 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt, gefolgt von der Zugabe von Ethanol (um restliches Anhydrid umzusetzen) und Erhitzen der Reaktionsmischung unter Rückfluss und Halten für 2 Stunden. Die Reaktionsmischung wurde auf eine Topftemperatur von 125ºC abgestreift. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 80% Feststoffe mit Methylisobutylketon eingestellt.

Beispiel B

Ein Polysäurehalbester von Ditrimethylolpropan und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (di-TMP/MHHPA) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewicht (g)
Ditrimethylolpropan 1584,8
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 4120,7
Methylisobutylketon 570,5
n-Propylalkohol 2114,4
Das Ditrimethylolpropan und 540,5 g Methylisobutylketon wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 115ºC erhitzt. Das Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde während einer Zeit von etwa 2 Stunden bei 115ºC zugesetzt. Der Rest des Methylisobutylketons wurde als Spülung zugesetzt. Die Reaktion wurde 4 Stunden auf 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt und der n-Propylalkohol wurde zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 105ºC erhitzt und 2 Stunden gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 72,3% und einen Säurewert von 163.

Beispiel C

Ein Polysäurehalbester (TMP/MHHPA) von Trimethylolpropan und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewicht (g)
Trimethylolpropan 588,1
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 2208,5
Methylisobutylketon 1198,4
Ethylalkohol 279,2
Das Trimethylolpropan und 1065,4 g Methylisobutylketon wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 115ºC erhitzt. Das Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde während einer Zeit von etwa 2 Stunden bei 115ºC zugesetzt. Der Rest des Methylisobutylketons wurde als Spülung zugesetzt. Die Reaktion wurde 4 Stunden bei 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt, und der Ethylalkohol wurde zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 105ºC erhitzt und 2 Stunden gehalten und dann auf eine Reaktionstemperatur von 115ºC abgestreift, um den Ethylalkohol zu entfernen. Insgesamt wurden 495 g Lösungsmittel entfernt. Die Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und 215 g Methylisobutylketon wurden zu der Reaktionsmischung zugesetzt, um die Feststoffe auf etwa 70% einzustellen. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 69,9% und einen Säurewert von 190.

Beispiel D

Ein Polysäurehalbester von Neopentylglycol und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (NPG/MHHPA) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewicht (g)
Neopentylglycol 1300,0
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 4116,0
Methylisobutylketon 2321,1
Ethylalkohol 541,6
Das Neopentylglycol und 2121,1 g Methylisobutylketon wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 115ºC erhitzt. Das Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde während einer Zeit von etwa 2 Stunden bei 115ºC zugesetzt. Der Rest des Methylisobutylketons wurde als Spülung zugesetzt. Die Reaktion wurde 4 Stunden bei 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt, und der Ethylalkohol wurde zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 105ºC erhitzt und 2 Stunden gehalten und dann auf eine Reaktionstemperatur von 125ºC abgestreift, um den Ethylalkohol zu entfernen. Insgesamt wurden 1054,8 g Lösungsmittel entfernt. Die Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und 513 g Methylisobutylketon wurden zu der Reaktionsmischung zugesetzt, um den Feststoffgehalt auf etwa 70% einzustellen. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 69,9% und einen Säurewert von 188.

Beispiel E

Ein Polysäurehalbester von 1,4-Cyclohexandimethanol mit einer Mischung von Methylhexahydrophthalsäureanhydrid und Hexahydrophthalsäureanhydrid (1,4-CHDM/HHPA/MHHPA) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewichtsteile (g)
1,4-Cyclohexandimethanol 216,0
Hexahydrophthalsäureanhydrid 143,2
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 338,1
Butylcellosolve 232,4
entionisiertes Wasser 211,4
Dimethylethanolamin 253,6
Das Cyclohexandimethanol und Hexahydrophthalsäureanhydrid wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 115ºC erhitzt. Das Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde während einer Zeit von etwa 2 Stunden bei 115ºC zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde dann 4 Stunden bei 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt, gefolgt von der Zugabe von Butylcellosolve und einer Mischung von entionisiertem Wasser und Dimethylethanolamin. und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 51,5% und einen Säurewert von 113,1.

Beispiel F (Vergleichsbeispiel)

Ein Polysäurehalbester von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2-dimethylpropionat (Ester Diol 204) und Adipinsäure (ED-204/Adipinsäure) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewichtsteile (g)
Ester Diol 204 614,4
Adipinsäure 876,0
Hypophosphorige Säure 0,3
Xylol 263,0
Butylcellosolve 691,1
Entionisiertes Wasser 848,2
Dimethylethanolamin 534,0
Das Ester Diol 204, Adipinsäure, hypophosphorige Säure und Xylol wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und mit einem Rückflusskühler und mit einer mit Xylol gefüllten Dean-Stark-Falle ausgerüstet. Die Reaktionsmischung wurde unter Stickstoff auf Rückfluss erhitzt und bei Rückfluss gehalten, wobei Wasser entfernt wurde, bis ein Säurewert von 204 erreicht war. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 125ºC abgekühlt und bis auf 100% Gesamtfeststoffe abgestreift. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 90ºC abgekühlt, gefolgt von der Zugabe von Butylcellosolve und einer Mischung von entionisiertem Wasser und Diethanolamin, und auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 40,4% und einen Säurewert von 99,8.

Beispiel 6

Ein Polysäurehalbester von Pentaerythrit und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (PE/MHHPA) wurde aus der folgenden Mischung von Bestandteilen hergestellt.
Bestandteile Gewichtsteile (g)
Pentaerythrit 1089,3
Methylhexahydrophthalsäureanhydrid 5274,4
Butylacetat 1257,8
n-Propanol 1736,9
Pentaerythrit und Butylacetat wurden in einen Reaktionsbehälter eingebracht und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 100ºC erhitzt. Methylhexahydrophthalsäureanhydrid wurde über eine Zeit von etwa 2 Stunden bei 100ºC zugesetzt. Die Reaktionsmischung wurde 4 Stunden auf 115ºC gehalten. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 100ºC abgekühlt, gefolgt von der Zugabe von n-Propanol. Die Reaktionsmischung wurde dann auf 105ºC erhitzt. Die Reaktionsmischung wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Reaktionsmischung hatte einen Feststoffgehalt von 72,3% und einen Säurewert von 189,8.

Beispiel II

Eine wässrige Beschichtungszusammensetzung zur Bewertung von jedem der oligomeren Ester wurde in der folgenden Weise hergestellt:
Eine Aluminiumpigmentpaste wurde durch Zusammenmischen der folgenden Bestandteile hergestellt:
Menge (g) Material
26,3 Ethylenglycolmonohexylether
4,0 Propylenglycolmonopropylether
14,3 Poly(propylenglycol), Molekulargewicht 425
3,6 UV-Absorber (TINUVIN 130 von Ciba Geigy Corp.)
0,7 phosphatisiertes Epoxy*
34,8 behandeltes Aluminiumpigment (HYDROLUX 400 von Obron Corp.) 53,3 Cymel 385 (Aminoplastharz von American Cyanamid)
* Das phosphatisierte Polyepoxid wurde in der folgenden Weise hergestellt: Eine Mischung von 266,7 g 85%iger Phosphorsäure und 344,4 g Ethylenglycol-n-butylether wurde unter einer Stickstoffatmosphäre auf 110ºC erhitzt. Eine Lösung von 1105,0 g EPON 828 (ein Diglycidylether von Bisphenol A, welcher im Handel von Shell Chemical Company erhältlich ist), 545,2 g Ethylenglycol-n-butylether, 38,2 g Xylol und 1,10 g Ethyltriphenylphosphoniumiodid (im Handel erhältlich von Morton Thiokol Company) wurden zu der Phosphorsäurelösung über eine Zeit von zwei Stunden zugesetzt. Dann wurden 52,6 g Ethylenglycol-n-butylether zur Spülung des Zugabetrichters verwendet und zu der Lösung zugesetzt. Die Lösung wurde weitere 2 Stunden bei 110ºC gehalten, und 44,0 g zusätzlicher Ethylenglycol-n-butylether wurden zugesetzt. Das Endprodukt hatte einen Gesamtfeststoffgehalt von 61,5%, eine Gardner-Holdt-Viskosität von X und einen Milliäquivalentwert an Säure pro Gramm von 1650.
Die vorstehend genannten Bestandteile wurden 15 Minuten gerührt und eine Stunde stehen gelassen.
Der im vorstehenden Beispiel I hergestellte Latex wurde auf einen pH von etwa 8, 8 wie folgt neutralisiert:
Menge (g) Material
88,7 Latex von Beispiel I
1,2 50%ige Lösung von Dimethylethanolamin in entionisiertem Wasser
7,2 aliphatische Kohlenwasserstoffe Shell SOL71
8,4 Diethylenglycolmonobutylether
41,3 entionisiertes Wasser
8,4 Propylenglycolmonopropylether
Die Beschichtungszusammensetzung wurde durch Vereinigen der Aluminiumpigmentpaste und des neutralisierten Latex hergestellt.
Jeder der in den vorstehenden Beispielen A bis 6 beschriebenen oligomeren Ester wurde in der vorstehend beschriebenen Beschichtungszusammensetzung bewertet. Jeder der Ester wurde zu der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 20 Gew.-%, bezogen auf Harzfeststoffe, unter Rühren zugesetzt. Der pH wurde dann auf 8,8 durch Zugabe einer geeigneten Menge einer 50%igen Lösung von Dimethylethanolamin in entionisiertem Wasser eingestellt.
Jede der Beschichtungszusammensetzungen enthielt Sprühfeststoffe von etwa 32% und hatte eine Sprühviskosität (#4 Ford-Gefäß) von 24 bis 26 Sekunden.
Die pigmentierte Beschichtungszusammensetzung wurde bewertet zur Verwendung als eine Grundbeschichtungszusammensetzung über kaltgewalztem Stahl, der mit BONDERITE 40 behandelt war, im Handel erhältlich von ACT, und elektrophoretisch beschichtet war mit kationisch galvanisch abscheidbarem Grundiermittel, im Handel erhältlich von PPG Industries, Inc. als ED-11.
Die mit ED-11 beschichteten Platten mit der Größe 12" · 18" (30,5 cm · 45,7 cm) wurden mit dem im Handel von PPG erhältlichen europäischen Oberflächengrundiermittel mit der Bezeichnung E 730G305 grundiert. Dieses Oberflächengrundiermittel wurde 25 Minuten bei 329ºF (165ºC) ausgehärtet.
Die Grundschicht wurde durch Aufsprühen auf das grundierte Substrat bei 60% relativer Feuchtigkeit und 75ºF bis 80ºF (24ºC bis 27ºC) unter Verwendung einer Devilbiss- Sprühpistole unter Verwendung einer AV1915 FX-Nadel und einer 797-Luftkappe mit einer Flüssigkeitszufuhrgeschwindigkeit von 250 cm³/min aufgebracht und durch rasche Verdampfung bei 200ºF (93ºC) eingebrannt. Die Dicke des Grundschichtfilms lag im Bereich zwischen 0,5 bis 1,0 mil (12,7 bis 25,4 Mikron).
Die grundbeschichteten Platten wurden 30 Minuten bei 250ºF (121ºC) ausgehärtet. Der gehärtete Film wurde durch visuelle Untersuchung auf Flächen von Helligkeit und Dunkelheit, auch als Streifung oder Sprenkelung bezeichnet, bewertet. Zusätzlich wurden ebenfalls der Glanz der Fläche und die Umschwenkeigenschaften auf der Fläche visuell untersucht.
Die Ergebnisse erscheinen in der nachstehenden Tabelle:
Oligomeres Esteradditiv Visuelle Bewertung der Sprenkelung
keines -
ED-204/MHHPA von Beispiel A ++
Di-TMP/MHHPA von Beispiel B +
TMP/MHHPA von Beispiel C +
NPG/MHHPA von Beispiel D +
1,4-CHDM/HHPA/MHHPA von Beispiel E ++
ED-204/Adipinsäure von Beispiel F ++
PE/MHHPA von Beispiel G +

Schlüssel:

++: vollständiges Fehlen von Sprenkelung und Streifung ausgezeichnetes Umschwenken auf der Fläche sehr glänzende Fläche, sehr chromatisch
+: sehr geringe Sprenkelung und Streifung verbessertes Umschwenken auf der Fläche helle Fläche
-: starke Sprenkelung und Streifung durchschnittliches Umschwenken auf der Fläche durchschnittliche Helligkeit der Fläche
F: Vergleichsbeispiel

Claims

1. Eine wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung, die ein polymeres filmbildendes Harz in wässerigem Medium enthält; dadurch gekennzeichnet, dass die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung als einen Zusatzstoff von 1 bis 40 Gewichtsprozent, basierend auf den Harzfeststoffen der Zusammensetzung, eines oligomeren Esters mit einem Säurewert von 10 bis 500 mit folgender Struktur enthält:

worin X der Rest von einem Polyol ist, das von 1 bis 20 Kohlenstoffatomen pro Hydroxylgruppe nach Reaktion mit einer Säure oder einem Anhydrid enthält, R ist eine organische Komponente von einem cycloaliphatischen Anhydrid und A hat einen Durchschnittswert von 2 oder größer.

2. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, die von 1 bis 25 Gewichtsprozent des oligomeren Esters enthält.

3. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Polyol gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 1-(3-Hydroxy-2, 2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2- dimethylpropionat, 1,4-Cyclohexandimethanol, Trimethylolpropan, di-Trimethylolpropan, Neopentylglycol, 1,4-Butandiol, 1,6- Hexandiol und Pentaerythritol.

4. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, in welcher R von einem aromatischen oder cycloaliphatischen Anhydrid ist, das 2 bis 30 Kohlenstoffatome enthält.

5. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 4, worin R von einem Polycarbonsäureanhydrid ist, das aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus: Alkyl-substituiertem Phthalsäureanhydrid-Hexahydrophthalsäure-Anhydrid und Alkyl-substituiertem Hexahydrophthalsäure-Anhydrid.

6. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin der oligomere Ester das Reaktionsprodukt von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2-dimethylpropionat und Methyl-Hexahydrophthalsäure-Anhydrid ist.

7. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin der oligomere Ester das Reaktionsprodukt von 1,4-Cyclohexandimethanol und einer Mischung aus Methyl-Hexahydrophthalsäure-Anhydrid und Hexahydrophthalsäure-Anhydrid ist.

8. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Ansprüch 1, worin der oligomere Ester das Reaktionsprodukt von 1-(3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl)-3-hydroxy-2,2-dimethylpropionat und Adipinsäure ist.

9. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, in der das filmbildende Harz funktionelle Gruppen beinhaltet, die in der Lage sind, mit einem Vernetzungsmittel zu reagieren.

10. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, die ein Vernetzungsmittel enthält.

11. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 10, worin das Vernetzungsmittel ein Aminoplastharz ist.

12. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin der flüchtige organische Gehalt weniger als 3,5 Pfund pro Gallone, d. h. 0,42 kg/l beträgt.

13. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, worin das filmbildende Harz ein Latex ist, das polymere Mikropartikel umfasst, die durch die Bildung einer Mischung in einem wässrigen Medium von einem Vinylmonomer oder einer Mischung von Vinylmonomeren mit mehr als 30 Gewichtsprozent eines im wesentlichen hydrophoben Polymers hergestellt werden; wobei das Gewichtsprozent auf dem Gewicht von Vinylmonomere(n) und hydrophobem Polymer basiert; wobei das Polymer im wesentlichen frei von sich wiederholenden Acryl oder Vinyleinheiten in der Hauptkette des Polymers ist und ein Molekulargewicht von mehr als 300 hat, und das Spezifizieren der Mischung in Mikropartikeln durch Hochspannungsverfahren, gefolgt von der Polymerisation des Vinylmonomers bzw. der Vinylmonomere zur Bildung von Mikropartikeln, die im wässerigen Medium stabil dispergiert sind.

14. Die wässrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 13, worin das hydrophobe Polymer ein Polyester oder Polyurethan ist.

15. Die wässrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 13, worin die Mikropartikel vernetzt sind.

16. Die wässrige Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 13, welche ein Vernetzungsmittel enthält.

17. Ein Verfahren zur Bildung einer mehrschichtigen Beschichtung auf einem Substrat, das folgendes umfasst:

(I) Anlegen an die Oberfläche des Substrats, als eine Grundschicht, einer pigmentierten wässrigen Beschichtungszusammensetzung, die ein polymeres filmbildendes Harz in wässerigem Medium enthält; dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Beschichtungszusammensetzung von 1 bis 40 Gewichtsprozent, basierend auf den Harzfeststoffen der Zusammensetzung, eines oligomeren Esters mit einem Säurewert von 100 bis 500 mit folgender Struktur enthält:

(II) Gestatten, dass die Zusammensetzung, die in Schritt (I) angelegt wird, mindestens teilweise getrocknet oder vulkanisiert wird, um eine Grundschicht an der Oberfläche des Substrats zu bilden;

(III) Anlegen einer klaren filmbildenden Zusammensetzung über der Grundschicht von Schritt (II);

(IV) Gestatten, dass die klare Zusammensetzung von Schritt (III) mindestens teilweise getrocknet oder vulkanisiert wird, um eine transparente Deckschicht über der Grundschicht zu bilden.

18. Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die Grundschicht ein Vernetzungsmittel enthält.

19. Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die klare Deckschicht Lösungsmittel-basiert ist.

20. Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die klare Deckschicht wasserbasiert ist.

21. Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die klare Deckschicht eine Pulverbeschichtzusammensetzung ist.

22. Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die Grundschicht ein metallisches Pigment enthält.

23. Ein Substrat, das gemäß dem Verfähren nach Anspruch 17 beschichtet ist.