ES2309598T3 - Composiciones polimerizables de manera acelerada iniciadas por complejos de organoborano-amina. - Google Patents

Composiciones polimerizables de manera acelerada iniciadas por complejos de organoborano-amina. Download PDF

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ES2309598T3 ES04815060T ES04815060T ES2309598T3 ES 2309598 T3 ES2309598 T3 ES 2309598T3 ES 04815060 T ES04815060 T ES 04815060T ES 04815060 T ES04815060 T ES 04815060T ES 2309598 T3 ES2309598 T3 ES 2309598T3
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Abstract

Una composición polimerizable en dos partes que comprende en una parte un compuesto de organoboro que puede formar especies que generan radicales libres y en la segunda parte: uno o más compuestos que pueden polimerizar por radicales libres; un acelerador del curado que comprende: a) al menos un compuesto que contiene una estructura de quinona presente en una cantidad mayor que 0,01 por ciento en peso de la composición en dos partes; o b) al menos un compuesto que contiene al menos un anillo aromático y uno o más sustituyentes en el anillo aromático, seleccionados entre hidroxilo, éter y ambos, donde dicho compuesto que contiene al menos un anillo aromático está presente en una cantidad mayor que 1 por ciento a 4 por ciento en peso de la composición en dos partes y un compuesto con un resto peróxido, donde el compuesto con un resto peróxido está presente en una cantidad de 0,5 por ciento a 8 por ciento en peso referido al preso de la composición en dos partes.

Description

Composiciones polimerizables de manera acelerada iniciadas por complejos de organoborano-amina.
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere a composiciones polimerizables de manera acelerada, que comprenden compuestos que contienen restos que pueden polimerizar por radicales libres, compuestos de organoboro que pueden formar especies que generan radicales libres que pueden iniciar polimerización por radicales libres y adhesivos basados en tales composiciones. En otra realización, la invención se refiere a un método para polimerizar compuestos que contienen restos que pueden polimerizar por radicales libres y a métodos para unir substratos usando tales composiciones.
Las olefinas de baja energía superficial, tales como polietileno, polipropileno y poli(tetrafluoroetileno) poseen una variedad de propiedades atractivas para una variedad de usos, tales como juguetes, piezas de automóviles, aplicaciones en muebles y similares. Debido a la baja energía superficial de estos materiales plásticos, es muy difícil encontrar composiciones adhesivas que se unan a estos materiales. Los adhesivos disponibles comercialmente que se usan para estos plásticos requieren un tratamiento previo extensivo y que requiere mucho tiempo de la superficie antes de que el adhesivo se una a la superficie. Tales tratamientos previos incluyen tratamiento de corona, tratamiento por flameado, la aplicación de capas de imprimación y similares. El requisito del tratamiento previo extensivo de la superficie da como resultado limitaciones significativas para los diseñadores de componentes de automóviles, juguetes, muebles y similares.
Una serie de patentes expedidas a Skoultchi, Patentes de EE.UU. Número 5.106.928; 5.143.884; 5.286.821; 5.310.835 y 5.376.746 (todas incorporadas a esta memoria como referencia) y a Zharov, et al., Patentes de EE.UU. Números 5.539.070; 5.690.780; y 5.691.065 (todas incorporadas a esta memoria como referencia) describen composiciones acrílicas polimerizables que son particularmente útiles como adhesivos en los que se usan complejos de organoboro-amina para iniciar el curado. Se describe que estos complejos son adecuados para iniciar la polimerización de un adhesivo que se une a substratos de baja energía superficial. Pocius en una serie de patentes de EE.UU. 5.616.796; 5.621.143; 5.681.910; 5.686.544; Patente de EE.UU 5.718.977; y Patente de EE.UU 5.795.657 (todas incorporadas a esta memoria como referencia) describe complejos de organoboro-amina con una variedad de aminas usadas para complejar el organoboro, tal como polioxialquilen-poliaminas y poliaminas que son el producto de reacción de aminas diprimarias y compuestos que tienen al menos dos grupos que reaccionan con una amina primaria.
Una serie de patentes de Sonnenschein et al. Patentes de EE.UU. Números 6.806.330; 6.730.759; 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6.710.145, describe complejos de organoboro-amina en los que el organoboro es un trialquil-borano y la amina se selecciona del grupo de aminas que tienen un componente estructural amidina; heterociclos alifáticos que tienen al menos un nitrógeno en el anillo heterocíclico; un compuesto alicíclico que tiene unido al anillo un sustituyente que tiene un resto amino; aminas primarias, que tienen además uno o más grupos aceptores de enlace de hidrógeno, donde hay al menos dos átomos de carbono, preferiblemente al menos tres átomos de carbono, entre la amina primaria y el grupo aceptor de enlace de hidrógeno; e iminas conjugadas. Estas solicitudes de patente describen composiciones polimerizables que contienen los complejos de organoboro amina uno o más de monómeros, oligómeros o polímeros que tienen insaturación olefínica, que pueden polimerizar por radicales libres y que las composiciones polimerizables se pueden usar como adhesivo, sellador, revestimiento o composiciones de tinta.
Algunas de las referencias discutidas anteriormente describen el uso de compuestos fenólicos, tales como hidroquinonas para estabilizar las composiciones frente a la polimerización no deseada. Véase Pocius, Patente de EE.UU 5.684.102 en la columna 18, líneas 45-53; Pocius, Patente de EE.UU 5.861.910 en la columna 13 líneas 17 a 24. Jennes, Patente de EE.UU. 3.236.823 describe el uso de hidroquinonas, fenatiazina o t-butil pirocatecol como estabilizantes en sistemas acrilato iniciados por alquilborano. Muchas de las composiciones descritas polimerizan más lentamente de lo que se desea para su uso en procesos industriales. Esto da como resultado, procesos que presentan baja productividad.
Por lo tanto, son necesarios sistemas adhesivos que pueden unirse a substratos de baja energía superficial, y sistemas iniciadores que facilitan tal unión. Adicionalmente, son necesarias composiciones de polímeros y sistemas adhesivos que son térmicamente estables a temperaturas ambiente o próximas a la ambiente y que experimentarán polimerización cuando el usuario lo desea. También se necesitan composiciones adhesivas que son capaces de unirse a substratos de baja energía superficial y de unir substratos de baja energía superficial a otros substratos, sin necesidad de un tratamiento previo extensivo o costoso. Son necesarias composiciones adicionales que pueden usarse en los equipos comerciales existentes en proporciones de mezcla de 4:1 o menores. También se desean composiciones que poseen estabilidad, resistencia y adherencia a temperaturas elevadas. Se necesitan además, composiciones que curen rápidamente pues muchos procesos industriales requieren tiempos de ciclos rápidos.
Sumario de la invención
La invención es una composición polimerizable en dos partes que comprende en una parte un compuesto de organoboro que puede formar especies de complejos de amina que generan radicales libres, y en la segunda parte uno o más compuestos que pueden polimerizar por radicales libres, y un acelerador del curado que comprende a) al menos un compuesto que contiene una estructura de quinona presente en una cantidad mayor que 0,01 por ciento en peso de la composición en dos partes o b) al menos un compuesto que contiene al menos un anillo aromático y uno o más, preferiblemente dos sustituyentes, en el anillo aromático seleccionados entre hidroxilo, éter y ambos, donde dicho compuesto que contiene al menos un anillo aromático está presente en una cantidad mayor que 1 por ciento a 4 por ciento en peso de la composición en dos partes, y un compuesto con un resto peróxido, donde el compuesto con un resto peróxido está presente en una cantidad de 0,5 por ciento a 8 por ciento en peso, referido al peso de la composición en dos partes. Cuando hay dos sustituyentes, están situados en orto o para uno con respecto a otro y un compuesto que contiene peróxido. La segunda parte puede contener además un agente que puede causar que el compuesto de organoboro forme especies que generan radicales libres al poner en contacto las dos partes. La primera parte puede comprender además uno o más compuestos que pueden polimerizar por radicales libres. Esto facilita formular composiciones que tienen razones volumétricas de las dos partes deseables comercialmente. Las composiciones adhesivas de la presente formulación proporcionan excelente adherencia a substratos de baja energía superficial, tales como plásticos.
La invención es también un método de polimerización que comprende poner en contacto los componentes de la composición polimerizable en condiciones tales que los compuestos polimerizables experimentan polimerización. En una realización, la puesta en contacto ocurre a temperaturas ambiente o próximas a la ambiente. En otra realización, el método comprende adicionalmente la etapa de calentar la composición polimerizada a una temperatura elevada en condiciones tales que el compuesto de organoboro forma una especie que genera radicales libres.
En otra realización más, la invención es un método para unir conjuntamente dos o más substratos, que comprende poner en contacto los componentes de la composición polimerizable conjuntamente en condiciones tales que se inicia la polimerización; poner en contacto la composición polimerizable con los dos o más substratos; disponer los dos o más substratos de manera que la composición polimerizable se localiza entre los dos o más substratos; y dejar polimerizar a la composición polimerizable y unirse a los dos o más substratos conjuntamente. En otra realización más, la invención es un método para revestir un substrato que comprende poner en contacto una composición según la invención, con uno o más superficies de un substrato e iniciar la polimerización de la composición según la invención. En otra realización, la invención es un laminado que comprende dos substratos, teniendo dispuesta entre los substratos y unida a cada substrato una composición según la invención.
Las composiciones polimerizables de la invención son estables a temperatura ambiente o próxima a la ambiente y se pueden curar bajo demanda, poniendo en contacto las dos partes de la composición, o alternativamente poniendo en contacto las dos partes de la composición, y calentando después las composiciones por encima de la temperatura a la que el compuesto de organoboro forma una especie que genera radicales libres. Además, las composiciones polimerizables de la invención pueden formar buenas uniones con substratos de baja energía superficial sin necesidad de capas de imprimación (primers) o tratamiento de superficie. Las composiciones polimerizables de la invención se pueden formular para dispensarse en equipamientos comerciales en proporciones de volumen de las dos partes de 4:1 o menores. Las composiciones polimerizadas presentan una resistencia de cohesión y de adherencia excelentes a temperaturas elevadas y demuestran, por tanto, una estabilidad excelente a temperaturas elevadas. Las composiciones polimerizables de la invención presentan un curado rápido y exhiben preferiblemente una resistencia a la cizalla por solape según la norma ASTM 03165-91 de 3,4 atm o mayor 1 hora después de la aplicación. Preferiblemente, las composiciones polimerizables demuestran excelente adherencia a substratos además de un curado rápido como se ha discutido.
Descripción detallada de la invención
El iniciador de polimerización es un compuesto que contiene organoboro que puede formar un compuesto de organoboro trivalente. En una realización preferida, la especie que genera radicales libres es una especie que genera radicales libres en forma de compuesto de organoboro trivalente. Los compuestos que contienen boro preferidos son tetravalentes, en el sentido de que tienen cuatro enlaces al boro, de los cuales al menos tres son covalentes y uno puede ser covalente o estar en forma de una asociación electrónica con un agente complejante. La especie que genera radicales libres, tal como un compuesto de boro trivalente, se forma cuando el compuesto que contiene boro se pone en contacto con otra sustancia, denominada en esta memoria iniciador o agente descomplejante. La especie que genera radicales libres genera radicales libres al reaccionar con el oxígeno ambiental. En la realización en la que el compuesto que contiene boro es tetravalente, tal contacto produce la extracción de uno de los ligandos unidos a o complejados al atómo de boro para convertirlo en un borano trivalente. La especie que general radicales libres es un compuesto que contiene o genera radicales libres bajo condiciones de polimerización. El iniciador o agente descomplejante puede ser cualquier compuesto que reacciona con al agente complejante o que extrae un catión del compuesto que contiene boro. Preferiblemente, el compuesto que contiene boro es un organoborato o un complejo de organoboro-amina.
Un organoborato es una sal de un catión positivo y de un boro tetravalente aniónico. Se puede usar cualquier organoborato que se pueda convertir en un organoboro por contacto con un iniciador o agente descomplejante. Una clase de organoboratos preferidos, (también denominados sales de boro cuaternarias) se describe en Kneafsey et al., EE.UU. 2003/0226472 y Kneafsey et al., EE.UU. 2004/0068067, ambas incorporadas a esta memoria como referencia. Los organoboratos preferidos descritos en estas dos solicitudes de Patente de EE.UU. se describen por la siguiente fórmula
1
donde
R^{2} es alquilo C_{1}-C_{10};
R^{3} es independientemente en cada caso alquilo C_{1}-C_{10}, cicloalquilo C_{3}-C_{10}, fenilo, alquilo C_{1}-C_{10} sustituido con fenilo o cicloalquilo C_{3}-C_{10} sustituido con fenilo, con la condición de que cualesquiera dos de R^{2} y/o R^{3} pueden ser opcionalmente parte de un anillo carbocíclico; y
M^{+} es un ión metálico o un ión de amonio cuaternario. Los ejemplos preferidos de organoboratos incluyen tetraetil-borato de sodio, tetraetil-borato de litio, fenil-trietil-borato de litio y fenil-trietil-borato de tetrametilamonio.
En otra realización, el organoborato es un borato bloqueado internamente como se describe en Kendall et al., Patente de EE.UU. 6.630.555, incorporada a esta memoria como referencia. En esta patente se describen cuatro boratos bloqueados internamente coordinados, donde el átomo de boro es parte de una estructura de anillo que además contiene un resto oxa o tio. Los boratos heterocíclicos bloqueados internamente tienen preferiblemente la siguiente estructura:
\vskip1.000000\baselineskip
2
donde J es oxígeno o azufre; cuando J representa oxígeno, n es el número entero 2, 3, 4 ó 5; cuando J representa azufre, n es el número entero 1,2,3,4 ó 5; R^{4}, R^{5}, R^{6} y R^{7} son independientemente grupos alquilo o alquileno sustituidos o sin sustituir que contienen 1 a 10 átomos de carbono, grupos arilo sustituidos que tienen hasta 7 a 12 átomos de carbono o grupos arilo no sustituidos; R^{5}, R^{6} y R^{7} pueden ser hidrógeno; R^{4} puede ser parte de un segundo borato cíclico sustituido o sin sustituir; R^{4} puede comprender un anillo espiro o un anillo espiro-éter; R^{4} junto con R^{5} se pueden unir para formar un anillo cicloalifático; o R^{4} junto con R^{5} puede comprender un anillo de éter cíclico y M es cualquier especie cargada positivamente; siendo m un número mayor que 0.
La expresión "bloqueado internamente" en referencia a los organoboratos descritos en esta memoria significa un átomo de boro tetracoordinado que es parte de una estructura de anillo interna con un puente a través de dos de las cuatro valencias o partes coordinadas del boro. El bloqueo interno incluye un anillo solo o una estructura multianular donde el boro es parte de una o más estructuras multianulares.
En la realización en la que el compuesto de organoboro está en forma de un complejo de amina, la especie que genera radicales libres usada en la invención es un trialquil-borano o un alquil-cicloalquil-borano. El organoboro usado en el complejo es un trialquil-borano o un alquil-cicloalquil-borano. Preferiblemente, tal borano corresponde a la Fórmula:
B \abrepg R^{1})_{3}
donde B representa boro; y R^{1} es independientemente en cada caso un alquilo C_{1-10}, cicloalquilo C_{3-10} , o pueden combinarse dos o más R^{1} para formar un anillo cicloalifático. Preferiblemente R^{1} es alquilo C_{1-4}, incluso más preferiblemente alquilo C_{2-4} y lo más preferiblemente alquilo C_{3-4}. Entre los organoboros preferidos están trietil-borano, tri-isopropil-borano y tri-n-butil-borano.
En la realización en la que el compuesto de organoboro es un complejo de organoboro-amina, el organoboro es un organoboro trivalente y la amina puede ser cualquier amina que compleje reversiblemente con el organoboro. Tales complejos se representan por la fórmula
B \abrepg R^{1})_{3}-A_{m}
donde R^{1} se ha descrito anteriormente y Am es una amina.
Las aminas usadas para complejar el compuesto de organoboro pueden ser cualquier amina o mezcla de aminas que complejan al organoboro y que se pueden descomplejar cuando se exponen a un agente descomplejante. El grado de conveniencia del uso de una amina dada en un complejo de organoboro/amina se puede calcular a partir de la diferencia de energía entre el complejo ácido-base de Lewis y la suma de energías del ácido de Lewis (organoboro) y la base de Lewis (amina) aislados, conocida como energía de enlace. Cuanto más negativa es la energía de enlace, más estable es el complejo.
Energía de enlace = -(Energía del complejo - (Energía del ácido de Lewis + Energía de la base de Lewis))
Tales energías de enlace se pueden calcular usando métodos teóricos ab initio, tales como el método de Hartree Fock y la clase de bases 3-21G (3-21G basis set). Estos métodos computacionales se encuentran disponibles comercialmente y emplean software y hardware comerciales, tales como los programas SPARTAN y Gaussian 98, con una estación de trabajo Silicon Graphics. Se prefieren las aminas que tienen energías de enlace amina/organoboro de 10 kilocalorías por mol o mayores, siendo más preferidas las aminas que tienen una energía de enlace de 15 kilocalorías por mol o mayor, e incluso más preferidas las aminas con energías de enlace de 20 kilocalorías por mol o mayores. En la realización en la que la polimerización de las composiciones de la invención se inicia a través del uso de un agente descomplejante, la energía de enlace de la amina al organoboro es preferiblemente aproximadamente 50 kcal/mol o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 30 kcal/mol o menos. En la realización en la que la polimerización de las composiciones de la invención se inicia mediante el uso de calor, la energía de enlace de la amina es preferiblemente aproximadamente 100 kcal/mol o menos, más preferiblemente aproximadamente 80 kcal/mol o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 50 kcal/mol o menos.
Las aminas preferidas incluyen las poliaminas o aminas primarias o secundarias que contienen grupos amina primarios o secundarios, o amoniaco tal como se describe en Zharov, patente de EE.UU. 5.539.070 en la columna 5, líneas 41 a 53, incorporado como referencia en esta memoria, Skoultchi patente de EE.UU. 5.106.928 en la columna 2, líneas 29 a 58 incorporado como referencia en esta memoria, y Pocius patente de EE.UU. 5.686.544 en la columna 7, línea 29 a columna 10 línea 36 incorporado como referencia en esta memoria; etanolamina, dialquil-diaminas secundarias o poli(oxialquilen)poliaminas; y productos de reacción terminados en amina, de diaminas y compuestos que tienen dos o más grupos reactivos con aminas como se describe en Deviny, Patente de EE.UU. 5.883.208 en la columna 7, línea 30 a columna 8 línea 56, incorporada a esta memoria como referencia. En relación con los productos de reacción descritos en el documento de Deviny, las diaminas primarias preferidas incluyen alquildiaminas primarias, arildiaminas primarias, alquilarildiaminas primarias y poli(oxialquilen)diaminas; y compuestos reactivos con aminas incluyen compuestos que contienen dos o más restos de ácidos carboxílicos, ésteres de ácidos carboxílicos, haluros de ácido carboxílico, aldehídos, epóxidos, alcoholes y grupos acrilato. Las aminas preferidas descritas en el documento de Deviny incluyen n-octilamina, 1,6-diaminohexano (1,6-hexano diamina), dietilamina, dibutilamina, dietilentriamina, dipropilendiamina, 1,3-propilendiamina (1,3-propanodiamina), 1,2-propilendiamina, 1,2-etanodiamina, 1,5-pentanodiamina, 1,12-dodecanodiamina, 2-metil-1,5-pentanodiamina, 3-metil-1,5-pentanodiamina, trietilentetraamina y dietilentriamina. Las poli(oxialquilen)poliaminas preferidas incluyen diaminas de poli(óxido de etileno), diaminas de poli(óxido de propileno), trietilenglicol-propilendiamina, diamina de poli(óxido de tetrametileno) y diaminas de poli(óxido de etileno)-copoli(óxido de propileno).
En una realización preferida, la amina comprende un compuesto que tiene una amina primaria y uno o más grupos aceptores de enlaces de hidrógeno, en la que existen al menos dos átomos de carbono, preferiblemente al menos aproximadamente tres, entre la amina primaria y los grupos aceptores de enlaces de hidrógeno. Preferiblemente, entre la amina primaria y el grupo aceptor de enlace de hidrógeno se encuentra situado un resto alquileno. En este documento, grupo aceptor de enlace de hidrógeno significa un grupo funcional que, a través de una interacción bien inter- o bien intramolecular con un hidrógeno de la amina complejante del borano, aumenta la densidad electrónica del nitrógeno del grupo amino que se compleja con el borano. Los grupos aceptores de enlace de hidrógeno preferidos incluyen aminas primarias, aminas secundarias, aminas terciarias, éteres, halógenos, poliéteres, tioéteres y poliaminas. Los compuestos preferidos que tienen una amina primaria y uno o más grupos aceptores de enlace de hidrógeno se describen en Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU. Números 6.730.759, (columna 4, línea 60 a columna 5, línea 67); 6,706,831; 6,713,578; 6.713.579 y 6,710,145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como
referencia.
En otra realización, la amina es un heterociclo alifático que tiene al menos un nitrógeno en el heterociclo. El compuesto heterocíclico también puede contener uno o más entre nitrógeno, oxígeno, azufre o dobles enlaces. Además, el heterociclo puede comprender anillos múltiples en los que al menos uno de los anillos tiene nitrógeno en el anillo. Las aminas heterocíclicas alifáticas preferidas se describen en Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU. Nos 6.730.759 (columna 6, líneas 1 a 45); 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6.710.145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como referencia.
En otra realización más, la amina que se compleja con el organoboro es una amidina. Puede usarse cualquier compuesto con estructura de amidina en el que la amidina tiene suficiente energía de enlace con el organoboro, como se ha descrito anteriormente en este documento. Los compuestos de amidina preferidos se describen en Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU Nos 6.730.759, (columna 6, línea 4 a columna 7, línea 21); 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6.710.145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como referencia.
En otra realización más, la amina que se compleja con el organoboro es una imina conjugada. Puede usarse cualquier compuesto con estructura de imina conjugada en el que la imina tiene suficiente energía de enlace con el organoboro, como se ha descrito anteriormente en este documento. La imina conjugada puede ser una imina de cadena lineal o ramificada o una imina cíclica. Los compuestos de imina preferidos se describen en Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU Nos 6.730.759, (columna 7, línea 22 a columna 8, línea 24); 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6.710.145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como referencia.
En otra realización, la amina puede ser un compuesto alicíclico que tiene unido al anillo alicíclico un sustituyente que contiene un grupo amina. El compuesto alicíclico que contiene amina puede tener un segundo sustituyente que contiene uno o más átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre, o un doble enlace. El anillo alicíclico puede contener uno o dos dobles enlaces. El compuesto alicíclico puede ser una estructura en anillo único o múltiple. Preferiblemente, la amina del primer sustituyente es primaria o secundaria. Preferiblemente, el anillo alicíclico es un anillo de 5 o 6 miembros. Preferiblemente, los grupos funcionales del segundo sustituyente son aminas, éteres, tioéteres o halógenos. El compuesto alicíclico preferido con uno o más sustituyentes que contienen aminas Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU. Nos 6.730.759 (columna 8, línea 25 a línea 59); 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6,710,145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como referencia.
En otra realización preferida la amina contiene además siloxano, que es un amino-siloxano. Puede usarse cualquier compuesto con unidades amina y siloxano en el que la amina tiene suficiente energía de enlace con el organoboro, como se ha descrito anteriormente en este documento. Las aminas con restos siloxano preferidas se describen adicionalmente en la Patente de EE.UU. 6.777.512, y titulada AMINE ORGANOBORANE COMPLEX INITIATED POLYMERIZABLE COMPOSITIONS CONTAINING SILOXANE POLYMERIZABLE COMPONENTS, (columna 10, línea 14 a columna 11, línea 29, incorporada a esta memoria como referencia.
En la realización en la que el compuesto de organoboro es un complejo de organoboro-amina, la razón equivalente de compuesto(s) amina a compuesto borano en el complejo es relativamente importante. Se prefiere un exceso de amina para aumentar la estabilidad del complejo y en la realización en la que el agente descomplejante es un compuesto con funcionalidad isocianato, para reaccionar con el compuesto con funcionalidad isocianato dando así como resultado el producto final en presencia de poliurea. La presencia de poliurea mejora las propiedades de la composición a temperatura elevada.
Los compuestos que pueden polimerizar por radicales libres que pueden usarse en las composiciones de la invención incluyen cualesquiera monómeros, oligómeros, polímeros o mezclas de los mismos que contienen insaturación olefínica que pueden polimerizar por polimerización por radicales libres. Tales compuestos son bien conocidos por los expertos en la técnica. Mottus, Patente de EE.UU. 3.275.611, proporciona una descripción de tales compuestos en la columna 2, línea 46 a columna 4, línea 16, incorporada a esta memoria como referencia. Las clases preferidas de compuestos que contienen insaturación olefínica son Sonnenschein et al., Patentes de EE.UU. Nos 6.730.759 (columna 9, línea 7 a línea 54); 6.706.831; 6.713.578; 6.713.579 y 6,710,145 partes relevantes, incorporadas a esta memoria como referencia.
Se describen ejemplos de acrilatos y metacrilatos preferidos en Skoultchi, Patente de EE.UU. 5.286.821 en la columna 3, líneas 50 a columna 6, línea 12, incorporada a esta memoira como referencia y Pocius, Patente de EE.UU. 5.681.910 en la columna 9, línea 28 a columna 12, línea 25, incorporada a esta memoria como referencia. También son útiles en estas composiciones moléculas reticulantes de acrilato incluyendo dimetacrilato de etilenglicol, diacrilato de etilenglicol, dimetacrilato de trietilenglicol, bismetacriloxi-carbonato de dietilenglicol, diacrilato de polietilenglicol, dimetacrilato de tetraetilenglicol, diacrilato de diglicerol, dimetacrilato de dietilenglicol, triacrilato de pentaeritritol, trimetacrilato de trimetilolpropano, metacrilato de isobornilo y metacrilato de tetrahidrofurfurilo.
En la realización en la que la composición se usa como un adhesivo, se usan preferiblemente compuestos basados en acrilato y/o metacrilato, como los compuestos que pueden polimerizar por radicales libres. Los compuestos de acrilato y metacrilato más preferidos incluyen metacrilato de metilo, metacrilato de butilo, metacrilato de 2-etilhexilo y metacrilato de ciclohexilmetilo. Las cantidades preferidas de compuestos que pueden polimerizar por radicales libres son preferiblemente aproximadamente 10 por ciento en peso o mayor, referido al peso total de la formulación, más preferiblemente aproximadamente 20 por ciento en peso o mayor, y lo más preferiblemente aproximadamente 30 por ciento en peso o mayor. Las cantidades preferidas de compuestos que pueden polimerizar por radicales libres son preferiblemente aproximadamente 90 por ciento en peso o menos, referido al peso total de la formulación, más preferiblemente aproximadamente 85 por ciento en peso o menos y lo más preferido 80 por ciento en peso o menos.
Las composiciones de la invención incluyen composiciones polimerizables en dos partes, que comprenden en una parte un compuesto de organoboro y uno o más compuestos que contienen uno o más restos heterocíclicos con apertura de anillo, y en una segunda parte, compuestos que pueden ser polimerizados mediante polimerización por radicales libres, un catalizador que puede polimerizar compuestos que contienen restos heterocíclicos con apertura de anillo, un acelerador del curado de la invención y opcionalmente un componente que hará que el compuesto de organoboro forme una especie que genera radicales libres. En una realización, la invención es un sistema en dos fases que comprende una primera fase que contiene uno o más polímeros preparados a partir de los compuestos que polimerizan mediante polimerización por radicales libres y una segunda fase que comprende compuestos polimerizados o parcialmente polimerizados derivados de uno o más compuestos que contienen restos heterocíclicos con apertura de anillo. En una realización, el polímero preparado a partir de los compuestos que contienen restos heterocíclicos con apertura de anillo, no es miscible con el polímero preparado mediante polimerización por radicales libres, y por tanto, la composición polimerizada resultante tiene al menos dos regiones, cada una rica en uno de los dos polímeros formados. En una realización, las composiciones en dos partes de la invención incluyen una porción polimerizada que comprende compuesto polimerizado que puede polimerizar por radicales libres y una segunda porción que comprende compuestos no polimerizados o parcialmente polimerizados que tienen restos heterocíclicos con apertura de anillo. Las dos porciones pueden ser miscibles, parcialmente miscibles o inmiscibles. En una realización preferida, la composición polimerizada comprende dos fases, una basada en los compuestos que polimerizan a través de enlaces olefínicos y una segunda que polimeriza por una reacción de apertura de anillo de un resto heterocíclico. Las composiciones curadas de la invención contienen preferiblemente dos regiones que en muchos casos no son miscibles. En algunas realizaciones, las dos regiones son fases separadas o son redes interpenetrantes de dos polímeros diferentes. Las dos regiones pueden estar unidas químicamente una a la otra si la composición incluye un compuesto reticulante.
El compuesto que contiene un resto heterocíclico con apertura de anillo puede ser cualquier monómero, oligómero o prepolímero que contiene un resto heterocíclico que puede tener apertura de anillo y polimerizar. El heteroátomo en el resto heterocíclico es preferiblemente nitrógeno, oxígeno o azufre, prefiriéndose nitrógeno y oxígeno y siendo oxígeno el más preferido. Preferiblemente el resto heterocíclico es un anillo de 3 miembros. Los restos heterocíclicos preferidos son restos oxirano y aziridina, siendo los restos oxirano los más preferidos. Los compuestos heterocíclicos con apertura de anillo preferidos se describen adicionalmente en Sonnenschein et al., Patente de EE.UU. 6.762,260 (columna 10, línea 34 a columna 11, línea 22), incorporada a esta memoria como referencia.
La presencia del polímero derivado del compuesto heterocíclico polimerizable por apertura de anillo, tal como oxirano y aziridina, mejora la adherencia a plásticos de energía superficial elevada tal como nylon y también las propiedades térmicas de las composiciones polimerizadas o parcialmente polimerizadas de la invención. Se usa una cantidad suficiente del compuesto heterocíclico con apertura de anillo, para mejorar la unión a substratos de energía superficial elevada y para mejorar las propiedades a temperatura elevada de la composición polimerizada o parcialmente polimerizada. Las propiedades térmicas se refieren en esta memoria a temperaturas de transición vítrea elevadas de las composiciones polimerizadas y resistencia cohesiva mejorada a temperaturas elevadas, como evidencian las resistencias a la cizalla por solape más altas a temperatura elevada, tal como 125 y 150ºC. Una mejora significativa de la temperatura de transición vítrea es 5ºC. Una mejora significativa en la resistencia a la cizalla por solape es aproximadamente 3,4 atm o mayor a 125ºC. La formulación polimerizable total puede contener aproximadamente 2 por ciento en peso de compuesto polimerizable heterocíclico o mayor; más preferiblemente aproximadamente 5 por ciento en peso o mayor, y lo más preferido aproximadamente 10 por ciento en peso o mayor. La formulación polimerizable puede contener aproximadamente 50 por ciento en peso o menos, más preferiblemente aproximadamente 45 por ciento en peso o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 40 por ciento en peso o menos de compuesto polimerizable heterocíclico.
En algunos casos puede ser útil reticular la fase del compuesto polimerizable por radicales libres a la fase derivada del compuesto heterocíclico polimerizable por apertura de anillo como se describe en Sonnenschein et al, Patente de EE.UU. 6.762.260 (columna 11, línea 53 a columna 1, línea 11), incorporada a esta memoria como referencia. La cantidad de reticulante usada es aquella cantidad que da las propiedades deseadas, es decir, suficiente resistencia a la cizalla por solape a 125ºC o superior, y que no haga que disminuya por debajo del valor deseado la resistencia de adherencia a temperatura ambiente. Las cantidades preferidas de reticulante son aproximadamente 0 por ciento en peso o mayor referido al peso de la formulación polimerizable, más preferiblemente aproximadamente 1 por ciento en peso o mayor; incluso más preferiblemente aproximadamente 3 por ciento en peso o superior, y lo más preferiblemente aproximadamente 5 por ciento en peso o superior. Preferiblemente, la cantidad de reticulante usada es aproximadamente 20 por ciento en peso de la formulación polimerizable total o menos; incluso más preferiblemente aproximadamente 15 por ciento en peso o menos, y lo más preferiblemente aproximadamente 12 por ciento en peso o menos.
Es preferible que el compuesto heterocíclico polimerizable por apertura de anillo polimerice a una velocidad similar a la velocidad de polimerización de los compuestos que contienen restos que pueden polimerizar por radicales libres. Si la reacción de un componente polimerizable es demasiado lenta, la composición puede vitrificar antes de obtener una conversión aceptable de monómero a polímero de ambas fases. Los componentes sin reaccionar pueden actuar como un plastificante y degradan las propiedades, tales como adherencia, comportamiento térmico y similares. Las propiedades de la composición final polimerizada se pueden mejorar por calentamiento posterior de la composición polimerizada para llevar a cabo la polimerización de los compuestos heterocíclicos polimerizables. Esto se lleva a cabo calentando la composición polimerizada a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea del polímero(s) polimerizado(s) incompletamente. En esta realización se prefiere curar posteriormente a la temperatura de uso esperada de la estructura, más preferido a 5ºC por encima de la temperatura de uso esperada de la composición y es más preferido, proporcionar un curado térmico posterior de 10ºC por encima de la temperatura de uso esperada de la composición polimerizada. Se describen ejemplos de procedimiento de curado posterior en Briggs (Patente de EE.UU. 4.426.243) y Ersun-Hallsby, et al. (Patente de EE.UU. 5.204.386), incorporadas a esta memoria como referencia. Una realización preferida de la polimerización por apertura de anillo de compuestos heterocíclicos se describe en Sonnenschein et al., Patente de EE.UU. 6.762.260 (columna 12, línea 24 a línea 65), incorporada a esta memoria como referencia.
Los compuestos de organoboro útiles para la polimerización de los compuestos que tienen restos que pueden polimerizar por radicales libres, se pueden convertir en compuestos que pueden formar especies que generan radicales libres, mediante la aplicación de un agente descomplejante que causará la formación de compuestos que pueden formar especies que generan radicales libres, tal como un compuesto de borano trivalente, tal como por desplazamiento de la amina del borano. La formación de compuestos que pueden formar las especies que generan radicales libres tal como borano trivalente.
El desplazamiento de la amina del alquilborano puede tener lugar con cualquier producto químico para el que la energía de intercambio es favorable, tal como ácidos minerales, ácidos orgánicos, ácidos de Lewis, isocianatos, cloruros de ácido, cloruros de sulfonilo, aldehidos y similares. Los agentes descomplejantes preferidos son los ácidos e isocianatos. En aquellas realizaciones en las que el iniciador para la polimerización por apertura de anillo es un ácido de Lewis, se puede omitir el agente descomplejante pues los ácidos de Lewis también pueden funcionar como el agente descomplejante. Si se usa el ácido de Lewis como el agente descomplejante e iniciador de la polimerización por apertura de anillo, no se necesitan cantidades adicionales sobre las cantidades necesarias para iniciar la polimerización. La elección del iniciador se puede ver afectada por el uso de la composición polimerizable. En particular, cuando la composición polimerizable es un adhesivo y el material al cual se va a unir es polipropileno, la clase preferida de iniciadores son iniciadores de isocianato y cuando el substrato es nylon, los iniciadores preferidos son ácidos. La polimerización también se puede iniciar térmicamente. La temperatura a la que se calienta la composición para iniciar la polimerización está determinada por la energía de enlace del complejo. Generalmente, la temperatura usada para iniciar la polimerización por descomplejación del complejo es aproximadamente 30ºC o mayor, y preferiblemente aproximadamente 50ºC o mayor. Preferiblemente, la temperatura a la que se inicia la polimerización iniciada térmicamente es aproximadamente 120ºC o menos, y más preferiblemente aproximadamente 100ºC o menos. Puede usarse cualquier fuente de calor que calienta la composición a la temperatura deseada, siempre que la fuente de calor no ejerza una influencia negativa sobre los componentes de la composición o su función. De esta manera, la composición se puede poner en contacto con los substratos bien antes o bien después de la exposición al calor de la composición. Si la composición se calienta antes del contacto con los substratos, la composición se debe poner en contacto con los substratos antes de que la composición haya polimerizado hasta el punto en el que la composición ya no es capaz de adherirse a los substratos. En la reacción iniciada térmicamente, puede ser necesario controlar el contenido en oxígeno, de manera que hay el oxígeno adecuado para crear condiciones favorables para la formación de radicales, aunque no tanto como para inhibir la polimerización.
En una realización, la invención de las composiciones polimerizables puede comprender además uno o más compuestos, oligómeros o prepolímeros que tienen una cadena principal de siloxano y restos reactivos que pueden polimerizar, un catalizador para la polimerización de los uno o más compuestos, oligómeros o prepolímeros que tienen una cadena principal de siloxano y restos reactivos que pueden polimerizar como se describe en la Patente de EE.UU. 6.777.512, titulada AMINE ORGANOBORANE COMPLEX INITIATED POLYMERIZABLE COMPOSITIONS CONTAINING SILOXANE POLYMERIZABLE COMPONENTS (columna 12, línea 66 a columna 15, línea 54), incorporada a esta memoria como referencia.
Las composiciones de la invención pueden contener además una cantidad estabilizante de una dihidrocarbil-hidroxilamina. Estabilizante según se usa en esta memoria se refiere a evitar la polimerización hasta que se desee. Generalmente, esto significa que la polimerización se inhibe bajo condiciones de almacenamiento normales. Condiciones de almacenamiento normales significa almacenamiento a temperatura de aproximadamente 0ºC a aproximadamente 40ºC, donde el adhesivo se almacena en un recipiente cerrado herméticamente. Una composición estable es una que no experimenta un aumento de la viscosidad no deseado durante un periodo definido. El aumento de la viscosidad es una evidencia de la polimerización de los monómeros presentes. En una realización preferida, una composición es estable si la viscosidad no aumenta más de 150 por ciento durante un periodo de tiempo de 30 días cuando se almacena a temperaturas de 40ºC o menos, más preferiblemente 100 por ciento o menos durante un periodo de tiempo de 30 días y lo más preferiblemente 50 por ciento o menos durante un periodo de tiempo de 30 días.
Las dihidrocarbil-hidroxil-aminas útiles en esta memoria incluyen cualquiera de estos compuestos que cuando se incluyen en las composiciones de esta invención; mejoran la estabilidad de las composiciones como se describe en esta memoria. Las dihidrocarbil-aminas preferidas corresponden a la fórmula
(R^{11})_{2} \ N-OH
donde R^{11} es independientemente en cada caso un resto hidrocarbilo. Preferiblemente R^{13} es independientemente en cada caso un resto arilo, alcarilo o alquilo C _{2-30}; más preferiblemente un resto arilo, alcarilo o alquilo C_{10-20}; siendo incluso más preferidos los restos alquilo C_{10-20}. Entre las dihidrocarbil-hidroxil-aminas preferidas están la base libre de hidroxilamina de BASF, derivados de hidroxilamina de Mitsui Chemicals America, Inc. e Irgastab FS Products de Ciba Specialty Chemicals que contienen bis(alquilo de sebo hidrogenado)-amina oxidada también descrita como bis(N-dodecil)-N-hidroxil-amina. Las dihidrocarbil-hidroxil-aminas se utilizan en cantidades suficientes para estabilizar las composiciones de la invención. Preferiblemente, las dihidrocarbil-hidroxil-aminas se usan en una cantidad de aproximadamente 1 parte por millón de las composiciones de la invención o mayor, más preferiblemente aproximadamente 2 partes por millón o mayor y lo más preferiblemente aproximadamente 5 partes por millón o mayor. Preferiblemente, las dihidrocarbil-hidroxil-aminas se usan en una cantidad de aproximadamente 100.000 parte por millón de las composiciones de la invención o menos, más preferiblemente aproximadamente 50.000 partes por millón o menos, incluso más preferiblemente aproximadamente 10.000 partes por millón o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 3.000 partes por millón o menos.
Las composiciones de la invención además comprenden un acelerador para el curado de las composiciones polimerizables. El acelerador comprende al menos un compuesto que contiene una estructura de quinona o al menos un compuesto que contiene al menos un anillo aromático y uno o más, preferiblemente dos sustituyentes, en el anillo aromático seleccionados entre hidroxilo, éter y ambos cuando se usan dos sustituyentes y están localizados orto o para uno con respecto a otro.
En una realización, el acelerador es cualquier compuesto que contiene una estructura de quinona, compuesto que acelera el curado de las composiciones polimerizables. Para las composiciones adhesivas las quinonas preferidas también facilitan la adherencia de las composiciones polimerizables a superficies de substratos. Los compuestos de quinona preferidos contienen la siguiente estructura:
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Las clases preferidas de compuestos de quinona son quinona sustituida o sin sustituir, naftaquinona o antraquinonas. El sustituyente puede ser cualquier sustituyente que no interfiera en la formación de radicales libres o en la reacción de radicales libres con otros compuestos. Los compuestos que contienen quinona preferidos corresponden a una de las fórmulas de compuesto que contiene quinona, que corresponde a una de las estructuras:
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donde R^{8} es por separado en cada caso cualquier sustituyente que no evita la formación de radicales libres o la reacción de radicales libres con otros compuestos; y d es por separado en cada caso un número entero de 0 a 4. Los compuestos que contienen quinona preferidos son los compuestos de quinona. Los compuestos de quinona corresponden preferiblemente a la fórmula:
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Preferiblemente, R^{8} es por separado en cada caso R^{9}, OR^{9} o SR^{9}, donde R^{9} es por separado en cada caso hidrocarbilo sustituido o sin sustituir; más preferiblemente aralquilo, arilo, alquilo sustituido o sin sustituir, incluso más preferiblemente aralquilo C_{6-90}, arilo C_{6-60}, alquilo C_{1-80} sustituido o sin sustituir, y lo más preferiblemente alquilo C_{1-10} y arilo C_{6-14}. Preferiblemente d es 0 a 2, incluso más preferiblemente 0 a 1, y lo más preferiblemente 0. Entre los compuestos que contienen estructura de quinona se encuentran la benzoquinona y benzoquinona sustituida en orto, meta, o para y orto y para quinona. Preferiblemente R^{8} es R^{9} o OR^{9}. Las quinonas más preferidas incluyen antraquinona, benzoquinona, 2-fenilbenzoquinona, ortoquinona y benzoquinona sustituida. Los compuestos que contienen quinona más preferidos incluyen benzoquinona.
La cantidad de quinona usada es aquella cantidad que acelera el curado de las composiciones y no inhibe la adherencia de la composición a la superficie del substrato. Si se usa muy poco no hay un aumento significativo en la velocidad de curado. Si se usa mucho, la composición no se adherirá a la superficie del substrato. La quinona se usa en una cantidad de aproximadamente 0,01 por ciento en peso de la composición polimerizable o mayor, más preferiblemente aproximadamente 0,02 por ciento en peso o mayor, y lo más preferiblemente aproximadamente 0,04 por ciento en peso o mayor. Preferiblemente, la quinona se usa en una cantidad de aproximadamente 0,1 por ciento en peso de la composición polimerizable o menos, más preferiblemente aproximadamente 0,8 por ciento en peso o menos, y lo más preferiblemente aproximadamente 0,4 por ciento en peso o menos.
En otra realización, el acelerador comprende al menos un compuesto que contiene al menos un anillo aromático y al menos uno, preferiblemente dos sustituyentes en el anillo aromático seleccionados entre hidroxilo, éter y ambos donde los dos sustituyentes están localizados en orto o para uno con respecto a otro, de aquí en adelante compuesto que contiene un anillo aromático sustituido y un compuesto que tiene un resto peroxi. El compuesto aromático sustituido puede contener cualquier resto aromático, incluyendo aquellos con estructuras de múltiples anillos. Los compuestos contienen preferiblemente dos o más grupos funcionales seleccionados entre hidroxi y éter. Preferiblemente, los compuestos aromáticos sustituidos contienen al menos un hidroxi y otro resto éter o hidroxi. Lo más preferiblemente, el compuesto aromático sustituido contiene al menos un hidroxi y al menos un resto éter. Preferiblemente, los compuestos sustituidos contienen estructuras de anillos aromáticos de benceno, antraceno o naftaleno. Los compuestos aromáticos sustituidos pueden estar sustituidos con cualquier sustituyente que no interfiera con la formación de radicales libres o en la reacción de radicales libres con otros compuestos. Los sustituyentes preferidos incluyen grupos alquilo, arilo o aralquilo y grupos que contienen heteroátomos seleccionados del grupo que comprende oxígeno y azufre. Los sustituyentes más preferidos incluyen grupos arilo y grupos que contienen heteroátomos.
Preferiblemente, los compuestos aromáticos sustituidos corresponden a una de las fórmulas
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donde
R^{10} es por separado en cada caso hidrógeno o cualquier sustituyente que no evita la formación de radicales libres o la reacción de radicales libres con otros compuestos; y
R^{8} y d son como se definió anteriormente. Preferiblemente, R^{10} es por separado en cada caso hidrocarbilo sustituido o sin sustituir; más preferiblemente alquilo, arilo, o aralquilo sustituido o sin sustituir; incluso más preferiblemente alquilo C_{1-100} sustituido o sin sustituir, arilo C_{6-90}, o aralquilo C_{6-90} y lo más preferiblemente alquilo C_{1-20}. e es 0 ó 1, preferiblemente 1.
Más preferiblemente, los compuestos que contienen anillos aromáticos sustituidos corresponden a las fórmulas
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donde R^{8}, R^{10}, d y e se han descrito anteriormente.
Entre los compuestos que contienen anillos aromáticos sustituidos más preferidos están las antrahidroquinonas, naftahidroquinonas, éter metílico de hidroquinona y alquiléteres de hidroquinona. La cantidad de compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos usada es aquella cantidad que acelera el curado de las composiciones, y que no inhibe la adherencia de la composición a la superficie del substrato usado. Si se usa muy poco no hay un aumento significativo en la velocidad de curado. Si se usa mucho, la composición no se adherirá a la superficie del substrato. El compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos se usa en una cantidad de aproximadamente 1 por ciento en peso de la composición polimerizable o mayor, más preferiblemente aproximadamente 2 por ciento en peso o mayor. El compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos se usa en una cantidad de aproximadamente 4 por ciento en peso de la composición polimerizable o menos, más preferiblemente aproximadamente 3 por ciento en peso o menos, y lo más preferiblemente aproximadamente 2,5 por ciento en peso o menos.
Junto con el compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos se usa un compuesto que contiene peróxido. Se puede usar cualquier compuesto que contiene peróxido que reacciona con el compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos para formar radicales libres. Los compuestos que contienen peróxido preferidos incluyen peróxidos de dialquilo, peróxidos de diarilo, peróxidos de diacilo, hidroperóxidos de alquilo e hidroperóxidos de arilo. Los compuestos que contienen peróxido más preferidos incluyen peróxidos de t-butilo, peróxido de benzoilo, perbenzoato de t-butilo. Los compuestos que contienen peróxido más preferidos incluyen peróxido de benzoilo y perbenzoato de t-butilo.
La cantidad de compuesto que contiene peróxido usada es aquella cantidad que acelera el curado de las composiciones. Si se usa muy poco no hay un aumento significativo en la velocidad de curado. Si se usa mucho, el adhesivo no se une a las poliolefinas. El compuesto que contiene peróxido se usa en una cantidad de aproximadamente 0,5 por ciento en peso de la composición polimerizable o mayor, más preferiblemente aproximadamente 1 por ciento en peso o mayor, y lo más preferiblemente aproximadamente 2 por ciento en peso o mayor. El compuesto que contiene peróxido se usa en una cantidad de aproximadamente 8 por ciento en peso de la composición polimerizable o menos, preferiblemente aproximadamente 4 por ciento en peso o menos, más preferiblemente aproximadamente 3 por ciento en peso o menos, y lo más preferiblemente aproximadamente 2,5 por ciento en peso o menos.
Preferiblemente, la cantidad relativa de compuesto que contiene peróxido a compuesto que contiene anillo aromático sustituido, se selecciona tal que la mayoría de los radicales libres resultantes generados por el compuesto con peróxido reacciona con el compuesto con anillo aromático sustituido. Así, una razón molar de compuesto que contiene peróxido a compuesto con anillo aromático es uno o menos. Si la razón es demasiado alta, entonces no se observará adherencia a las poliolefinas. Si la razón es demasiado baja, entonces la velocidad de curado del adhesivo no aumenta. Preferiblemente la razón de compuesto que contiene peróxido a compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos es aproximadamente 1:4 o mayor, y lo más preferiblemente aproximadamente 2: 3 o mayor. Preferiblemente la razón de compuesto que contiene peróxido a compuesto que contiene anillos aromáticos sustituidos es aproximadamente 1:1 o menos.
Preferiblemente, el acelerador está localizado en la parte que no contiene el compuesto de organoboro. A menudo, la parte que contiene el compuesto de organoboro se denomina parte de endurecimiento, y la otra parte se denomina parte de la resina ya que la parte más grande del compuesto polimerizable se encuentra en esta parte. Hidrocarbilo según se usa en esta memoria significa cualquier resto que tiene átomos tanto de carbono como de hidrógeno e incluye cadenas hidrocarbonadas, ramificadas y sin ramificar, saturadas e insaturadas. Alquilo se refiere a cadenas hidrocarbonadas saturadas ramificadas y sin ramificar. Alquenilo se refiere a cadenas hidrocarbonadas insaturadas ramificadas y sin ramificar. Arilo significa un resto hidrocarbonado aromático. Alcarilo significa un resto hidrocarbonado aromático con una cadena hidrocarbonada lineal o ramificada unida. Aralquilo significa una cadena hidrocarbonada lineal o ramificada con un grupo arilo unido. Acilo significa un resto carbonilo e hidrocarbilo. A menos que se indique lo contrario, estos restos pueden estar sustituidos con cualquier otro sustituyente que no interfiera significativamente en la función del compuesto al que el resto se va a unir o enlazar.
Las composiciones polimerizables en dos partes o las composiciones adhesivas de la invención son exclusivamente adecuadas para uso en equipamientos de dispensación convencionales, comercialmente disponibles para composiciones en dos partes. Una vez que las dos partes se han combinado, la composición se debe usar rápidamente, ya que la vida útil del recipiente (tiempo abierto) puede ser corta, dependiendo de la mezcla de monómeros, la cantidad de complejo, la cantidad de catalizador y la temperatura a la que se debe efectuar la unión. Las composiciones adhesivas de la invención se aplican a uno o a ambos substratos y seguidamente los substratos se unen en su conjunto, preferiblemente con presión para forzar a la composición en exceso a salir de la línea de unión. En general, las uniones se deben efectuar en un periodo corto una vez que se ha aplicado la composición, preferiblemente, en aproximadamente 10 minutos. El espesor típico de la línea de unión es aproximadamente 0,005 pulgadas (0,13 mm) a aproximadamente 0,03 pulgadas (0,76 mm). La línea de unión puede ser más espesa si es necesario el relleno de espacios, dado que la composición de la invención puede funcionar tanto como adhesivo como relleno de espacios. El proceso de unión puede llevarse a cabo fácilmente a temperatura ambiente y, para mejorar el grado de unión, es deseable mantener la temperatura por debajo de aproximadamente 40ºC, preferiblemente por debajo de aproximadamente 30ºC y más preferiblemente por debajo de aproximadamente 25ºC.
Las composiciones pueden comprender adicionalmente una variedad de aditivos opcionales. Un aditivo particularmente útil es un espesante, tal como un poli(metacrilato de metilo) de medio a alto peso molecular (aproximadamente 10.000 a aproximadamente 1.000.000), que puede incorporarse en una cantidad de aproximadamente 10 a aproximadamente 60 por ciento en peso, referido al peso total de la composición. Los espesantes pueden emplearse para aumentar la viscosidad de la composición, para facilitar la aplicación de la composición.
Otro aditivo particularmente útil es un material elastomérico. Los materiales pueden mejorar la resistencia a la fractura de composiciones preparadas con los mismos, hecho que puede ser beneficioso cuando, por ejemplo, se unen materiales rígidos de alto límite elástico, tales como substratos metálicos que no absorben energía mecánicamente tan fácilmente como otros materiales, tales como substratos poliméricos flexibles. Tales aditivos pueden incorporarse en una cantidad de aproximadamente 5 por ciento a aproximadamente 35 por ciento en peso, referido al peso total de la composición. Modificadores elastoméricos útiles incluyen polietilenos clorados o clorosulfonados tales como HYPALON 30 (disponibles comercialmente en E. I. Dupont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware) y copolímeros de bloque de estireno y dienos conjugados (disponible comercialmente en Dexco Polymers bajo el nombre comercial VECTOR, y Firestone bajo el nombre comercial STEREON). También útiles, e incluso más preferidas, son ciertas resinas con copolímeros de injerto, tales como partículas que comprenden núcleos de caucho o de tipo caucho o redes que están rodeadas por cortezas relativamente duras, siendo estos materiales frecuentemente denominados polímeros de "núcleo-corteza" ("core-shell"). Más preferidos son los copolímeros de injerto de acrilonitrilo-butadieno-estireno, disponibles en firma Rohm and Haas. Además de mejorar la resistencia a la fractura de la composición, los polímeros de núcleo-corteza pueden también comunicar a la composición no curada una capacidad de extensión y unas propiedades de flujo mejoradas. Estas propiedades mejoradas pueden manifestarse a través de una reducción de la tendencia de la composición a dejar un "hilillo" indeseable cuando se dispensa desde un aplicador de tipo jeringa, o a combarse o inclinarse después de haberse aplicado a una superficie vertical. Es deseable el uso de más de aproximadamente 20 por ciento de aditivo del tipo polímero de núcleo-corteza para conseguir mejorar la resistencia al combamiento-inclinación. Generalmente, la cantidad de polímero endurecedor usada es aquella cantidad que proporciona la dureza deseada al polímero o al adhesivo preparados.
En algunas realizaciones, cuando está presente un compuesto heterocíclico con apertura de anillo y es un oxirano, puede ser deseable incluir algún compuesto que contenga aziridina en la formulación, pues la aziridina aumenta la estabilidad de la formulación. Generalmente, se añade suficiente aziridina para mejorar la estabilidad de la formulación. Preferiblemente se usa aproximadamente 1 por ciento en peso o mayor de aziridina referido al peso de la formulación, y más preferiblemente aproximadamente 2 por ciento en peso o mayor. Preferiblemente se usa aproximadamente 10 por ciento en peso o menos de aziridina referido al peso de la formulación, y más preferiblemente aproximadamente 7 por ciento en peso o menos.
Las composiciones polimerizables según la invención pueden usarse en una amplia variedad de formas, incluyendo adhesivos, revestimientos y capas de imprimacíón, para modificar la superficie de polímeros y resinas de moldeado por inyección. También pueden usarse como resinas matriz en conjunto con planchas de fibras de vidrio y metálicas, en operaciones tales como las de moldeado por transferencia de resina. Pueden usarse además como compuestos de blocaje y de encapsulado, en fabricaciones tales como las de componentes eléctricos, cuadros de circuitos impresos y similares. De manera bastante deseable, proporcionan composiciones adhesivas polimerizables que pueden unirse a un amplio intervalo de substratos, incluidos polímeros, madera, cerámicas, hormigón, vidrio y metales de capas preparativas. Otra aplicación deseable relacionada es su uso en el fomento de la adherencia de pinturas a substratos de baja energía superficial, tales como polietileno, polipropileno, tereftalato de polietileno, poliamidas y poli(tetrafluoroetileno), y sus copolímeros. En esta realización, la composición se reviste sobre la superficie del substrato para modificar la superficie, con objeto de mejorar la adherencia del revestimiento final a la superficie del substrato.
Las composiciones de la invención pueden utilizarse en aplicaciones de revestimiento. En tales aplicaciones, la composición puede comprender adicionalmente un vehículo, tal como un disolvente. El revestimiento puede contener adicionalmente aditivos bien conocidos por los expertos en la técnica para uso en revestimientos, tales como pigmentos para colorear el revestimiento, inhibidores y estabilizantes UV. Las composiciones pueden también aplicarse como revestimientos en polvo y pueden contener los aditivos bien conocidos por los expertos en la técnica para uso en revestimientos en polvo.
Las composiciones de la invención pueden usarse también para modificar la superficie de una pieza polimérica moldeada, película extruida u objeto contorneado. Las composiciones de la invención pueden usarse también para cambiar la funcionalidad de una partícula de un polímero injertando en la superficie cadenas poliméricas sobre el substrato plástico no modificado.
Las composiciones polimerizables de la invención son especialmente útiles para unirse de modo adhesivo a substratos plásticos o poliméricos de baja energía superficial que históricamente han sido muy difíciles de unir sin usar complicadas técnicas de preparación de superficies, imprimación, etc. Por substratos de baja energía superficial se entiende materiales que tienen una energía superficial de aproximadamente 45 mJ/m^{2} o menos, más preferiblemente aproximadamente 40 mJ/m^{2} o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 35 mJ/m^{2} o menos. Incluidos entre tales materiales se encuentran polietileno, polipropileno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, poliamidas, poliestireno sindiotáctico, copolímeros de bloque que contienen olefinas y polímeros fluorados, tales como poli(tetrafluoroetileno) (TEFLÓN), que tiene una energía superficial menor que aproximadamente 20 mJ/m^{2}. (La expresión "energía superficial" se usa a menudo por otros autores como sinónimo de "tensión de humectación crítica"). Otros polímeros de energía superficial algo mayor que pueden unirse útilmente con las composiciones de la invención incluyen policarbonato, poli(metacrilato de metilo) y poli(cloruro de vinilo).
Las composiciones polimerizables de la invención pueden usarse fácilmente como un adhesivo en dos partes. Los componentes de las composiciones polimerizables se mezclan como se hace normalmente cuando se trabaja con tales materiales. El agente descomplejante para el compuesto de organoboro usualmente se incluye con el componente polimerizable olefínico para separarlo del compuesto de organoboro, proporcionando así una parte de la composición en dos partes. Los compuestos de organoboro del sistema iniciador de polimerización proporcionan la segunda parte de la composición y se añade a la primera parte un poco antes del momento en que se desea usar la composición. De manera similar, el catalizador ácido de Lewis, cuando se usa para la polimerización del compuesto con apertura de anillo, se mantiene separado del compuesto heterocíclico con apertura de anillo. El catalizador ácido de Lewis se puede añadir a la primera parte directamente o se puede disolver previamente en un vehículo apropiado tal como un monómero olefínico reactivo, es decir, metacrilato de metilo o una disolución viscosa de MMA/PMMA.
Para usar más fácilmente en entornos comerciales e industriales un adhesivo en dos partes tal como los de la invención, la proporción de volúmenes a la que se combinan las dos partes debe ser un número entero conveniente. Esto facilita la aplicación del adhesivo con dispensadores convencionales, comercialmente disponibles. Tales dispensadores se muestran en las Patentes de EE.UU. Nos 4.538.920 y 5.082.147 (incorporadas a esta memoria como referencia) y se encuentran disponibles en Conprotec, Inc. (Salem, New Jersey) bajo el nombre comercial MIXPAC. Típicamente, estos dispensadores usan un par de receptáculos tubulares dispuestos lado a lado, con el propósito de que cada tubo recibe una de las dos partes del adhesivo. Se hacen avanzar simultáneamente dos émbolos, uno para cada tubo (por ejemplo, manualmente o mediante un mecanismo de engranaje accionado manualmente), para evacuar los contenidos de los tubos en una cámara de mezcla común, hueca y alargada que también puede contener un mezclador estático para facilitar la mezcla de las dos partes. El adhesivo mezclado se extruye desde la cámara de mezcla sobre el substrato. Una vez que los tubos se han vaciado, se pueden sustituir por tubos nuevos y se puede continuar el proceso de aplicación. La proporción en la que se combinan las dos partes del adhesivo se controla a través del diámetro de los tubos. (Cada émbolo está dimensionado para poder ser recibido dentro de un tubo de diámetro fijo y los émbolos avanzan por el interior de los tubos a la misma velocidad). A menudo, se pretende usar un único dispensador para uso con una variedad de diferentes adhesivos en dos partes y los émbolos se dimensionan para liberar las dos partes del adhesivo en la proporción de mezcla conveniente. Algunas razones de mezcla comunes son 1:1, 2:1, 4:1 y 10:1, pero preferiblemente menor que aproximadamente 10:1 y más preferiblemente menor que aproximada-
mente 4:1.
Preferiblemente, las composiciones en dos partes mezcladas de la invención poseen una viscosidad adecuada para permitir la aplicación sin goteo. Preferiblemente, las viscosidades de los dos componentes por separado deben ser del mismo orden de magnitud. Preferiblemente, las composiciones mezcladas tienen una viscosidad de aproximadamente 100 centipoises (0,1 Pa.s) o mayor, más preferiblemente aproximadamente 1.000 centipoises (1,0 Pa.s) o mayor y lo más preferiblemente aproximadamente 5.000 centipoises (5,0 Pa.s) o mayor. Preferiblemente, las composiciones adhesivas tienen una viscosidad de aproximadamente 150.000 centipoises (150 Pa.s) o menos, más preferiblemente aproximadamente 100.000 centipoises (100 Pa.s) o menos y lo más preferiblemente aproximadamente 50.000 centipoises (50 Pa.s) o menos.
Realizaciones Específicas
Los siguientes ejemplos se incluyen sólo para fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de las reivindicaciones. A no ser que se indique lo contrario, todas las partes y porcentajes se dan en peso.
Ingredientes
Se usaron los siguientes ingredientes en los ejemplos proporcionados a continuación:
metacrilato de metilo disponible en Rohm and Haas;
poli(metacrilato de metilo) mw 350.000 disponible en Aldrich;
poli(metacrilato de metilo) mw 996.000 disponible en Aldrich;
sílice pirolizada disponible en Cabot Corporation bajo el nombre comercial y designación Cab-o-sil^{TM} TS-720;
ácido acrílico disponible en Sigma Aldrich;
polietileno clorosulfonado Hypalon^{TM} 20 disponible en Dupont-Dow Elastomers;
burbujas de crital Scotchlite^{TM} VS5500 disponibles en 3M;
éter metílico de hidroquinona disponible en Sigma Aldrich (MEHQ);
peroxibenzoato de t-butilo disponible en Aztec Peroxides Inc.;
ácido metacrílico disponible en Sigma Aldrich;
benzoquinona disponible en Aldrich; y
Complejo de tri-n-butil-borana y metoxipropil-amina.
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Las formulaciones en dos partes se prepararon mezclando los ingredientes para cada parte y colocándolos después en distintos recipientes. Se hicieron variaciones formulaciones diferentes de la parte A (lado resina).
Proceso para preparar el lado de resina que contiene benzoquinona como acelerador
Se añaden los siguientes ingredientes a una lata de 1 galón (3,79 litros) y se hacen girar en un molino de cilindros a bolas durante 24 a 72 horas. Los ingredientes son 150 gramos de metacrilato de metilo, 45 gramos de poli(metacrilato de metilo) (mw 350.000), 9 gramos de poli(metacrilato de metilo) (mw 996.000) y 15 gramos de polietileno clorosulfonado. Se añaden 146 gramos de los ingredientes mezclados a un recipiente de plástico de 8 oz. (236 ml) al cual se añaden 33,99 gramos de metacrilato de metilo y 0,024 gramos de éter metílico de hidroquinona. Los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. Se añaden cuatro gramos de burbujas de cristal y 4 gramos de sílice pirolizada, y se mezclan completamente los ingredientes a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. Se añaden veinticuatro gramos de ácido acrílico y los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. Se añaden hasta 0,096 gramos de benzoquinona y los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. La mezcla resultante se envasa en un recipiente de plástico de 8 oz. (236 ml).
Proceso para preparar el lado de resina que contiene éter metílico de hidroquinona
Se añaden los siguientes ingredientes a una lata de 1 galón (3,79l) y se hacen girar en un molino de cilindros a bolas durante 24 a 72 horas. Los ingredientes son 150 gramos de metacrilato de metilo, 45 gramos de poli(metacrilato de metilo) (mw 350.000), 9 gramos de poli(metacrilato de metilo) (mw 996.000) y 15 gramos de polietileno clorosulfonado. Se añaden 146 gramos de los ingredientes mezclados a un recipiente de plástico de 8 oz. (236 ml) al cual se añaden 33,99 gramos de metacrilato de metilo y 4 gramos de éter metílico de hidroquinona. Los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos.
Se añaden cuatro gramos de burbujas de cristal y 4 gramos de sílice pirolizada, y se mezclan completamente los ingredientes a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. Se añaden veintiocho gramos de ácido acrílico y los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. Se añaden cuatro gramos de peroxibenzoato de t-butilo y los ingredientes se mezclan completamente a mano usando un sujetalengua durante 3 minutos. La mezcla resultante se envasa en un recipiente de plástico de 8 oz. (236 ml).
Parte B Endurecedor
La parte B (parte de endurecimiento) comprendía 15 por ciento de un complejo de tri-n-butil borano-metoxi-propil-amina, 8,0 por ciento de un poliéter-poliol terminado en amina Jeffamine T403, 54 por ciento de metacrilato de metilo, 15 por ciento de poli(metacrilato de metilo), 7 por ciento de copolímero de poliacrilato y poli(metacrilato de metilo) y un estabilizante como se indica a continuación.
Se prepararon varias formulaciones de la parte A usando los procedimientos descritos anteriormente. Las formulaciones se describen a continuación en la Tabla 1.
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TABLA 1
8
Se ensayó la resistencia a la cizalla por solape en los adhesivos descritos anteriormente según la norma ASTM D3165-91 sobre los substratos indicados a continuación a diversos tiempos desde la aplicación como se indica a continuación. El área cubierta y solapada fue 1 pulgada (2,54 cm) de ancho por 1/2 pulgada (1,27 cm) de largo. El espesor de la unión de 30 mil (0,76 mm) se mantuvo usando perlas de cristal de 30 mil (0,76 mm). Las muestras se sometieron a tracción en un equipo Instron 5500 a una velocidad de 0,5 pulgadas (1,27 cm) por minutos hasta que se produjo el fallo y se recogió la resistencia al fallo en libras por pulgada cuadrada. Los resultados se resumen en la Tabla 2 a continuación. Las superficies de los substratos no se trataron previamente. Las muestras se curaron y se ensayaron a temperatura ambiente (aproximadamente 23ºC). El substrato de polipropileno era polipropileno cargado con 30 por ciento de vidrio. En relación al modo de fallo: Fallo de cohesión significa que tuvo lugar ruptura en el adhesivo;
Fallo de adherencia significa que el adhesivo se despega del substrato; y substrato significa la ruptura del substrato.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 2
9
10
11
Los ejemplos ilustran que el uso de las bis(alquilo de sebo hidrogenado)aminas oxidadas aumenta la estabilidad de otros tipos de estabilizantes. Esta situación es válida si se usan en una mezcla o solas.

Claims (15)

1. Una composición polimerizable en dos partes que comprende en una parte un compuesto de organoboro que puede formar especies que generan radicales libres y en la segunda parte:
uno o más compuestos que pueden polimerizar por radicales libres;
un acelerador del curado que comprende:
a) al menos un compuesto que contiene una estructura de quinona presente en una cantidad mayor que 0,01 por ciento en peso de la composición en dos partes; o
b) al menos un compuesto que contiene al menos un anillo aromático y uno o más sustituyentes en el anillo aromático, seleccionados entre hidroxilo, éter y ambos, donde dicho compuesto que contiene al menos un anillo aromático está presente en una cantidad mayor que 1 por ciento a 4 por ciento en peso de la composición en dos partes y un compuesto con un resto peróxido, donde el compuesto con un resto peróxido está presente en una cantidad de 0,5 por ciento a 8 por ciento en peso referido al preso de la composición en dos partes.
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2. Una composición en dos partes según la reivindicación 1, en la que la segunda parte contiene además un agente descomplejante que puede descomplejar el compuesto de organoboro al poner en contacto las dos partes.
3. Una composición en dos partes de la reivindicación 1 ó 2, en la que el compuesto aromático tiene dos o más sustituyentes de hidroxilo, éter o ambos, donde los sustituyentes están localizados en orto o para uno con respecto a otro.
4. Una composición en dos partes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el compuesto de organoboro es un organoborato o un complejo de organoboro-amina.
5. Una composición en dos partes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el compuesto que contiene peróxido se selecciona del grupo de peróxidos e hidroperóxidos.
6. Una composición en dos partes según las reivindicaciones 1 a 5, en la que el acelerador es un compuesto aromático con uno o más sustituyentes de hidroxilo, éter o ambos y un compuesto con un resto peróxido.
7. Una composición en dos partes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el acelerador es un compuesto que contiene quinona y está presente en una cantidad de aproximadamente 0,1 por ciento a aproximadamente 4,0 por ciento en peso de la composición en dos partes.
8. Una composición en dos partes según las reivindicaciones 1 a 6, en la que el acelerador es un compuesto aromático con uno o más sustituyentes de hidroxilo, éter o ambos, y está presente en una cantidad de 2 por ciento a 4 por ciento en peso de la composición en dos partes, y el peróxido está presente en una cantidad mayor que 2 por ciento a 8 por ciento en peso referido al peso de la composición en dos partes.
9. Un método de polimerización que comprende poner en contacto los componentes de la composición polimerizable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, bajo condiciones tal que el uno o más compuestos que pueden polimerizar por radicales libres sufren polimerización.
10. El método de la reivindicación 9, que adicionalmente comprende la etapa de calentar la composición a una temperatura elevada bajo condiciones tales que el complejo de organoboro amina se disocia.
11. Un método para unir dos o más substratos en su conjunto, que comprende:
poner en contacto los componentes de la composición de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en su conjunto bajo condiciones tal que se inicia la polimerización;
poner en contacto la composición adhesiva con los dos o más substratos;
posicionar los dos o más substratos tal que la composición adhesiva está localizada
entre los dos o más substratos donde están en contacto uno con otro; y
permitir el curado del adhesivo para unir en su conjunto los dos o más substratos.
12. Un método para modificar la superficie de un polímero de baja energía superficial poniendo en contacto una composición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, con al menos una porción de la superficie del polímero de baja energía superficial y causando la disociación del complejo de organoboro amina, iniciando así la polimerización del monómero, oligómeros, polímeros o mezclas de los mismos, de manera que el polímero formado se encuentra sobre la superficie del polímero de baja energía superficial.
13. Un método para revestir un substrato, que comprende poner en contacto los componentes de la composición de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8; poner en contacto la composición puesta en contacto con una o más superficies de un substrato; y dejar curar la composición del revestimiento.
14. Una composición de revestimiento que comprende la composición de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
15. Un laminado que comprende al menos dos substratos que tiene dispuesta entre los substratos y pegada a cada substrato una composición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
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