DE2134103B2 - Verfahren zur herstellung filmbildender kondensationsprodukte und deren verwendung als bindemittel in druckfarben - Google Patents

Verfahren zur herstellung filmbildender kondensationsprodukte und deren verwendung als bindemittel in druckfarben

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DE2134103B2 DE19712134103 DE2134103A DE2134103B2 DE 2134103 B2 DE2134103 B2 DE 2134103B2 DE 19712134103 DE19712134103 DE 19712134103 DE 2134103 A DE2134103 A DE 2134103A DE 2134103 B2 DE2134103 B2 DE 2134103B2
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Description

Harzmassen auf Basis von Kolophonium finden zahlreiche Verwendung für Oberflächenbeschichtung sowie als Klebemittel, Harzlacke und insbesondere als Bindemittel bei der Druckfarbenherstellung. Besonders die Harzmassen, die durch eine Reaktion von Kolophonium, Phenolen und Formaldehyd in Gegenwart saurer Katalysatoren erhalten werden, sind wegen ihrer guten Mischbarkeit mit anderen Komponenten bei der Herstellung von Druckfarbenmassen sowie wegen ihrer guten Löslichkeit in gebräuchlichen Lösungsmitteln aus aromatischen oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen und ihrer Verträglichkeit mit trocknenden Ölen vielseitig verwendbar. Diese modifizierten Kolophoniumharze sind auch relativ rasch auftrocknend, da sie die Lösungsmittel schnell verdunsten lassen. Darüberhinaus bilden sie zusammen mit der ölkomponente unlöslich werdende, glänzende und abriebfeste Oberflächenüberzüge. Die aus Kolophonium, p-Cymolphenol, Formaldehyd in Gegenwart von Salzen des Zink-Calciums, Magnesiums oder Mangans einer anorganischen oder organischen Säure gemäß der DT-OS 1 965 403 erhaltenen Kondensationsprodukte sollen als Druckfarben-Bindemittel besonders geeignet sein. Bei einer bevorzugten Arbeitsweise werden Polyole, wie Glycerin oder Pentaerythrit, mit einkondensiert. Diese Veresterung des Kolophoniums bewirkt eine starke Molekülvergrößerung, wodurch das Produkt etwas spröde wird.
Kolophonium ist jedoch ein relativ teures und als Naturprodukt nicht in unbegrenzter Menge zur Verfugung stehendes Ausgangsmaterial. Es wurde daher schon seit längerem versucht, diese Kolophoniumharze durch Harzmassen auf Basis anderer Komponenten zu ersetzen. Die DT-AS 1 259 098 beschreibt die Umsetzung carboxylierter, trockener öle, die durch Umsetzung von ungesättigten Dicarbonsäuren mit trockenen Ölen erhalten wurden, zunächst mit Phenol und dann mit einem Gemisch aus Formaldehyd und wäßriger Ammoniaklösung unter Bildung neuartiger Kondensationsharze. Auch hat man bereits Petrol- oder Kohlenwasserstoffharze, die im wesentlichen durch Polymerisation von Inden od. dgl. ungesättigten Kohlenwasserstoffen erhalten werden, durch Modifizierung in Harzmassen übergeführt, die ähnliche Eigenschaften besitzen wie die Kolophoniumharze. So ist in der DT-AS 1 225 478 ein emulgierbares
Petrolharz beschrieben, das durch Umsetzung von Tallöl und einem Reaktionsprodukt aus Petrolharz mit einer α, ^-ungesättigten Carbonsäure bei etwa 2000C erhalten wurde. Darüberhinaus sind aus der US-PS 3 468 829 und der DT-AS 1 546 771 auch Bindemittel für Tiefdruckfarben bekannt, die durch Umsetzung des Petrolharzes in geschmolzenem Zustand mit einer α, ^-ungesättigten Dicarbonsäure und Umsetzen des erhaltenen Adduktes mit einer reaktionsfähigen Verbindung eines Metalls der 2. Gruppe
des Periodischen Systems hergestellt worden sind.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß alle diese bisher bekannt gewordenen modifizierten Kohlenwasserstoffharze doch nicht so vielseitig verwendbar sind wie die Kolophoniumharze, da sie mit den anderen
a5 üblichen Komponenten weniger verträglich sind als diese. Insbesondere bei der Herstellung von Druckfarbenmassen ist eine gute Veiträglichkeit mit allen anderen hierbei in Frage kommenden Komponenten wie trocknenden Ölen, Lösungsmitteln und Pigmenten eine Notwendigkeit. Auch müssen die Kondensationsharze eine gute Reaktionsbereitschaft mit den trocknenden Ölen aufweisen.
Es ist ferner aus der US-PS 2 163 637 bekannt, Alkylphenol. Formaldehyd und ein Kohlenwasserstoff-
harz in Gegenwart eines sauren Katalysators, z. B. Phosphorsäure, Schwefelsäure und Friedel-Crafts-Katalysatoren zu Lackrohstoffen umzusetzen. Hierbei werden jedoch keine organischen Säuren als Katalysatoren verwendet, ebensowenig Inden enthaltende Harze.
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß man bei einem Verfahren zur Herstellung von filmbiliienden Kondensationsprodukten durch Kondensation von Alkylphenolen, deren Alkylrest 4 bis 12 Koh-
lenstoffatome aufweist, und/oder Bisphenol, Formaldehyd oder Paraformaldehyd und ungesättigten Kohlenwasserstoffpolymerisationsprodukten in Gegenwart von sauren Katalysatoren in der Hitze dann zu sehr gut verträglichen filmbildenden Kondensations-
produkten auf Basis von Kohlenwasserstoffharzen gelangt, wenn als saurer Katalysator Oxalsäure und als ungesättigte Kohlenwasserstoffpolymerisationsprodukte Inden-, Inden/Cumaron oder Inden/Cyclopentadienharze mit Jodzahlen zwischen 30 und 200 und Schmelzpunkten zwischen 60 und 18O0C eingesetzt werden.
Die Reaktion verläuft im wesentlichen in einem stöchiometrischen Verhältnis, bezogen auf die Phenole. Formaldehyd und ungesättigte Bindung in dem Kohlenwasserstoffharz. Als Alkylphenole eignen sich besonders Butylphenol, sowie Nonylphenol oder Alkylphenolgemische, die diese Verbindungen enthalten, wobei von Vorteil ist, wenn die Alkylkette verzweigt ist. Als Bisphenol kommt in erster Linie das
Diphenylolpropan in Frage. Der Formaldehyd kann in Form von Paraformaldehyd oder Trioxan eingesetzt werden.
Die als saurer Kondensationskatalysator zu ver-
wendende Oxalsäure spaltet sich im Laufe der Kondensationsreaktion vermutlich aufgrund eines Redoxvorgangs in Kohlensäure bzw. Kohlendioxyd, welches dann zusammen mit dem Reaktionswasser aus dem Reaktionsgemisch entweicht. Die Oxalsäure läßt sich daher nicht durch andere organische Säuren ersetzen. Vergleichsversuche zeigen, daß die mit Ameisen- oder Essigsäure erhaltenen Produkte nicht die gewünschten Eigenschaften besitzen. Das erfindungsgemäß erhaltene Harz ist hell und klar und weist eine neutrale Reaktion auf. im Gegensatz zu den bekannten unter Verwendung von ungesättigten Säuren insbesondere Maleinsäure erhaltenen Kondensationsharzen, die carboxylierte Harze mit saurem Charakter sind. Die neutrale Reaktion der erfindungsgemäßen Kondensationsharze ist für viele Zwecke von großem Vorteil.
Die Umsetzung beginnt in der Regel bereits bei Temperaturen nur wenig oberhalb der Schmelztemperatur des erfindungsgemäß verwendeten Kohlen- \vasserst0ffhar7es. wobei durch eine langsame Temperaturerhöhung die Reaktion weitergeführt wird, bis die theoretische Wassermenge entstanden und aus dem Reaktionsgemisch, gegebenenfalls nach Zugabe eines inerten 1 ösungsmittels, mit dem das Wasser azeotrop destilliert, entfernt worden ist.
Durch die Wahl der einzelnen Reaktionspartner, insbesondere hinsichtlich der Länge der Alkylgruppe in der Phenolkomponente gelingt es. Kondensationsprodukte herzustellen, deren Verträglichkeit mit anderen Komponenten für die Überzugsmassen und insbesondere bei den Bindemitteln für die Druckfarbenmassen in einer großen Breite variiert werden kann.
Von besonderem Vorteil ist die Eigenschaft der erfindungsgemäß hergestellten Kondensationsharze, daß letztere mit Aluminiumseifen guf verträglich sind. Sie zeigen einen relativ hohen Schmelzpunkt, wobei sie aber dennoch elastisch sind, auch ohne Weichmacherzusatz, so daß sie eine sehr gute Abriebfestigkeit besitzen. Von besonderem Vorteil ist die Fähigkeit, Lösungsmittel schnell und vollständig abzugeben, so daß z. B. daraus hergestellte Lacke oder Druckfarben sehr schnell auftrocknen. Die gute Chemikalienbeständigkeit, insbesondere gegen hydrolytische Einflüsse, beruht auf dem Fehlen verseifbarer Bindungen, wie sie z. B. bei den bekannten Kondensationsprodukten, die unter Einkondensieren von Polyolen erhalten werden, vorliegen. Mit basischen Pigmenten sind sie sehr gut verträglich, da Carboxylgruppen fehlen.
Im folgenden sei anhand von Beispielen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert, wobei auch die besondere Eignung für die Herstellung von Druckfarbenmassen für eines der erhaltenen Kondensationsprodukte aufgezeigt ist. Es sei jedoch erwähnt, daß das erfindungsgemäß erhaltene Kondensationsharz nicht für diesen Zweck allein verwendbar ist. Wegen seiner guten Verträglichkeit und insbesondere klären Löslichkeit in den meisten Lösungsmitteln sind auch andere Verwendungsmöglichkeiten gegeben. Die Vergleichsbeispiele unter Verwendung von Ameisensäure, Essigsäure und Schwefelsäure als Katalysator, wovon die letztere sonst bei der Herstellung von Kondensationsharzen besonders wirksam ist, zeigen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die katalytische Wirkung der Oxalsäure offensichtlich nicht allein auf der Anwesenheit der Wasserstoffionen beruht. Es dürfte vielmehr dieser organischen Säure eine sDezifische Wirkung zukommen.
Beispiel 1
In einem 1 1-Dreihalskolben wurden 140 g eines Polyinden-Harzes mit einer Jodzahl von 90 und einem Schmelzpunkt von 78° C zusammen mit 1 Mol Formaldehyd (30 g), 1 Mol p-tert.-3utylphenol und 2 g Oxalsäure unter Rühren geschmolzen. Bei Erreichung von 115° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Innerhalb von 30 Min. wurde die Temperatur auf 160 bis 165° C erhöht, wobei gegen Ende der Reaktion geringes Wasserstrahlvakuum angelegt wurde, um das Reaktionswasser quantitativ zu erhalten.
Aus dem Molansatz wurden 18 ml Wasser erhalten,
ig was der theoretischen Menge entspricht. Das erhaltene Harz weist ein mittleres Molekulargewicht von 700 (osmometrisch bestimmt) und einen Schmelzpunkt von 86° C auf, und ist in Toluol, Testbenzin und Leinöl löslich.
Beispiel 2
In einem 1 1-Dreihalskolben wurden 140 g Polyinden-Harz (Jodzahl 90, Schmelzpunkt 78° C) zusammen mit 1 Mol Formaldehyd (30 g), 0,5 Mol p-tert.-Butylpheuol (75,1 g) und 0,25 Mol Bisphenol A (57,1 g) und 1,8 g Oxalsäure unter Rühren geschmolzen. Bei Erreichung von 115° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Innerhalb von 30 Min.
wurde die Temperatur bis 200° C erhöht, wobei gegen Ende der Reaktion geringes Wasserstrahlvakuum angelegt wurde, um das Reaktionswasser quantitativ zu erhalten. Aus dem Molansatz wurden 18 ml Wasser erhalten, was der berechneten Menge entspricht.
Es wurde ein klares, in Toluol und trocknenden ölen leicht lösliche in aliphatischen Lösungsmitteln dagegen nur wenig losliches Harz mit einem Schmelzpunkt von 111° C erhalten. Eine 50%ige Lösung in Toluol besaß eine Viskosität von 92 cp/20° C.
Beispiel 3
In einem 11-Dreihalskolben wurden 140 g Polyinden-Harz (Schmelzpunkt 78° C, Jodzahl 90) zusammen mit 1 Mol Nonylphenol (Isomerengemisch), 1 Mol Formaldehyd und 2 g Oxalsäure unter Rühren geschmolzen. Nach Erreichung von 118° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Innerhalb von 30 Min. wurde die Temperatur auf 160° C erhöht. Gegen Ende der Reaktion wurde geringes Wasserstrahlvakuum angelegt. Aus dem Molansatz wurden 18 ml Wasser enthalten, was der theoretischen Menge entspricht.
Es wurde ein klares, plastisch klebriges Produkt mit Löslichkeiten in aliphatischen und aromatischen Lösungsmitteln sowie pflanzlichen ölen enthalten. Eine 50%ige Lösung in Toluol besaß eine Viskosität von 8,6 cp/20° C.
Beispiel 4
In einem 11-Dreihalskolben wurden 140 g Polyinden-Harz (Schmelzpunkt 78° C, Jodzahl 90) zusammen mit 1 Mol Formaldehyd (30 g), 0,5 Mol Nonylphenol (Isomerengemisch) und 0,25 Mol Bisphenol A und 2 g Oxalsäure unter Rühren geschmolzen.
Nach Erreichen von 118° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Das Wasser wurde abde-
stilliert und gemessen. Innerhalb von 30 Min. wurde die Temperatur auf 180° C erhöht, wobei gegen Ende der Reaktion leichtes Wasserstrahlvakuum angelegt wurde, um das Reaktionswasser quantitativ zu erhalten. Aus dem Molansatz wurden 18 ml Wasser enthalten, was der theoretischen Menge entspricht.
Als Harz wurde ein klares, in aromatischen und aliphatischen Lösungsmitteln sowie in trocknenden Ölsn lösliches Produkt mit einem Schmelzpunkt von 93° C erhalten. Viskosität der 50%igen Toluollösung 57 cp/20° C.
Beispiel 5
In einem 11-Dreihalskolben wurden 290 g Polyinden-Cumaronharz mit einer Jodzahl von 42 und einem Schmelzpunkt von 136° C, dessen 50%ige Lösung in Toluol eine Viskosität von 43 cp/20° C zeigt, zusammen mit 1 Mol Formaldehyd (30 g), 0,5 MoI p-tert.-ButylphenoI, 0,25 Mol Bisphenol A, 1,8 g Oxalsäure und 64 g Toluol geschmolzen.
Bei 110° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Das Wasser wurde azeotrop abdestilliert und gemessen. Innerhalb der folgenden 30 Min. wurde die Temperatur auf 200° C erhöht, wobei gegen Ende der Reaktion leichtes Wasserstrahlvakuum angelegt wurde, um das Reaktionswasser einerseits und das Resttoluol andererseits auszutreiben.
Als Harz wurde ein klares, in aromatischen Lösungsmitteln und trocknenden ölen (Leinöl) lösliches, in aliphatischen Lösungsmitteln wenig lösliches Produkt mit einem Schmelzpunkt von 128° C erhalten. Die Viskosität der 50 %igen Lösung in Toluol betrug 72 cp/20° C.
Beispiel 6
35
In einem 1 1-Dreihalskolben wurden 160 g Polyindcn-Harz (Schmelzpunkt 78° C, Jodzahl 90) zusammen mit 50 g Paraformaldehyd, 75,9 g p-tert.-Butylphenol, 57,1 g Bisphenol A in Gegenwart von 5 g Oxalsäure unter Rühren geschmolzen.
Nach Erreichung von 120° C trat lebhafte Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Das Wasser wurde abdestilliert und gemessen. Innerhalb weiterer 30 Min. wurde die Temperatur auf 225° C erhöht, wobei gegen Ende der Reaktion leichtes Wasserstrahlvakuum angelegt wut de, um das Reaktionswasrer und überschüssigen Paraformaldehyd zu entfernen. Aus dem Ansatz wurden 25 ml Wasser und ca. 10 ml Paraformaldehyd erhalten.
Als Harz wurde ein klares, in aromatischen Lösungsmitteln lösliches Produkt mit einem Schmelzpunkt von 129° C erhalten, das in aliphatischen Lösungsmitteln und trocknenden ölen nur wenig löslich war. Viskosität der 50%igen Lösung in Toluol: 640 cp/20° C.
Anwendungsbeispiel
Zur Herstellung einer Druckfarbe wurden 47 g des gemäß Beispiel 6 erhaltenen Harzes in 53 g Toluol gelöst, wobei ein Firnis mit 300 cp/20° C resultierte. 85 g dieses Firnisses wurden dann zusammen mit 10 geiner Farbstoffs, Colour Index Nr. 74 160 und 5 g Aluminiumsilikat in einer Laborkugelmühle angerieben. Die nach dieser Rezeptur hergestellte Tiefdruckfarbe zeigte bei Druck auf gestrichenem Bedruckstoff eine außerordentlich schnelle Lösungsmittelabgabe bei guter Glanzhaltung.
Zur Herstellung einer Offset-Druckfarbe wurden 43 g des gemäß Beispiel 6 erhaltenen Harzes bei 180° C in 42 g Leinöl gelöst und anschließend mit 16 g eines aliphatischen Mineralöls (Siedegrenze 240 bis "700C) verdünnt 86 g dieses Bindemittels wurden dann mit 12 g eines Farbstoffe Colour Index Nr. 74 160 Ig Polyäthylenwachs und 1 g Sikkativ (Co-Octoat'8% in Mineralöl) im Laborwalzenstuhl zu einer Offsetfarbe angerieben. Die Prüfung dieser Farbpaste zeigte daß Andrucke auf bestrichenem Bedruckstoff rasche, klebfreie Verfilmung bei gutem Glanz mit ausgezeichneter Scheuerfestigkeit ergaben.
Vergleichsversuche
A) In einem 1 1-Dreihalskolben wurden 160 g Polyinden-Harz (Schmelzpunkt 78° C, Jodzahl 90) zusammen mit 50 g Paraformaldehyd, 75,9 gp-tert.-Butylphenol, 57,1 g Bisphenol A und 4,8 g Eisessig unter Rühren geschmolzen.
Nach Erreichung von 118° C trat Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Das W asser wurde abdestilliert und gemessen. Innerhalb von 30 Mm. wurde die Temperatur auf 185' C erhöht. Gegen Ende der Reaktion wurde leichtes Wasserstrahlvakuuir angelegt, um das Reaktionswasser und überschüssigen Pararormaldc hyd zu erhalten. Isoliert wurden ca. 17 ml Wasser und 5 ml Paraformaldehyd.
Als Reaktionsprodukt wurde ein trübes, plastisches Harz erhalten, mit nur partieller Löslichkeit in Toluol und Leinöl. Die Viskosität der 5()%igen Lösung in Toluol betrug nur 11 cp/20 C, was zeigt, daß im Vergleich zu Beispiel 6 nur eine geringe Molekülvergroßerung eintrat.
B) In einem 1 1-Dreihalskolben wurden IdO g Po lyinden-Harz (Schmelzpunkt 78° C, Jodzahl 90) zusammen mit 50 g Paraformaldehyd, 75,9 gp-tert.-Butylphenol, 57,1 g Bisphenol A zusammen mit 1,8 g Ameisensäure (in Form einer 35%igen wäßrigen Losung) unter Rühren geschmolzen.
Nach Erreichung von 124° C trat Reaktion unter Wasserabspaltung ein. Das Wasser wurde abdestillien und gemessen. Innerhalb weiterer 30 Min. wurde die Temperatur auf 197° C erhöht. Gegen Ende der Reaktion wurde geringes Wasserstrahivakuum angelegt. Aus dem Ansatz wurde die Ameisensäure quantitativ plus 7 ml Wasser erhalten, wovon ca. 50% aus der Ameisensäurelösung stammten. Als Reaktionsprodukt wurde ein trübes, plastisches Harz mit nur geringer Löslichkeit in Toluol und Leinöl erhalten.
C) Die gleichen Komponenten wie in Vergleichsversuch B mit der Ausnahme, daß anstelle der 1,8 g Ameisensäure 9,2 g Adipinsäure eingesetzt wurden, wurden zusammengeschmolzen. Bei 123° C.trat Reaktion unter Wasserabspaltung ein, welches abdestilliert wurde. Während der folgenden 30 Min. wurde die Temperatur auf 185° C erhöht. Gegen Ende der Reaktion wurde leichtes Wasserstrahlvakuum angelegt, um das Reaktionswasser abzutreiben. Es wurden ca. 11 ml Wasser erhalten. Als Reaktionsprodukt resultierte ein trübes, in Toluol und Leinöl unlösliches
Harz. , ,, ...
D) Der gleiche Ansatz wie in den Vergleichsversuchen B und C mit der Abänderung, daß 1,6 g Schwefelsäure verwendet wurde, ergab beim Erhitzen eine unkontrollierbare Reaktion, wobei sich das Produkt sehr dunkel färbte und bei 150° C i m Kolben erstarrte. Das so erhaltene Produkt war in aromatischen und aliphatischen Lösungsmitteln und in trocknenden ölen unlöslich.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von filmbildenden Kondensationsprodukten durch Kondensation von Alkylphenolen, deren Alkylrest 4 bis 12
Kohlenstoffatome aufweist, und/oder Bisphenol,
Formaldehyd oder Paraformaldehyd und ungesättigten Kohlenwasserstoffpolymerisationsprodukten in Gegenwart von sauren Katalysatoren
in der Hitze, dadurch gekennzeichne t, daß als saurer Katalysator Oxalsäure und als ungesättigte Kohlenwasserstoffpolymerisationsprodukte Inden-, Inden/Cumaron- oder Inden/Cyclopentadienharze mit Jodzahlen zwischen 30 und 200 und Schmelzpunkten zwischen 60 und 180° C eingesetzt werden.
2. Verwendung der nach Anspruch 1 erhaltenen Kondensationsprodukte als Bindemittel in
Druckfarben.
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